Выбор средств измерений — составная часть стратегии измерений
Измерения играют важную роль в науке, технике, производстве и эксплуатации разнообразных устройств и систем. От того, насколько качественно и достоверно мы измеряем физические величины и параметры, зависит успех и эффективность нашей деятельности. Поэтому важно правильно выбирать средства измерений, которые будут соответствовать нашим целям, задачам, условиям и требованиям.
Что такое средства измерений?
Средства измерений — это различные приборы, аппаратура, оборудование, программное обеспечение и другие средства, которые мы используем для измерения физических величин и параметров. Например, для измерения температуры мы можем использовать термометр, для измерения давления — манометр, для измерения скорости — спидометр и т.д. Для измерения электрических величин применяются амперметры, вольтметры, омметры, ваттметры и т. д.
Средства измерений должны обладать рядом свойств, которые обеспечивают их пригодность для измерений. К таким свойствам относятся:
- Точность — способность средства измерений давать показания, близкие к истинным значениям измеряемых величин.
- Чувствительность — способность средства измерений реагировать на малые изменения измеряемых величин.
- Диапазон — интервал значений измеряемых величин, в котором средство измерений может работать.
- Быстродействие — способность средства измерений быстро реагировать на изменения измеряемых величин и выдавать показания.
- Экономичность — соотношение между затратами на приобретение, эксплуатацию и обслуживание средства измерений и его полезностью для измерений.
Как выбрать средства измерений?
Выбор средств измерений — это процесс, в ходе которого мы определяем, какие средства измерений наиболее подходят для решения нашей измерительной задачи. Выбор средств измерений является частью стратегии измерений, которая включает в себя также определение цели, объекта, метода, плана и организации измерений.
Выбор средств измерений должен осуществляться с учетом различных аспектов, таких как:
- Технические аспекты — связанные с характеристиками и свойствами средств измерений, их соответствием стандартам, нормам и правилам, их взаимодействием с объектом измерений и другими средствами измерений.
- Технологические аспекты — связанные с условиями проведения измерений, влиянием внешних факторов на измерения, необходимостью защиты и компенсации средств измерений, способами подключения, настройки и калибровки средств измерений.
- Экономические аспекты — связанные с затратами на приобретение, эксплуатацию и обслуживание средств измерений, их ресурсом, износом, амортизацией, стоимостью ремонта и замены, их эффективностью и рентабельностью.
Для того, чтобы правильно выбрать средства измерений, мы должны ответить на ряд вопросов, которые помогут нам определить наши потребности и возможности. Вот эти вопросы:
Какие величины и параметры мы хотим измерить?
Для этого мы должны установить, какие физические величины и параметры характеризуют наш объект измерений, как они связаны между собой и с искомыми величинами, какие из них являются входными, выходными или вспомогательными, какие из них подлежат непосредственному или косвенному измерению.
Какие средства измерений имеются в нашем распоряжении?
Для этого мы должны узнать, какие средства измерений доступны для нас, каковы их принцип действия, конструкция, функциональные возможности, технические характеристики и метрологические свойства, как они соответствуют нашим требованиям и задачам.
Какой диапазон измерений нам необходим?
Для этого мы должны определить, какие значения измеряемых величин могут принимать в нормальных и предельных условиях, какова их динамика и вариабельность, какие погрешности допустимы при измерении. Верхняя граница диапазона должна в 1,5 раза превышать ожидаемый результат измерения.
Какую точность измерений мы хотим достичь?
Для этого мы должны учитывать, какова точность исходных данных, какова точность требуемого результата, какие погрешности возникают при измерении, как они зависят от условий измерений, как они учитываются и устраняются, как оценивается неопределенность измерений.
Какую чувствительность измерений мы хотим обеспечить?
Для этого мы должны учитывать, какова минимальная разность значений измеряемой величины, которая должна быть различима прибором, каково соотношение сигнала и шума, какова стабильность показаний прибора, какова влиятельность внешних факторов на чувствительность прибора.
В каких условиях мы будем проводить измерения?
Для этого мы должны учитывать, какие температура, влажность, давление, освещенность, вибрация, электромагнитные поля, радиация и другие факторы воздействуют на наш объект и средства измерений, как они влияют на их работоспособность, точность и чувствительность, какие меры защиты и компенсации необходимы для обеспечения надежности и достоверности измерений.
Достаточно ли значение сопротивления измерительного прибора для того, чтобы систематическая погрешность не превысила допустимого значения? (Потребуется ли коррекция результата измерений?)
