Лшеу туралы ұғым, өлшеудің классификациясы, негізгі кезеңдері және өлшеу операциясы. Өлшеу әдістері

Өлшеу - арнаулы техникалық құралдардың көмегімен тәжірибелік жолмен физикалық шама мәнін табу. Өлшенетін шама бірнеше рет бақыланады, одан алынған нәтижелер математикалық жолмен өңдепеді және ең соңында өлшеудің жүйелік қателіктерін шығарып тастап, шаманың ақырғы мәні алынады. Қандайда бір қасиетті өлшеу деп өлшенетін шаманы бірлікпен, жаңғырту өлшемімен немесе құралмен салыстыру арқылы осы қасиеттің бағасын алуды айтады.

Физикалық шаманы (ФШ) өлшеу - ФШ бірлігін сактайтын, өлшенетін шама мен оның бірлігінің қатынасын (аның немесе аның емес) табуды және бұл шаманың мәнін алуды қамтамасыз ететін техникалық құралдарды қолдану операцияларының жиынтығы.

Жоғарыда айтылғандай, физикалық шама - сапалық тұрғыдан көптеген физикалық нысандар үшін ортақ, ал сандық қатынаста әркайсысына жеке болатын физикалық нысанның (физикалық жүйенің, кұбылыстың немесе үдерістің) сипаттамасы.

Жекелік деп қасиеттің бір нысан үшін басқаға қарағанда артығырақ не кемірек болуы деп түсіндіріледі. Тығыздық, балқу температурасы, жарықтық сыну көрсеткіші және т.б. физикалық шамаларға мысал бола алады.

Өлшеудің мақсаты - физикалық шаманың шын мәнін пайдалануға ең ыңғайлы формада алу.

Физикалық шаманы өлшеудің негізгі теңдеуін төмендегідей жазуға болады:

Q=Nq (9)

мұндағы, Q - өлшенетін физикалық шама; q- физикалық шаманың бірлігі; N — физикалық шаманың (өлшенетін шама мен өлшеуде пайдаланылған бірліктердің қатынасы) сандық мәні.

Кез келген өлшеудің негізі физикалық шаманы бірлік ретінде қабылданған ұқсас шамамен салыстыру екені теңдікте көрсетілген. Өлшеудің мәні ФШ-ның сандық мәнін анықтау болып табылады. Өлшенетін ФШ-ның табылған санмен байланысын көрсете отырып, бұл үдерісті өлшеу түрленуі деп атайды. Өлшенетін ФШ-ның басқа шамаға бір рет түрленуін немесе түрлену тізбегін көрсетуге болады, бірақ түрленудің негізгі мақсаты - сан алу (1-сурет,) болып табылады. Өлшеу түрленуі әрдайым қандай да бір физикалық заң немесе эффектіге сүйене отырып жүзеге асырылады да, ол өлшеу түрленуінің негізіне алынатын қағида ретінде қарастырылады. Өлшеу қағидасы дегеніміз өлшеу негізіне салынған физикалық құбылыс немесе эффект.

1-сурет -Өлшеу - өлшенетін физикалық шаманың санға түрленуі

Мысал ретінде температураны термопара (термоэлектриялық эффект қолдану) арқылы өлшеуді, массаны серіппелі таразыда өлшеуді (ізделіп отырған масса тепе-теңдік серпімді деформация қағидасына негіздепген ауырлық күшіне тепе-тең болады) карастыруға болады.

Физикалық шама өлшеммен, мәнімен, сандық мәнімен, шын және нақты мәндермен сипатталады. Физикалық шаманың нақты материалдык нысанға, жүйеге, құбылысқа немесе үдеріске тән сандық айқындығы физикалық шаманың өлшемі деп аталады.

Мысалдар:

1.Ең оңай жағдайда, сызғышты алып өлшейді, оның мәнін сызғыштың белгіленген бірлігі (ұзындық, биіктік, жуандық және тағы басқа бөлшектің өлшемдері) бойынша салыстыра отырып есептейді.

2.Өлшегіш аспаптың көмегімен нұсқағышта сақталатын бірлік шамалардың орын ауыстыруымен теңестіреді және есептеулер жүргізеді.

Өлшеу мүмкін емес кезде (физикалық шама ретінде көрсетілмеген жағдайда, осы шаманың өлшем бірлігі көрсетілмеген жағдайда), ондай шамалардың мәнін шкала бойынша өлшейді.

