Поняття про методи вимірювань

Метод вимірювань – прийом або сукупність прийомів порівняння вимірюваної фізичної величини з її одиницею відповідно до реалізованого принципу вимірювань.

Методи вимірювань класифікують по декількох ознаках.

По загальних прийомах отримання результатів вимірювань розрізняють:

· прямий метод вимірювань;

· непрямий метод вимірювань.

Перший реалізується при прямому вимірюванні, другий – при непрямому вимірюванні, які описані вищим.

За умовами вимірювання розрізняють:

· контактний методи вимірювань;

· безконтактний методи вимірювань.

Контактний метод вимірювань заснований на тому, що чутливий елемент приладу приводиться в контакт з об'єктом вимірювання (вимірювання температури тіла термометром). Безконтактний метод вимірювань заснований на тому, що чутливий елемент приладу де приводиться в контакт з об'єктом вимірювання (зміна відстані до об'єкту радіолокатором, зміна температури в доменній печі пірометром).

Виходячи із способу порівняння вимірюваної величини з її одиницею, розрізняють методи безпосередньої оцінки і метод порівняння з мірою.

При методі безпосередньої оцінки визначають значення величини безпосередньо по відліковому пристрою показуючого СІ (термометр, вольтметр і ін.). Міра, що відображає одиницю вимірювання, у вимірюванні не бере участь. Її роль грає в СІ шкала, проградуйована при його виробництві за допомогою достатніх точних СІ.

При методі порівняння з мірою вимірювану величину порівнюють з величиною, відтворною мірою.

Метрологічні властивості СІ – це властивості, що впливають на результат вимірювань і його погрішність. Показники метрологічних властивостей є їх кількісною характеристикою і називаються метрологічними характеристиками.

Метрологічні характеристики, встановлювані НД, називають нормованими метрологічними характеристиками.

Всі метрологічні властивості СІ можна розділити на дві групи:

3. Властивості, що визначають область застосування СІ.

4. Властивості, що визначають якість вимірювання.

До основних метрологічних характеристик, що визначають властивості першої групи, відносяться діапазон вимірювань і поріг чутливості.

Діапазон вимірювань – область значень величини, в межах яких нормовані межі погрішності, що допускаються. Значення величини, що обмежують діапазон вимірювань знизу або зверху (зліва і справа), називають відповідно нижньою або верхньою межею вимірювань.

Поріг чутливості – найменша зміна вимірюваної величини, яка викликає помітну зміну вихідного сигналу. Наприклад, якщо поріг чутливості вагі рівний 10 міліграм, то це означає, що помітне переміщення стрілки ваг досягається при такій малій зміні маси, як 10 міліграм.

До метрологічних властивостей другої групи відносяться три головні властивості, що визначають якість вимірювань: точність, збіжність і відтворюваність вимірювань.

Найширше в метрологічній практиці використовується перша властивість – точність вимірювань. Розглянемо його найдетальніше. Точність вимірювань СІ визначається їх погрішністю.

Погрішність – це різниця між свідченнями СІ і дійсним (дійсним) значенням вимірюваної фізичної величини. Оскільки дійсне значення фізичної величини невідоме, то на практиці користуються її дійсним значенням. Для робочого СІ за дійсне значення приймають свідчення робочого еталону нижчого розряду (допустимо, 4-го), для еталону 4-го розряду, у свою чергу, – значення фізичної величини, отримане за допомогою робочого еталону 3-го розряду. Таким чином, за базу для порівняння приймають значення СІ, яке є в перевірочній схемі вищестоящим по відношенню до підлеглого СІ, підмету перевірці.

 

Dxn = Xn-x0

 

Де:

· Dxn – погрішність СІ, що повіряється;

· Xn – значення тієї ж самої величини, знайдене за допомогою СІ, що повіряється;

· X0 – значення СІ, прийняте за базу для порівняння, – дійсне значення.

Наприклад, при вимірюванні барометром атмосферного тиску набуте значення Xn = 1017 гпа. За дійсне значення прийнято свідчення робочого еталону, яке дорівнювало X0 = 1020 гпа. Отже, погрішність вимірювання барометром склала:

Dxn = 1017-1020 = -3 гпа.

