Лекция 2 Виды и методы измерений

Вариант 3: Точность на отрезке шкалы.

Содержание

Измерение – Набор операций по применению измерительной системы для получения значения измеряемой физической величины.

Измерения можно разделить на три категории в зависимости от их метрологического назначения:

Нестандартизированные – измерения с нестандартизированными метрологическими характеристиками.

Технические – измерения с использованием рабочих инструментов.

Метрологические – измерения с использованием эталонов и образцовых средств измерений.

Нестандартизированные измерения являются самыми простыми. Они не регулируют точность и достоверность результата. Поэтому область применения этих измерений ограничена. Они не могут использоваться в области, на которую распространяется требование единства измерений. Каждый из нас проводил нестандартизированные измерения длины, массы, времени, температуры, не задумываясь о точности и надежности результата. Как правило, результаты нестандартизированных измерений применяются индивидуально, т.е. используются обследуемым лицом в собственных целях.

Технические измерения отвечают требованиям единства измерений, т.е. результат получен с известной погрешностью и вероятностью, записан в конкретных единицах физических величин, с установленным числом значащих цифр. Измерения должны проводиться средствами измерений определенного класса точности, прошедшими поверку или калибровку в метрологической службе. В зависимости от того, предназначены ли измерения для внутреннего использования или результаты должны быть доступны для общего пользования, требуется калибровка или валидация средств измерений. Измерительный прибор, который был откалиброван или проверен, называется исправным измерительным прибором. Примерами технических измерений являются большинство промышленных измерений, измерение потребления электроэнергии бытовыми счетчиками, весовые измерения в торговых центрах и финансовые измерения в банковских терминалах. Средство измерений, используемое для калибровки других средств измерений, называется эталонным средством измерений. Эталонное средство измерения имеет более высокий класс точности, хранится отдельно и не используется для технических измерений.

Метрологические измерения не только отвечают требованиям единства измерений, но и являются одним из способов обеспечения единства измерений. Они выполняются для воспроизведения единиц физических величин с целью переноса их размеров на эталонные и рабочие средства измерений. Метрологические измерения выполняются метрологическими службами в стандартизированных условиях, аттестованным персоналом.

Дисциплина “Метрология, стандартизация и сертификация” занимается техническими измерениями.

Можно выделить следующие типы измерений.

1) В связи с характером зависимости измеряемой величины от времени, методы измерения делятся на:

статическийВ которых измеряемая величина остается постоянной во времени;
динамичныйВ ходе которого измеряемая величина изменяется и не является постоянной во времени.

(2) Методы измерения можно разделить на прямые, косвенные, сложные или комбинированные в зависимости от метода, используемого для получения результатов измерения (тип уравнения измерения).

При прямом измерении искомое значение дается непосредственно из экспериментальных данных (например, измерение диаметра штангенциркулем).

При косвенном измерении требуемое значение величины определяется известной взаимосвязью между ней и непосредственно измеряемой величиной.

Всего это измерения двух или более несвязанных величин, проводимые одновременно с целью установления функциональной связи между этими величинами (например, связь между длиной тела и температурой).

Всего – это измерения, при которых значения измеряемых величин находят по данным многократных измерений одной или нескольких одноименных величин (при различных комбинациях мер или этих величин) путем решения системы уравнений.

(3) Методы делятся на три класса в соответствии с условиями, определяющими точность результата измерения.

Измерения с максимально возможной точностью (например, эталонные измерения), достижимые при современном уровне техники.

Проверочные измеренияИзмерения, при которых неопределенность с заданной вероятностью не может превышать заданного значения.

Технические измерения, В которых неопределенность результата определяется характеристиками измерительного прибора.

4) Различают абсолютные и относительные измерения в зависимости от того, как выражаются результаты измерения.

Абсолютный измерение основано на прямых измерениях и/или использовании физических констант.

На относительный измерение сравнивается с одноименной единицей или эталонным значением (например, измерение диаметра вращающегося объекта по числу оборотов сертифицированного вала, находящегося в контакте с ним).

