Метрология это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства, а также способах достижения требуемой точности

Под измерением в метрологии понимают процесс определения значения измеряемой величины (ИВ) опытным путем. Под самой величиной понимают какое либо свойство материального объекта, явления или процесса, которое является о б щ и м для многих бъектов и которое можно выразить ч и с л о м, с прерывным или непрерывным набором значений. Например, сила тока выражает степень интенсивности перемещения в пространстве зарядов - носителей электрических полей. Эта интенсивность может быть определена некоторым числом, которое однозначно отражает ее уровень. Знание этого уровня позволяет предсказать те последствия, к которым приводит это перемещение.

Все измерения человек осуществляет с помощью вспомогательных средств - средств измерения (СИ). Различают два класса СИ - меры и измерительные устройства. Последние, в свою очередь, подразделяются на измерительные приборы, измерительные преобразователи, измерительные установки и измерительные системы. Мера это простейшее СИ, с помощью которого можно снять только одно значение измеряемой величины. Например, гирькой массой 100 гр можно уравновесить - и тем самым точно установить измеряемую массу - только тех тел, которые имеют одинаковую с ней массу в 100гр. Никакие другие массы с ее помощью измерить невозможно.

Измерительные устройства позволяют измерить много значений измеряемой величины и потому являются самыми распространенными СИ. В свою очередь, электрические СИ образуют среди них наиболее широкий класс средств. Это объясняется, универсальностью электрических взаимодействий, их способностью трансформироваться в любые другие взаимодействия, а также легкостью, с какой они могут передаваться на любые расстояния с практически неограниченной скоростью.

По способу проведения, измерения делят на прямые и косвенные. При прямых измерениях значение измеряемой величины снимают непосредственно с СИ, при косвенных - с привлечением дополнительных математических расчетов. Например, силу тока можно получить прямым измерением, сняв его значение со шкалы амперметра, а объем комнаты косвенным - через замеры ее длины, ширины, высоты с последующим перемножением.

Центральным вопросом всякого измерения является вопрос о достоверности полученных значений. Процесс измерения не будет иметь никакой ценности, если полученные результаты окажутся несоответствующими действительности.

С другой стороны, практика измерений выявила одно важное обстоятельство - н и к а к о е измерение не может дать информацию об измеряемой величине с абсолютной достоверностью. Поэтому вопрос о достоверности в метрологии заменяется вопросом о точности измерения. Под точностьюпонимаетсястепень близости полученного значения к истинному значению измеряемой величины. Для оценки этой близости вводится понятие п о г р е ш н о с т и, или о ш и б к и. Различают абсолютную и относительную погрешности

Абсолютная погрешность - это разница между результатом измерения А_изм и действительным значением измеряемой величины, А_Д.:

Относительная погрешность - это отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины, А_Д, выраженная в процентах:

Поскольку действительное значение ИВ не может дать ни один прибор, то А_Д при реальных расчетах заменяют на А_ИЗМ:

Абсолютная погрешность дает представление об отличии снятого по прибору значения ИВ от истинного значения, но не позволяет оценить значительность этого отличия. Действительно, если при измерении расстояния мы получили отклонение результата от истинного значения на 1 см, то много это или мало? Если это расстояние от одного дома до другого, то - мало, а если расстояние от одного глаза до другого - то много. Вот почему на практике чаще используют относительную погрешность, которая и является м е р о й т о ч н о с т и. В случае расстояния между домами (~10 м) точ-

ность будет очень высока , а вслучае расстояния

между глаз (~ 6 см) –низка:

Погрешности при измерениях могут появляться вследствие воздействия на измерительный процесс каких либо посторонних или внутренних факторов. Систематические, т.е. постоянные по времени факторы, создают систематические погрешности, а случайные - случайные. При практическом выполнении измерений все их важно устранить. В случае электрических измерений к систематическим факторам могут относиться неправильное положение прибора при измерении, невыставленное перед измерением нулевое положение его стрелки, наличие внешних электрических и магнитных полей, неправильный угол отсчета и т.д. К случайным факторам можно отнести нестабильное питание электрической цепи, случайная электризация ближайших предметов и т.д. Чем большей точности требует измерение, тем больше факторов приходится принимать во внимание и тем труднее обеспечить их устранение.

Но даже при самом тщательном подходе не удается устранить все причины, создающие погрешности - прежде всего те, которые действуют в н у т р и самих измерительных приборов. Любое СИ представляет собой более или менее сложную техническую конструкцию, и несовершенство деталей, а также протекание в нем разнообразных побочных процессов, приводят к появлению в его показаниях собственных погрешностей. Они появляются вследствие трения деталей механизма друг о друга, износа, нагревания при прохождении тока, последующего теплового расширения и т.д. В результате производители приборов выпускают измерительные приборы с заданным уровнем точности. Эта точность количественно задается через класс точности:

Классом точности прибора называют относительную погрешность прибора (γ), нормированную к пределу его измерения, А_max.:

Такая погрешность называется также приведенной погрешностью.

