Погрешности измерений и их виды

Лекция 2

План

1. Виды измерений и средства измерения физической величины.

2. Научные и методические основы метрологического обеспечения.

3. Погрешности измерений и их виды.

4. Поверка средств измерений

Для того, чтобы управлять качеством продукции, нужно ее измерить, поэтому регулирующим фактором управления качеством продукции является измерение.

Объектами измерения могут быть физические и нефизические величины. Например, цена, которая вначале имела натуральное выражение и определялась эквивалентным количеством продуктов питания (поголовьем рогатого скота, мешками и др.). С появлением денег – всеобщего эквивалента, и переходом к товарно-денежным отношениям цена стала выражаться в денежных знаках. Стоимость и цена являются мерами различных свойств товарной продукции. Они относятся не к физическим, а к экономическим показателям.

Количественной характеристикой измеряемой величины служит её размер.

Измерение – это процесс получения информации, заключающийся в сравнении опытным путём измеряемых и известных величин. Можно также сказать, что измерение – это получение числового значения физической величины, характеризующей свойства физического объекта, опытным путём и основанного на сравнении аналоговой величины с образцовой.

Числовые значения измеряемых величин зависят от того, какие используются единицы измерений. Очень важно не нарушать единства измерений и не допустить произвола в выборе единиц измерений. Чтобы этого не произошло, единицы измерения закрепляются законодательным путем. Поэтому необходимо пользоваться только международной системой единиц СИ, принятой на Украине законодательно 1 января 1980 г.

Понятие измерения отражает следующие его особенности:

- измерять можно характеристики свойств реально существующих объектов материального мира;

- метрологическая суть измерений состоит в определении соотношения между измеряемой величиной и её единицей;

- при проведении измерений обязательно используется техническое средство, которое хранит единицу измерения во времени;

- измерение – экспериментальный процесс, т.к невозможно провести измерение теоретическим или расчетным путём;

- результат измерения является значением физической величины.

Таким образом, измерение физических величин сводится к сравнению какой-либо величины с однородной величиной, принятой за единицу. Поэтому важным фактором обеспечения высокого качества измерений является достижение единства и требуемой точности измерений.

Основными свойствами измерений являются:

- точность результатов измерений, которая характеризуется погрешностями средств и методов измерений;

- сходимость, отражающая близость друг к другу результатов повторных измерений, осуществляемых в одинаковых условиях;

- воспроизводимость, отражающая близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в разных местах;

- быстрота получения результатов. Это свойство зависит от составленной методики, уровня автоматизации и обработки результатов измерений;

- единство измерений. Это свойство определяется равенством размеров единиц, применением узаконенных единиц физических величин, а также стандартизованных средств и методик измерений.

Для успешного измерения необходимо обеспечить:

- возможность воспроизведения и хранения установленной единицы техническим средством;

- возможность сохранения неизменным размера единицы, необходимый для проведения измерений;

- проведение измерений при определенных условиях (температура, влажность воздуха. давление).

Измерить можно не только физические величины, но и функциональные зависимости, характеризующие свойства объекта измерения.

Существует несколько видов измерений:

- измерение по шкале порядков;

- измерение по шкале интервалов;

- измерение по шкале отношений.

Шкала порядка – это расположение в порядке возрастания или убывания измеряемых величин. Шкалой порядка пользуются при построении людей по росту. Эта шкала очень не совершенная, так как построить людей с одинаковой разницей по убыванию или повышению невозможно.

Для того, чтобы обеспечить измерения по шкале порядка, некоторые точки на ней фиксируются как опорные или реперные. Например оценку знаний проводят по реперной шкале порядка, которая имеет вид баллов в учебных заведениях. Недостатком реперных шкал является неопределенность интервалов между реперными или опорными точками.

Шкала интервалов – более совершенное измерение, составленное из строго определенных интервалов. Например, измерение времени: год, который делится на более мелкие фрагменты – месяцы, недели, сутки, часы, минуты, секунды. По такой шкале можно судить не только о том, что один размер больше другого, но и о том насколько больше, т.е. можно применять такие математические действия, как сложение и вычитание.

Шкала отношений – это сравнение неизвестного размера с известным и выражение первого через второй в кратном или дольном отношении. Например, измерение роста человека «на глаз», сравнивая с метром, единицей измерения системы СИ. Врач «на ощупь» может судить о температуре тела человека.

Органолептические измерения, основаны на использовании органов чувств человека – обоняния, зрения, слуха, вкуса. Например, люди которые владеют уникальным слухом, могут быть акустиками, музыкантами, а при прекрасном обонянии – работать экспертами в парфюмерной промышленности, в пищевой промышленности – создание новых вкусовых гамм кофе и т.д.

Измерения основанные на ощущениях – состояние полёта, отсутствие гравитации у космонавтов ит.д.

Измерения основанные на впечатлениях – выступления артистов, концерты, выступление поэтов, выставка картин художников и т.д.

Метрологическими измерениями называются такие, которые проводятся при помощи эталонов и образцовых систем с целью передачи их размеров рабочим средствам.

Абсолютное измерение основано на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и использовании значений физических констант.

Относительные измерения основаны на отношении величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерении величины по отношению к одноименной величине, принятой за исходную.

