Методика измерений. Виды измерений

Методикой измерений называется установленная совокупность операций и правил, выполнение которых при измерении обеспечивает получение результатов в соответствии с данным методом. Основная потеря точности при измерениях происходит не за счет возможной метрологической неисправности применяемых средств измерений, а, в первую очередь, за счет несовершенства методов и методик выполнения измерений.
По Закону РФ от 27.04.93 № 4871-1 «Об обеспечении единства измерений» измерения должны осуществляться по аттестованным в установленном порядке методикам.

Разработка методик выполнения измерений должна включать в себя следующие этапы:
анализ технических требований к точности измерений, изложенных в стандартах, технических условиях или технических заданиях;
определение конкретных условий проведения измерений;
выбор испытательного и вспомогательного оборудования, а также средств измерений;
разработку при необходимости нестандартных средств измерений;
исследование влияния условий проведения измерений и подготовки испытуемых объектов к измерениям на результаты измерений;
определение порядка подготовки средств измерений к работе, последовательности и количества измерений;
разработку или выбор алгоритма обработки экспериментальных данных и правил оформления результатов измерений.

В нормативно-технической документации на методики выполнения измерений предусматриваются нормы точности измерений, специфика измеряемой величины (диапазон, наименование продукции и т.д.), максимальная автоматизация измерений и обработки данных.

Методики выполнения измерений перед их вводом в действие должны быть аттестованы и стандартизованы. Аттестация включает в себя
разработку и утверждение программы аттестации;
выполнение исследований в соответствии с программой;
составление и оформление отчета об аттестации;
оформление аттестата методики выполнения измерений.

При аттестации должна быть проверена правильность учета всех факторов, влияющих на точность измерений, установлена достоверность их результатов. Аттестацию методик выполнения измерений проводят государственные и ведомственные метрологические службы.
При этом государственные метрологические службы проводят аттестацию методик особо точных, ответственных измерений, а также измерений, проводимых в организациях Ростехрегулирования.

Измерение

Виды измерений

Измерение — это нахождение значения физических величин опытным путем с помощью специальных технических средств.
По способу получения результата, т.е. числового значения измеряемой величины, измерения подразделяются на следующие виды:
прямые;
косвенные;
совместные;
совокупные.

При прямых измерениях числовое значение измеряемой величины определяется по данным отсчета показаний средств измерений.
Результат косвенных измерений определяется на основании прямых измерений величин, связанных с измеряемой величиной известной зависимостью (например, оценка плотности по результатам измерения объема и массы).
Совместные измерения производятся для двух или нескольких неодноименных величин в целях нахождения функциональной зависимости между ними.
Совокупными называют одновременные измерения нескольких одноименных величин, искомые значения которых находят решением системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях.

Измерения также классифицируются:
по характеристике точности — на равноточные и неравноточные;
числу измерений в серии — на однократные и многократные;
отношению к изменению измеряемой величины — на статические и динамические;
выражению результата измерений — на абсолютные и относительные;
метрологическому назначению — на технические (при помощи рабочих средств измерений) и метрологические (при помощи эталонов и образцовых средств для воспроизведения единицы физической величины).

Прямые измерения являются основой более сложных измерений. В соответствии с РМГ 29 — 99 «Рекомендации по межгосударственной стандартизации ГСИ. Метрология. Основные термины и определения» (взамен ГОСТ 16263 — 70 «Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Термины и определения») различают следующие методы прямых измерений:
метод непосредственной оценки — использование отсчетного устройства средств измерений;
метод сравнения с мерой — измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой;

метод дополнения — значение измеряемой величины дополняется мерой этой же величины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению;
дифференциальный метод — измеряется разность между измеряемой и известной однородной величиной, воспроизводимой мерой;
нулевой метод — аналогичен дифференциальному, но разность между измеряемой величиной и мерой сводится к нулю.

Результат и погрешность измерения

Результат — значение физической величины, полученное с использованием регламентированного метода измерения.
Под погрешностью результата измерения, или погрешностью измерения (количественный показатель), понимается отклонение результата измерения от истинного (на практике — действительного) значения измеряемой физической величины. Точность (качественный показатель) — степень приближения результата к истинному значению измеряемой ФВ.

Истинное значение — значение, которое идеальным образом характеризует в качественном и количественном отношении соответствующую величину.
Действительное значение — значение величины, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него.

При отсутствии необходимых эталонов, обеспечивающих воспроизведение, хранение и передачу соответствующих значений величин, необходимых для определения погрешности (точности) результатов измерений, в отечественной и международной практике за действительное значение зачастую принимают общее среднее значение (математическое ожидание) заданной совокупности результатов измерений.
В зависимости от формы выражения различают абсолютную, относительную и приведенную погрешности измерения.

