Метод оценки величины

Метод оценки величины — это совокупность приёмов и процедур, позволяющих определить численное значение физической величины, параметра или показателя в заданных единицах измерения или в относительных единицах. Методы оценки величины являются основой метрологии — науки об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и требуемой точности. В зависимости от способа получения результата, применяемых средств и условий проведения, методы оценки делятся на прямые и косвенные, абсолютные и относительные, контактные и бесконтактные, а также на методы сравнения с мерой и методы непосредственной оценки.

Классификация методов оценки величины

Методы оценки величины классифицируются по нескольким признакам, основными из которых являются способ получения результата, вид используемых средств измерений и характер взаимодействия с объектом.

По способу получения результата

Прямые методы — методы, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных (например, измерение длины линейкой, массы — весами, температуры — термометром). Результат выражается в единицах измеряемой величины.

Косвенные методы — методы, при которых искомое значение величины вычисляют на основании известной функциональной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям (например, определение плотности тела через измерение его массы и объёма, вычисление электрического сопротивления по закону Ома через измерение напряжения и силы тока). Косвенные методы широко применяются в научных исследованиях и технике, когда прямое измерение затруднено или невозможно.

По условиям точности

Метод непосредственной оценки — значение величины определяется непосредственно по отсчётному устройству измерительного прибора (например, показания амперметра, манометра, рулетки). Этот метод прост и быстр, но его точность ограничена классом точности прибора.

Метод сравнения с мерой — измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой (эталоном). Различают несколько разновидностей этого метода:

• Нулевой метод — результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводится до нуля (например, взвешивание на равноплечих весах, когда масса груза уравновешивается гирями).
• Дифференциальный метод — на прибор сравнения воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой (например, измерение отклонения напряжения от номинального значения с помощью вольтметра).
• Метод замещения — измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой, поддерживая условия измерений неизменными (например, взвешивание с поочерёдным помещением груза и гирь на одну чашу весов).
• Метод совпадения — измеряют разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов (например, измерение частоты с помощью стробоскопа).

По характеру взаимодействия с объектом

Контактные методы — измерительный прибор непосредственно соприкасается с объектом измерения (например, измерение температуры термометром, помещённым в среду, измерение твёрдости вдавливанием индентора).

Бесконтактные методы — измерительный прибор не взаимодействует с объектом непосредственно, а воспринимает излучение, отражение или другие физические поля (например, измерение температуры пирометром, измерение расстояния лазерным дальномером, ультразвуковая дефектоскопия). Бесконтактные методы особенно ценны при измерении в агрессивных средах, при высоких температурах или при недоступности объекта.

Методы оценки в различных областях

В метрологии и стандартизации

В метрологии методы оценки величины регламентируются государственными стандартами (ГОСТ) и методиками выполнения измерений (МВИ). Основные требования к методам включают обеспечение единства измерений, воспроизводимость результатов и заданную точность. Для оценки физических величин используются эталоны — средства измерений, обеспечивающие воспроизведение и хранение единицы величины с наивысшей точностью. В России государственные эталоны хранятся во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии имени Д. И. Менделеева (ВНИИМ) и других метрологических институтах.

В технике и промышленности

В технике методы оценки величины применяются для контроля качества продукции, настройки оборудования, диагностики и испытаний. Например, в машиностроении для оценки размеров деталей используются контактные (штангенциркуль, микрометр) и бесконтактные (оптические измерительные системы) методы. В электротехнике для оценки параметров цепей применяются методы амперметра-вольтметра, мостовые методы (мост Уитстона), резонансные методы. В теплотехнике для оценки температуры, давления и расхода жидкостей и газов используются термопары, манометры, расходомеры различных типов.

В науке

В научных исследованиях методы оценки величины часто являются косвенными и требуют сложной математической обработки. Например, в физике элементарных частиц для оценки массы частиц используются трековые методы, методы потери энергии, времяпролётные методы. В астрофизике для оценки расстояний до звёзд применяются методы параллакса, стандартных свечей (цефеиды, сверхновые типа Ia), красного смещения. В химии для оценки концентрации веществ используются титриметрические, гравиметрические, спектрофотометрические, хроматографические методы.

В экономике и социологии

В экономике методы оценки величины применяются для измерения макроэкономических показателей (валовой внутренний продукт, инфляция, безработица), стоимости активов, эффективности инвестиций. Методы оценки включают затратный, доходный и сравнительный подходы. В социологии для оценки общественных настроений, мнений и поведения используются методы опроса, анкетирования, интервью, контент-анализа, статистической обработки данных. Точность таких оценок зависит от репрезентативности выборки, формулировки вопросов и методов анализа.

Погрешности методов оценки

Любой метод оценки величины сопровождается погрешностями — отклонениями результата измерения от истинного значения величины. Погрешности классифицируются по источнику возникновения (инструментальные, методические, субъективные), по характеру проявления (систематические, случайные, грубые) и по способу выражения (абсолютные, относительные, приведённые).

Систематические погрешности — погрешности, остающиеся постоянными или закономерно изменяющиеся при повторных измерениях (например, погрешность калибровки прибора, температурная погрешность). Они могут быть выявлены и устранены введением поправок или использованием более точных методов.

Случайные погрешности — погрешности, изменяющиеся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины (например, влияние вибраций, флуктуаций напряжения, субъективных факторов). Они оцениваются методами математической статистики и уменьшаются увеличением числа измерений.

Грубые погрешности (промахи) — погрешности, существенно превышающие ожидаемые при данных условиях (например, ошибка оператора, сбой прибора). Результаты с грубыми погрешностями отбрасываются.

Выбор метода оценки

Выбор конкретного метода оценки величины определяется рядом факторов: требуемой точностью, диапазоном измерений, условиями проведения, доступными средствами измерений, экономической целесообразностью. При выборе метода руководствуются нормативными документами (ГОСТ, МИ, РД), а также опытом и квалификацией персонала. В сложных случаях проводят метрологическую экспертизу методики выполнения измерений.

Развитие методов оценки

С развитием науки и техники методы оценки величины постоянно совершенствуются. Внедрение цифровых технологий, микроэлектроники, лазерной техники, нанотехнологий позволяет создавать новые, более точные и быстрые методы. Например, лазерная интерферометрия позволяет измерять расстояния с точностью до долей нанометра, методы ядерного магнитного резонанса — оценивать структуру веществ на молекулярном уровне, методы спутниковой геодезии (GPS, ГЛОНАСС) — определять координаты с сантиметровой точностью. В России активно развиваются методы квантовой метрологии, основанные на квантовых эффектах (квантовый эффект Холла, эффект Джозефсона), которые позволяют создавать эталоны электрических величин с рекордной точностью.

Источники

1. ГОСТ Р 8.563-2009 «Государственная система обеспечения единства измерений. Методики (методы) измерений».
2. Сергеев А. Г., Крохин В. В. Метрология: учебник для вузов. — М.: Логос, 2020.
3. Тартаковский Д. Ф., Ястребов А. С. Метрология, стандартизация и технические средства измерений. — СПб.: Питер, 2019.
4. Бурдун Г. Д., Марков Б. Н. Основы метрологии. — М.: Издательство стандартов, 1985.
5. РМГ 29-2013 «ГСИ. Метрология. Основные термины и определения».