Погрішності СІ можуть бути класифіковані по ряду ознак, зокрема:

· за способом виразу – абсолютні, відносні;

· по характеру прояви – систематичні, випадкові;

· по відношенню до умов застосування основні, додаткові.

Найбільшого поширення набули метрологічні властивості, пов'язані з першим угрупуванням, – з абсолютними і відносними погрішностями.

Точність вимірювань СІ – якість вимірювань, що відображає близькість їх результатів до дійсного (істинному) значення вимірюваної величини. Точність визначається показниками абсолютної і "відносної погрішності.

Визначувана по формулі Dxn є абсолютною погрішністю. Проте більшою мірою точність СІ характеризує відносна погрішність, тобто виражене у відсотках відношення абсолютної погрішності до дійсного значення величини, вимірюваної або відтворної даним СІ.

Точність може бути виражена зворотною величиною відносної погрішності – 1/d . Якщо погрішність d = 0,1% або 0,001=10-3, то точність рівна 103.

У стандартах нормує характеристики точність, пов'язана з іншими погрішностями.

Систематична погрішність – складова погрішності результату вимірювання, що залишається постійною (або ж що закономірно змінюється) при повторних вимірюваннях однієї і тієї ж величини. Її прикладом може бути погрішність градуювання, зокрема погрішність показань приладу з круговою шкалою і стрілкою, якщо вісь останньою зміщена на деяку величину щодо центру шкали. Якщо ця погрішність відома, то її виключають з результатів різними способами, зокрема введенням поправок.

При нормуванні систематичної погрішності, що становить, СІ встановлюють межі систематичної похибки СІ, що припускається, – конкретного типу – D. Величина систематичної погрішності визначає таку метрологічну властивість, як правильність вимірювань СІ.

Випадкова погрішність – складова погрішності результату вимірювання, що змінюється випадковим чином (по знаку і значенню) в серії повторних вимірювань одного і того ж розміру величини з однаковою ретельністю. У появі цього виду погрішності не спостерігається якої-небудь закономірності. Вони неминучі і неусувні, завжди присутні в результатах вимірювання. При багатократному і достатньо точному вимірюванні вони породжують розсіяння результатів.

Характеристиками розсіяння є середня арифметична погрішність, середня квадратична погрішність, розмах результатів вимірювань. Оскільки розсіяння носить імовірнісний характер, то при вказівці на значення випадкової погрішності задають вірогідність.

Вкажемо як приклад на дві нормовані метрологічні характеристики, що відображають точність СІ.

Довірча погрішність – верхня і нижня межі інтервалу погрішності результату вимірювань при даній довірчій вірогідності. Наприклад, в перевірочній схемі для гир і ваг встановлено для гир 1-3-го розрядів значення довірчої абсолютної погрішності (d) при вірогідності 0,95.

Середня квадратична погрішність (середнє квадратичне відхилення (Sd) – характеристика розсіяння результатів вимірювань однієї і тієї ж величини унаслідок впливу випадкових погрішностей. Застосовується для оцінки точності первинних і вторинних еталонів. Наприклад, в перевірочній схемі для гирі як вторинного еталону (еталону-копії) дано значення погрішності через такий різновид показника, як сумарна погрішність результату вимірювань (SDS).

Вона представляє середню квадратичну погрішність результату вимірювань, що складається з випадкових і не виключених систематичних погрішностей.

Нарешті, показники точності можуть встановлюватися у зв'язку з угрупуванням погрішностей СІ за умовами вимірювання.

Основна погрішність СІ – погрішність, визначувана в нормальних умовах застосування СІ.

Додаткова погрішність СІ – складова погрішності СІ, що додатково виникає унаслідок відхилення який-небудь з впливаючих величин (температури, відносної вологості, напруга мережі змінного струму і ін.) від її нормального значення.

Зазвичай метрологічні характеристики нормують роздільно для нормальних і робочих умов застосування СІ. Нормальними вважаються умови, при яких зміною характеристик під впливом зовнішніх чинників (температура, вологість і ін.) прийнято нехтувати. Так, для багатьох типів СІ нормальними умовами застосування є температура (293±5) До, атмосферний тиск(100±4) кпа, відносна вологість (65±15)%, електрична напруга в мережі живлення 220 В±10%. Робочі умови відрізняються від нормальних ширшими діапазонами зміни впливаючих величин. І ті та інші метрологічні характеристики указуються в НД.