5) В зависимости от общего количества измеряемых параметров продукции различают поэлементный и комплексный методы измерения.

Элемент за элементом характеризуется путем измерения каждого отдельного параметра изделия (например, эксцентриситет, овальность, цилиндрическая форма вала).

Всеобъемлющий Этот метод характеризуется измерением общего показателя качества (а не физической величины) под влиянием отдельных компонентов (например, измерение радиального биения цилиндрической детали под влиянием эксцентриситета, овальности и т.д.).

Поскольку погрешность определяется не только метрологическими характеристиками средства измерений, но и погрешностью отбора и подготовки проб, условиями измерений, ошибкой оператора и другими причинами, это определение означает, что процедуры измерений могут быть разработаны и сертифицированы только в конкретных условиях измерений с использованием конкретных средств измерений.

Методы измерения

Метод измерения – Метод или набор методов для сравнения измеряемой величины с ее единицей или шкалой в соответствии с принятым принципом измерения.

Общий способ получения результатов измерений Методы подразделяются на:

метод прямого измерения – измерение, при котором желаемое значение количества определяется непосредственно из эмпирических данных. Прямое измерение не требует процедуры измерения и выполняется в соответствии с технической документацией используемого средства измерения;
метод косвенных измерений – это измерение, при котором результат получается в результате прямого измерения величины, связанной с измеряемой величиной известной зависимостью. Косвенные измерения используются в тех случаях, когда невозможно провести прямые измерения, например, при определении плотности твердого тела, вычисленной по результатам измерений объема и массы.

В зависимости от условий измерения:

контактный метод измерения – предполагает контакт измерительного элемента прибора с измеряемым объектом (измерение температуры тела термометром);
бесконтактный метод измерения – когда чувствительный элемент устройства не находится в контакте с измеряемым объектом (измерение расстояния до объекта радаром, измерение температуры в доменной печи пирометром).

Исходя из того, как он сравнивает измеряемой величины с ее единицей измерения, различают

метод прямой оценки – метод, при котором значение величины определяется непосредственно по показаниям измерительного прибора (термометра, вольтметра и т.д.). Мера, которая представляет собой единицу измерения, не участвует в измерении. В случае с измерительными приборами свою роль играет шкала, которая калибруется на производстве с помощью достаточно точных измерительных приборов.
Метод сравнения с мерой – это метод, с помощью которого измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой (измерение массы на рычажных весах с гирями). Существует три варианта этого метода:
- Нулевой метод – это метод сравнения с мерой, при котором результирующее воздействие величины на компаратор сводится к нулю, например, измерение электрического сопротивления с помощью полностью компенсированного моста;
- метод замещения – основан на сравнении с мерой, при котором измеряемая величина заменяется известной величиной, воспроизводимой мерой при сохранении всех условий неизменными, например, взвешивание с помощью гирь и гирь, поочередно помещаемых на одну и ту же весовую платформу
- метод сравнения с мерой, в котором разница между значениями измеряемой и воспроизводимой величин измеряемой величины измеряется по сближению отметок шкалы или периодических сигналов, например, при измерении штангенциркулем и верньером наблюдается сближение отметок шкалы штангенциркуля и верньера;
Поскольку неопределенность определяется не только метрологическими характеристиками средств измерений, но и погрешностями выборки и подготовки, условиями измерений, ошибками оператора и другими причинами, это определение подразумевает, что процедуры измерений могут быть разработаны и валидированы только для конкретных условий измерений с конкретными средствами измерений.

Это утверждение не означает, что для каждого измерения или испытательной лаборатории должна быть разработана своя методология. Однако если в лаборатории используется тип средства измерений, указанный в аттестованном методе, факторы, влияющие на измерение (температура и влажность окружающего воздуха и измеряемой среды, напряжение и частота электрической сети, вибрации, внешнее магнитное поле и т.д.), находятся в диапазоне, указанном в методе, а оператор соответствует указанным в нем квалификационным требованиям, то физические величины будут измерены в этой лаборатории с известной неопределенностью.

49978Измерения можно классифицировать различными способами.

Что такое прямое измерение

Содержание

Измерения могут быть классифицированы различными способами.

