По характеру изменения информации, получаемой в процессе измерении

различают статические (измерения, которые проводятся при практическом посто­янстве измеряемой величины, например измерение размеров земельного участка) и динамические (измерения изменяющейся по размеру величины, например измерение расстояния до уровня земли со снижающегося самолета).

По числу измерений они бывают однократные (измерение, выполненное один раз), многократные (измерение, состоящее из ряда однократных измерений).

По выражению результата различают абсолютные (измерения, основанные на прямых измерениях величин) и относительные (измерение отношения величины к одноименной величине, выполняющей роль единицы).

По характеристике точности измерения бывают: максимально возможной точности (эталонные измерения, где с максимальной возможной точностью вос­производят единицы физических величин), контрольно-поверочные (измерения, выполняемые лабораториями государственного надзора за внедрением и соблюде­нием стандартов и состоянием измерительной техники и заводскими измеритель­ными лабораториями, которые гарантируют погрешность результата с определенной вероятностью, не превышающей заранее заданного значения), технические (по­грешность результата определяется характеристиками средств измерений).

Классификация методов измерений. Метод измерений - прием или совокуп­ность приемов (способов) сравнения измеряемой физической величины с ее едини­цей в соответствии с выбранным (реализованным) принципом измерений.

Методы измерений классифицируют по следующим признакам:

• по общим приемам получения результатов измерений - прямой метод изме­рений, косвенный метод измерений;

• по условиям измерений - контактный метод (чувствительный элемент при­бора приводят в контакт с объектом измерения, например измерение темпера-

Глава 2

туры воды термометром) и бесконтактный метод измерений (чувствительный элемент прибора не приводят в контакт с объектом измерения, например изме­рение расстояния до объекта радиолокатором); • по способу сравнения измеряемой величины с ее единицей - метод непосред­ственной оценки(значение величины определяют непосредственно по отсчет-ному устройству средства измерения, например термометра, вольтметра и др.) и метод сравнения с мерой (измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой, например измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями).

Классификация средств измерений. Средства измерений (СИ) - это техниче­ские средства, предназначенные для измерений и имеющие нормированные метро­логические характеристики. СИ классифицируют по двум признакам: конструктив­ному исполнению и метрологическому назначению.

По конструктивному исполнению СИ подразделяют: на меры физической вели­чины, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки, измерительные системы.

Меры физической величины - это средства измерений, предназначенные для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров. Различают меры: однозначные (гиря 1 кг, калибр); многознач­ные (масштабная линейка, конденсатор переменной емкости); наборы мер (набор гирь, набор калибров). Указанное на мере или приписанное ей значение величины является номинальным значением. Разность между номинальным и действительным значениями называется погрешностью меры, которая служит метрологической ха­рактеристикой меры.

К однозначным мерам относят также стандартные образцы (СО). Существуют стандартные образцы состава и стандартные образцы свойств. СО состава вещества (материала) - стандартный образец с установленными значениями величин, характе­ризующих содержание определенных компонентов в веществе (материале). СО свойств веществ (материалов) - стандартный образец с установленными значениями величин, характеризующих физические, химические, биологические и другие свойства. Новые СО допускают к использованию при условии прохождения ими метро­логической аттестации. Метрологическую аттестацию проводят органы метрологи­ческой службы. Так, созданные в Центральном институте агрохимического обслу­живания сельского хозяйства государственные и отраслевые образцы состава почв аттестованы на содержание макро- и микроэлементов (марганца, кобальта, цинка, ме­ди, молибдена, бора) и другие характеристики (величина рН). Эти стандартные образ­цы были аттестованы в межлабораторном эксперименте и предназначены для градуи­ровки приборов, поверки СИ, для контроля правильности анализов почв по аттесто­ванным в СО показателям, для аттестации СО предприятий методом сличения.

Измерительный преобразователь (ИП) - СИ, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или сигнал измерительной информации, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований.

