Физикалық шамаларды өлшеу

Өлшеу – арнайы техникалық құралдардың көмегімен тәжірибелі жолмен физикалық шаманың мәнін табу болып табылады. Мысалы, қарапайым жағдайларда, сызғышты қандай да бір бөлшектің бөліктерімен қою арқылы сызғышта сақталатын бірлік өлшемімен салыстырады, және есеп жүргізіп шама (ұзындық, биіктік, қалыңдық және бөлшектің басқа параметрлері) мәнін алады, немесе өлшеуіш аспаптың көмегімен көрсеткіштің орын ауыстыруына түрленген шама өлшемін осы аспаптың шкаласында сақталатын бірлікпен салыстырады және есеп жүргізеді.

«Өлшем» терминінен «өлшеу» деген термин құралады.Басқа «шамалау», «мөлшерлеу», «мөлшерлену», «мөлшерлету» сияқты терминдерді қолданудың қажеті жоқ. Олар метрологиялық терминдер жүйесіне кірмейді.

Өлшеуді жүргізу үшін келесілер қажет:

- физикалық шама;

- өлшеу әдістері;

- өлшеу құралдары;

- операторлар;

- өлшеуге қажетті шарттар.

Өлшеудің мақсаты – физикалық шамалардың мәнін қолдануға ыңғайлы формада алу болып табылады.

Физикалық шама мәнімен не түсіндіріледі, яғни тәжіриибелі жолмен алынған мәндерді айту керек.

Өлшеудің түрлері. Өлшенетін шаманың сандық мәнін алуға байланысты барлық өлшеулер негізгі төрт түрге бөлінеді:тура, жанама, жиынтық және бірлескен.

Тура

ӨЛШЕУ

Жанама

Жиынтық

Бірлескен

 

7 сурет. Өлшенетін шаманың сандық мәнін алуға байланысты барлық өлшеу түрлері

 

Тураөлшеу деп шаманың сандық мәнін тікелей өлшеп табуды айтады. Мысалы, салмақты таразылар арқылы бөлшектер ұзындығын микрометрмен өлшеу.

Нақты айтқанда, өлшеу әрқашан тікелей және салыстырумен қаралады, яғни оның шамасы бірлікпен анықталады.Мұндай жағдайда «өлшеудің тікелей әдісі» терминін қолдану қажет.

Жанама өлшеу дегенімізізделінді шамамен функциональды байланысқан басқа физикалық шамамен тура өлшем нәтижесі негізінде өлшенетін физикалық шаманың ізделінді мәнін анықтау. Мысалыға, тығыздықпен байланысқан цилиндр массасын m, биіктігін h және диаметрін d тура өлшеу нәтижелері арқылы цилиндрлік нысандағы дене тығыздығын D теңдеу арқылы анықтау.

D =

Көптеген жағдайларда «жанама өлшем» терминінің орнына «жанама өлшем әдісі» термині қолданылады.

Жанама өлшеулер келесі жағдайларда жүргізіледі:

- өлшенетін шаманың мәнін тікелей өлшеуге қарағанда жанама жолмен оңай анықтауда;

- шаманы тікелей өлшеу мүмкін болмағанда;

- жанама өлшеулердің қателігі тікелей өлшеулерге қарағанда азырақ болса.

Жанама өлшеудің теңдеуі келесідегідей:

мұндағы y- ізделініп отырған шама, яғни тікелей өлшеумен алынған аргументтердің функциялары болып табылады.

Жиынтықтық деп біраттас бірнеше шамалардың өлшемі бір уақытта өткізіледі және тікелей өлшеу кезінде таңдау жүесін шешу арқылы шама анықталады.

Мысалы, өлшеулер, бөлек гир салмағы олардың ішінде берілген бір салмағы тікелей, салыстыру нәтижелері арқылы түрлі гирлер анықталады.

Бірлескен өлшеулер -олардың арасындағы функционалды байланысты табу үшін екі немесе бірнеше біраттас емес өлшеулер біруақытта өткізу болып табылады.Мысалы, дене ұзындығының байланысын температура, қысымның қайнау және еру температурасын және т.б.

Өлшеу қатарында өлшеулер саны бойынша бір ретті және көпретті болып бөлінеді.

Шама өлшемінің өзгеруіне байланысты статистикалық (физикалық шаманың өзгермейтін уақытта өлшенілуі,орташа температурада бөлшектер ұзындығын өлшеу немесе жер учаскісінің мөлшерін өлшеу)және динамикалық ( физикалық шаманың мөлшері бойынша өзгермелі өлшеу, мысалы, электр тогының өзгермелі қысымын өлшеусамолеттің жерге түсу кезіндегі арақашықтық дәрежесін өлшеу) болып табылады.

Өлшеу нәтижесінің мәні бойынша – абсолюттік (тікелей өлшеу шамасына негізделген өлшеулер және физикалық константа мәніне қолданудағы өлшеулер, мысалы, F күшін өлшеу m салмақтың негізгі шамасын өлшеуге негізделген және физикалық тұрақты қолданылатын – еркін түсу үдеуі g қолданылады) және қатынастық (біраттас шамалар, яғни бірлік рөлін орындайтын шама қатынасындағы өлшеулер) өлшеулер болып саналады.

Өлшеу әдісі - бұл қабылдау немесе өлшенетін заттардың құрамын немесе қасиетін салыстырып қабылдаумен, сондай-ақ заттардың белгілі құрамын және қасиетімен физикалық шаманы өлшеу.

Өлшеудің принципі – өлшеудің негізіне қойылған құбылыс немесе эффект.