Өлшеу әдісі - өлшеніп отырған физикалық шаманы оның бірлігімен өлшеу ұстанымына сәйкес салыстыру әдісі немесе әдістер жиынтығы.

Өлшеулер әдістерінің стандартты терминдер шегіндегі айырмашылығы олардың метрологияда кеңінен қолданылуына байланысты:

- тікелей бағалау әдісі;

- шамамен салыстыру әдісі болып екі түрге бөлінеді.

Бұл әдістердің бір-бірінен айырмашылығы - тікелей бағалау әдісінде құралмен өлшеу қосымша шама колдануды қажет егпейді, ал шамамен салыстыру әдісінде бір өлшемді басқа бекітілген шамамен салыстыру арқылы жүзеге асырылады.

Тікелей бағалау әдісі - өлшем мәні тікелей көрсетіліп отырған өлшеу құралы арқылы анықталған өлшеу әдісі. Бұл әдістің мәні басқа әдістердегідей өлшеуді бірлік ретінде алынған шамамен салыстырудан тұрады. Бірақ бұл әдісте бірлік ретінде алынған шама құрылғының ішінде орналасқан. Құрылғы өлшеу ақпаратын кіру белгісі арқылы алып, оның мәнін барлық өлшеу шамасы бойынша бағалайды. Мұны біз келесі түрде сипаттай аламыз:

Q=x (10)

мұндағы Q — өлшеніп отырған шама, ал х — өлшеу құралының көрсеткіші.

Шамамен салыстыру әдісі - өлшенетін шаманы өлшеммен жа ңғыртылатын шамамен (мысалы, иінтірек таразыда массаны салыстыру) салыстыру әдісі.

Әдіс өлшенетін шама мен өлшеммен жаңғыртылатын белгілі шаманың айырымын анықтаумен сипатталады. Бұл әдісті жүзеге асыру үшін диапазоны кіші құралдар жарамды. Бұл әдістің мысалдарына иінтірек таразыда массаны өлшеу, белгілі қалыпты элементтің ӘҚК-мен салыстыру арқылы тұрақты токтағы кернеуді құрал-компенсатормен өлшеу жатады

Формалды түрде әдіс келесідей көрініс табады:

Q = х + Х_м (11)

мұнда Q - өлшенетін шама; .х - өлшеу құралының көрсеткіші; Х_м — өлшеммен жаңғыртылатын шама.

Шамамен салыстыру әдісінің бірнеше түрлері бар:

- дифференциалды және нөлдік өлшеу әдісі;

- сәйкестіктер әдісі;

- орын алмастыру әдісі және қарсы қойып салыстыру әдісі;

- қосымшамен өлшеу әдісі.

Дифференциалды өлшеу әдісі - өлшенетін шама белгілі мәні бар, өлшенетін шама мәнінен айырмашылығы болмашы біртекті шамамен салыстырылатын және осы екі шама арасындағы айырмашылық өлшенетін өлшеу әдісі.

Мына өрнекте x≠0 сәйкес келеді:

Q =х+Х, (12)

Нөлдік өлшеу әдісі - шамамен салыстыру әдісі, онда өлшенетін шаманың салыстырылатын кұралға әсер ету эффектісін нөлге дейін жеткізеді.

Егер формалды түрде мұны .X≈0 десек, онда теңдікті осылай жазуға болады :

Q ≈Х_м. (13)

Сәйкестіктер әдісі - бұл өлшенетін шаманың мәнін өлшеммен жаңғыртылатын шамамен сәйкестіктерін ескере отырып бағалайтын шамамен салыстыру әдісі. Сәйкестіктерді бағалау үшін салыстыру кұралдарын немесе органолептиканы қолдануға болады.

Құралға әсер етуінің бірмезгілдігі мен бірмезгілсіздігіне карай орын ауыстыру арқылы өлшеу әдісі және қарсы қойып салыстыру әдісі деп ажыратылады.

Орын ауыстыру өлшеу әдісі (орын ауыстыру әдісі) - шамамен салыстыру әдісі болып табылады, мұнда өлшенетін шама шама мәні белгілі өлшеммен орнын ауыстырады. Мысал ретінде, бір ыдысты кірге косып салу бола алады.

Қарсы қойып салыстыру әдісі - шамамен, салыстыру әдісі, мұнда өлшенетін шама мен өлшеммен жаңғыртылатын шама бір мезгілде кұралға әсер етеді және осы аркылы екеуінің арасындағы арақатынас белгіленеді.