Классификация по характеру временной зависимости измеряемой величины

Измерения можно классифицировать в зависимости от характера временной зависимости измеряемой величины:
- статические (измеряемая величина постоянна в течение всего периода измерения) и
- динамические (измеряемое значение изменяется с течением времени).
Примеры: статические измерения – измерение длины или массы твердого тела, и динамические измерения – измерение температуры или давления в химическом реакторе. Следует отметить, что химический анализ полученного продукта реакции в большинстве случаев является статическим измерением, так как концентрация определяемых веществ в образце обычно постоянна в течение анализа.

Классификация по способу получения результатов

В зависимости от способа получения результатов, измерения делятся на
- прямой, где желаемое значение измеряемой величины определяется непосредственно из экспериментальных данных, и
- косвенные, при которых значение величины получается из известной зависимости между этой величиной и непосредственно измеряемой величиной.
Также возможно проведение совместное измерение – Измерение двух или более различных переменных, обычно для выявления взаимосвязи между ними. Типичным примером общих измерений является калибровка термопары: одновременно измеряется ЭДС термопары и температура среды, в которой находится ее спай.

Когда несколько одинаковых величин измеряются одновременно, они называются кумулятивный. Искомое значение находится путем решения системы уравнений, полученных в результате прямых измерений различных комбинаций этих величин.

Классификация в соответствии с условиями, определяющими точность измерений

Условиями, определяющими точность измерения, являются:
- Измерения с максимально возможной точностью, достижимой при современном уровне техники;
- прослеживаемые измерения – измерения, выполняемые с помощью средств измерений и посредством процедур, которые гарантируют неопределенность результата с заданной вероятностью;
- Технические измерения, при которых неопределенность результата определяется неопределенностью средств измерений.
Измерения с максимально возможной точностью – это в основном измерения, выполняемые для воспроизведения единиц физических величин и для измерения физических констант. Поверочные измерения проводятся лабораториями для контроля состояния техники измерений и для проверки качества работы специализированных измерительных лабораторий (например, заводских лабораторий). Эти два вида измерений являются метрологическими по своей природе, так как выполняются с использованием эталонов и образцовых средств измерений для воспроизведения единиц физических величин с целью придания их размеров рабочим средствам измерений. Технические измерения – это все остальные измерения, выполняемые на практике, например, рутинные измерения в заводской лаборатории.

Классификация по способу выражения результатов

Измерения классифицируются в зависимости от способа их выражения:
- Абсолютные, основанные на прямых измерениях одной или нескольких физических величин или на использовании значений физических констант;
- Относительная, измеряющая отношение величины к одноименной величине, которая используется в качестве единицы измерения или принимается за эталон.
Результаты относительных измерений выражаются в виде долей (безразмерных величин) или в процентах.

Классификация по характеристикам точности

Точность измерений может быть классифицирована в соответствии со следующими характеристиками точности
- однородное измерение – серия измерений любой величины, выполненных одним и тем же точным прибором и в одних и тех же условиях, например, повторное взвешивание вещества на одних и тех же аналитических весах с использованием одних и тех же весов в одних и тех же условиях, и
- Неравноценное измерение – это серия измерений величины, выполненных с разной точностью разными средствами и/или в разных условиях, например отбор проб одного и того же вещества на весах с разной чувствительностью или при разных температурах.
Классификация по количеству измерений одной и той же величины в серии измерений

Число измерений в серии измерений относится к числу измерений одной и той же величины:
- отдельные измерения и
- многократные измерения.
Однократные измерения выполняются один раз, например, измерение момента времени по часам или измерение температуры раствора при фиксированном значении. На практике этого часто бывает достаточно.

В случае многократного измерения одной и той же физической величины результат получается из нескольких последовательных измерений, т.е. из серии единичных измерений. Результатом многократного измерения обычно является среднее арифметическое суммы отдельных измерений. Условно считается, что измерение является многократным, если число отдельных измерений больше или равно 4. В этом случае данные серии измерений могут быть обработаны методами математической статистики.

