Измерения в метрологии: что это такое, классификация и основные виды

Измерения играют ключевую роль в метрологии, являясь основой для получения точных и надежных данных в научных, промышленных и технических областях. В мире, где точность информации имеет критическое значение, умение правильно измерять и интерпретировать результаты становится неотъемлемой частью успешной деятельности. 

Метрология охватывает широкий спектр методик и инструментов, направленных на количественную оценку физических величин. В материале ниже будет раскрыта сущность измерений в метрологии. Также будет приведена их классификация и описаны основные виды.

Что такое измерение в метрологии?

Это сложный и многогранный процесс, который включает в себя не только определение отношения одной величины к другой. Цель измерений – получение количественной информации о физических величинах:

• длине, 
• массе, 
• времени, 
• температуре и других.

Для этого используются специальные технические средства, которые варьируются от элементарных (линейки и весы) до сложных электронных устройств (спектрометры, лазерные интерферометры и т. д.). Измерения производятся с использованием различных методик и инструментов. 

В метрологии есть система единиц измерения, которая обеспечивает единообразие и согласованность результатов. Участники процесса используют общепринятые единицы:

• метр – для длины, 
• килограмм – для массы, 
• секунда – для времени и множество других.

Это позволяет избежать путаницы и гарантирует, что результаты измерений будут сопоставимы и воспроизводимы. 

Таким образом, измерение в метрологии – не просто получение числовых значений. Это комплекс действий, направленных на обеспечение точности, надежности и согласованности конечных данных. Измерения – основа для принятия обоснованных решений.

Основные виды измерений в метрологии

В метрологии есть несколько типов измерений. Они классифицируются по ряду параметров. По характеру зависимости измеряемой величины от времени выделяются следующие виды измерений:

• статические. Измеряемая величина остается постоянной во времени. Это измерения размеров тела, постоянного давления; 
• динамические. Измеряемая величина изменяется, т.е. она непостоянна во времени. Например, при измерении пульсирующих давлений, вибраций.

По способу получения результатов:

• прямые;
• косвенные;
• совместные; 
• совокупные.

В зависимости от условий, определяющих точность результата, измерения делятся на три класса:

1. Измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровне техники. 
2. Контрольно-поверочные измерения, погрешность которых не должна превышать некоторого заданного значения. 
3. Технические измерения, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерений.

По способу выражения результатов различают абсолютные и относительные измерения. Первые основаны на прямых измерениях одной или нескольких величин, либо на использовании значений физических констант. Относительными называются измерения отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

Классификация измерений

Классификация позволяет систематизировать различные виды измерений, что упрощает их понимание и применение. Также она помогает определить типы измерений и различать их между собой. Это важно для обеспечения точности и достоверности результатов, поскольку разные методы измерения могут требовать различных подходов к обработке данных и калибровке оборудования. 

Кроме того, классификация способствует улучшению качества измерений, так как позволяет разрабатывать эффективные методы и средства измерений, проводить сравнение между различными системами. Также правильная классификация измерений способствует повышению доверия к результатам.

Измерения по способу получения результата

По этому признаку выделяются следующие виды измерений: 

Прямые 

При использовании метода искомое значение измеряемой величины находят непосредственно из опытных данных – путем сравнения с мерой величины. 

Косвенные 

Значение величины определяют на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям; 

Совместные

Одновременные измерения двух или более разных величин, осуществляемые для нахождения зависимости между ними. Имеют место, например, при градуировке термопары, когда одновременно измеряют ЭДС термопары и температуру среды, в которую помещен ее спай; 

Совокупные

Это измерения нескольких одноименных величин. Искомую величину находят, решая систему уравнений, полученных посредством прямых измерений сочетаний этих величин. Например, определение массы отдельных гирь набора (калибровка по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс сочетаний гирь).

Прямые измерения

Это один из базовых методов измерений в метрологии. При его использовании искомое значение физической величины определяется непосредственно, на основе опытных данных. Этот подход позволяет получить результаты, которые легко интерпретировать и использовать в различных областях. 