Оцінка погрішності вимірювань СІ, використовуваних для визначення показників якості товарів, визначається специфікою застосування останніх. Наприклад, погрішність вимірювання колірного тону керамічних плиток для внутрішньої обробки житла повинна бути принаймні на порядок нижче, ніж погрішність вимірювання аналогічного показника картин, що серійно випускаються, зроблених кольоровим фотодруком. Річ у тому, що різнотонність два наклеєних поряд на стіну кахляних плиток впадатиме в очі, тоді як різнотонність окремих екземплярів однієї картини помітно не виявиться, оскільки вони використовуються розрізнено.

Вище були детально розглянуті характеристики точності результатів вимірювань. Розглянемо два інших властивості, що визначають якість вимірювань, – збіжність і відтворюваність результатів вимірювань.

Збіжність результатів вимірювань – характеристика якості вимірювань, що відображає близькість один до одного результатів вимірювань однієї і тієї ж величини, виконаних повторно одними і тими ж засобами, одним і тим же методом, в однакових умовах і з однаковою ретельністю.

Кількісна оцінка збіжності може бути дана за допомогою різних показників. Так, в стандартах на методи визначення хімічного складу м'яса збіжність указується в різній формі: при визначенні нітриту за результат аналізу приймають середнє арифметичне з двох паралельних визначень при розбіжності по відношенню до середнього не більше 10% при Р = 0,95; при визначенні азоту різниця між результатами двох визначень, виконаних одночасно або з невеликими проміжками часу одним і тим же хіміком-аналітиком, не повинна перевищувати 0,10 г азоту на 10 г зразка.

Висока збіжність результатів вимірювання дуже важлива при оцінці показників якості товарів, що набувають споживачем у вигляді партії (див. вище приклад з керамічною плиткою).

Відтворюваність результатів вимірювань – повторюваність результатів вимірювань однієї і тієї ж величини, отриманих в різних місцях, різними методами, різними операторами, в різний час, але приведених до одних і тих же умов вимірювань (температурі, тиску, вологості і ін.).

Наприклад, в стандарті на методи визначення щільності молока відтворюваність регламентується в наступній формі: розбіжність, що допускається, між результатами визначення щільності молока одним типом ареометра в різних умовах (в різний час, в різних місцях і різними операторами) не повинно перевищувати 0,8 кг/м³.

У процедурах звірення результатів аналізу якості однотипної продукції в різних лабораторіях рекомендується оцінювати відтворюваність по методиці, викладеній в наступному прикладі.

Номенклатура нормованих метрологічних характеристик СІ визначається призначенням, умовами експлуатації і багатьма іншими чинниками. У СІ, вживаних для високоточних вимірювань, нормується до десятка і більш метрологічних характеристик в стандартах технічних вимог (технічних умов) і ТУ. Норми на основні метрологічні характеристики приводяться в експлуатаційній документації на СІ. Облік всіх нормованих характеристик необхідний при вимірюваннях високої точності і в метрологічній практиці. У повсякденній виробничій практиці широко користуються узагальненою характеристикою – класом точності.

Клас точності СІ – узагальнена характеристика, що виражається межами похибок, що припускаються (основною і додатковою), а також іншими характеристиками, що впливають на точність. Класи точності конкретного типу СІ встановлюють в НД. При цьому для кожного класу точності встановлюють конкретні вимоги до метрологічних характеристик, що в сукупності відображають рівень точності СІ даного класу. Наприклад, для вольтметрів нормують межу основної похибки, що припускається, і відповідні нормальні умови; межі додаткових похибок, що припускаються; межі варіації свідчень, що допускається; неповернення покажчика до нульової відмітки. У плоскопаралельних кінцевих мерів довжини такими характеристиками є межі відхилень, що допускаються, від номінальної довжини і плоскопараллельності; межі зміни довжини, що допускається, протягом року. У мерів електрорушійної сили (нормальних елементів) нормують межі нестабільності, що допускається, ЕДС протягом року.

Позначення класів точності здійснюється таким чином.

