1.2. Основные понятия измерительной техники и классификация измерений

1.2.1. Основные понятия и определения

Под измерениями понимают способ количественного познания свойств физических объектов. Существуют различные физические объекты, обладающие разнообразными физическими свойствами, количество которых не

ограниченно. Человек в своем стремлении познать физические объекты - объекты познания - выделяет некоторое ограниченное количество свойств, общих в качественном отношении для ряда объектов, но индивидуальных для каждого из них в количественном отношении. Такие свойства получили название физических величин.

Физические величины различают в качественном и количественном отношении. Качественная сторона определяет "вид" величины (например, длина), а количественная - ее "размер" (например, длина конкретного объекта). Таким образом, физическая величина - свойство, общее в качественном отношении для каждого из них. Количественное содержание свойства, соответствующего понятию "физическая величина", в данном объекте - размер физической величины. Размер физической величины существует объективно, вне зависимости от того, что мы знаем о нем.

В результате измерений человек получает знания об объектах в виде значений физических величин. Понятие "физическая величина" распространяют на свойства, изучаемые не только в физике, но и в других областях науки и техники.

В ГОСТ 16263-70 "Метрология. Термины и определения" дано определение понятия "измерение": измерение - нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

В этом определении отражены следующие главные признаки понятия "измерение":

а) измерять можно свойства реально существующих объектов познания, т.е. физические величины;

б) измерение требует проведения опытов, т. е. теоретические рассуждения или расчеты не могут заменить эксперимент;

в) для проведения опытов требуются особые технические средства - средства измерений, приводимые во взаимодействие с материальным объектом;

г) результатом измерения является значение физической величины.

Принципиальная особенность измерения заключается в отражении размера физической величины числом. Число может быть выражено любым принятым способом, например комбинацией цифр, комбинацией уровней электрических напряжений и т.д.

Значение физической величины - количественная оценка измеряемой величины должна быть не просто числом, а числом именованным, т.е. результат измерений должен быть выражен в определенных единицах, принятых для данной величины. Только в этом случае результаты измерений, полученные различными средствами и разными экспериментаторами, сопоставимы.

Результат измерения практически всегда отличается от истинного значения физической величины - значения, которое выражает размер величины абсолютно точно. Истинное значение физической величины определить невозможно.

Отличие результата измерения от истинного значения объясняется несовершенством средств измерений, несовершенством способа применения средства измерений, влиянием условий выполнения измерения, участием человека с его ограниченными возможностями и т.д.

Отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины называют погрешностью измерения. Погрешность измерения ‑ X=X-Xи, где X-измеренное значение; Xи- истинное значение.

Поскольку истинное значение неизвестно, практически погрешность измерений оценивают исходя из свойств средства измерений, условий проведения эксперимента и анализа полученных результатов. Полученный результат отличается от истинного значения, поэтому результат измерения имеет ценность только в том случае, если дана оценка погрешности полученного значения измеряемой величины. Причем чаще всего определяют не конкретную погрешность результата, а степень недостоверности - границы зоны, в которой находится погрешность.

Часто применяют понятие "точность измерения", имея при этом в виду качество измерения, отражающее близость результата измерения к истинному значению измеряемой величины. Высокая точность измерения соответствует малой погрешности измерения.

Совокупность величин, связанных между собой зависимостями, образует систему физических величин. Объективно существующие зависимости между физическими величинами представляют рядом независимых уравнений. Число уравнений m всегда меньше числа величин n. Поэтому m величин данной системы определяют через другие величины, а n-m величин - независимо от других. Последние величины принято называть основными физическими величинами, а остальные - производными физическими величинами.

В качестве основных могут быть выбраны любые из данного числа величин, но практически выбирают те, которые могут быть воспроизведены и измерены с наиболее высокой точностью. В технике, например, основными величинами приняты длина, масса, время и сила электрического тока, температура.

Зависимость каждой производной величины от основных отображается ее размерностью. Размерность величины представляет собой произведение обозначений основных величин, возведенных в соответствующие степени , и является ее качественной характеристикой. Размерности величин определяют на основе соответствующих уравнений физики.

Физическая величина является размерной, если в ее размерность входит хотя бы одна из основных величин, возведенная в степень, не равную нулю. Большинство физических величин являются размерными. Однако имеются безразмерные (относительные) величины, представляющие собой отношение данной физической величины к одноименной, применяемой в качестве исходной (опорной). Безразмерными величинами являются, например, коэффициент трансформации, затухание и т.д.

Физическая величина в зависимости от множества размеров, которые они могут иметь при изменении в ограниченном диапазоне, подразделяют на непрерывные (аналоговые) и квантованные (дискретные) по размеру (уровню).