Қосымшамен өлшеу әдісі (толықтыру әдісі) — шамамен салыстыру әдісі, мұнда құралға алдын ала белгіленген екеуінің косындысы әсер ететіндей өлшенетін шама мәні қосымша шамамен толықтырылады. Әдіс орын ауыстыруда да, қарсылық әдісінде де колданыла алады.

Өлшеудің жанасу әдісі - өлшенетін нысанның сезгіш элементімен түйісуіне негіздепген өлшеу әдісі.

Өлшеудің жанасу емес әдісі - өлшенетін нысанның кұралдың сезгіш элементімен түйіспеуіне негіздепген өлшеу әдісі. Пирометрмен домна пешіндегі температураны өлшеуді және оптикалық кұралдармен арақашықтықты өлшеуді мысал ретінде қарастыруға болады.

Өлшеу құралы сезгіш әлементінің объектімен механикалық түйісу кезінде олардың элементтерінің қаттылығының жеткіліксіздігін, жанасу деформацияны және тағы басқаларды ескеру керек. Механикалық туйісудің болмауы кезінде өлшеу ақпаратын жанасусыз алу ерекшеліктерін ескеру керек: ауадағы оптикалық бұрмалану, белгінің арақашықтыктағы баяулауы, нысан бетіндегі шаң мен майлы қабаттарды ң болуы және тағы да басқа.

Өлшеу түрі -дегеніміз өлшенетін шамалардың біртектілігімен ерекшеленетін және өзіндік ерекшеліктсрі бар өлшеу саласының бөлігі.

Өлшеу түрлерін келесі жіктеу белгілері бойынпа жүйелеуге болады:

- тура және жанама өлшеулер;

- жиынтық және бірлестірілген өлшеулер;

- абсолютті және салыстырмалы өлшеулер;

- бір ретті және көп ретті өлшеулер;

- статикалық және динамикалық өлшеулер;

- дәлме-дәл және дәлме-дәл емес өлшеулер.

Өлшеулер қайталануына қарай бір ретті және көп ретті болып бөлінеді.

Бір ретті өлшеулер - бір рет орындалатын өлшеулер. Іс жүзінде көп жағдайларда бір ретті өлшеулер орындалады. Мысалы, нақты уақыт өлшемі сағатпен әдетте, бір рет өлшенеді.

Көп ретті өлшеулер - физикалық шаманың өлшемін бірінен кейін бірі жүргізілген бірнеше өлшеулер нәтижесінен алатын бір ретгі өлшеулер қатарынан тұратын өлшеулер.

Қойылған мақсатқа байланысты қайталама өлшеулер саны әртүрлі болады (2-ден бастап жүздеген, мыңдаған). Көп ретті өлшеулер дөрекі кателіктерді жібермеу үшін (бұл жағдайда 3-5 өлшеу жеткілікті) немесе нәтижелерді математикалық өңдеу үшін қажет.

Абсолютті өлшеу - бір немесе бірнеше негізгі шамаларды тікелей өлшеуге және (немесе) физикалық тұрақтылар мәндерін қолдануға негіздепген өлшеу.

Мысалы, F = mg күшті өлшеу негізгі шама - массаны m өлшеуге және физикалық тұрақтыны g қолдануға негіздепген.

Салыстырмалы өлшеулер - шаманың бірлік ретінде қолданып отырған аттас шамаға қатынасын өлшеу немесе шаманың бастапқы ретінде алынған аттас шамаға қатысты өзгеруін өлшеу. Мұндай өлшеулерге мысал ретінде салыстырмалы ылғалдылық, салыстырмалы ұзындық өлшемдерін жатқызуға болады.

Өлшеу нәтижесін алу тәсіліне байланысты тура және жанама өлшеулерге ажыратылады.

Тура өлшеу - іздепініп отырған ФШ мәні тікелей анықталады. Қателіктерді ескермеген жағдайда тура өлшеуді былай орнектеуге болады:

Q =х (14)

мұндағы Q - өлшенетін шама; х - өлшеу нәтижесі.

Мысалдар:

1. Бөлшекті ң ұзындығын микрометрмен өлшеу;

2.Ток күшін амперметрмен өлшеу;

3.Массаны таразыда өлшеу.

Жанама өлшеу - іздепініп отырған шамамен байланысты басқа ФШ-ларды тура өлшеу нәтижелерінің негізінде іздепіп отырған ФШ-ны анықтау.

