Виды измерений. Признак квалификации измерений. Методы и погрешности измерений

Измерение физической величины— совокупность опе­раций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, заключающихся в срав­нении измеряемой величины с единицей.

Цель измерения — получение значения этой величи­ны в форме, наиболее удобной для пользования. Так, в простейшем случае, прикладывая линейку с делени­ями к какой-либо детали, сравнивают ее размер с единицей, хранимой линейкой, и, произведя отсчет, получают значение величины (длины, высоты, толщины и пр.). С помощью изме­рительного прибора сравнивают размер величины, инфор­мация о котором преобразуется в перемещение указателя, с единицей, хранимой шкалой этого прибора.

Измерения могут быть классифицированы следующим образом:

1) по способу получения информации:

прямые: искомое значение определяется непосред­ственным сравнением с мерой (измерение массы на весах, длины детали микрометром); косвенные: искомое значение определяется по резуль­татам прямых измерений других величин, связанных с искомой известной зависимостью (мощность тока как результат измерения силы тока и напряжения);

2) по характеру изменения измеряемой величины в процессе измерения:

статические: измерение неизменной во времени фи­зической величины (измерение размеров земельного участка);

динамические: измерение изменяющейся по размеру физической величины (измерение переменного на­пряжения электрического тока, измерение расстоя­ния до уровня земли со снижающегося самолета);

3) по числу измерений и ряду измерений:
однократные;

многократные;

4) по выражению результата измерений:

абсолютные: измерение, основанное на прямых из­мерениях величин и (или) использовании значений физических констант;

относительные: измерения отношения величины к од­ноименной величине, выполняющей роль единицы;

5) по характеристике точности:

равноточные: ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений и в одних и тех же условиях; неравноточные: ряд измерений какой-либо величины, выполненных несколькими различными по точности средствами измерений и (или) в нескольких разных условиях.

Метод измерений— совокупность использованных при­емов (способов) сравнения измеряемой величины с ее еди­ницей в соответствии с выбранным принципом измерений. Исходя из этого, все методы измерений делятся на методы непосредственной оценки и методы сравнения.

Метод непосредственной оценки позволяет опреде­лить значение величины непосредственно по отсчетному устройству показывающего средства измерений (амперметр, вольтметр, термометр). Мера, отражающая еди­ницу измерения (дольные, кратные ее части), в измерении не участвует. Ее роль играет в показывающем средстве из­мерений шкала, проградуированная при ее производстве с помощью достаточно точных средств измерений.

Метод сравнения предусматривает измеряемую вели­чину сравнивать с величиной, воспроизводимой мерой. Методы сравнения обычно реализуются различными путями.

1. Дифференциальный метод измерений — метод из­мерений, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, 'вос­производимое мерой. Точность этого метода может быть вы­сокой и определяется точностью величины, воспроизводи­мой мерой.

2. Нулевой метод измерения является частным случаем дифференциального и заключается в том, что результаты воз­действия на средство измерений измеряемой величины (меры) взаимно уравновешиваются до нулевого показания.

3. Метод измерений замещением заключается в том, что измеряемая величина замещается мерой с известным значе­нием величины (например, измерение емкости конденсато­ра, включенного в колебательный контур).

4. Метод совпадений заключается в том, что разность между измеряемой величиной и известной величиной (мерой) измеряют, используя совпадения отметок шкал.

5. Нетрадиционные методы измерения применяются в случаях, когда приходится использовать уникальные на­блюдения за неизвестной величиной, которая «существует» до некоторого времени только в теоретических предполо­жениях. Такие методы чаще всего соответствуют физико-химическим исследованиям со скоротечными процессами реакций (явлений).

Единство измерений — состояние измерений, при которых их результаты выражены в узаконенных еди­ницах, а погрешности известны с заданной вероятно­стью и не выходят за установленные пределы.

Первым и главным условием обеспечения единства изме­рений служит представление результатов измерений в уза­коненных единицах, которые были бы одинаковы всюду, где проводятся измерения и используются их результаты.

Второе условие — необходимо выполнять измерения так, чтобы сопровождающие измерения погрешности были бы известны и не выходили с заданной вероятностью за допус­тимые пределы.

Погрешность измерений — отклонение результа­тов измерений от истинного (действительного) значе­ния измеряемой величины. Если обозначить измеряемое или опытное значение ве­личины как Х_изм, а истинное значение как Х_и (Х_д), тогда по­грешность измерений определяется как

Действительное значение величины определяется экспе­риментально из предположения, что результат эксперимен­та либо измерения близок к истинному значению величины.

СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

Средством измеренияназывают техническое средство (или их комплекс), используемое при измерениях и име­ющее нормированные метрологические характеристики. По конструктивному исполнению средства измерений подразделяют на меры, измерительные преобразователи, из­мерительные приборы, измерительные установки, измери­тельные системы.

