Основые понятия об измерениях

Измерением называется процесс нахождения значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Получаемая при этом информация называется измерительной   Определенная информация об объекте измерения должна быть известна до проведения исследований, что является важным фактором, обусловливающим эффективность измерения. Такую информацию об объекте измерения называют априорной. При полном отсутствии этой информации измерение невозможно, так как неизвестно, что же необходимо измерить, а следовательно, нельзя выбрать нужные методы и средства измерений.

Информация, получаемая в результате измерения, может содержаться в объекте измерения в двух формах: пассивной и активной. Пассивная информация представляет собой совокупность сведений, характеризующих объект. К такой информации, например, относится информация о величине напряжения источника питания. Информация является активной, если она имеет форму энергетической характеристики какого-либо явления. Подобные энергетические явления называются сигналами. Их примерами являются электрические, оптически и акустические сигналы, используемые для передачи информации.

При определении значения интересующей физической величины результат измерения может быть представлен в виде аналитического соотношения, известного как основное уравнение метрологии:

где А - значение измеряемой физической величины; k - отношение измеряемой величины к образцу; А₀ - значение величины, принятой за образец.

Принцип измерений представляет собой совокупность физических принципов, на которых основаны измерения, например применение эффекта Холла для измерения мощности или эффекта Холла для измерения электрического напряжения.

Метод измерений - это совокупность использования принципов и средств измерений. Это общее определение на практике часто конкретизируют, относя его только к применяемых средствам измерений, например метод измерения частоты частотомером, напряжения -вольтметром, силы тока - амперметром и т.д.

Метод измерений следует отличать от методики измерений, которая представляет собой общий или поэтапный план проведения измерений, т.е. намеченного распорядка измерений, т.е. намеченного распорядка измерений, определяющего состав применяемых приборов, последовательность и правила проведения операции.

Объект измерений - это реальный физический объект, свойства которого характеризуются одной или несколькими измеряемыми физическими величинами

В технической литературе и нормативной документации часто упоминается алгоритм измерений, под которым следует понимать точное предписание о перечне и порядке выполнения операций, обеспечивающих измерение искомого значения физической величины.

Достоверность измерений определяется степенью доверия к результату измерения и характеризуется вероятностью того, что истинное значение измеряемой величины находится в указанных пределах. Данную вероятность называют доверительной.

Правильность измерений - это метрологическая характеристика отражающая близость к нулю так называемых систематических погрешностей результатов измерений.

Сходимость результата измерений определяет качество измерений и отражает близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполняемых повторно одними и теми же методами и средствами измерений в одних и тех же условиях

Воспроизводимость результатов измерений характеризует качество измерений и отражает близкие результаты измерений одной и той же величины, полученные в разных местах, разными методами и средствами измерений, разными операторами, но приведенные к одним и тем же условиям.

Измерения как экспериментальные процедуры определения значений измеряемых величин весьма разнообразны. Их классифицируют по определенным признакам, например по способу получения результата измерения по на прямые и косвенные.

Прямым называется измерение, когда искомое значение физической величины находится непосредственно из опытных данных. Часто под прямыми понимаются такие измерения, при производится промежуточных преобразований. Это, например, измерение напряжения и силы тока такими электроизмерительными приборами, как вольтметр и амперметр. Прямые измерения очень распространены в практике измерений. Математически прямые измерения можно охарактеризовать элементарной формулой:

где А - измеряемая величина; x - значение величины, найденное путем её измерения и называемое результатом измерения.

Косвенным называется измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемые прямыми измерениям. Косвенные измерения можно охарактеризовать следующей формулой:

А = (х₁, х₂, …,х _m).

   х₁, х₂, …,х _m  - результаты прямых измерений величин, связанных известной функциональной зависимостью с искомым значением измеряемой величины A.

Косвенные измерения характерны для практики измерений, например измерение мощности методом амперметра - вольтметра, определение резонансной частоты колебательного контура по результатам прямых измерений емкости и индуктивного контура и т.д.

Виды средств измерений

На практике при измерении единицы величины применяются технические средства, которые имеют нормированные погрешности и называются средствами измерении. К средствам измерений относятся меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и системы, измерительные принадлежности.