Класс точности прибора, как правило, указывается на его шкале, простым числом без процента. Например, если на шкале вольтметра с пределом измерения U _max = 250 в стоит цифра «4», то γ=4%, а погрешность измерения такого вольтметра составляет

В промышленной метрологии существует 8 классов точности:

γ	4.0	2.5	1.5	1.0	0.5	0.2	0.1	0.05
Тип прибора	Технические	Прецизионные (высокоточные)

На практике погрешность прибора определяется опытным путем через

тестовые замеры параметров в паре с прибором более высокой точности (образцовым, эталонным). Наибольшая погрешность, которая выявляется при таких испытаниях, и задает основную погрешность прибора. Эта погрешность определяется при тех условиях, при которых его эксплуатация считается нормальной. Если последняя выходит за пределы этих норм, то к основной погрешности прибавляется дополнительная, связь которой с отклонениями от нормальных условиях также может указываться в паспорте прибора.

Результат измерения должен обязательно оформляться вместе с погрешностью, так как именно погрешность показывает у р о в е н ь достоверности и точность измеренной величины. Как следует из таблицы классов точности, современныее приборы, дают точность на уровне 1,5 - 4%. Для многих технологических приложений этого уровня точности вполне достаточно. Запись оформляют ввиде равенства:

Здесь ΔА_ИНС - погрешность измерительного средства (ее называют также инструментальной).

Указанной формулой пользуются только в том случае, если есть уверенность, что все иные погрешности - систематические и случайные - устранены, или, если к точности измерений не предъявляется повышенные требования. Если же измерение проводят со всей строгостью метрологической науки, то оно обязательно должно быть статистически значимым.

Последнее означает, что измерение должно производиться не однократно, а многократно. Это следует из того, что результат одного измерения неизбежно выдает лишь случайное значение погрешности, которое не может выдаваться за ее объективную границу. Кроме того однократное измерение не может выявить все погрешности и их характер - их можно выявить только при многократных измерениях.. Однако, в этом случае объем работы значительно возрастает.

Многократные измерения обязательны: 1) в науке; 2) в лабораторных исследованиях (в лаб.работах - по физике и т.д.); 3) в метрологии. Строгая теория многократных измерений предполагает применение методов теории вероятности, в частности, - вероятностных распределений Гаусса, Стьюдента и т.д.. В электротехнике, при соблюдении нормальных условий и требований для измерений (см.выше), нет смысла прибегать к многократным измерениям, поскольку объем вычислений не окупает прибавку к точности.

Следует, однако, иметь ввиду, что при снятии значений измеряемой величины со шкалы прибора целесообразно записывать не одно значение ИВ, а несколько, поскольку глаз не может точно «оцифровать» интервал между ближайшими метками шкалы. Записанные отсчеты надо, далее, сложить и найти среднее. Оно и должно быть записано как результат измерения. Погрешность отсчета, при этом, в большинстве случаев, не увеличивает погрешность прибора.

Остается сделать одно замечание. Указывая в окончательном виде результат измерения вместе с его погрешностью мы, тем самым, признаем ограниченность наших измерительных возможностей. Вместе с тем, логически это ведет к признанию ограниченности наших измерительных возможностей и по отношению к самой погрешности! Другими словами, определение самой погрешности неизбежно тоже делается с погрешностью.

На практике погрешность от погрешности измерить не только невозможно, но и ненужно. Дело в том, что по отношению к самой измеряемой величине погрешность от погрешности составляет величину второго порядка малости. То есть, если погрешность от исходного результата будет составлять, например 4%, а погрешность от погрешности - тоже 4%, то по отношению к исходной измеренной величине вторая погрешность будет составлять очень малую величину:

Даже если вторая погрешность будет составлять 30% от первой, то ее вклад в погрешность измеряемой величины составит , т.е. существенно меньшую часть от вклада в погрешность самого прибора (4%).

По этой причине в метрологии и теории измерений приняты следующие стандарты на записи погрешностей: если при вычислении/измерении погрешности, в ней содержится несколько значащих (т.е. отличных от 0) цифр, то когда:

1) старшая цифра погрешности начинается с «1», «2», «3», то сохраняется она и следующая за ней цифра - остальные отбрасываются с округлением

2) старшая цифра погрешности начинается с «4» и старше, то сохраняется только она - остальные отбрасываются с округлением.

Примеры:

0,01234 = 0,012	4,645= 5	56,457=60
12,6543=13	0,34056=0,34	1235,567=1200
0,007234=0,007	34,905=35	4569,345=5000

В измеренном значении А_изм. сохраняют ту же степень точности, что и в погрешности

А = 2,37456 ± 0,01234 = 2,374 ± 0,012; А = 23745,6 ± 56,01234 = 23750 ± 60

А = 653,67 ± 12,6543= 654± 13; А = 23745,6 ± 560,1234 = 23700 ± 600

7.2 Конструкции электроизмерительных