Мера физической величины — средство измерений, предназначенное для воспроизведения или хранения физической величины одного или нескольких задан­ных параметров. Различают меры:

однозначные (гиря 1 кг, калибр);

многозначные (масштабная линейка);

набор мер (набор гирь, набор калибров).

Набор мер, конструктивно объединенных в единое уст­ройство, в котором имеются приспособления для их соеди­нения в различных комбинациях, называется магазином мер. Примером такого набора может быть магазин электрических сопротивлений, магазин индуктивностей. Сравнение с мерой выполняют с помощью специальных технических средств — компараторов (рычажные весы, измерительный мост и т.д.).

Измерительные преобразователи — средства изме­рений, служащие для преобразования измеряемой ве­личины в другую величину или сигнал измерительной информации, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований. Например, датчики запущенного метеоро­логического радиозонда передают информацию о темпера­туре, давлении, влажности и т.д.

Измерительный прибор — средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измеритель­ной информации в форме, доступной для непосред­ственного восприятия наблюдателем. Прибор, как правило, содержит устройство для преобразования измеряемой вели­чины в форме, доступной для восприятия. Во многих случаях устройство для индикации имеет шкалу со стрелкой или дру­гим устройством, диаграмму с пером или цифроуказателем, с помощью которой может быть произведен отсчет или регис­трация значений физической величины. Например, микро­метр, вольтметр, термограф и т.д.

Измерительная установка — совокупность функ­ционально объединенных мер, измерительных при­боров, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенных для измерения одной или не­скольких физических величин и расположенных в одном ме­сте. Примером служит установка для измерения удельного сопротивления электротехнических материалов, установка для испытания магнитных материалов.

Измерительная система — совокупность функцио­нально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, компьютеров 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.

Основными метрологическими характеристиками средств измерений являются диапазон измерений, порог чувствитель­ности и различные составляющие погрешности средств измерений.

Измерить- определить действительный размер с заданной _N точностью с помощью каких-либо универсальных измерительных средств. Измерения производят в единичном и мелкосерийном про­изводстве, при ремонтных и экспериментальных работах, при точ­ности выше 6-го квалитета и в некоторых других случаях.

Проконтролировать- установить факт годности или негодно­сти проверяемого размера, что часто возможно и без определения его действительной величины. Контроль является частным случаем измерений.

По назначению средства измерения могут быть универсаль­ными и специальными.

Универсальные средства измерения предназначены для изме­рения длин и углов в определенном диапазоне размеров независимо от конфигурации измеряемой детали, специальные - для конкрет­ных размеров деталей определенной формы.

В зависимости от отличительных признаков, имеющихся у средств измерения, их часто классифицируют на меры, измери­тельные инструменты и приборы. Поскольку не всегда можно четко провести точную грань между измерительным инструментом и при­бором, в последнее время отказываются от понятия «измерительный инструмент» и все измерительные средства делят на меры и измери­тельные приборы.

Мера - средство измерения, предназначенное для воспроизве­дения длины (в общем случае - физической величины) заданного размера. Примером меры как специального измерительного средства являются калибры, широко применяемые в серийном и массовом производстве для контроля годности изготовленных изделий.

Калибраминазываются меры, имеющие форму поверхности, противоположную (обратную) контролируемому объекту и воспро­изводящие его номинальные (нормальные калибры, шаблоны, щу­пы) или предельные (предельные калибры - проходной ПР и непро­ходной НЕ) размеры.

Существуют и универсальные, так называемые многозначные меры, воспроизводящие ряд одноименных величин различного раз­мера (линейки с делениями, плоскопараллельные концевые меры длины и др.).

Измерительный прибор- средство измерения, предназначен­ное для выработки сигнала измерительной информации, выдавае­мой отсчетными устройствами (шкальными, цифровыми, регистри­рующими).

По характеру оценки измеряемой величины различают абсо­лютный и относительный методы измеренияи соответствующие им средства измерения. При абсолютном методе оценка значения всей измеряемой величины производится непосредственно по шкале при­бора (например, при измерении штангенциркулем, микрометром, на длинномере и др.).

Относительный (сравнительный) метод основан на сравнении измеряемой величины с установочной мерой, по которой прибор предварительно настраивается на нуль. По шкале прибора в этом случае определяется отклонение измерительной величины от уста­новочной меры (например, измерение на миниметре, с помощью ин­дикаторного нутромера, тангенциальным зубомером и др.).

Метод измерений может быть прямым или косвенным в зави­симости от способа получения измеряемой величины.

Прямой метод характеризуется непосредственной оценкой из­меряемой величины по показанию прибора.

