Метрологические процессы, погрешность измерений и их оценка. Порядок выбора измерительных средств

Министерство  образования Республики Беларусь

Учреждение  Образования

«Полоцкий Государственный Университет» 
 
 
 
 
 
 

                                                                                                   Кафедра ТМС  
 
 
 

Реферат

Метрологические процессы, погрешность измерений  и их оценка. Порядок выбора измерительных  средств. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил:                                                            студент группы 07-МА

                                                                               Демидович С.А. 

Проверил:                                                              старший преподаватель 

                                                                                Косяк Л.Н. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Новополоцк

2009г.

     Метрология  – наука об измерениях, методах  и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

     Неоднозначно  трактуемые измерения (от количественной оценки физических величин до приписывания чисел субъективно оцениваемым  свойствам) позволяют сторонникам "широкой  трактовки" измерений распространять область интересов науки об измерениях за пределы "чистой метрологии". В  результате метрология смешивается  с квалиметрией – областью науки, занимающейся количественной оценкой  качества объектов и их частных свойств.

     Измерения определенных (однотипных) свойств можно рассматривать как однозначное отображение элементов эмпирической реляционной системы (Q) на некоторую числовую реляционную систему (N), причем отображение (Q) на (N) должно быть изоморфным. (Изоморфизм в математике – свойство одинаковости строения каких-либо совокупностей элементов, совершенно безразличное к природе этих элементов).

     Измерительное преобразование в условиях единственности уравнения измерения и возможности  существования его решения можно  формально описать основным уравнением измерения:

Q = Nq,

где Q – измеряемая величина;

q – единица измеряемой величины;

N – числовое значение, определяющее соотношение между Q и q.

     Следует заметить, что данное теоретическое  положение идеализированно, поскольку  в нем не учитываются погрешности  измерений, которыми специально занимается метрология. Метрология в нашем понимании  занимается исключительно измерениями  физических величин на макроуровне.

     В соответствии с РМГ 29 – 99 измерение  физической величины (измерение величины; измерение) – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение  значения этой величины. В ранее действовавшем нормативном документе измерение трактовали как нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Принципиальных отличий в определениях не наблюдается.

     В РМГ 29 – 99 говорится, что приведенное  в нем определение понятия  «измерение» соответствует общему уравнению измерений, поскольку  в нем учтена техническая сторона (совокупность операций), раскрыта метрологическая  суть измерений (сравнение с единицей) и показан гносеологический аспект (получение значения величины).

     От  термина «измерение» происходит термин «измерять», наряду с которым  нередко применяются такие термины, как «мерить», «обмерять», «замерять», «промерять», а также «обмер», «замеры» и ряд других. Это нестандартные термины и применять их не следует.

     Физическая  величина (величина; ФВ) – одно из свойств  физического объекта (физической системы, явления или процесса), общее в  качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них. Как правило любой объект измерения характеризуется некоторым множеством физических величин (ФВ1,..., ФВn, или Q1,..., Qn). Например, любой предмет имеет массу (одна физическая величина), размеры (множество физических величин номинально разных и номинально одинаковых), плотность, твердость, электрические и магнитные характеристики. Физическая величина, присущая конкретному объекту, не является его единственной характеристикой. Поэтому измерение некоторой заданной физической величины можно представить моделью, показанной на рис. 2. Очевидно также, что результат измерения Хi не может идеально отражать измеряемое свойство и отличается от истинного значения измеряемой физической величины Qi.

     Точность  результата измерений (точность измерений) – одна из характеристик качества измерения, отражающая близость к нулю погрешности результата измерения. Поскольку точность измерения тем  выше, чем меньше его погрешность, для количественной характеристики точности измерений обычно используют значения погрешностей.

     Погрешность результата измерения (погрешность  измерения) – отклонение результата измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины.

     Упоминание  в определении действительного  значения измеряемой величины некорректно, поскольку само оно не совпадает  с истинным значением измеряемой величины, и, следовательно, не может  быть базой для отсчета погрешности. Погрешность измерения можно  представить в виде разности между  результатом измерения (полученным при измерении значением физической величины) и истинным значением физической величины

∆ = х – Q,

где ∆  – погрешность измерения,

х – результат измерения (полученное при измерении значение физической величины),

Q – истинное значение физической величины.

     Необходимость измерений в любом промышленном производстве проиллюстрирована рис. 3.

     Измерения необходимы для оценки любого объекта  трансформации (сырья, заготовки, детали, сборочной единицы) до ее начала, во время ее проведения и по окончании. В любом технологическом процессе надо знать, с чем приходится работать, чтобы планировать сам процесс, следить за тем как процесс  идет, чтобы при необходимости  корректировать его. Результат переработки  исходного объекта тоже подлежит измерениям для оценки его качества и принятия управляющих решений (пропустить далее в обработку, продажу, эксплуатацию, забраковать, вернуть  на переработку, корректировать техпроцесс...).