Измерительный прибор - СИ, предназначенное для получения значений изме­ряемой физической величины в установленном диапазоне. Прибор, как правило, содержит устройство для преобразования измеряемой величины и ее индикации в форме, наиболее доступной для восприятия. Во многих случаях устройство для ин­дикации имеет шкалу со стрелкой или другим устройством, диаграмму с пером или

Основы метрологии

цифроуказатель, с помощью которых может быть произведен отсчет или регистра­ция значений физической величины. По способу образования показаний измери­тельные приборы можно разделить на показывающие и регистрирующие.

К показывающим измерительным приборам относят приборы с цифровым от­счетом. Регистрирующие измерительные приборы содержат механизм регистрации показаний. Регистрирующий прибор, в котором предусмотрена запись показаний в виде диаграммы, называют самопишущим прибором.

Измерительная установка - совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов и измерительных преобразователей и других устройств, предназначенных для измерений одной или нескольких физических величин и рас­положенных в одном месте. Измерительную установку, предназначенную для испы­таний каких-либо изделий, иногда называют испытательным стендом.

Измерительная система - совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других техни­ческих средств, размещенных в разных точках контролируемого пространства с це­лью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому пространству. Примером может служить радионавигационная система для опреде­ления местоположения судов, состоящая из ряда измерительных комплексов, разне­сенных в пространстве на значительном расстоянии друг от друга. Измерительные системы широко используют для автоматизации технологических процессов в раз­личных отраслях промышленности, сельского хозяйства и энергетики. При этом управление процессом осуществляет вычислительно-измерительный комплекс, включающий измерительную систему, функционально связанную с ЭВМ.

По метрологическому назначению все СИ подразделяют на два вида - рабочие средства и эталоны.

Рабочие СИ предназначены для проведения технических измерений. По усло­виям применения они могут быть лабораторными, используемыми в научных ис­следованиях, проектировании технических устройств, медицинских измерениях; производственными, используемыми для контроля характеристик технологических процессов, контроля качества готовой продукции, контроля отпуска товаров; поле­выми, используемыми непосредственно при эксплуатации таких технических уст­ройств, как самолеты, автомобили, речные и морские суда и др.

Эталон - выполненное по особой спецификации и официально утвержденное средство измерений, обеспечивающее воспроизведение и хранение единицы физи­ческой величины с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений. Эталонную базу страны составляют около 120 государствен­ных эталонов, которые хранятся в государственных научных метрологических цен­трах (ГНМЦ).

Росстандарт располагает самой современной эталонной базой. Она входит в тройку самых совершенных наряду с базами США и Японии. Создаются много­функциональные эталоны, которые воспроизводят на единой конструктивной и мет­рологической основе не одну, а несколько единиц физических величин или одну единицу, но в широком диапазоне измерений. Характеристика эталонов приведена в разделе 2.5.

Метрологические характеристики средств измерений. Метрологические ха­рактеристики средств измерений - это характеристики свойств средств измерений, влияющие на результат измерений и его погрешность. Метрологические характера

Глава 2

стики, устанавливаемые нормативными документами, называют нормируемыми метрологическими характеристиками.

Все метрологические характеристики СИ можно разделить на две группы: ха­рактеристики, определяющие область применения СИ, и характеристики, опреде­ляющие качество измерения. К первой группе относят диапазон измерений и порог чувствительности.

Диапазон измерении - область значений величины, в пределах которой норми­рованы допускаемые пределы погрешности. Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу или сверху (слева или справа), называют соответственно нижним или верхним пределом измерений.

Порог чувствительности - наименьшее изменение измеряемой величины, ко­торое вызывает заметное изменение выходного сигнала. Например, если порог чув­ствительности весов равен 10 мг, то это означает, что заметное перемещение стрел­ки весов достигается при таком малом изменении массы, как 10 мг.

К метрологическим характеристикам второй группы относят три главные ха­рактеристики, определяющие качество измерений: точность, сходимость и воспро­изводимость измерений.

