Основные понятия и определения

Под измерениями понимают способ количественного позна­ния свойств физических объектов. Существуют различные физи­ческие объекты, обладающие разнообразными физическими свойствам. Человек в своем стремлении познать физические объекты выделяет некоторое ограниченное количество свойств. Такие свойства получили название физических величин.

Физические величины различают в качественном и количе­ственном отношении. Качественная сторона определяет «вид» величины (например, электрическое сопротивление), а количе­ственная — ее «размер» (например, сопротивление конкретного резистора 10 Ом). Таким образом, физическая величина — свойство, общее в качественном отношении для множества объектов и ин­дивидуальное в количественном отношении для каждого из них. Количественное содержание физической величины в данном объекте — размер физиче­ской величины.

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.

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.

Значение физической величины — количественная оценка из­меряемой величины должна быть не просто числом, а числом именованным, т. е. результат измерения 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.

Отклонение результата измерения от истинного значения из­меряемой величины называют погрешностью измерения. Погреш­ность измерения Dх = х — х_И, где х — измеренное значение; х_И — истинное значение. Поскольку истинное значение неизвестно, практически по­грешность измерения оценивают, исходя из свойств средства измерений, условий проведения эксперимента и анализа получен­ных результатов. 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» -близость результа­та измерения к истинному значению измеряемой величины. Высокая точность измерения соответствует малой погрешности изме­рения.

Физическая величина является размерной, если в ее размер­ность входит хотя бы одна из основных величин (например, вольт, ампер, амперсекунда). Безразмерные (относи­тельные) величины, представляют собой отношение данной физической величины к одноименной, применяемой в качестве исходной (опорной). Безразмерными величинами являются, на­пример, коэффициент трансформации, затухание и т. д.

Физические величины 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 (напряжение, сила тока, температура, длина 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).

Физическую величину, которой по определению присвоено числовое значение, равное единице, называют единицей физиче­ской величины. Размер единицы физической величины может быть любым. Однако измерения должны выполняться в общепри­нятых единицах. Общность единиц в международном масштабе устанавливают международными соглашениями. В нашей стране введена к обяза­тельному применению международная система единиц (СИ).

При изучении объекта исследования необходимо выделить для измерений физические величины, учитывая цель измерений, которая сводится к изучению или оценке каких-либо свойств объекта. Поскольку реальные объекты обладают бесконечным множеством свойств, то для получения результатов измерений, адекватных цели измерений, выделяют в качестве измеряемых величин ограниченное число свойств объектов, существенных при вы­бранной цели, т. е. выбирают модель объекта. Одному и тому же исследуемому объекту может ставиться в соответствие та или иная модель, исходя из условий применения объекта и необходимой точности описания объекта. Например, резистор, используемый в цепях постоянного тока, характеризу­ют сопротивлением постоянному току. При использовании ре­зистора в цепях с токами высокой частоты необходимо учитывать комплексный характер сопротивления резистора, т. е. резистор необходимо описывать более сложной моделью, учитывающей поверхностный эффект, собственные емкости и индуктивности. Если тот же резистор подвергается воздействию тока, сила кото­рого меняется в большом диапазоне, то его следует рассматри­вать как нелинейный резистор, сопротивление которого зависит от силы тока.

При измерениях используют понятие «информация». Информация — это совокупность сведений, уменьшающих начальную неопределенность знаний об объекте. Одними из наиболее важ­ных являются сведения о количественных характеристиках свойств объектов, которые получают путем измерений, т. е. измерение — информацион­ный процесс. Информацию о значениях измеряемых физических величин называют измерительной информацией.

Материальный носитель информации — сигнал. Сигналом в общем смысле является физический процесс, протекающий во времени. Сигнал измерительной информации часто сопровождается помехой — сигналом, не несущим измерительной информации.

В процессе измерения любой физической величины происхо­дят преобразования сигнала, несущего измерительную информа­цию. Такие преобразования, выполняемые с установленной по­грешностью, называют измерительными преобразованиями. При математическом анализе для упрощения считают, что при изме­рительных преобразованиях происходят «преобразования» одной величины в другую, хотя фактически преобразуются сигналы.

Измерение преследует цель получить результат измерения в виде именованного числа. Поэтому в процессе преобразований при измерении происходит образование числа, выраженного тем или иным способом. В общем случае при измерении имеют место несколько видов измерений. На первом этапе могут быть преобра­зования непрерывных сигналов — аналоговые преобразования. Затем осуществляется аналого-цифровое преобразование, при котором получается значение измеряемой величины в виде числа. Аналого-цифровое преобразование осуществляется либо автоматически (в цифровых приборах, аналого-цифровых преобра­зователях); либо с помощью человека - оператора (в аналоговых приборах). Оператор по отсчетному устройству аналогового при­бора производит считывание результата измерения. Это выполняется следующим образом. Оператор находит перемещение, отсчитываемое по шкале прибора. Каждому значению перемещения по шкале со­ответствует установленное значение измеряемой величины, что дает оператору возможность определить значение измеряемой величины. Шкала разбита на участки, по сути явля­ющиеся квантами, т. е. производит квантование известной вели­чины. Затем оператор определяет участок шкалы - квант, в пределах которого находится указатель, и в соответствии с этим квантом отсчитывает результат измерения в виде числа.

Таким образом, при считывании показания аналогового при­бора оператором производится квантование, сравнение и кодиро­вание.

Все измерения физических величин выполняют с помощью средств измерений.

По функциональному назначению все средства измерений разделяют на следующие группы:

Ø меры,

Ø измерительные преобра­зователи,

Ø измерительные приборы,

Ø измерительные информацион­ные системы и

Ø измерительные установки.

Свойства средств измерений оценивают метрологическими характеристиками, т. е. характеристиками, которые необходимы при оценке точности результатов измерений. Отличительным признаком средств измерений является наличие у них нормированных метро­логических характеристик, благодаря чему может быть оценена точность получа­емых результатов измерений. Обобщенной метрологической характеристикой средства из­мерений является класс точности, определяющий пределы до­пускаемых погрешностей.

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 техническомдиагностировании, 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.

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 метрологиякак наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах дости­жения требуемой точности.

Одним из разделов измерительной техники является электроизмерительная техника — область научно-производственной деятельности людей, связанная с научными исследованиями, про­изводством и эксплуатацией электрических средств измерений, т. е. средств, в которых измери­тельная информация передается в основном с помощью электри­ческого сигнала.

Измерения физических величин с помощью электрических средств измерений называют электрическими измерениями