При проведении прямых измерений измеряемую величину сравнивают с эталоном или мерой, используя специализированные измерительные приборы. Эти приборы, как правило, градуированы в требуемых единицах измерения, что обеспечивает точность и согласованность получаемых данных. Примеры прямых измерений:

• измерение длины. Использование линейки или рулетки для определения длины предмета;
• измерение массы. Использование весов для определения массы объекта.
• измерение температуры. Использование термометра для определения температуры жидкости или воздуха.

Прямые измерения – важная часть многих научных экспериментов и технологических процессов в промышленности, так как они обеспечивают высокую степень точности и надежности.

Косвенные измерения

Метод, при котором искомое значение физической величины определяется на основе результатов прямых измерений других величин, связанных с искомой через определенные зависимости. Этот подход часто используется в ситуациях, когда прямое измерение невозможно, затруднительно или менее точно. Примером косвенных измерений может служить расчет мощности электрической цепи. 

Косвенные измерения обычно применяются в следующих случаях: 

• Сложность прямого измерения. Иногда измеряемая величина может быть труднодоступной или требовать сложного оборудования для прямого измерения. Пример: измерение давления в глубоких скважинах. 
• Повышение точности. Прямое измерение может давать менее точные результаты из-за особенностей приборов или условий измерения. Косвенные измерения помогают избежать этих проблем, если при их проведении используются более точные и надежные методы. 
• Моделирование и расчеты. В научных исследованиях часто используются математические модели, которые позволяют вычислять искомые значения на основе известных данных. Это актуально для сложных систем, в которых взаимодействует друг с другом одновременно множество факторов. 

Таким образом, косвенные измерения – важный инструмент в метрологии. Они позволяют получать необходимые данные в случаях, когда прямые измерения нецелесообразны или невозможны.

Измерения по отношению к эталону

Это измерения, выполняемые при помощи образцов с целью воспроизведения единиц физических величин для передачи их размера рабочим средствам измерений. Делятся на два вида: абсолютные и относительные.

Абсолютные измерения

Представляют собой метод, при котором значения физических величин определяются на основе прямых измерений одной или нескольких величин, а также с использованием физических констант. Этот подход обеспечивает высокую точность и надежность, так как опирается на общепринятые стандарты и эталоны.
К абсолютным измерениям относятся:

• измерение массы объекта с использованием высокоточных весов, которые откалиброваны на основе эталонов массы; 
• прямое измерение длины с помощью линейки или другого измерительного инструмента, который также откалиброван в соответствии со стандартами; 
• использование фотометров для измерения интенсивности света, где результаты могут быть сопоставлены с эталонными значениями; 
• измерение количества вещества в молях, основанное на прямых измерениях массы и молярной массе веществ.

Абсолютные измерения важны в научных исследованиях, инженерии и промышленности. Позволяют получать результаты, которые могут быть воспроизведены и проверены другими исследователями. Эти измерения служат основой для создания стандартов и эталонов.

Относительные измерения

Это измерения, при которых в виде пропорции вычисляется отношение однородных величин. Причем числитель выступает сравниваемой величиной, а знаменатель — базой сравнения (единицей). Результат измерения будет зависеть от того, какая величина принимается за базовую. Примером относительного измерения может служить измерение диаметра вращающейся детали по числу оборотов соприкасающегося с ней аттестованного ролика. 

Относительные измерения дают более точные результаты, чем абсолютные. Причина в том, что они не содержат погрешности меры величины.

Измерения по условиям проведения и точности

Данный вид измерений также классифицируется на несколько классов.

Первый класс – измерения возможной точности. В этот класс входят, в первую очередь, эталонные, связанные с максимально возможной точностью воспроизведения установленных единиц физических величин.

Второй класс – контрольно-поверочные измерения, погрешность которых не должна превышать некоторого заданного значения. В этот класс включены измерения, выполняемые лабораториями государственного контроля (надзора) за соблюдением требований технических регламентов, а также состоянием измерительной техники и заводскими измерительными лабораториями. 

Третий класс – технические измерения, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерений. Примерами технических измерений являются измерения, выполняемые в процессе производства на промышленных предприятиях, в сфере услуг и т.д. 