Прямое измерение – это измерения, при которых значение измеряемой физической величины собирается непосредственно.

Что такое прямые измерения?

Прямое измерение – Измерения, при которых желаемое значение физической величины поддается непосредственному наблюдению.

Прямые измерения формируют основу для более сложных измерений.

Прямые измерения – это измерения, при которых результат получен с помощью средства измерения, подвергающегося воздействию измеряемого вещества и откалиброванного непосредственно в единицах измеряемого вещества. Эти измерения обычно не требуют каких-либо расчетов.

Математически прямое измерение может быть представлено как
Q=n[Q] Числовое значение п, характеризующая величину Q, выраженную в единицах [Q], определяется непосредственно по показаниям измеряемой величины или средства измерений, предназначенного для измерения этой величины Q.

Примерами прямого измерения являются длина листа бумаги с помощью линейки, время с помощью часов, масса с помощью гирь на равноплечих весах, температура с помощью термометра, сила тока с помощью амперметра и т.д.

Прямое измерение может состоять из однократного использования измерительного инструмента с непосредственным считыванием результата, но также может включать несколько повторных наблюдений, а результат рассчитывается как среднее значение нескольких измерений. Для получения результата может также потребоваться умножить показания на шкале измерительного прибора на значение деления.

Прямые измерения – это измерения, проводимые непосредственно с помощью измерительного прибора. Прямые измерения могут включать измерение длины с помощью линейки, штангенциркуля, измерение напряжения с помощью вольтметра, измерение температуры с помощью термометра и т.д. На результаты прямых измерений могут влиять различные факторы. Поэтому погрешности измерений различны, т.е. существуют инструментальные погрешности, систематические погрешности, случайные погрешности, погрешности округления при считывании со шкалы и недостатки. По этой причине в любом конкретном эксперименте важно определить, какая из ошибок измерения является наибольшей, и если окажется, что одна из них на порядок больше всех остальных, то последними ошибками можно пренебречь.

Объясните простыми словами. Что такое прямые и косвенные измерения?

Прямые измерения – это измерения, выполняемые непосредственно с помощью измерительного прибора. Прямые измерения могут включать измерение длины с помощью линейки, штангенциркуля, измерение напряжения с помощью вольтметра, измерение температуры с помощью термометра и т.д. На результаты прямых измерений могут влиять различные факторы. Поэтому ошибки измерения варьируются, т.е. существуют инструментальные ошибки, систематические ошибки, случайные ошибки, ошибки округления при считывании со шкалы и недостатки. По этой причине в любом конкретном эксперименте важно определить, какая из ошибок измерения является наибольшей, и если окажется, что одна ошибка на порядок больше всех остальных, то последними ошибками можно пренебречь.

Если все рассматриваемые ошибки имеют одинаковый порядок величины, необходимо оценить совместное влияние нескольких различных ошибок. В общем случае суммарная ошибка рассчитывается по формуле

где – случайная ошибка, – ошибка инструмента, – ошибка округления.

В большинстве экспериментальных исследований физическая величина измеряется не напрямую, а с помощью других величин, которые, в свою очередь, определяются путем прямого измерения. В этих случаях измеряемая физическая величина определяется по непосредственно измеренным величинам с помощью формул. Такие измерения называются косвенными. В математическом смысле это означает, что желаемая физическая величина f связана с другими величинами x1, x2, x3,…, xn функциональной зависимостью, т.е.

Примером такой зависимости является объем сферы

В этом случае косвенно измеряемой величиной является V – сфера, которая будет определена путем прямого измерения радиуса сферы R. Эта измеряемая величина V является функцией одной переменной.

Другой пример – плотность твердого тела.

В данном случае это косвенная величина, которая определяется прямым измерением массы m и косвенной величины V. Эта измеряемая величина является функцией двух переменных, т.е.

Теория ошибок показывает, что ошибка функции является суммой ошибок всех ее аргументов. Ошибка функции будет тем меньше, чем меньше ошибки ее аргументов

Универсальные приборы и измерительные приборы используются для определения значения измеряемой величины.
Они различаются по конструкции, применению, степени механизации, пределам измерения, значению деления аналоговых или цифровых показаний и многим другим параметрам.

