Основные характеристики измерений

Основными характеристиками измерений являются: принцип измерений, средства измерений, метод измерений, погрешность, точность, правильность и достоверность.

Принцип измерений – физическое явление или совокупность физических явлений, положенных в основу измерений. Например, измерение массы тела с помощью взвешивания с использованием силы тяжести, пропорциональной массе, измерение температуры с использованием термоэлектрического эффекта.

Средствами измерений называются используемые при измерениях технические средства, имеющие нормированные метрологические свойства.

Метод измерений – совокупность приемов использования принципов и средств измерений, выбранную для решения конкретной измерительной задачи.

Погрешность измерений (или абсолютная погрешность)– разность между полученным при измерении Х^/ и истинным Q значением измеряемой величины:

.

Погрешность вызывается несовершенством методов и средств измерений, непостоянством условий наблюдения, а также недостаточным опытом наблюдателя или особенностями его органов чувств.

Точность измерений – это характеристика измерений, отражающая близость их результатов к истинному значению измеряемой величины.

Количественно точность можно выразить величиной, обратной модулю относительной погрешности:

.

Например, если погрешность измерений равна 10^-4, то точность равна 10⁴.

Правильность измерения определяется как качество измерения, отражающее близость к нулю систематических погрешностей результатов (т.е. таких погрешностей, которые остаются постоянными или закономерно изменяются при повторных измерениях одной и той же величины). Правильность измерений зависит, в частности, от того, насколько действительный размер единицы, в которой выполнено измерение, отличается от ее истинного размера (по определению), т.е. от того, в какой степени были правильны (или верны) средства измерений, использованные для данного вида измерений.

Важнейшей характеристикой качества измерений является их достоверность; она характеризует доверие к результатам измерений и делит их на две категории: достоверные и недостоверные, в зависимости от того, известны или неизвестны вероятностные характеристики их отклонений от истинных значений соответствующих величин. Результаты измерений, достоверность которых неизвестна, не представляют ценности и в ряде случаев могут служить источником дезинформации.

Наличие погрешности ограничивает достоверность измерений, т.е. вносит ограничение в число достоверных значащих цифр числового значения измеряемой величины и определяет точность измерений.

Основные понятия, связанные со средствами измерений.

Средствами измерений называются используемые при измерениях технические средства, имеющие нормированные метрологические свойства, т.е. свойства, влияющие на результаты и точность измерений.

По конструктивному исполнению и форме представления измерительной информации средства измерений подразделяются на меры, измерительные приборы, измерительные установки, измерительные системы, измерительные преобразователи.

Мера – это средство измерения, предназначенное для воспроизведения физических величин заданного размера. К данному виду средств измерений относятся гири, концевые меры длины и т.п. На практике используют однозначные и многозначные меры, а также наборы и магазины мер. Однозначные меры воспроизводят величины только одного размера (гиря). Многозначные меры воспроизводят несколько размеров физической величины. Например, миллиметровая линейка, дает возможность выразить длину предмета в сантиметрах и в миллиметрах.

Наборы и магазины представляют собой сочетание однозначных или многозначных мер для получения возможности воспроизведения некоторых промежуточных или суммарных значений величины. Набор мер представляет собой комплект однородных мер разного размера, что дает возможность применять их в разных сочетаниях. Например, набор лабораторных гирь. Магазин мер – сочетания мер, объединенных конструктивно в одно механическое целое, в котором предусмотрена возможность посредством ручных или автоматизированных переключателей, связанных с отсчетным устройством, соединять составляющие магазин меры в нужном сочетании. По такому принципу устроены магазины электрических сопротивлений.

Измерительные приборы – это средства измерений, которые позволяют получать измерительную информацию в форме, удобной для восприятия пользователем. В зависимости от формы представления информации различают аналоговые и цифровые приборы. Аналоговым называют измерительный прибор, показания которого являются непрерывной функцией измеряемой величины, например, стрелочный вольтметр, ртутно-стеклянный термометр и т.д. В цифровом приборе осуществляется преобразование аналогового сигнала измерительной информации в цифровой код, и результат измерения отражается на цифровом табло.

Измерительная установка – совокупность функционально объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, предназначенная для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем и расположенная в 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 системах управления, контроля, диагностирования и т.п.

Измерительный преобразователь – это средство измерений, которое служит для преобразования сигнала измерительной информации в форму, удобную для обработки или хранения, а также передачи в показывающее устройство. Измерительная информация на выходе из измерительного преобразователя, как правило, недоступна для непосредственного восприятия наблюдателя. К измерительным преобразователям относятся термопары, измерительные трансформаторы тока и напряжения и др.

Особым средством измерений является эталон – это высокоточная мера, предназначенная для воспроизведения и хранения единицы величины с целью передачи ее размера другим средствам измерений. От эталона единица величины передается разрядным эталонам, а от них – рабочим средствам измерений.

Эталоны классифицируют на первичные, вторичные и рабочие.

Первичный эталон – это эталон, воспроизводящий единицу физической величины с наивысшей точностью, возможной в данной области измерений на современном уровне научно-технических достижений. Первичный эталон может быть национальным (государственным) и международным.

Национальный эталон утверждается в качестве исходного средства измерения национальным органом по метрологии. Международные эталоны хранит и поддерживает Международное бюро мер и весов. Важнейшая задача этого бюро состоит в систематических международных сличениях национальных эталонов крупнейших метрологических лабораторий разных стран с международными эталонами, что необходимо для обеспечения достоверности, точности и единства измерений как одного из условий успешных экономических связей. Установлены определенные периоды сличения. Например, эталоны метра и килограмма сличают каждые 25 лет.

Первичному эталону подчинены вторичные и рабочие (разрядные) эталоны. Вторичные эталоны – это эталоны-копии первичного эталона. Рабочие эталоны воспринимают размер от вторичных эталонов и в свою очередь служат для передачи размеров рабочим средствам измерений.

Самыми первыми официально утвержденными эталонами были эталоны метра и килограмма, изготовленные во Франции. Первоначально за единицу массы был принят грамм, который определялся как масса одной миллионной кубического метра воды при ее максимальной плотности. Первый эталон килограмма был изготовлен в 1799 году, передан на хранение в Национальный архив Франции и назван «килограмм Архива». С 1872 года килограмм стал определяться как равный массе «килограмма Архива». Килограмм Архива представляет собой платиновую цилиндрическую гирю, высота и диаметр которой равны по 39 мм. Прототипы (вторичные эталоны) для практического применения были сделаны из платиново-иридиевого сплава и переданы разным странам.

За сто с лишним лет существования описанного прототипа килограмма, конечно, были попытки создать более современный эталон на основе фундаментальных физических констант масс различных атомных частиц, однако на современном уровне научно-технического прогресса пока не удалось воспроизвести каким-либо новым методом массу килограмма с меньшей погрешностью, чем существующий.