2. Техника и методы измерений

2.1. Общие сведения

Согласно ГОСТ 16263-70 измерение – это нахождение значения физической величины (ФВ) с заданной точностью в заданных условиях, опытным путем с помощью специальных технических средств, т. е. это экспериментальная процедура. С другой стороны, возможность измерения обусловлена предварительным изучением свойства объекта, подлежащего измерению, построением абстрактных моделей этого свойства и его носителя – объекта измерения. В соответствии с этим, процесс измерения можно представить в виде двух параллельных направлений: первого – реального (материального) содержащего непосредственно объект измерения, метод и средство измерений и второго - относящегося к отражению реального, т. е. эмпирической модели измерения.

Для понимания принципов измерения и грамотного их использования в экспериментальных исследованиях необходимо выяснить, какие основные элементы включает в себя процесс измерения, а также как они взаимодействуют друг с другом. Это удобно сделать с помощью структурной схемы (рис.2.1).

Центральным, основополагающим элементом обобщенной структуры измерения является задача измерения. Здесь оговаривается значение (диапазон значений) измеряемой ФВ, условия, при которых осуществляется измерения, требуемая точность результата. Формирует задачу субъект измерения – оператор.

Объект измерения представляет собой реальный физический объект, обладающий множеством свойств С₁,… С_i, которым соответствуют физические величины ФВ₁,…, ФВ_i. Очевидно, что получить полное, учитывающее все свойства и связи, описание объекта невозможно. Поэтому пользуются математической моделью объекта. Под математической моделью будем понимать совокупность математических символов и отношений между ними, которые адекватно описывают интересующие субъекта свойства объекта.

(выбор)

Рис.2.1. Структурная схема измерений

Модель строится на основе априорной информации в соответствии с решаемой задачей и учетом условий измерения. Априорная информация в значительной степени определяет эффективность измерения. Очевидно, что полном отсутствии априорной информации измерение в принципе невозможно, т. к. неизвестно - какую ФВ необходимо измерить.

Целью построения модели объекта измерения является выделение конкретной ФВ, которую необходимо определить. Следует учесть, что модель должна отражать не только измеряемую ФВ, но и другие, неинформативные, но оказывающие влияние на результат измерения величины.

Измерительный сигнал – это сигнал, содержащий количественную информацию об измеряемой ФВ. Он поступает на вход СИ, при помощи которого преобразуется в выходной сигнал (возможно, другой физической природы), удобный для непосредственного восприятия субъектом (оператором) или для последующей обработки и передачи.

Принцип измерения – это совокупность физических принципов, на которых основано измерение. Например, использование эффекта Холла для измерения концентрации носителей заряда или эффекта Доплера для измерения скорости.

Метод измерения – это прием или совокупность приемов сравнения измеряемой ФВ с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерения. Он определяет структуру средства измерения (СИ). Различают метод непосредственной оценки и методы сравнения (дифференциальный, нулевой, замещения, совпадений).

ГОСТ 16263-70 определяет средство измерения (СИ) как техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики. Метрологические характеристики – это такие характеристики СИ, которые оказывают влияние на результат измерения и могут служить для оценки инструментальной составляющей погрешности.

Большое влияние на результат оказывают условия измерения. Под условием измерение понимают совокупность влияющих величин (температура, давление и т.п.), т. е. таких величин, которые не измеряются данным СИ, но влияние на результат измерения оказывают.

Это влияние осуществляется через изменение метрологических характеристик СИ и вызывает дополнительную погрешность. Существуют нормальные условия измерений. Они задаются нормативно-технической документацией.

При нормальных условиях определяется основная погрешность СИ. Например, для электрических измерений нормальные условия это:

Температура окружающей среды 20С

Давление 750 мм. Рт.ст.

Относительная влажность 65%

Плотность воздуха 1,2 кг/м³

Ускорение свободного падения 9,8 м/с²

Магнитная индукция 0 Тл

Частота промышленной сети (50±0,5) Гц

Среднеквадратическое значение

напряжения сети (22022) В

Качество измерений определяется точностью, достоверностью, правильностью, сходимостью и воспроизводимостью.

Точность измерения характеризует близость к нулю погрешности результата (близость к истинному значению). Более высокая точность соответствует меньшей погрешности.

Достоверность характеризуется вероятностью того, что истинное значение измеряемой ФВ находится в заданных пределах (интервале). Определяется доверительной вероятностью.

Правильность измерений отражает близость к нулю систематических погрешностей.

Сходимость результата измерений отражает близость друг к другу результатов измерения одной и той же ФВ, выполненных повторно одним и тем же методом и СИ в одинаковых условиях. В некотором смысле отражает влияние случайных погрешностей.

Воспроизводимость характеризует близость результата измерений одной и той же ФВ, полученных в разных местах, разными методами и СИ, разными субъектами (операторами), но в одних и тех же условиях (или приведенных к одним условиям).

Субъект измерения (оператор) объединяет реальное и модельное направления процесса измерения. Он ставит измерительную задачу, осуществляет сбор и анализ информации об объекте измерения, производит статистическую обработку результата, использует при этом вычислительные средства и соответствующее программное обеспечение. Однако, оператор вносит субъективизм, т.е. зависимость результата от квалификации, условий труда, психофизического состояния человека. Это обуславливает появление погрешности, вносимой оператором. По данным [2.2], в зависимости от индивидуальных особенностей операторов, их профессиональных навыков и т. п., неточность отсчета по шкалам СИ может достигать ±0,1 деления шкалы.

Из всего сказанного следует, что измерение представляет собой последовательность сложных и разнородных действий. Условно весь процесс измерения можно разделить на четыре этапа.

Первым этапом любого, даже самого простого измерения является постановка задачи. Сюда входит сбор априорной информации об объекте измерения и теоретическая проработка вопросов точности.

Второй этап – это планирование измерения. Он состоит из выбора метода и типа СИ, предварительной оценки точности, формирования требований к СИ и внешним условиям, определения параметров измерительной процедуры (число наблюдений, время наблюдений и т. п.).

Третий - непосредственно измерительный эксперимент. Он включает проработку вопросов взаимодействия СИ и объекта измерения, преобразование информационных сигналов, регистрацию результатов. Заключительный этап процесса измерения – обработка экспериментального материала. Этот этап выполняется в соответствии с поставленной задачей и может содержать следующие пункты: анализ возможных алгоритмов обработки и выбор наиболее эффективного, вычисление значения измеряемой величины и соответствующих погрешностей, анализ и интерпретация результатов, запись результата в соответствии с установленной ГОСТом (или другими нормативными документами) формой представления.

Для решения конкретной задачи каждый из этапов может существенно изменяться, а некоторые вообще отсутствовать. В большинстве технических задач весь процесс сводится к одному экспериментальному этапу, поскольку все остальные проведены заранее. В этом случае обработка экспериментальных данных осуществляется по простейшему алгоритму оценки истинного значения ФВ и численных характеристик погрешностей этой оценки.

Для получения достоверного результата необходимо, чтобы СИ были исправны, а их метрологические характеристики нормированы, чтобы объем априорной информации об объекте и измеряемой ФВ был достаточен, а метод измерения и его погрешности заранее оценены, т. е. до эксперимента должна быть проведена оценка составляющих погрешности.