Абсолютная погрешность ∆ определяется по формуле
∆ = Хизм- ХА
где Хизм — результат измерения; ХА— действительное значение физической величины, полученное экспериментально из предположения, что оно наиболее близко к истинному значению ФВ.

Относительная погрешность определяется по формуле

Погрешность средства измерения — это разность между показанием средства измерения и истинным (действительным) значением измеряемой ФВ.

Использование только абсолютной погрешности не позволяет сравнивать между собой по точности СИ с разным пределом измерений, а указание относительной погрешности также ограничена из-за непостоянства. Поэтому большое распространение получило нормирование приведенной погрешности, выраженное отношением абсолютной погрешности СИ к условно принятому значению величины, постоянному во всем диапазоне измерений или в части диапазона.

Приведенная погрешность γ, %, определяется из соотношения
где XN — условное нормирующее значение физической величины, выраженное в единицах абсолютной погрешности.

В качестве истинного значения Хист при многократных (n) измерениях параметра выступает его среднее арифметическое значение.
Среднее арифметическое из ряда измерений всегда имеет меньшую погрешность, чем погрешность каждого определенного измерения. Отсюда также следует, что при необходимости повышения точности результата в 2 раза число измерений нужно увеличить в 4 раза и т.д.

В зависимости от характера появления, причин возникновения и возможностей устранения различают систематическую и случайную составляющие погрешности измерений, а также грубые погрешности (промахи).
Случайная погрешность измерения — составляющая погрешности результата измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) при повторных измерениях, проведенных с такой же тщательностью, одной и той же физической величины.
Систематическая погрешность измерения — составляющая погрешности результата измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же физической величины.
Промах — погрешность результата отдельного измерения, входящего в ряд измерений, которое для данных условий резко отличается от остальных результатов этого ряда.

Цель измерений — получение оценки истинного значения измеряемой величины.

Обработка результатов прямых многократных измерений
Основная цель обработки экспериментальных данных — получение результата измерения и оценка его погрешности. Измерение, результат которого получен из ряда однократных измерений, называется многократным.

Чтобы оценить погрешность однократного измерения, используют результаты специально поставленного аналогичного эксперимента или данные предварительных исследований условий измерений, погрешностей использованных средств и методов измерений, а также погрешностей оператора.

Для определения результата многократных измерений и оценки их погрешностей широкое распространение получили вероятностно-статистические методы.
Многократные измерения подразделяются на равно- и неравноточные.
Равноточные измерения — это ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью.
Неравноточные измерения — это измерения какой-либо величины, выполненные различающимися по точности средствами измерений и (или) в разных условиях. Обработку таких измерений проводят с учетом оценки доверия к тому или иному отдельному результату измерения, входящему в ряд неравноточных измерений.

Порядок обработки результатов прямых многократных равноточных измерений изложен в ГОСТ 8.207 — 76 «Государственная система обеспечения единства измерений. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. Основные положения».

Контрольные вопросы
Что называется погрешностью измерений?
В чем разница между абсолютной и относительной погрешностью?
Что такое систематическая погрешность, как она проявляется и учитывается при измерениях?
Что такое случайная погрешность, как она проявляется и учитывается при измерениях?
В чем причины проявления грубых промахов?
Назовите методы оценки результатов измерений и объясните суть каждого из методов.

Средства измерения
Классификация средств измерения

Средства измерения принято классифицировать по виду, принципу действия и метрологическому назначению.
Различают следующие виды средств измерений: меры, измерительные устройства, которые подразделяются на измерительные приборы и измерительные преобразователи; измерительные установки и измерительные системы.

Мера — это средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера.
Измерительный прибор — средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.
Измерительный преобразователь — средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.
Измерительная установка — совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем и расположенная на одном месте.
Измерительная система — совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических сигналах управления.

Измерительные приборы, используемые для линейных измерений в машиностроении, классифицируют по назначению, конструктивному устройству и по степени автоматизации.
По назначению измерительные приборы разделяют на универсальные, специальные и для контроля.
По конструктивному устройству измерительные приборы делят на механические, оптические, электрические и пневматические и др.
По степени автоматизации различают измерительные приборы ручного действия, механизированные, полуавтоматические и автоматические.

Универсальные измерительные приборы применяют в контрольно-измерительных лабораториях всех типов производств, а также в цехах единичных и мелкосерийных производств.
Универсальные измерительные приборы подразделяются:
на механические:
простейшие инструменты — проверочные измерительные линейки, щупы, образцы шероховатости поверхности;
штангенинструменты — штангенциркуль, штангенглубиномер, штангенрейсмас, штангензубомер;
микрометрические инструменты — микрометр, микрометрический нутромер, микрометрический глубиномер;
приборы с зубчатой передачей — индикаторы часового типа;
рычажно-механические — миниметры, рычажные скобы;

оптические:
вертикальные и горизонтальные оптиметры, малый и большой инструментальные микроскопы, универсальный микроскоп, концевая машина, проекторы, интерференционные приборы;
пневматические:
длинномеры (ротаметры);
электрические:
электроконтактные измерительные головки, индуктивные приборы, профилографы, профилометры, кругломеры.