     Определяющее  значение измерения имеют и для  любых экспериментальных исследований. Д.И.Менделеев сказал: "Наука начинается там, где начинают измерять. Точная наука немыслима без меры". Галилео Галилею приписывают  слова: "Измерять то, что измеримо, делать измеримым то, что пока что  неизмеримо". Место измерений  в экспериментальных научных  исследованиях, проводимых с использованием не только визуальных, но и аппаратурных средств фиксации результатов, показано на рис.4.

     Достоверные результаты исследований и выводы из них могут быть получены только при "опережающей точности измерений". Любой тонкий эффект можно зафиксировать  только тогда, когда измерения позволяют  выделить его из информационного  шума, в том числе и обусловленного погрешностями измерений.

     Обмен результатами производственной и научной  деятельности, международная кооперация в науке, промышленности и торговле требуют обеспечения одинаковой достоверности всех результатов  производственных и научных измерений. Поэтому в метрологии вводятся такие  понятия, как единство измерений  и единообразие средств измерений.

     Единство  измерений – состояние измерений, характеризующееся тем, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных  пределах равны размерам единиц, воспроизводимых  первичными эталонами, а погрешности  результатов измерений известны и с заданной вероятностью не выходят  за установленные пределы.

     Обеспечение единства измерений необходимо для  обеспечения современного производства с разделением труда и кооперацией  как в масштабах одной страны, так и в международных промышленно  экономических отношениях. Вот почему с давних пор активно работают международные метрологические  организации, принимаются общие  для всех метрологические стандарты, гармонизируются требования к измерениям, к средствам измерений, к оценке их метрологических характеристик.

     Под единообразием средств измерений  понимают состояние средств измерений, характеризующееся тем, что они  проградуированы в узаконенных  единицах и их метрологические свойства соответствуют нормам. Для обеспечения  единообразия приходится разрабатывать  представления об эталонах единиц физических величин, создавать эталоны как  технические устройства, передавать значение единицы от эталонов другим, менее точным средствам измерений. Единообразие средств измерений  есть необходимое, но недостаточное  условие соблюдения единства измерений.

     Метрология  использует для повышения точности измерений новейшие достижения физики и других наук. Постоянно создаются  новые, все более точные средства измерений, включая эталоны, совершенствуются методы измерений и передачи единиц физических величин рабочим средствам  измерений, а также методы выявления  и оценки погрешностей измерений. В  соответствии с требованиями обеспечения  единства измерений метрология уделяет  особое внимание поиску и исключению систематических погрешностей измерений, а также вероятностной оценке случайных погрешностей, которые  в принципе невозможно прогнозировать и оценивать другими методами.

     Особое  место в метрологии занимает математическая обработка результатов измерений. Для обработки результатов косвенных  измерений, для построения моделей  объектов измерений и процессов  измерительного преобразования, для  оценки систематических погрешностей используют различные разделы математического  анализа, аналитической геометрии  и других областей «детерминированной»  математики. Наряду с этим широко используется аппарат теории вероятностей и математической статистики для оценки случайных составляющих погрешности измерений.

     На  сегодняшний день можно признать существование объективно сложившихся  теоретических основ в следующих  областях измерений:

физические  измерения в макромире (включая  технические измерения);

квантово-механические измерения;

психологические измерения;

кибернетические измерения;

математические  измерения.

     Есть  и другие пока еще недостаточно четко  оформившиеся области измерений.

     Физическими измерениями занимается метрология, трактуемая как "теория погрешностей измерения".

     Квантовомеханические измерения фактически основаны на взаимодействии микрообъекта с измерительным макроприбором.

     Психологические и им подобные измерения (измерения  в социологии, психологии, системотехнике и других подобных областях) сводятся к выбору типа шкалы и "помещению" объекта в некоторую ее область.

     В кибернетических измерениях в первую очередь рассматривают воздействие  помех в измерительном канале на искажение измерительной информации. Специально для этих целей разработана  информационная теория измерений.

     Математические  измерения основаны на допущении "идеальных  измерений", результаты которых свободны от погрешностей. Кроме того, изучение измерения как некоторого способа (алгоритма) получения числового  результата привело к разработке "алгоритмической теории измерения". 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Основы  теории измерения 

     Правила выполнения измерений оговорены  в методике выполнения измерений.

Методика  выполнения измерений (МВИ) - это нормативный  документ, в котором установлена  совокупность операции и правил, выполнение которых обеспечивает получение  необходимых резу измерения.

