Часть 1. Принципы, методы и средства измерений.

1. Понятие измерения физической величины.

Возможность получения информации о состоянии материального объ­екта, т.е. возможность осуществления процесса измерений, основываются на нескольких положениях, по­стулатах:

• Любой материальный (физический) объект может быть полностью опре­делен конечным набором свойств этого объекта, которые называ­ются физическими величинами.

• Каждая физическая величина, т.е. определенное свойство физического объ­екта, имеет свои качественную и количественную характеристики.

Качественная характеристика физической величины определяется тем, какое свойство материального объекта или какая особенность матери­ального мира характеризуется этой величиной.

Количественная харак­теристика физической величины определяет «меру» наличия этого ка­чества в объекте. Например, такие свойства как плотность и упругость в качественно характеризуют самые различные материалы - резину, сталь, воздух, но в количественном отношении эти свойства для ука­занных материалов будут различными.

• Количественная характеристика свойств объекта может быть выражена понятием "размер физической величины".

• Для двух однородных физических величин всегда существует объектив­ный способ сравнения их размеров, независимый от времени и места проведения такого сравнения.

• Для любой физической величины существуют технические средства и про­цедуры, основанные на известных физических явлениях, с помощью которых возможно реализовать способ определения численного значения размера этой вели­чины.

Перечисленные выше положения являются именно постулатами, т.е. не могут быть строго и последовательно доказаны экспериментальным или логическим пу­тем, как, например, и основные аксиомы геометрии Эвклида. Тем не менее, при рассмотрении объектов и явлений материального мира, в т.ч. технических объектов, последовательное применение этих постулатов позволяет построить строгую теорию измерений (аналогично эвклидовой геометрии). В том числе определить основополагающие понятия «физиче­ская величина» и «измерение».

• Физической величиной называется одно из свойств физического объ­екта (явления, процесса), которое является общим в качественном от­ношении для многих физических объектов, отличаясь при этом количе­ственным значением.

• Измерением называется процедура нахождения размера физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

• Целью измерений является количественная оценка значения фи­зической величины в принятых для нее единицах.

Из этих определений следует:

• измерение есть не единичное элементарное действие, а определенная проце­дура.

• размер физической величины может быть установлен только опытным (экс­периментальным путем);

• процедура измерения в обязательном порядке требует применения специ­альных технических средств.

С практической точки зрения измерение есть комплексная операция, ко­торая состоит из следующей последовательности действий:

• количественном сравнении физической величины с однород­ной ей физической величиной, которая принимается за единицу (эталон),

• вы­полнении необходимых логических и вычислительных операций

• пред­ставлении результата измерений в числовой форме с указанием точности измерений

Реализация указанного комплекса операций и достижение целей измерения воз­можно только при условии наличия метода измерений, т.е. научно-обосно­ванной процедуры определения данной физической величины в данных кон­кретных условиях существования объекта измерений, и наличии технических средств, которые обеспечивают реализацию выбранного метода.

Процедура измерений, как и всякий процесс получения и обработки информации, связана с обменом энергией между объектом и средствами измерений. Следовательно, проведение измерений неизбежно сопровождается изменениями в состоянии объекта. Вопрос только в том, насколько существенным будут эти изменения и как они повлияют на результат измерений Естественно, что предпочтение всегда должно отдаваться методам, обеспечивающим наименьшее искажение со­стояние объекта в процессе измерений (например, ультразвуковым, радиочастотным, оптическим).

• Процесс измерения неизбежно изменяет состояние объекта.:

• Невозможно с одинаково высокой точностью одновременно из­мерить все физические величины, характеризующие объект.

В реальности всегда существует множество различных факторов, в т.ч. несовершенство средств и методов измерений, в ре­зультате совокупного действия которых точность результатов измерений ни­когда не бывает абсолютной. Полностью объективное значение физических величин можно представить только теоретически. На практике значения ве­личин, полученные при измерении, лишь в большей или меньшей степени будут приближаться к этому значению. Поэтому в зависимости от степени приближения к объективности различают истинное, действительное и изме­ренное значения физической величины

• Истинное значение физической величины – значение физической величины, идеально отра­жающее в качественном и количественном отношениях соответст­вующее свойство объекта.

Истинное значение физической величины не может быть получено опытным путем, его можно определить только в результате теоретических расчетов

• Действительное значение физической величины - значение физической вели­чины, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него

• Измеренное значение физической величины - значение физической величины, полученное при измерении с применением конкретных методов и средств измерений

В науке и в метрологии задачей измерений является получение численного значения физической величины с максимально возможной в данных условиях точностью. При этом, как правило, отсутствуют принципиальные ограничения на время проведения измерений, количество измерений, которые можно провести при неизменном состоянии объекта измерений, или возможность многократного воспроизведения этого состояния. Иная ситуация реализуется в технических измерениях, где, особенно в системах автоматического управления, измерения есть непрерывная процедура, которая должна выполняться в жестких временных рамках, привязанных к динамическим свойствам объекта измерений, и с точностью, определяемой задачей и объектом измерений.

Технические измерения проводятся в самых различных целях. Их типовыми задачами являются:

• Измерение физических величин, характеризующих параметры технологических процессов, состояние технических устройств и агрегатов.

Эти измерения должны проводиться непрерывно, обеспечивать необходимую точность и быстродействие измерений, причем в условиях, когда невозможно исключить воздействия на процесс измерений многих негативных факторов, которые в научных исследованиях и метрологии можно заведомо устранить.

• Контроль характеристик продукции, состояния технических устройств и агрегатов, которые обычно не требуются высокой абсолютной точности измерений.

Главное в этих задачах - с максимальной достоверностью установить, что значение измеряемого параметра (физической величины) находится в заданных пределах.

• Испытания материалов, элементов устройств, готовой продукции.

Внешне методы и средства измерений при испытаниях близки к методам и средствам, применяемым в научных исследованиях и в метрологии. Однако, в производственных условиях всегда существуют дополнительные требования к временным и точностным характеристикам измерений.