На основании накопленного опыта практических измерений сформулирован основной постулат метрологии, на котором основана вся метрология: «любой отсчет является случайным числом».

Класс точности измерений– это обобщенная характеристика, выражаемая пределами допускаемых погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность.

По способу получения числового значения все измерения подразделяют на прямые, косвенные, совместимые, одноразовые, многоразовые.

Прямыми называют измерения, при которых измеряемое значение находят непосредственно из опытных данных. Например, измерение с помощью линейки, измерение давления манометром, температуры – термометром и т.д.

Косвенные измерения – это измерения, результат которых определяется посредством расчетов на основании прямых измерений величин. Например, определение концентрации вещества в растворе с помощью фотоэлектроколориметра. По оптической плотности раствора, измеренной при определенной длине волны, с помощью калибровочного графика находим количество исследуемого вещества в навеске продукта, а затем с помощью расчетной формулы находим процентное содержание данного вещества в растворе.

Совместимыми называют измерения двух или нескольких не являющихся однородными величин, проводимые одновременно для нахождения функциональной зависимости между ними. Результаты измерений используются при осуществлении контроля качества выпускаемой продукции и параметров технологического процесса.

Контроль подразделяют на активный и пассивный.

Активный контроль оказывает воздействие на технологический процесс непосредственно в ходе изготовления контролируемых изделий. От его точности зависит качество изделий. Для контроля применяются автоматические измерительные системы. Например, на пищевых предприятиях производится автоматизированный контроль сухих растворимых веществ с помощью автоматических рефрактометров, величина активной кислотности продуктов (рН) с помощью автоматических рефрактометров.

Пассивный контроль позволяет только констатировать, находится или не находится в данных пределах физические параметры контролируемого объекта. Он осуществляется при разбраковке изделий на годные и негодные, на исправные и неисправные.

По характеру зависимости измерений величины от времени измерения делятся на следующие:

- статические, актуальные в случае, когда измеряемая величина остается постоянной;

- динамические, актуальные в случае, когда измеряемая величина изменяется.

Качество измерений характеризуются точностью, достоверностью, сходимостью правильностью, воспроизводимостью, допустимой погрешностью.

Под правильностью измерений понимают качество измерений, отражающее близость к нулю систематических погрешностей в результатах измерений.

Воспроизводимость измерений – это качество измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполненных в различных условиях (в разное время, в разных местах).

Нормальными считаются такие условия, при которых изменением метрологических характеристик под воздействием влияющих величин можно пренебречь. Например, для многих типов системы измерений нормальными условиями применения являются: температура 20±5 ^оС, атмосферное давление – 84-106 кПа, относительная влажность – 30-80 %.

Рабочие условия отличаются от нормальных более широкими диапазонами влияющих величин, таких как температура, атмосферное давление, относительная влажность.

Погрешности измерений и их виды

Метрологическое обеспечение заключается в установлении и применении научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений. Научной основой метрологического обеспечения служит метрология.

Истинные значения физических величин – это значение, идеально отражающее свойства данного объекта, как в количественном, так и качественном отношении.

Результаты измерений представляют собой приближенные оценки значений физической величины, определенных путем измерения. Степень приближения зависит от многих факторов: метода измерения, технических средств, с помощью которых проводятся измерения, восприятия наблюдения. осуществляющего измерения.

Погрешность измерения – количественная характеристика качества измерения, определяемая разностью между истинным значением и измеряемой величины и результатами измерения.

Если истинное значение измеряемой величины неизвестно, для получения приближенных сведений используют действительное значение

Действительным значением физической величины называют значение, найденное экспериментально и настолько приближающееся к истинному значению, что при необходимости может быль использовано вместо него.

Погрешность средства измерения – погрешность, вызванная отклонением влияющих величин от нормального значения или их выходом за пределы областей нормальных значений.

Чтобы результат измерения был максимально приближен к истинному значению измеряемой величины, необходимо четко определить вопросы, связанные с выбором метода измерения, средства измерения, исполнителя. При неправильном выборе появляются методические, инструментальные или субъективные погрешности измерений.

Главными при чинами возникновения погрешностей измерения являются:

- несовершенство методов измерения;

- несовершенство физических средств. Используемых для измерения физических величин;

- несовершенство органов чувств наблюдения;

- влияние условий проведения измерений.

Инструментальные погрешности измерений – это погрешности применяемых средств измерений.

Абсолютная погрешность измерительного прибора – разность между показателем прибора и действительным значением измеряемой величины.

Относительная погрешность измерительного прибора – отношение абсолютной погрешности прибора к действительному значению величины, выраженное в процентах.

Диапазоном измерения называется область значений измеряемой величины, для которой нормализованы допустимые погрешности прибора.

Допустимой погрешностью считается погрешность прибора, при которой он может быть признан годным и допущен к применению.

Статистической называют погрешность, возникающую при измерении постоянной во времени величины.

Динамической погрешностью называют разность между погрешностью в динамическом режиме, т.е. погрешностью при измерении переменной во времени величины, и статистической погрешностью, которая соответствует значению измерений величины в данный момент времени.

Технической формой государственного надзора за измерительной техникой является государственная и ведомственная поверка средств измерений, имеющая целью установление их метрологической исправности.