     В МВИ указываются: ее назначение и  область применения; нормы точности; метод измерений; требования к средствам  измерений; требования к безопасности; условия выполнения измерений; операции подготовки к выполнению измерений; экспериментальные операции, выполняемые  для получения результатов; способы  обработки результатов и оценки показателей точности измерений; требования к оформлению результатов измерений.

     Под методом измерения понимают прием  или совокупность приемов сравнения  измеряемой величины с ее единицей в соответствии с реализованным  принципом измерений. Метод измерений  обычно обусловлен устройством средств  измерений и реализованным принципом  измерений. Различают несколько  основных методов измерений: непосредственной оценки, сравнения с мерой, дифференциальный или разностный, нулевой, контактный и бесконтактный.

     Метод непосредственной оценки дает значение измеряемой величины непосредственно  по отчетному устройству измерительного прибора прямого действия (манометрам, весам и гак далее). Точность измерений  с помощью этого метода бывает ограниченной, но быстрота процесса измерений  делает его незаменимым для практики.

     Для выполнения точных измерений применяют  метод сравнения с мерой.

Измеряемую  величину сравнивают с величиной, воспроизводимой  мерой.

Например, измерение с помощью гирь, линейки, бюретки.

     Дифференциальный (разностный) метод характеризуется  измерением разности между значениями измеряемой и известной величинами (проверка мер длины сравнением с  образцовой мерой).

     Нулевой метод, в котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля (измерение  электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием).

     Контактный  метод основан на том, что чувствительный элемент прибора приводится в  контакт с объектом измерения (измерение  температуры тела термометром).

     Бесконтактный метод измерений основан на том, что чувствительный элемент прибора  не приводится в контакт с объектом измерения (измерение расстояния до объекта радиолокатором). 
 
 
 
 
 
 

     Виды  погрешностей и причины  их возникновения 

     Качество  измерений характеризуется: точностью, достоверностью, правильностью, сходимостью  и воспроизводимостью измерений. Точность измерительного прибора это - метрологическая характеристика прибора, определяемая погрешностью измерения, в пределах которой можно обеспечить использование данного измерительного прибора.

     В метрологии используется понятие "класс  точности" прибора или меры. Класс  точности средства измерений (ГОСТ 8.401-80) является обобщенной характеристикой  средства намерений, определяемой пределами  основных и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами, влияющими  на точность, значения которых устанавливаются  в стандартах на отдельные виды средств  измерения.

     Класс точности характеризует свойства средства измерения, но не является показателем  точности выполненных измерений, поскольку  при определении погрешности  измерения необходимо учитывать  погрешности метода, настройки и  др.

     В зависимости от точности приборы  разделяются на классы: первый, второй и т.д. Допускаемые погрешности  для разных типов приборов регламентируются государственными стандартами. Точность - это качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному  значению измеряемой величины. Количественная оценка точности - обратная величина модуля относительной погрешности. Например, если погрешность измерений равна 10 в степени минус 6, то точность равна 10 в степени плюс 6.  

     Точность  измерения зависит от погрешностей возникающих в процессе их проведения.

     Абсолютная  погрешность измерения - разность между  значением величины, полученным при  измерении, и ее истинным значением, выражаемая в единицах измеряемой величины.

     Относительная погрешность измерения - отношение  абсолютной погрешности, измерения  к истинному значению измеряемой величины.

     Систематическая погрешность измерения - составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или изменяющаяся по определенному  закону при повторных измерениях одной и той же величины. Систематическая  погрешность может быть исключена  с помощью поправки.

     Случайная погрешность - составляющая погрешности  измерения, изменяющаяся при повторных  измерениях одной и той же величины случайным образом.

     Грубая  погрешность измерения - погрешность, значение которой существенно выше ожидаемой.

     В зависимости от последовательности причины возникновения различают следующие виды погрешностей:

     Инструментальная  погрешность - составляющая погрешности  измерения, зависящая от погрешностей применяемых средств. Эти погрешности  определяются качеством изготовлении самих измерительных приборов.

     Погрешность метода измерения - составляющая погрешности  измерения, вызванная несовершенством  метода измерений.

     Погрешность настройки - составляющая погрешности  измерения, возникающая из-за несовершенства осуществления процесса настройки.

     Погрешность отсчёта - составляющая погрешности  измерения, вызванная недостаточно точным считыванием показаний средств  измерений. Погрешность возникает  из-за видимого изменения относительных  положений отметок шкалы вследствие перемещения глаза наблюдателя - погрешность параллакса.

     Погрешность поверки - составляющая погрешности  измерений, являющаяся следствием несовершенства поверки средств измерений.

     Погрешности от измерительного усилия действуют  в случае контактных измерительных  приборов. При оценке влияния измерительного усилия на погрешность измерения, необходимо выделить упругие деформации установочного  узла и деформации в зоне контакта измерительного наконечника с деталью.