По видам измерений выделяют прикладные, научные, лабораторные и промышленные. Подробная информация по каждому виду представлена ниже.

Прикладные измерения

Это измерения, связанные с воспроизведением шкал измерений, калибровкой и поверкой средств измерений. Они выполняются для обеспечения единства и требуемой точности измерений. 

Воспроизведение шкал измерений заключается в установлении соответствия объекта или его характеристики отметке на шкале измерений. После этого объекту измерений приписывают количественную или качественную определенность, соответствующую выявленной отметке шкалы. 

Калибровка средств измерений проводится для контроля метрологических характеристик приборов и вычисления погрешности. Для этого используют образцовые средства измерений, которые имеют повышенный класс точности и хранятся отдельно. 

Поверка средств измерений заключается в установлении пригодности прибора к применению на основании экспериментально определяемых метрологических характеристик и подтверждения соответствия установленным обязательным требованиям.

Научные измерения

Научные измерения — это процедура сравнения величины с другой величиной, принятой за эталон. 

Различают прямые и косвенные измерения.

• Прямые – предполагают сравнение с эталоном непосредственно на исследуемом объекте. Например, плотность тела вычисляется по массе и объему. 
• В косвенных измерениях используется закономерная связь величины, которая непосредственно недоступна, с другими величинами, функционально связанными с интересующей величиной. Например, измерение величины элементарного электрического заряда возможно только посредством косвенных приемов.

Лабораторные измерения

Это измерения, выполненные в лабораторных условиях с помощью средств измерения повышенной точности, из показаний которых, как правило, могут быть устранены систематические погрешности путем введения поправок. 

Метрологическое обеспечение лабораторных измерений — это комплекс организационно-технических мероприятий, технических средств, правил и норм, определяющих организацию и методику проведения работ по оценке и обеспечению достоверности и требуемой точности полученных результатов. 

Технической основой метрологического обеспечения являются:

• специальные и рабочие эталоны, обеспечивающие с необходимой точностью воспроизведение и передачу размеров единиц физических величин; 
• стандартные образцы состава и свойств веществ и материалов, применяемые для контроля качества продукции, аттестации методик выполнения измерений, определения состава и свойств веществ и материалов методом сравнения;
• средства испытаний и контроля с нормированными метрологическими характеристиками; 
• стандартные справочные данные о физических константах и свойствах веществ и материалов; 
• устройства и сооружения, предназначенные для создания необходимых условий выполнения измерений; 
• база, осуществляющая ремонт, наладку и последующую юстировку рабочих средств измерений.

Промышленные измерения

Предполагают использование специальных приборов и систем для обеспечения заданных характеристик технологических процессов, контроля качества и количества произведенной продукции. 

Для промышленных измерений используются следующие инструменты и оборудование:

• Лазерные трекеры – предназначены для высокоточных измерений, в том числе для настройки станков и юстировки роботов. 
• Автоколлимационные теодолиты – обеспечивают возможность точного выставления оборудования по углу.
• Портативные измерительные руки – используются в системах роботизированного контроля.
• Лазерные и оптические сканеры – с их помощью можно построить 3D-модель и организовать автоматическую систему контроля качества продукции. 

Также для точности до 0,5 мм используют линейки, рулетки, нутромеры, кронциркули. Если требуется большая точность, применяют микрометры, уровни, щупы, угломеры (они дают точность от 0,1 до 0,001 мм).

Заключение

Правильный выбор метода измерения играет ключевую роль в обеспечении точности и надежности получаемых данных. Каждый метод обладает преимуществами и ограничениями. Выбор должен основываться на характере измеряемой величины, условиях проведения измерений и требуемой точности. 

Выбор подходящего метода измерения напрямую влияет на точность результатов. Например, в ситуациях, где требуется высокая степень точности, предпочтительнее использовать прямые измерения. В то же время, в сложных условиях, где прямое измерение невозможно, подходящими будут косвенные методы. 

Некоторые методы требуют больше времени и ресурсов. Например, лабораторные измерения с использованием высокоточных приборов могут быть более затратными по времени и средствам, чем простые технические измерения, проводимые в процессе производства.

Изображение от freepik