При косвенном методе измеряют некоторые величины, свя­занные с искомой функциональной зависимостью. На основании результатов измерения искомая величина вычисляется по формулам (например, определение радиуса закругления на основании измере­ния длины хорды и стрелы прогиба или определение угла конуса на основании измерения диаметров в двух сечениях и расстояния меж­ду ними). Косвенным методом измерения пользуются в тех случаях, когда искомая величина недоступна для измерения прямым методом или не может быть измерена с достаточной точностью.

По характеру взаимодействия средств измерения с поверхно­стью измеряемой детали методы и средства измерения разделяются на контактные и бесконтактные.

Контактными называются измерения, при которых измери­тельное средство имеет механический контакт с поверхностью из­меряемого объекта.

Бесконтактными называются измерения, при которых измерительное средство не имеет механического контакта с поверхностью
измеряемого объекта. Бесконтактные методы основаны на проекци­онном, фотографическом, пневматическом и других подобных способах измерения.

В зависимости от количества одновременно выявляемых раз­личных параметров методы и средства измерения разделяют на диф­ференцированные (поэлементные) и комплексные.

Дифференцированным (поэлементным) называется измерение, при котором у детали (изделия) сложной формы измеряют каждый из ее элементов или параметров, характеризующих точность. Например, при измерении резьбы каждый ее параметр (диаметр, шаг, угол про­филя) определяют отдельно. Дифференцированные методы и средст­ва измерения наиболее удобны при изготовлении деталей, так как позволяют выявить, какой из элементов детали вышел за пределы допустимых значений.

Комплексными называются измерения, при которых опреде­ляется влияние всех элементов сложных деталей (изделий) вместе, в их взаимосвязи между собой, т.е. выявляются эксплуатационные показатели. Например, проверка резьбы на свинчивание с комплекс­ными резьбовыми калибрами позволяет одновременно определить соответствие допускаемым значениям сразу всего комплекса пара­метров резьбы. Комплексные измерительные средства чаще всего используются при приемочном контроле готовых деталей (изделий), поскольку выявляют свойства, близкие к эксплуатационным.

По характеру взаимосвязи результатов измерения с техноло­гическим процессом производится разделение приборов на актив­ные и пассивные.

Приборы активного контроля предназначены для измерения раз­меров детали в процессе ее обработки на станке и дают информацию о необходимости изменения режимов обработки.

Приборами пассивного контроля производят измерения после окончания обработки и фиксируют полученную точность обработки детали.

Эталон - средство измерений, обеспечивающее воспроизве­дение и хранение единицы физической величины с целью передачи размера единицы образцовым, а от них рабочим средствам измере­ний и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке.

Если эталон воспроизводит единицу с наивысшей в стране точностью, то он называется первичным.

Эталоны, значения которых установлены по первичному эта­лону, называются вторичными. Они создаются и утверждаются для организации поверочных работ и для обеспечения сохранности и наименьшего износа государственного эталона.

Вторичные эталоны по своему метрологическому назначению делятся на эталоны-копии, эталоны сравнения, эталоны-свидетели и рабочие эталоны.

Эталон-копия предназначен для хранения единицы и передачи ее размера рабочим эталонам.

Эталон сравнения применяется для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть сличаемы друг с другом.

Эталон-свидетель применяется для проверки сохранности го­сударственного эталона и для замены его в случае порчи или утраты.

Рабочий эталон применяется для хранения единицы и переда­чи ее размера образцовым средствам измерения высшей точности и при необходимости наиболее точным рабочим мерам и измери­тельным приборам.

Передача размеров единиц от эталонов рабочим мерам и из­мерительным приборам осуществляется посредством образцовых средств измерений. Образцовые средства измерений представляют собой меры, измерительные приборы или преобразователи, предна­значенные для поверки и градуировки по ним других средств изме­рений и в установленном порядке утвержденные в качестве образ­цовых. Образцовые средства измерения должны быть аттестованы, и на них выдаются свидетельства с указанием метрологических па­раметров и разряда. Все образцовые средства измерений подлежат обязательной периодической поверке в установленные правилами Госстандарта сроки.

Научно-техническую сторону передачи размеров от эталона до изделия обеспечивают поверочные схемы, представляющие со­бой документ, устанавливающий метрологическое соподчинение эталонов, образцовых средств измерений и порядок передачи разме­ра единицы образцовым и рабочим средствам измерений.

В поверочной схеме указываются наименование утвержденно­го государственного эталона, вторичных эталонов, образцовых и рабочих средств измерений и методов поверки; приводятся погреш­ности воспроизведения передачи размера единицы каждому средст­ву измерений, указанному в схеме. В ней наблюдается постепенное, теоретически и практически обоснованное снижение точности от высших звеньев к низшим, но лишь в такой степени, которая обес­печивает требуемую точность рабочих мер и приборов.

Л 5