Метрология

Результатом измерения является числовое значение измеряемой величины, которое равно отношению измеряемой величины к единице или эталону.
Измерения могут проводиться различными способами или методами, в зависимости от конкретных условий, используемого измерительного прибора и способа его применения. С точки зрения общего подхода к результатам измерений различают прямые измерения, т.е. прямые и косвенные измерения.

Прямое измерение

При прямом измерении измеряемая величина определяется непосредственно по показаниям прибора или по измерительной шкале прибора.
Прямые измерения включают измерения длины с помощью линеек, штангенциркулей, микрометров, инкрементальных измерительных головок широкого диапазона с цифровым отсчетом, измерителей высоты, угловых измерений с помощью транспортиров и т.д.

Косвенное измерение

При косвенном измерении желаемая величина (величина или отклонение) определяется путем прямого измерения одной или нескольких величин, которые имеют определенную функциональную связь с желаемой величиной, т.е. после определения промежуточных величин, влияющих на желаемую величину, желаемая величина затем определяется математическими методами расчета или преобразования.
Примеры косвенных измерений включают измерение диаметра вала по длине его окружности с помощью рулетки или измерительного колеса, измерения на координатно-измерительных машинах (КИМ) и т.д.
На рисунке показан пример косвенного измерения диаметра вала с помощью рулетки, измерения длины окружности и определения диаметра по известной зависимости D = L/π.

Прямое измерение проще и дает немедленный результат, поэтому оно предпочтительнее в машиностроении.
Во многих случаях, однако, прямое измерение невозможно – например, расстояние между центрами отверстий при измерении штангенциркулем, расстояние между центрами отверстий при измерении на CMMвалы большого диаметра и т.д.
Прямые измерения иногда уступают косвенным, как в случае углов, измеренных с помощью транспортиров, которые имеют погрешности в десятки раз большие, чем синусоидальные транспортиры.
Косвенные измерения широко используются при измерении координат, поскольку результат измерения всегда получается путем вычисления координат двух или более точек, определенных в результате измерения.

Каждое измерение может быть выполнено абсолютным или относительным методом.

Абсолютный метод измерения

При абсолютном методе весь измеряемый размер определяется непосредственно по показаниям прибора. Сегодня большинство приборов и инструментов измеряют абсолютным методом – штангенциркули, микрометры, широкодиапазонные индикаторы и преобразователи, высотомеры, CMMSугловые энкодеры и т.д.

Метод относительного измерения

Метод относительных (сравнительных) измерений дает только отклонение размера от установленной меры или образца, на котором прибор был установлен на ноль. Определение размера в этом случае производится путем алгебраического сложения длины установленной меры и показаний прибора во время измерения.

Относительные манометры требуют дополнительного времени на предварительную настройку манометра на заданную меру, что значительно снижает эффективность измерений для небольших партий проверяемых деталей. Снижение пропускной способности незначительно, если после калибровки проводится большое количество измерений.
Относительные измерительные приборы в некоторых случаях позволяют добиться более высокой точности и лучшей пропускной способности контроля при больших размерах партий, поскольку отклонение на шкале можно считать.

Методы относительных измерений используются в контрольных приспособлениях и оснастке, а также в активном контрольном оборудовании.

Кроме того, методы измерения делятся на комплексные и дифференциальные.

Метод измерения соединений

Комплексный метод измерения заключается в сравнении фактического контура проверяемого объекта с его граничными контурами, определяемыми значениями и положением полей допусков отдельных элементов этого объекта.
Комплексный метод измерения проверяет накопленные погрешности взаимосвязанных элементов объекта, ограниченные суммарным допуском. Этот метод измерения является наиболее надежным в отношении взаимозаменяемости и обычно основывается на проверке сходства.
Примером сложного метода измерения является проверка резьбы гаек с помощью сквозного калибра.