     Влияющая  физическая величина - физическая величина, не измеряемая данным средством, но оказывающая  влияние на результаты измеряемой величины, например: температура и давление окружающей среды; относительная влажность  и др. отличные от нормальных значений.

     Погрешность средства измерения, возникающая при  использовании его в нормальных условиях, когда влияющие величины находятся в пределах нормальной области значений, называют основной.

     Если  значение влияющей величины выходит  за пределы нормальной области значений, появляется дополнительная погрешность.

     Нормальные  условия применения средств измерений - условия их применения, при которых  влияющие величины имеют, нормальные значения пли находятся в пределах нормальной (рабочей) области значений. Нормальные условия выполнения линейных и угловых  измерений и поверки регламентированы соответственно ГОСТ 8.050-73 и ГОСТ 8.395-80.

Нормальная  температура при проведении измерений  равна 20 °C (293 K), при этом рабочая область температур составляет 20 °C ± 1°.

     Температурные погрешности вызываются температурными деформациями. Они возникают из-за разности температур объекта измерения  и средства измерения. Существуют два  основных источника, обуславливающих  погрешность от температурных деформаций: отклонение температуры воздуха  от 20 °C и кратковременные колебания температуры воздуха в процессе измерения.

     Субъективные  погрешности - погрешности, зависящие  от оператора . Возможны четыре вида субъективных погрешностей: погрешность отсчитывания;  погрешность присутствия (проявляется в виде влияния теплоизлучения оператора на температуру окружающей среды, а тем самым и на измерительное средство); погрешность действия (вносится оператором при настройке прибора); профессиональные погрешности (связаны с квалификацией оператора, с отношением его к процессу измерения).

     Результат наблюдения - значение величины, полученное при отдельном наблюдении.

     Результат измерения - значение величины, найденное  в процессе измерения, после обработки  результатов наблюдения.

     Стабильность  средства измерений - качественная характеристика средства измерений, отражающая неизменность во времени его метрологических  свойств.

     В качестве количественной оценки стабильности служит нестабильность средства измерений  или вариация его показаний. Достоверность  измерений .характеризует степень доверия к результатам измерений. Достоверность оценки погрешностей определяют на основе законов теории вероятностей и математической статистики. Это дает возможность для каждого конкретного случая выбирать средства и методы измерений, обеспечивающие получение результата, погрешности которого не превышают заданных границ с необходимой достоверностью.

     Правильность  измерений - это качество измерений, отражающее близость к нулю систематических  погрешностей в результатах измерений.

     Сходимость - это качество измерений, отражающее близость друг к другу результатов  измерений одного и того же параметра, выполненных повторно одними и теми же средствами одним и тем же методом  в одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью.

     Воспроизводимость - это качество измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в различных условиях (в различное время, в различных местах, различными методами и средствами). 
 

     \ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Средства  измерения (СИ): классификация  СИ, погрешности СИ, нормированные метрологические характеристики СИ 

     Средством измерения (СИ) называется техническое  средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические  характеристики, воспроизводящее и  хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала  времени.

     Средства  измерения классифицируют по следующим  признакам: по конструктивному исполнению; по метрологическому назначению; по уровню стандартизации.

     По  конструктивному исполнению СИ подразделяются на меры, измерительные приборы, измерительные  преобразователи, измерительные установки, измерительные системы.

     Мера - это средство измерения, предназначенное  для воспроизведения физической величины заданного размера (например, гири - мера массы, резистор - мера электрического сопротивления).

     Измерительный преобразователь это средство измерения, предназначенное для выработки  измерительной информации в форме, Удобной для передачи, дальнейшего  преобразования, обработки или хранения, но недоступной для непосредственного  восприятия наблюдателем (термопара, частотный  преобразователь).

     Измерительные преобразователи могут быть первичными, к которым подведена измеряемая величина, и промежуточными, которые  располагаются в измерительной  цепи за первичными. Примерами первичных измерительных преобразователей являются термопары, датчики, электроды рН- метров.

     Измерительный прибор - средство измерения, предназначенное  для получения значений измеряемой физической величины в установленном  диапазоне (рН-метры, весы, фотоэлектроколориметры и так далее).

     Под измерительной установкой понимают совокупность средств измерений (мер, измерительных приборов, преобразователей) и вспомогательных устройств для выработки сигналов информации в форме, удобной для восприятия и расположенных в одном месте (испытательный стенд).

     Измерительная система - это совокупность средств  измерений и вспомогательных  устройств, соединенных между собой  каналами связи, размещенных в разных точках контролируемого пространства с целью измерения одной или  нескольких физических величин, свойственных этому пространству