Мерой называют средство измерений, предназначенное для воспроизведения физических величин заданного размера. К данному виду средств измерений относятся гири, концевые меры длины и т.п. На практике используют однозначные и многозначные меры, а также наборы и магазины мер. Однозначные меры воспроизводят величины только одного размера(гиря), а многозначные несколько размеров физической величины. Например, миллиметровая линейка отражает длину предмета в сантиметрах и миллиметрах.

Наборы и магазины представляют собой объединения (сочетания) однозначных или многозначных мер для получения возможности воспроизведения некоторых промежуточных или суммарных значений величины. Набор мер составляет комплект однородных мер разного размера, которые применяются в нужных сочетаниях, например набор лабораторных гирь. Магазин мер - сочетание мер, объединенных конструктивно в одно механическое целое, в котором предусмотрена возможность посредством ручных или автоматизированных переключателей, связанных с отсчетным устройством, соединять составляющие магазин меры в нужном сочетании. По такому принципу устроены магазины электрических сопротивлений.

При пользовании мерами следует учитывать номинальное и действительное значения мер, а также, например, погрешность меры. Номинальным называют значение меры, указанное на ней. Действительное значение меры должно быть зафиксировано в специальном свидетельстве в качестве результата высокоточного измерения с использованием официального эталона. Разность между номинальным и действительным значениями называется погрешность меры.

Измерительный преобразователь - это средство измерений, которое служит для преобразования сигнала измерительной информации в форму, удобную для обработки или хранения, а также передачи в показывающее устройство. Измерительные преобразователи либо входят в конструктивную схему измерительного прибора, либо применяются совместно с ним, но сигнал преобразователя не поддается непосредственному восприятию наблюдателем. Например, преобразователь может быть необходим для передачи информации в память компьютера, усиления напряжения и т.д. Преобразуемую величину называют входной, а результат преобразования - выходной величиной. Основной метрологической характеристикой измерительного преобразователя считается соотношение между входной и выходной величинами, называемое функцией преобразования.   Преобразователи подразделяют на первичные, непосредственно воспринимающие измеряемую величину; передающие, на выходе которых величина приобретает форму, удобную для регистрации или передачи на расстояние; промежуточные, работающие в сочетании с первичными и не влияющие на изменение рода физической величины.

Измерительные приборы - это средства измерений, которые позволяют получать измерительную информацию в форме, удобной для восприятия пользователем. Различают измерительные приборы прямого действия и приборы сравнения.

Приборы прямого действия отображают измеряемую величину на показывающем устройстве, имеющем соответствующую градуировку в единицах этой величины. Изменения рода физической величины при этом не происходит. К приборам прямого действия относятся, например, амперметры, вольтметры, термометры и т.п.

Приборы сравнения предназначены для сравнения измеряемых величин с величинами, значения которых известны. Эти приборы широко используются в научных целях и на практике для измерения таких величин, как яркость источников излучения, давление сжатого воздуха и др.

Измерительные установки и системы - это совокупность средств измерений, объединенных по функциональному признаку со вспомогательными устройствами, для измерения одной или нескольких физических величин объекта измерений. Обычно такие системы автоматизированы и обеспечивают ввод информации в систему автоматизации самого процесса измерения, обработку и отображение результатов измерений для восприятия их пользователем. Эти установки (системы) используются и для контроля (например, производственных процессов), что особенно актуально для метода статистического контроля.

Измерительные принадлежности - это вспомогательные средства измерений величин. Они необходимы для вычисления поправок к результатам измерений, если требуется высокая степень точности. Например, термометр может быть вспомогательным средством, если показания прибора достоверны при строго регламентированной температуре; психрометр - когда строго оговаривается влажность окружающей среды.

Измерительные принадлежности вносят определенные погрешности в результат измерений, связанные с погрешностью самого вспомогательного средства.