Өлшеу әдісінің жіктелінуі. Өлшеу нәтижесін ортақ қабылдап алуды келесілер бойынша топтастырады:

1)өлшеудің тікелей әдісі;

2)өлшеудің жанама әдісі.

Бірінші әдіс тікелей өлшеу әдісі кезінде орындалады, ал екіншісі – жанама өлшеу кезінде пайдаланылады.

Өлшеу шарттары бойынша байланысты және байланыссыз өлшеу әдісі болып бөлінеді.

Байланысты өлшеу әдісі өлшеу құралының сезімтал элементі негізінде өлшенетін объектпен байланысады(дене температурасын термометрмен өлшеу).

Байланыссыз өлшеу әдісі өлшеудің құралының сезімтал элементі өлшеу объектісімен байланысқа түспейді(радиалокатор объектіне дейінгі арақашықтықты өлшеу, пирометрмен домна пешінде температурасы өлшенеді).

Өлшенетін шаманың оның бірліктерімен салыстыру кедергісіз бағалау әдісі және өлшеммен салыстыру әдісі болып бөлінеді.

Кедергісіз бағалау әдісі- бұл әдіс, яғни шама мәні кедергісіз көрсеткіштер құралы бойынша өлшеу деп аталады (термометр, вольтметр). Аталынған әдіс өлшеу процесінің жылдамдығын қамтамасыз етеді, бірақ өлшеу нақтылығы шектелген.

Ерекше нақты өлшеу орындалған жағдайда өлшеммен салыстыру әдісі қолданылады, онда өлшенілетін шаманы өлшеммен шығатын өлшеммен салыстыруға болады.Мысалы, тұрақты ток кедергісін ЭҚК орташа элементімен компенсатор көмегімен салыстыру.

Салыстыру әдістерінің түрлеріне қарсы тұру әдісін, дифференциалды әдісті, нөлдік әдісті, бірегей әдісті және орын ауысу әдісін жатқызамыз.

Өлшеу нәтижесінің сапасы. Өлшеу нәтижесінің сапасының негізгі мінездемелері мыналар:

1)нақтылық;

2)қолжетімділік;

3)дұрыстық;

4)сәйкестенуі;

5)өлшеу қателігі.

Нақтылық- бұл өлшеу сапасы, өлшенетін шаманың шын мәніне олардың нәтижелерінің жақын көрінуі.Өлшеудің жоғарғы нақтылығы кішігірім жүйелік және кездейсоқ қателіктермен анықталады. Нақтылық қатынастық қателіктің қайта қарау шамасының модулімен бағаланады.

Егер өлшеу қателігі болса, онда оның нақтылығы -не тең болады.

Нақтылықтың жоғарылау жолы өте қиын және кездейсоқ қателіктермен анықталады. Әр нақты жағдайда өлшеудің нақты қажеттілігінде талдалуы қажет.

Өлшеу нәтижесінің қолжетімділігі -бұлөлшеу нәтижесіне сенім дәрежесі, өлшеу таза өткенімен, жоғары нақты құралдар мен әдістер қолданылғанымен, ешқашан өлшенетін шаманың шын мәнін біле алмаймыз. Бір шаманың өлшемін қайта-қайта жүргізу кезінде біз ережеге сәйкес түрлі нәтижелер аламыз.

Әр нәтиже қандай да бір қателікке ие:

мұнда - і-ші өлшеу нәтижесінің қателігі; - і-ші өлшеу нәтижесі; С -өлшенетін шаманың шын мәні.

Шын мән белгісіз, сәйкесінше де белгісіз.

Дұрыстық- өлшеу қателігін құрайтын жүйеліліктің нөлге жақындығын айқындайды.

Сәйкестілік –өлшеу нәтижелерінің бір-біріне жақындығын аййқындайды және олар бірдей шартта алынады.

Өлшеу қателігі - өлшенетін шаманың шын мәнінен өлшеу нәтижесінен ауытқуы.

Өлшеу қателігі өз алдына құралатын қателіктердің толық қатарының жиынтығын көрсетеді, яғни олардың әрқайсысы өзіндік себептермен алынады.

Өлшеу нәтижесінің сандық мәнін жуықтау қателіктің сандық мәнді цифр разрядымен сәйкес болады, яғни өлшеу нәтижесінің сандық мәні сияқты сол разрядтың цифрымен бітуі керек.

Толық сандарда артық цифрлар нөлмен ауыстырылады. Егер өлшеу нәтижесінің сандық мәнінде ондық бөлшектер нөлмен аяқталса, онда нөлдер тек сол қателіктің разрядына сәйкес болған жағдайда ғана алып тасталынады.

Мысалы, егер өлшеу нәтижесі 1,030305, өлшеу қателігі болса, онда өлшеу нәтижесі 1,030-ға дөңгелектеледі.

Егер өлшеу нәтижесі 623,29155, өлшеу қателігі болса, онда өлшеу нәтижесі 623,3-ке дөңгелектеледі.

Егер бірінші нөлмен ауыстырылатын немесе алып тасталатын цифрлар 5-ке тең немесе көп болса, онда соңғы қалатын цифр бір бірлікке арттырылады.

Өлшеу нәтижелерінің қателіктері көптеген себептердің әсерінен болуы мүмкін, мысалы:

- өлшеу құралдарының қателігі;

- өлшеу әдістерінің қателігі;

- дайындықтың таза жетіспеушілігі, оператормен өлшеуді өткізу және өлшеу нәтижелерін өңдеу;

- Сыртқы факторлардың әсері (магнитті және электромагнитті ағында, діріл, желідегі кедергі өзгеруі, температура, ылғалдылық, атмосфералық қысымның өзгеруі жәнее т.б.).