Жанама өлшеулер мына жағдайларда жүргізіледі:

- өлшелетін шаманың мәнін тікелей өлшеуге қарағанда жанама өлшеу арқылы табу жеңілірек болғанда;

- шаманы тура өлшеуге арналған құралдар жоқ болған жағдайда;

- жанама өлшеудің қателігі тікелей өлшеуге қарағанда азырақ болған жағдайда.

Жанама өлшеу кезінде шама мәні іздепіп отырған шама мен тура өлшеуге ұшырайтын шамалар арасындағы тәуелділік негізінде анықталады. Мұндай өлшеуді былайша жазуға болады:

Q=F(X,Y,Z…), (15)

мұндағы, X Y,Z,... тура өлшеулердің нәтижелері.

Жанама өлшеулердің маңызды ерекшелігі – нәтижелерді құралдан тыс (калькулятор пемесе компьютер көмегімен, қағазда) ө ңдеуге болатындығы. Жанама өлшеулердің классикалық мысалдары ретінде өлшенген қабырға ұзындықтары бойынша үшбұрыш бұрышының мәнін табу, үшбұрыштың немесе басқа геометриялық пішіндердің ауданын анықтау және т.б. карастыруға болады. Жанама өлшеулерді қолдануды ең жиі кездесетін жағдайларының бірі - қатты дене материалының тығыздығын анықтау.

Мысалы, цилиндрлі дененің тығыздығы ρ цилиндр массасының т, биіктігінің h және диаметрінің d тура өлшеу арқылы алынған нәтижелерінің көмегімен анықталады:

ρ₌m/0.25πdh (16)

Тура және жанама өлшеулерде дара физикалық шамалардың өлшемдері алынады. Көпгеген физикалық шамаларды өлшегенде, өлшеніп отырған шамалардың біртектілігі және әртүрлілігі бойынша жіктейміз. Сондықтан жиынтықты және бірлескен өлшеулерді ажыратамыз.

Жиынтықты өлшеу - бұл шамалардың іздепіп отырған мәндері теңдеулер жүйесін шешу арқылы анықталатын, бірнеше аттас шамаларды бір уақытта өлшеу. Жиынтық өлшеулерге бірнеше біртекті шамаларды өлшеуді жатқызуға болды. Мысалы, ұзындықтарды өлшеу, L₁, L₂,L₃,және т.б. Мундай өлшеулер бірнеше геометриялық өлшемдерді қатарынан бір уақытта өлшеуге арналған арнайы құрылғыларда орындалады.

Бірлескен өлшеу - арасындағы тәуелділікгі анықтау үшін екі немесе бірнеше аттас емес шамаларды бір уақытта өлшеу. Бұл өлшеу екі немесе одан да көп шамалардың арасындағы өзара тәуелділікті анықтауға арналған өлшеулер. Бірлескен өлшеулер, әдетте, өзара тәуелділігін анықтауды қажет етпейтін бірнеше әртекті X,Y,Z (және т.б.) шамаларды өлшеу болып табылады. Мысалы, электроқозғалтқыштың электрлі, күш және термодинамикалық өлшемдерінің кешенді өлшемдерін, көлік құралының жағдайы және қозғалыс өлшемдерінің (қозғалыс, жанармай қоры, қозғалтқыш температурасы, т.с.с) өлшемдерін жатқызуға болады.

Статикалық өлшеу - өлшеу уақыты мерзімінде өзгермейтін нақты өлшеу тапсырмасына сәйкес жүргізілетін физикалық шамаларды өлшеу

Динамикалық өлшеу - физикалық шаманың өлшемі бойынша өзгеретін өлшеулер.

Бір шаманың бірнеше қайталап өлшеу кезіндегі нәтижелердің дәлдігіне және таралу дәрежесіне байланысты дәлме-дәл және дәлме-дәл емес, тең таралған және тең емес таралған өлшеулср болып белінеді.

Дәлме-дәл өлшеулер - кандай да бір шаманы бірдсй жағдайларда және дәлдігі бірдей өлшеу құралдарымен өлшеулср қатары.

Дәлме-дәл емес өлшеулер - қандай да бір шаманы әртүрлі

жағдайларда және дәлдігі әртүрлі өлшеу құралдарымен өлшеулер қатары.