Якщо межі основної похибки, що припускається, виражені у формі абсолютної погрішності СІ, то клас точності позначається прописними буквами римського алфавіту. Класам точність, якій відповідають менші межі похибок, що припускаються, привласнюються букви, що знаходяться ближче на початок алфавіту.

Для СІ, межі основної похибки яких, що припускається, прийнято виражати у формі відносної погрішності, позначаються числами, які рівні цим межам, вираженим у відсотках. Так, клас точності 0,001 нормальних елементів свідчить про те, що їх нестабільність за рік не перевищує 0,001%. Позначення класу точності наносять на циферблати, щитки і корпуси СІ, приводять в НД. СІ з декількома діапазонами вимірювань однієї і тієї ж фізичної величини або призначеним для вимірювань різних фізичних величин можуть бути привласнені різні класи точності для кожного діапазону або кожної вимірюваної величини. Так, приладу електровимірювання, призначеному для вимірювань напруги і опору, можуть бути привласнені два класи точності: один як вольтметру, інший як омметру.

Привласнюються класи точності СІ при їх розробці (за наслідками приймальних випробувань). У зв'язку з тим що при експлуатації їх метрологічні характеристики зазвичай погіршуються, допускається знижувати клас. точність за наслідками перевірки (калібрування).

3. Клас точності дозволяє судити про те, в яких межах знаходиться погрішність вимірювань цього класу. Це важливо знати при виборі СІ залежно від заданої точності вимірювань.

4. Точність і методика вироблюваних вимірювань вимагає окремого розгляду.

Система відтворення одиниць фізичних величин і передачі інформації про їх розміри всім без виключення СІ в країні складає технічну базу забезпечення єдності вимірювань.

Відтворення одиниць фізичних величин. Відповідно до основним рівнянням вимірювання процедура зводиться до порівняння невідомого розміру з відомим, як яке виступає розмір відповідної одиниці Міжнародної системи. Відтворенням одиниці є сукупність операцій по матеріалізації одиниці фізичної величини з найвищою в країні точністю за допомогою державного еталону або початкового робочого еталону. Розрізняють відтворення основних і похідних одиниць. Розміри одиниць можуть відтворюватися там же, де виконуються вимірювання (децентралізований спосіб), або інформація про них повинна передаватися з централізованого місця їх зберігання або відтворення (централізований спосіб). Децентралізовано відтворюються одиниці багатьох похідних фізичних величин. Основні одиниці зараз відтворюються тільки централізований.

Централізоване відтворення одиниць здійснюється за допомогою спеціальних технічних засобів, званих еталонами. Еталон, що забезпечує відтворення одиниці з найвищою в країні (в порівнянні з іншими еталонами тієї ж одиниці) точністю, називається первинним еталоном. Первинні еталони – це унікальні засоби вимірювань, що часто є складними вимірювальними комплексами, створеними з урахуванням новітніх досягнень науки і техніки на даний період. Еталон, що забезпечує відтворення одиниці в особливих умовах і службовець для цих умов, називається спеціальним еталоном. Офіційно затверджені як початковий для країни первинний або спеціальний еталони називаються державними.

Еталон, одержуючий розмір одиниці шляхом звірення з первинним еталоном даної одиниці, називається вторинним еталоном.

Еталон повинен відповідати трьом основним вимогам:

· незмінність (здатність утримувати незмінним розмір відтворної ним одиниці протягом тривалого інтервалу часу);

· відтворюваність (відтворення одиниці з найменшою погрішністю для даного рівня розвитку вимірювальної техніки);

· слічаємість (здатність не зазнавати змін і не вносити яких-небудь спотворень при проведенні звірень).

Державні еталони є національним надбанням і тому повинні зберігатися в метрологічних інститутах країни в спеціальних еталонних приміщеннях, де підтримується строгий режим по вологості, температурі, вібраціям і іншим параметрам. Для забезпечення єдності вимірювань фізичних величин в міжнародному масштабі велике значення мають міжнародні звірення національних державних еталонів. Ці звірення допомагають виявити систематичні погрішності відтворення одиниці національними еталонами, встановити, наскільки національні еталони відповідають міжнародному рівню, і намітити шляхи вдосконалення національних (державних) еталонів.

У 1998 р. еталонна база Росії була представлена 116 державними еталонами, 250 вторинними еталонами, 70 установками вищої точності і державними стандартними зразками в кількості більше 7500.