Для этого необходимо учитывать, какое влияние оказывает подключение измерительного прибора на параметры измеряемой цепи или устройства, как изменяются токи, напряжения, мощности, импедансы и другие величины, какие коэффициенты коррекции необходимы для устранения искажений, вызванных вмешательством прибора в измеряемую систему.
Имеют ли эти измерительные приборы требуемый диапазон частот?
Для этого необходимо учитывать, какова частота или спектр измеряемого сигнала, какова полоса пропускания или частотная характеристика измерительного прибора, каково влияние частотных искажений на точность и чувствительность измерений, какие фильтры или преобразователи частот необходимы для адаптации сигнала к прибору.
Насколько оправдана выбранная организация измерений с экономической точки зрения? (Обеспечивается ли лишь необходимая точность или максимально возможная?)
Для этого необходимо учитывать, какова стоимость, сложность, продолжительность и эффективность измерений, каковы затраты на приобретение, эксплуатацию, обслуживание и поверку средств измерений, какова отдача от измерений в виде получения полезной информации, повышения качества, безопасности, надежности и экономии ресурсов.
Систематическая погрешность средств измерений
Систематическая погрешность — это постоянное или периодическое отклонение результата измерения от истинного значения, возникающее при измерении одной и той же величины в одинаковых условиях. Ее источниками могут быть дефекты прибора, некорректная калибровка, недостатки методики и т.д. Систематическая погрешность уменьшает точность измерений, то есть сходство измеренного значения с истинным.
Для снижения систематической погрешности нужно:
- выбирать приборы с высокой точностью;
- проводить их поверку и калибровку;
- соблюдать правила измерений;
- учитывать поправки.
Для контроля систематической погрешности нужно сравнить ее с максимально допустимой погрешностью (МДП), которая указывается в паспорте или технической документации на прибор. МДП — это граница отклонения измеренного значения от действительного, которая допускается при эксплуатации прибора.
Если систематическая погрешность не превышает МДП, то результат измерений приемлем и не требует коррекции. Если систематическая погрешность больше МДП, то результат измерений ненадежен и требует коррекции или повторения измерений с другим прибором.
Для оценки систематической погрешности нужно знать сопротивление измерительного прибора и сопротивление измеряемой цепи или устройства.
Подключение измерительного прибора к измеряемой системе может изменить ее параметры, такие как токи, напряжения, мощности, импедансы и другие величины. Это приводит к возникновению методической погрешности, которая зависит от отношения сопротивлений прибора и системы. Чем больше это отношение, тем меньше методическая погрешность и наоборот.
Для устранения методической погрешности нужно использовать коэффициенты коррекции, которые учитывают изменение параметров системы при подключении прибора. Коэффициенты коррекции могут быть найдены в литературе по измерениям или рассчитаны по формулам, зависящим от типа прибора и системы.
Условия измерений
Условия измерений — это внешние условия и влияющие величины, которые воздействуют на измеряемые величины и результат измерения. Для того, чтобы результаты измерений можно было сравнивать и/или обрабатывать статистическими методами, нужно проводить измерения при одинаковых условиях и независимо друг от друга. На практике условия проведения эксперимента могут быть разными, но они лежат между двумя крайними случаями: условиями повторения и условиями сравнения.
Условия повторения — это условия измерений в одном и том же месте измерений. Они необходимы при сравнении результатов измерений тех же самых величин, полученных в одинаковых рабочих условиях, с небольшим временным интервалом, с использованием одних и тех же методов и средств измерений, одним и тем же наблюдателем и в одной и той же лаборатории. При этом систематическая погрешность не обнаруживается, а рассеяние значений, получаемых в условиях повторения, оказывается меньше, чем в условиях сравнения.
Условия сравнения — это условия измерений в разных местах измерений или при разных внешних условиях. Они необходимы при сравнении результатов измерений разных величин или одной и той же величины, полученных в разных рабочих условиях, с большим временным интервалом, с использованием разных методов и средств измерений, разными наблюдателями или в разных лабораториях. При этом систематическая погрешность может быть обнаружена и устранена, а рассеяние значений, получаемых в условиях сравнения, оказывается больше, чем в условиях повторения.
Условия применения (эксплуатации) — это условия, которые должны соблюдаться при эксплуатации средства измерений в соответствии с его типом, конструктивным исполнением и эксплуатационным назначением (например, нормальные условия). Условия применения указываются изготовителем в эксплуатационной документации.
Условия применения также называются номинальными, то есть такими, при которых средство измерений обеспечивает заявленные характеристики.
Заключение
Выбор средств измерений — это ответственный и сложный процесс, требующий компетентности, опыта и творческого подхода. От правильности выбора средств измерений зависит не только качество и достоверность измерений, но и успех всей деятельности, связанной с измерениями.
Андрей Повный