По метрологическому назначению средства измерений делят на два вида: рабочие системы измерений и эталоны. Рабочие средства измерений применяют определения параметров (характеристик) технических устройств, технологических процессов, окружающей среды и др. Они могут быть лабораторными (для научных исследований), производственными (для обеспечения и контроля заданных характеристик технологических процессов), полевыми (для самолетов, автомобилей, судов и т.п.). Каждый из этих видов рабочих средств отличается особыми показателями. Так, лабораторные средства измерений должны быть точными и чувствительными, а их показания - характеризоваться высокой стабильностью. Производственные средства обладают устойчивостью к воздействиям температуры, влажности, вибрации и другим факторам которые могут оказать влияние на достоверность и точность показании приборов. Полевые средства работают в условиях, которые постоянно изменяются в широких пределах внешних воздействий. Особым средством измерении является эталон.

Основные методы измерений

Электроизмерения, так же как и другие виды измерений, базируются на определенных принципах. Под принципом измерений понимается совокупность физических явлений, на которых основаны измерения. Совокупность приемов использования принципов и средств измерений определяется как метод измерений, являющийся основной характеристикой конкретных измерений. Методы измерений подразделяют на метод непосредственной оценки и метод сравнения.

При методе непосредственной оценки численное значение из меряемой величины определяется непосредственно по показанию измерительного прибора (например, измерение напряжения с помощью вольтметра).

Метод сравнения представляет собой метод измерений, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Это может быть, например, измерение уровня напряжения постоянного тока путем сравнения с ЭДС нормального (эталонного) элемента. Различают следующие разновидности метода сравнения:

- нулевой метод - действие измеряемой величины полностью уравновешивается образцовой величиной;

- дифференциальный метод - в этом случае измеряется разница между измеряемой и близкой ей по значению известной эталонной величиной (например, измерение электрического сопротивления методом неуравновешенного моста);

- метод замещения - действие измеряемой величины замещается (например, с помощью последовательно проводимых во времени действий) образцовой величиной.

Из всех перечисленных методов сравнения нулевой метод обеспечивает наибольшую точность измерений физической величины. К нулевому методу относятся:

- компенсационный метод - действие измеряемой величины компенсируется(уравновешивается) образцовой величиной;

- мостовой метод - при его использовании достигают нулевого значения тока в измерительной диагонали моста, в которую включается чувствительный индикаторный прибор (обычно  нуль - индикатор).

Измерения также можно классифицировать по другим признакам. Так, по способу преобразования измеряемой величины и форме представления результаты измерении делятся на аналоговые (непрерывные) и цифровые (дискретные).

При осуществлении аналоговых измерений измерительный прибор производит непрерывное преобразование измеряемой величины, результатом которого является перемещение указателя относительной шкалы, луча осциллографа по экрану и т.д. Заключение о численном значении величины делает оператор (наблюдатель), отмечая положение указателя относительно отметок шкалы измерительного прибора. Точность измерения при этом ограничивается геометрическими особенностями указателя и шкалы и обычно не превышает 0.05%.

При цифровых измерениях сравнение измеряемой величины с рядом образцовых значений производится в приборе автоматически, а оператор получает численное значение измеренной величины в цифровой форме. В этом случае все показатели зависят от точности сравнения в приборе и исключаются субъективные ошибки оператора. Современные цифровые приборы, как правило, обеспечивают более высокую точность, чем аналоговые.

По характеру изменения измеряемой величины во времени различают статический и динамический режимы измерений.

Статический режим измерений представляет собой режим измерений, при котором средство измерений работает в статическом режиме, т.е. когда выходной сигнал остается неизменным в течение времени его использования (или меняется так медленно, что каждый результат измерений может быть выражен только одним числом)

Динамический режим измерений - это режим измерений, результатом которого является функциональная зависимость измеряемой величины от времени, т.е. в этом случае выходной сигнал средства измерений изменяется во времени в соответствии с изменением во времени измеряемой величины.

Согласно методу и свойствами применяемых средств измерений все рассмотренные ранее виды измерений могут выполняться либо с однократными, либо с многократным наблюдениями. Наблюдением при измерении (измерительным наблюдением) называется единичная экстремальная операции, итогом которой является результат наблюдения. Он всегда имеет случайный характер и представляет собой одно из значений измеряемой величины.