Передача розміру одиниці є приведенням розміру одиниці фізичної величини, що зберігається СІ, що повіряється, до розміру одиниці, що відтворної або зберігається еталоном. Передача розміру здійснюється при звіренні цих одиниць. При передачі інформації про розмір одиниць широкого парку СІ доводиться удаватися до багатоступінчастої процедури.

За розміром одиниці, відтворним державним еталоном, встановлюються значення фізичних величин, відтворні вторинними еталонами.

Серед вторинних еталонів розрізняють:

· еталони-порівняння, вживані для звірення еталонів, які по тих або інших причинах не можуть безпосередньо звірятися один з одним;

· еталони-свідки, призначені для перевірки збереження і незмінності державного еталону і для заміни його у разі псування або втрати;

· еталони-копії, використовувані для передачі інформації про розмір одиниці робочим еталонам.

Самим поширеними за чисельністю парка вторинними еталонами є робочі еталони різних розрядів – 1,2, 3-го (іноді 4-го). Від робочих еталонів нижчого розряду розмір передається робочим засобам вимірювання (РЗВ). Число РЗВ по кожному з видів вимірювань досягає сотень тисяч і навіть мільйонів екземплярів (наприклад, термометри, манометри).

РЗВ володіє різною точністю вимірювань найбільш точні РЗВ при перевірці (калібруванню) отримують розмір від вторинних еталонів або робочих еталонів 1-го розряду; найменш точні – від еталонів нижчого розряду (3-го або 4-го).

Як методи передачі інформації про розмір одиниць використовують методи безпосереднього звірення (тобто звірення міри з мірою або свідчень двох приладів), а також звірення за допомогою компаратора.

Безпосереднє звірення застосовують, як правило, для менш точних мерів. Безпосередньо звіряти можна тільки штрихові міри довжини (лінійка, метри брусків, рулетки), заходи місткості (вимірювальні циліндри, бюретки, піпетки, мірні колби і тому подібне). Для точнішої перевірки використовують прилади-порівняння компаріруючі пристрою. Найчастіше застосовують наступні компаратори: зразкові ваги різних розрядів (при перевірці гир), мости постійного і змінного струму (при звіренні мерів опору і ЕДС нормальних елементів).

На кожному ступені передачі інформації про розмір одиниці точність втрачається в 3 – 5 разів (іноді в 1,25 – 10 разів). Значить, при багатоступінчастій передачі еталонна точність не доходить до споживача. Тому для високоточних СІ число ступенів може бути скорочене аж до передачі ним інформації безпосередньо від робочих еталонів 1-го розряду.

Перевірочні схеми СІ є документом, який встановлює супідрядність СІ, що беруть участь в передачі розміру одиниці від еталону до робочих СІ з вказівкою методів і погрішності при передачі. Розрізняють державні і локальні перевірочні схеми. Державні схеми регламентують передачу інформації про розмір одиниці всьому парку СІ в країні. На чолі цієї схеми знаходиться державний еталон.

Державні перевірочні схеми закладаються в основу державних стандартів. Локальні перевірочні схеми розповсюджуються на СІ, що підлягають перевірці, організовуваній МС міністерства (відомства) або МС юридичної особи.

Систему передачі образно представляють у вигляді піраміди: у підставі знаходиться сукупність РЗВ; вершину займає державний еталон; на проміжних площинах – робочі еталони різних розрядів. Від підставі до вершини зменшується погрішність СІ, росте їх вартість, знижується "тираж" виготовлення.

Процес передачі розміру одиниць відбувається при перевірці і калібруванні СІ. Перевірка і калібрування є набором операцій, що виконуються з метою визначення і підтвердження відповідності СІ встановленим технічним вимогам.

Принципова відмінність перевірки від калібрування полягає в тому, що перевірка:

3. Носить обов'язковий, характер і проводиться в рамках державного метрологічного контролю.

4. Проводиться відносно СІ, які застосовуються в законодавчо встановлених (Закон РФ "о забезпеченні єдності вимірювань") сферах, головним чином невиробничих, – охорона здоров'я, охорона навколишнього середовища, торгові операції, державні облікові операції, забезпечення оборони держави, банківські, податкові, митні операції і ін.