Введение в метрологию. Измерения и их классификация. Погрешности измерений. Информационно-измерительные системы

ЧАСТЬ 1.  Введение в метрологию.

Введение

Измерения являются основой научных знаний, обеспечения требуемого качества продукции, взаимозаменяемости деталей и узлов, стандартизации и многих других областей человеческой деятельности. В том числе, во время проведения испытаний необходимо осуществлять большое число разнообразных измерений.

Можно привести два высказывания о важности измерений. Первое, высказанное Д.И.Менделеевым: «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять». Второе, высказанное лордом Томсоном: «Каждая вещь известна лишь в той степени, в какой ее можно измерить».

Вопросами теории и практики обеспечения единства измерений в стране и в мире занимается метрология. Она представляет собой науку об измерениях, о методах и средствах обеспечения единства измерений, о способах достижения требуемой точности. Метрология является теоретической основой измерительной техники и измерительных приборов [1]. Она естественным образом будет использоваться в изложении дальнейшего материала.

1.1. Измерения и их классификация

Измерение– это процесс, заключающийся в определении значения физической величины опытным путем с помощью технических средств. В соответствии с целью,  для которой они проводятся, измерения бывают диагностические, контрольно-испытательные, управленческие, социально-экономические.

По связи с объектом можно разделить измерения на контактные, при которых датчики физических величин имеют непосредственный (механический) контакт с исследуемым объектом или средой, и бесконтактные, в ходе которых измерительные приборы не соприкасаются с объектом (средой). Следует отметить, что приборы для осуществления контактных измерений, будучи, как правило, более простыми с технической точки зрения, в тоже время могут оказывать влияние на исследуемый объект и тем самым вносить  ошибку в результаты измерения. Так достаточно тяжелый датчик вибрации, закрепленный на некоторой конструкции, может изменить собственную частоту ее колебаний, для измерения которой он и был установлен.

По способу получения результатов все измерения делят на четыре основных вида: прямые, косвенные, совокупные и совместные [1,2]. Прямыми называют измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных (например, измерение длины проградуированной линейкой). Косвенными называются измерения, результат которых определяют на основании прямых измерений величин, связанных с измеряемой величиной известной зависимостью. Примером может служить определение электрического сопротивления по закону Ома с применением источника питания, амперметра (прибора для измерения тока) и вольтметра, измеряющего падение напряжения на сопротивлении (см. рис. 1.1).

В настоящее время в технике наиболее широко распространены именно косвенные измерения. Их доля в общем обьеме измерений доходит до 80 – 90%.

     Совокупные измерения заключаются в измерении нескольких однородных величин в различных сочетаниях с последующим решением системы уравнений. Например, совокупными являются измерения, при которых массы отдельных гирь набора находят по известной массе одного из них, и по результатам сравнений масс различных сочетаний гирь. Целью совместных измерений является установление зависимостей между одновременно измеряемыми разнородными величинами (например, температурная зависимость электрического сопротивления, измеренная по результатам измерения тока и напряжения, и применения закона Ома).

По характеру зависимости измеряемой величины от времени, измерения разделяются на:

-  статические, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени,

-  динамические, в процессе которых измеряемая величина изменяется и является непостоянной во времени.

Статическими измерениями являются, например, измерения размеров тел, постоянного давления и т.д., динамическими – измерения пульсирующих давлений, вибраций, давление пороховых газов, положение и скорость снаряда в процессе выстрела.

По точности измерения можно разделить на равноточные, которые обеспечиваются применением приборов одинаковой точности в одинаковых условиях, и неравноточные. Примером неравноточных измерений могут служить радиолокационные траекторные измерения, в ходе которых часть времени летящий объект проходит сквозь дождевое облако, что влечет за собой ухудшение условий радиолокационного наблюдения и увеличение ошибок в определении текущего положения.

По числу измерений выделяют однократные и многократные измерения. При многократных измерениях результат получается путем усреднения результатов нескольких однократных измерений.

По способу представления результатов измерения делят на абсолютные и относительные. Абсолютные измерения выражены в соотвествующих размерных единицах (килограммах, метрах, градусах). В относительных измерениях результатом обычно является отношение значения измеряемой величины к одноименной величине, принимаемой за исходную или отношение изменения физической величины к исходному значению.