Вопрос 1. Уравнение измерений

Измерение физической величины – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, которая обеспечивает нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины. Несмотря на то что измерения непрерывно развиваются и становятся все более сложными, метрологическая сущность остается неизменной.

В качестве единицы измерения /Q/ при измерении физических величин выступает соответствующая единица Международной системы. Информация о ней заложена либо в градуированной характеристике СИ, либо в разметке шкалы отсчетного устройства, либо в значении вещественной меры. Указанное уравнение является математической моделью измерения по школе отношений.

Основная функция измерения:

Q=X(Q),

где  Q- измеряемая величина;

X – числовое значение измеряемой величины в принятой единице измерения;

(Q) – выбранная для измерения единица.

Например, измеряемый отрезок прямой длинной 10 см с помощью линейки, имеющей деления в сантиметрах и миллиметрах:

- для первого случая Q1 = 10 см при X=10 и Q1=1 см

- для второго случая  Q 2=100 мм при X =100 и Q2 = `1 мм

- при этом  Q1 = Q2, так как 10 см = 100мм.

Применение различных единиц в процессе измерения приводит только к изменению численного значения результата измерения.

Цель измерения – получение определенной физической величины в форме, наиболее удобной для пользования. Любое измерение заключается в сравнении данной величины с некоторыми ее значением, принятым за единицу сравнения.

Теоретически отношение двух размеров должно быть вполне определенным, неслучайным числом. Но практически размеры  в условиях множества случайных и неслучайных обстоятельств, точный учет которых невозможен. Поэтому при многократном измерении одной и той же величины постоянного размера результат, называемый отсчетом по шкале отношений, получается все время разным. Это положение, установленное практикой, формулируется в виде аксиомы, являющейся основным постулатом метрологии: отсчетом является случайным числом.

Факторы, влияющие на результат измерения (влияющие факторы). При подготовке и проведении высокоточных измерений в метрологической практике учитывают влияние объекта измерения, субъекта (эксперта или экспериментатора), метода измерения, средства измерения, условий измерения.

Объект измерения должен быть всесторонне изучен. Так, при измерении плотности вещества должно быть гарантировано отсутствие инородных включений, при измерении диаметра вала нужно быть уверенным в том, что он круглый. В зависимости от характера объекта и цели измерения учитывают (или отвергают) необходимость корректировки измерений. Например, при измерений площадей сельскохозяйственных угодий пренебрегают кривизной земли, что нельзя делать при измерении поверхности океанов. При измерении периода обращения Земли вокруг Солнца можно заранее пренебречь его неравномерностью, а можно, наоборот, сделать ее объектом исследования.

Метод измерения. Очень часто измерение одной и той же величины постоянного размера разными методами дает различные результаты, причем каждый из них имеет свои недостатки и достоинства. Искусство оператора состоит в том, чтобы соответствующими способами исключить, компенсировать или учесть факторы, искажающие результаты. Если измерение не удается выполнить так, чтобы исключить или компенсировать какой-либо фактор, влияющий на результат, то в последний в ряде случаев вносят поправку.

Поправки могут быть аддитивными (от лат. addi-tivus – прибавляемый) и мультипликативными (от лат. multipico – умножаю). Например, для расчета сопротивления измеряют значение электрического тока, протекающего через резистор, и падение напряжения на нем. При этом возможны два варианта включения вольтметра и амперметра и соответственно различные аддитивные поправки. В одном случае из показания амперметра нужно вычесть протекающий через вольтметр, в другом – из показания вольтметра нужно вычесть падение напряжения на амперметре. Другой пример (по учету мультипликативной поправки): при измерении ЭДС вольтметром учитывают сопротивление источника питания путем умножения показания вольтметра на поправочный множитель определяемый расчетным путем.

При многократном измерении одной и той же величины ошибки проявляются в том, что результаты отдельных измерений заметно отличаются от остальных. Если отличие велико, ошибочный результат необходимо отбросить. При этом руководствуются «правилом трех сигм», если при многократном измерении сомнительный результат отдельного измерения отличается от среднего больше чем на 3 (среднее квадратическое отклонение значения измеряемой величины среднего значения), т.е. вероятностью 0,997 он является ошибочным и его следует отбросить.

Качество измерений является главным фактором производства, базирующего на быстропротекающих процессах, автоматических процессах, на большом числе измеряемых величин. Нередко причиной брака продукции становятся неверные назначенные СИ (в первую очередь по точности). Бывает и так, что СИ вовсе не назначаются там, где это необходимо, из-за их отсутствия. Как показывает анализ (50), если весь брак, причиной которого являются недостатки метрологической деятельности, принять за 100%, то брак продукции вследствие неправильных выбранных или совсем не назначенных СИ состоит 48,5%; из-за неумелого применения СИ, отсутствия метрологических аттестованных методик измерения и низкой квалификации операторов – 46%; 5,5%; обуславливается неисправностью СИ.

Методика выполнения измерений. На обеспечение качества измерений направлено применение аттестованных методик выполнения измерений (МВИ). Ст.9, 11 и 17 Федерального закона «Об обеспечении единства измерений» включают положения, относящиеся к МВИ. В 1997 г. начал действовать ГОСТ 9.563-96 «ГСИ. Методики выполнения измерений».

Методика выполнения измерений – совокупность операций и правил, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с известной погрешностью. Как видно из определения, под МВИ понимают технологический процесс измерений МВИ – это, как правило, документированная измерительная процедура. МВИ в зависимости от сложности и области применения излагают в следующих формах: отдельном документе (стандарте, рекомендации и т.п.); разделе стандарта: части технического документа (разделе ТУ, паспорта).

Аттестация МВИ – процедура установления и подтверждения соответствия МВИ предъявляемым к ней метрологическим требованиям.