Специальные измерительные приборы предназначены для измерения одного или нескольких параметров деталей определенного типа; например приборы для измерения (контроля) параметров коленчатого вала, распределительного вала, параметров зубчатых колес, диаметров глубоких отверстий.
Приборы для контроля геометрических параметров по назначению делят на приборы для приемочного (пассивного) контроля (калибры), для активного контроля в процессе изготовления деталей и приборы для статистического анализа и контроля.

Метрологические характеристики измерительных средств

Основными нормируемыми характеристиками измерительных средств для технических измерений являются:
диапазон измерений — область значений измеряемой величины, для которой нормированы пределы погрешности прибора;
диапазон показаний (измерений по шкале) — область значений шкалы, ограниченная ее начальным и конечным значениями; например для вертикального оптиметра диапазон показаний 0,2 мм, пределы показаний (начальное и конечное значения шкалы) ±0,1 мм.
Диапазон измерений меньше или равен диапазону показаний.
Пределы измерения — наибольшее или наименьшее значение диапазона измерения.
Цена деления шкалы — разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы.
Длина (интервал) деления шкалы — расстояние между осями двух соседних отметок шкалы.
Чувствительность — свойство, отражающее способность реагировать на изменение измеряемой величины.
Стабильность — свойство, отражающее постоянство во времени метрологических показателей.

Основная метрологическая характеристика измерительного средства — погрешность измерительного средства или инструментальная погрешность средства имеет определяющее значение для наиболее распространенных технических измерений, включающих в себя измерительные средства для измерения длин и угловых размеров. В зависимости от условий использования измерительных средств различают основную и дополнительную погрешность.

Основной погрешностью средства измерений называют погрешность при использовании средства измерения в нормальных условиях, указываемых в стандартах, технических условиях, паспортах и т. п. В зависимости от режима применения различают динамическую и статическую погрешности.
Статическая погрешность измерительного средства — погрешность, возникающая при использовании измерительных средств для измерения постоянной величины.
Динамическая погрешность — погрешность, возникающая при использовании измерительного средства для измерения переменной во времени величины.

Основную погрешность средств измерений нормируют согласно ГОСТ 13.000—68, заданием пределов допускаемой основной погрешности. Когда основная погрешность находится в этих пределах, средства измерения допускаются к применению.
Пределы допускаемой основной погрешности задают в виде абсолютных, относительных или приведенных погрешностей измерительного средства.

Основная погрешность СИ определяется в нормальных условиях его применения. Дополнительная погрешность СИ — составляющая погрешности СИ, дополнительно возникающая из-за отклонений какой-либо из влияющих величин (температура и др.) от ее нормального значения.
Класс точности характеризует, в каких пределах находится погрешность данного типа средств измерения, но не является непосредственным показателем точности измерений, выполненных с помощью этих средств. Классы точности конкретного типа СИ устанавливают в нормативной документации.

Классы точности средств измерения
В настоящее время в повседневной практике при эксплуатации средств измерения принято нормирование метрологических характеристик на основе классов точности средств измерения. Под классом точности понимается обобщенная характеристика данного типа средств измерения, как правило, отражающая уровень их точности, выражаемая пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность.

Средства измерения должны удовлетворять требованиям, предъявляемым к метрологическим характеристикам, установленным для присвоенного им класса точности.

Метрологические характеристики, определяемые классами точности, нормируют следующим образом.
Пределы допускаемых основной и дополнительной погрешностей выражают в форме приведенных, относительных или абсолютных погрешностей (в зависимости от характера измерения погрешностей в пределах диапазона измерений, а также от условий применения и назначения средств измерения конкретного вида).

Пределы всех основных и дополнительных допускаемых погрешностей выражаются не более чем двумя значащими цифрами, при этом погрешность округления при вычислении пределов не должна превышать 5 %.

В зависимости от формы выражения погрешности классы точности могут обозначаться заглавными буквами латинского алфавита (например, М, С) или римскими цифрами (I, II, III и т.д.) с добавлением условных знаков, смысл которых раскрывается в нормативно-технической документации. При этом меньшие пределы погрешности должны соответствовать буквам, находящимся ближе к началу алфавита, или меньшим цифрам. Если же класс точности обозначается арабскими цифрами с добавлением какого-либо условного знака, то эти цифры непосредственно устанавливают оценку снизу точности показаний средств измерения.