Аналоговая величина может иметь в заданном диапазоне бесконечное множество размеров. Таким является подавляющее число физических величин (длина, напряжение, сила тока, температура и т.д.). Квантованная величина имеет в заданном диапазоне только счетное множество размеров. Примером такой величины может быть малый электрический заряд, размер которого определяется числом входящих в него зарядов электронов. Размеры квантованной величины могут соответствовать только определенным уровням - уровням квантования. Разность двух соседних уровней квантования называют ступенью квантования - (квантом).

Значение аналоговой величины определяют путем измерения с неизбежной погрешностью. Квантованная величина может быть определена путем счета ее квантов, если они постоянны.

Физические величины могут быть постоянными или переменными во времени. При измерении постоянной во времени величины достаточно определить одно ее мгновенное значение. Переменные во времени величины могут иметь квазидетерминированный или случайный характер изменения.

Квазидетерминированная физическая величина - величина, для которой известен вид зависимости от времени, но неизвестен измеряемый параметр этой зависимости. Случайная физическая величина - величина, размер которой изменяется во времени случайным образом. Как частный случай переменных во времени величин можно выделить дискретные во времени величины, т. е. величины, размеры которых отличны от нуля только в определенные моменты времени.

Физические величины делят на активные и пассивные. Активные величины (например, механическая сила, ЭДС источника электрического тока) способны без вспомогательных источников энергии создавать сигналы измерительной информации. Пассивные величины (например, масса, электрическое сопротивление, индуктивность) сами не могут создавать сигналы измерительной информации. Для этого их нужно активизировать с помощью вспомогательных источников энергии, например при измерении сопротивления резистора через него должен протекать ток. В зависимости от объекта исследования говорят об электрических, магнитных или неэлектрических величинах.

Физическую величину, которой по определению присвоено числовое значение, равное единице, называют единицей физической величины. Размер единицы физической величины может быть другим. Однако измерения должны выполняться в общепринятых единицах. Общность единиц в международном масштабе устанавливают международными соглашениями. В СССР раньше действовал ГОСТ 8.417-81 (СТ СЭВ 1052-78) "Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы физических величин", согласно которому в нашей стране введена к обязательному применению международная система единиц (СИ).

Все измерения физических величин выполняют с помощью средств измерений. Для выполнения измерений с учетом различных требований и различных условий используются различные средства измерений.

По функциональному назначению все средства измерений разделяют на следующие группы: меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные информационные системы и измерительные установки.

Свойства средств измерений оценивают характеристиками, среди которых выделяют комплекс метрологических характеристик, т.е. характеристик, которые необходимы при оценке точности результатов измерений. Важным отличительным признаком средств измерений является наличие у них нормированных метрологических характеристик, благодаря чему при надлежащем применении средств измерений может быть оценена точность получаемых результатов измерений.

Обобщенной метрологической характеристикой средства измерений является класс точности, определяемый пределами допускаемых погрешностей и другими свойствами средства измерений, влияющими на точность результатов измерений.

Наряду с измерениями информацию о свойствах объектов материального мира можно получить также с помощью счета, контроля, технического диагностирования и распознавания образов.

Счетом называют определение числа качественно однотипных объектов в данной их совокупности.

Контроль - процесс установления соответствия между состоянием объекта контроля и заданной нормой. При контроле нет необходимости знать численное значение контролируемой величины. Однако контроль содержит ряд операций, присущих измерениям (измерительные преобразования, сравнения). Поэтому вопросы точности для контроля имеют существенное значение. Контроль может выполняться как с участием человека, так и автоматически, с помощью контрольно-измерительных приборов и систем автоматического контроля.

Во многих случаях для восстановления нормальной работы объекта необходимо выявить элементы, послужившие причиной неправильного функционирования объекта. Появилась необходимость в техническом диагностировании, под которым понимают процедуру для обнаружения отказов отдельных элементов объектов, т.е. определения технического состояния объекта диагностирования. Техническое диагностирование осуществляют с помощью систем технического диагностирования.

Процедуру, связанную с определением соответствия между исследуемым объектом и заданным образом, называют распознаванием образа. Основная задача распознавания образа заключается в сопоставлении по признакам распознавания "эталонных" образов с данным объектом и решении вопроса об отнесении объекта к определенному образу. При распознавании материальных объектов и происходящих в них процессов, характеризующихся параметрами, эти параметры измеряют и сопоставляют их значения с областью значений, определяющих количественное описание свойств образа.

Производством и применением средств измерений для получения измерительной информации, а также научными вопросами, возникающими при этом, занимается отрасль науки и техники, называемая измерительной техникой. Таким образом, измерительная техника рассматривается как область деятельности людей, включающая в себя научную деятельность, производство и эксплуатацию средств измерений. Часть научных основ измерительной техники составляет метрология как наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Следует отметить, что под измерительной техникой часто понимают только совокупность средств измерений и способов их применения для получения измерительной информации.