Дәлме-дәл деп 1 және 2 өлшеулерде қателіктерді ∆1 және ∆2 бірдей болады:

(∆1 ≈ ∆2) (17)

ал дәлме-дәл емес өлшеулерде кателіктер әр түрлі болады:

(∆1 ≠ ∆2) (18)

Салыстырып отырған 1 және 2 серияларының өлшеу қателіктерінің сәйкестігі мен әртүрлілігі бойынша өлшеу сериялары тең шашыраңқы немесе әртүрлі шашыраңқы болып бөлінеді. Формалды түрде былай көрсетуге болады: (∆1 ≈ ∆2) немесе (∆1 ≠ ∆2)

Жоспарланған дәлдігі бойынша өлшеулерді техникалық және метрологиялық деп екіге бөледі.

Техникалық өлшеулерге алдын ала белгіленген дәлдікпен орындалатын өлшеулерді жатқызамыз. Яғни, техникалық өлшеу кезінде өлшеу қателігі ∆ алдын ала белгіленген [∆] мәнінен көп болмауы тиіс:

∆≤ [∆], (19)

мұндағы [∆] - жіберуге болатын өлшеу қателігі. Техникалық өлшеулер атына сай өндірісте өте жиі қолданылады.

Метрологиялық өлшеулер — минималды өлшеу кателігіне ∆ жету мақсатымен максималды дәлдікпен орындалатын өлшеулер.

∆→О

Бұндай өлшеулер біртекті эталонданған кезде, бірегей зерттеулер жүргізген кезде қолданылады, Бұл өлшеулердің ортақ касиеті ретінде кез келген өлшеулерде нәтижелердің шынайы бағасын беретін ∆ мәні анықталады.

Өлшеу кезіндегі бақылау-өлшеу жүргізгенде, есептеулердің Уақытында және дұрыс жасалу мақсатында өткізілетін операциялар.

«Бақылау» терминін «өлшеу» терминімен алмастыруға болмайды.

Өлшеу құралдарының көрсеткіштерін есептеу - берілген уақыт ішінде өлшем кұралдың шама мәнімен немесе сан мәнімен бекітілуі.

Мысал - дәл осы кездегі электр есептеуішінің көрсеткіш тақтасы бойынша мәні 505,9 кВтч тең, алынған мән оның осы кездегі бекітілген көрсеткіші болып табылады.

Өлшем сигналы — өлшенетін физикалық шаманың сандық мәлімет туралы ақпарат құрайтын сигнал.

Өлшем нысаны - бір немесе бірнеше физикалық шамалармен өлшенетін дене (физикалық жүйе, үдеріс, құбылыс және тағы баскалар).

Мысалы, өлшеу нысандары, геометриялық өлшемдерін өлшейтін; технологиялық үдерісте қысым және температураларды өлшейтін бөлиіек болып табылады.

Өлшем аймағы - өз ерекшелігімен айқындалатын, ғылыми немесе техниканың қандайда болмасын аймағының физикалық шамалар өлшемдерінің жиынтығы.

Ескерту: өлшемдер аймақтарға: механикалық, магнитті, акусгикалық, иондаушы сәулелер өлшемдері және тағы басқаларға бөлінеді.

Өлшемдердің түрі - өлшемдердің, өлшенетін шамалардың біртектілік айырмашылығы болатын өз ерекшелігі болатын саласының бір бөлігі.

Мысалы, электр және магнитті өлшемдер те ңірегінде келесі өлшемдерді ң түрлері: электр кедергісін, тоқ күшін, электр жүргізу күшін, электр кернеуін, магниттік индукцияның өлшемі және тағы басқалар ерекшелене алады.

Өлшем түрлерінің классификациясы:

01 Геометриялық шамалар өлшемі:

02 Масса өлшемі;

03 Күш және қапылық өлшемі;

04 Қысым өлшемі;

05 Вакум өлшемі;

06 Қозғалыс параметрлеріні ң өлшемі;

07 Газдар мен сұйыктарды ң іпыгын және мелшер өлшемі;

08 Тығыздық және жұғу өлшемі;

09 Физикалық-химиялық өлшемдер;

10 Геплофизикалық және гемгіерагура өлшемі;

11 Оптико-физикалық өлшем;

12 Акустикалык өлшем;

13 Электрлік шамалар өлшемі;

14 Магнитті шамалар өлшемі;

15 Уақыт пен жиілік өлшемі;

16 Радиөтехникалық өлшем;

17 Иондану сәулелер өлшемі.