На процесс измерения и получение результата измерения оказывает воздейст­вие множество факторов: характер измеряемой величины, качество применяемых средств измерений, метод измерений, условия окружающей среды (температура, влажность, давление и др.), индивидуальные особенности оператора (специалиста, выполняющего измерения) и др. Поэтому результат измерений отличается от ис­тинного значения измеряемой величины.

Точность - качество измерений, отражающее близость их результатов к ис­тинному значению измеряемой величины. Высокая точность измерений соответст­вует малым погрешностям, как систематическим, так и случайным.

Погрешности измерений - отклонение результата измерений от истинного зна­чения измеряемой величины. Это теоретическое определение, гак как истинное зна­чение величины неизвестно. При метрологических работах вместо истинного значе­ния используют действительное, за которое принимают обычно показание эталонов.

Погрешности измерений по форме числового выражения подразделяют на аб­солютные и относительные. Относительные погрешности определяют отношением абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины. Абсолют­ные погрешности выражают в единицах измеряемой величины, относительные -в процентах. Например, масса вагона 50 т измерена с абсолютной погрешностью ±50 кг, а относительная погрешность составляет ±0,1%.

По источникам возникновения погрешности подразделяю! на инструменталь­ные (обусловлены свойствами средств измерений), методические (возникают вслед­ствие неправильного выбора модели измеряемого свойства объекта, несовершенства принятого метода измерений, допущений и упрощений при использовании эмпири­ческих зависимостей и др.) и субъективные (погрешности оператора).

По характеру проявления погрешности измерений подразделяют на системати­ческие и случайные.

Систематическая погрешность это погрешность результата измерения, ос­тающаяся постоянной или изменяющейся по определенному закону при повторных измерениях одной и той же величины. Если эта погрешность известна, то ее исклю­чают из результатов разными способами, в частности введением поправок.

Основы метрологии

Случайная погрешность - это погрешность, которая изменяется случайным обра­зом при повторных измерениях одной и той же величины. В отличие от систематиче­ской ее нельзя исключить из результатов измерений. Однако ее влияние может быть уменьшено путем применения специальных способов обработки результатов измере­ний, основанных на положениях теории вероятности и математической статистики.

Сходимость результатов измерений - характеристика качества измерений, отражающая близость друг к другу результатов измерений одной и той же величи­ны, выполненных повторно одними и теми же средствами, одним и тем же методом, в одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью (одним и тем же операто­ром). Для методик выполнения измерений это одна из важнейших характеристик.

Воспроизводимость результатов измерений - качество измерений, отражаю­щее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в различных усло­виях (в различное время, в разных местах, разными методами и средствами измере­ний, разными операторами). В процедурах испытаний продукции воспроизводи­мость - одна из важнейших характеристик.

Номенклатура нормируемых метрологических характеристик СИ определяется назначением, условиями эксплуатации и многими другими факторами. У СИ, при­меняемых для высокоточных измерений, нормируется до десятка и более метроло­гических характеристик в стандартах технических требований (технических усло­вий) и ТУ. Нормы на основные метрологические характеристики приводят в экс­плуатационной документации на СИ. Учет всех нормируемых характеристик необ­ходим при измерениях высокой точности и в метрологической практике. В повсе­дневной производственной практике широко пользуются обобщенной характери­стикой - классом точности.

Класс точности СИ - обобщенная характеристика, выражаемая пределами допускаемых погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность. Классы точности конкретного типа СИ устанавливают в НД. При этом для каждого класса точности устанавливают конкретные требования к метрологическим характеристикам, в совокупности отражающим уровень точности СИ данного клас­са. Присваивают классы точности СИ при их разработке (по результатам приемоч­ных испытаний). В связи с тем, что при эксплуатации их метрологические характе­ристики обычно ухудшаются, допускается понижать класс точности по результатам поверки (калибровки).