Дифференциальный метод измерения

Метод дифференциального измерения заключается в независимой проверке каждого компонента. Этот метод не может напрямую гарантировать взаимозаменяемость продукции.
Например, при проверке среднего диаметра, шага и полуугла резьбы необходимо дополнительно рассчитать и проверить уменьшенный средний диаметр резьбы, который включает отклонения вышеупомянутых элементов резьбы, чтобы убедиться, что он находится в заданных пределах.

Комплексный метод измерения в основном используется для контроля продукции, а дифференциальный метод – для проверки инструментов, настройки станков и определения причин размерных дефектов в продукции.

Проверка продукции с помощью измерителей предельных значений обычно включает в себя комбинацию универсальных и разнообразных методов измерения.
Каждый из перечисленных выше методов измерения может использоваться как в контактном, так и в бесконтактном режимах.

Метод контактного измерения

Метод контактного зондирования определяется прямым контактом между измерительными поверхностями (наконечниками) прибора или инструмента и поверхностью проверяемого объекта.

Бесконтактный метод измерения

Бесконтактный метод измерения характеризуется отсутствием измерительного контакта между прибором и проверяемым объектом (например, пневматический метод измерения, измерение с помощью проекторов, микроскопов, лазерных устройств, лазерных интерферометров и т.д.).
Бесконтактный метод измерения, такой как лазерное сканирование, в последнее время стал очень популярным, напр. 3D лазерное сканирование и триангуляционные измерения.

Измерительные приборы

Измерительные инструменты, используемые в металлообрабатывающей промышленности, можно разделить на три основные группы
- Измерительные инструменты и манометры;
- Универсальные инструменты и измерительные приборы, специальные измерительные приборы – испытательные приборы, автоматические испытательные приборы, активные испытательные приборы;
- Координатно-измерительные машины.
Измерительные приборы измерительные приборы, используемые для воспроизведения одного или нескольких известных значений заданной величины.

Калибры это средства, используемые для проверки правильности размеров, формы и взаимного расположения частей изделия..
Долгое время калибры были одним из самых распространенных измерительных инструментов, но по мере повышения точности обработки и распространения обработки с ЧПУ запись калибров стала более распространенной. Но с развитием станков с ЧПУ, индикаторов, электронных и цифровых считывающих устройств, КИМ и тензодатчиков, реализация гораздо более высокой точности обработки изменилась. CMMS использование манометров резко сократилось.

Универсальные инструменты и измерительные приборы используются для определения значений измерений.
Они различаются по конструкции, назначению, степени механизации, диапазону измерений, значению деления аналогового или цифрового считывания и многим другим характеристикам.

Классификация измерительных приборов

Универсальные измерительные приборы классифицируются в соответствии с их конструкцией на следующие категории
- механические инструменты, оснащенные шкалой и верньером – штангенциркули и (штангенциркули, глубиномеры, логарифмические линейки и т.д.) и универсальные транспортиры
- электронные штангенциркули с цифровым отсчетом (штангенциркули, глубиномеры, логарифмические линейки) ;
- Микрометрические приборы, основанные на использовании микропар (микрометры, микрометрические измерительные приборы, глубиномеры и т.д.)
- Электронные микрометрические приборы с цифровым отсчетом (микрометры, штангенциркули, глубиномеры и т.д.)
- механические индикаторы со шкалой и стрелкой;
- электронные индикаторы с цифровым считыванием
- оптические приборы (измерители длины, интерферометры, проекторы, микроскопы, лазерные приборы и т.д.)
- индуктивные приборы;
- Приборы широкого диапазона (емкостные, индуктивные и фотоэлектрические) ;
- пневмоиндукционные приборы
- высотомеры;
- Координатно-измерительные машины (КИМ) .
Существуют также специальные устройства – контрольные приспособления, автоматические контрольные устройства и активные контрольные устройства, предназначенные для контроля одной или нескольких однотипных деталей после обработки или в процессе обработки.

Устройства делятся на одномерные и многомерные в зависимости от количества одновременно управляемых измерений.
Согласно терминологии, используемой в производстве, простейшие измерительные инструменты, такие как манометры, линейки, штангенциркули, суппорты, микрометры, уровни, называются измерительными инструментами.