ЭЛЕМЕНТЫ ПРОЦЕССА ИЗМЕРЕНИЙ

Измерение – это сложный процесс, включающий в себя взаимодействие целого ряда его структурных элементов. Эти элементы и их взаимосвязи показаны на рис. 2.4 в виде структурной схемы. Из нее видно, что процесс измерения протекает по двум параллельным ветвям, содержащим соответствующие друг другу элементы, относящихся к реальности (верхняя ветвь) и к ее отражению (познанию) (нижняя ветвь). Элементы обеих ветвей, неразрывно связанных между собой, соответствуют друг другу по типу «реальность – отражение (модель)».

Первым, начальным элементом каждого измерения является его задача (цель). Задача любого измерения заключается в определении значения выбранной (измеряемой) ФВ с требуемой точностью в заданных условиях. Постановку задачи измерения осуществляет субъект измерения – человек. При постановке задачи конкретизируется объект измерения, выделяется измеряемая ФВ, определяется (задается) требуемая погрешность измерения.

Объект измерения – это реальный физический объект, свойства которого характеризуются одной или несколькими измеряемыми ФВ. Он обладает многими свойствами (Св ; ...; Св ; ... на рис. 2.4) и находится в многосторонних и сложных связях с другими объектами. Субъект измерения – человек – принципиально не в состоянии представить себе объект целиком, во всем многообразии его свойств и связей. Вследствие этого взаимодействие субъекта измерения с объектом возможно только на основе математической модели объекта.

Модель объекта измерения строится до выполнения измерения в соответствии с решаемой задачей на основе априорной информации об объекте и условиях измерения. Это отражено на рис. 2.4 в виде суммирования сведений о цели, условиях измерения и априорной информации об объекте. Модель объекта измерения должна удовлетворять следующим требованиям:

•погрешность, обусловленная несоответствием модели объекту измерения, не должна превышать 10% предела допускаемой погрешности измерения;

•составляющая погрешности измерений, обусловленная нестабильностью измеряемых ФВ в течение времени, необходимого для проведения измерения, не должна превышать 10% предела допускаемой погрешности.

Если выбранная модель не удовлетворяет этим требованиям, то следует перейти к другой модели объекта измерений.

Априорная информация, т.е. информация об объекте измерения, известная до проведения измерения, является важнейшим фактором, обуславливающим эффективность измерения. Априорная информация определяет достижимую точность измерений и их эффективность.

Измеряемая величина определяется как параметр принятой модели, а ее значение, которое можно было бы получить в результате абсолютно точного эксперимента, принимается в качестве истинного значения измеряемой величины. Идеализация, принятая при построении модели объекта измерения, обуславливает несоответствие параметра модели исследуемому свойству объекта. Это несоответствие называют пороговым. Обычно на практике из-за трудности оценивания пороговое несоответствие стремятся сделать пренебрежимо малым.

Цель построения модели объекта измерения состоит в выявлении (представлении) конкретной ФВ, подлежащей измерению. Основной проблемой моделирования объектов измерений является выбор таких моделей, которые можно считать адекватно описывающими измеряемые величины (свойства) рассматриваемого объекта. Важно отметить, что адекватность модели обуславливается не только теми свойствами объекта, которые требуется определить в рамках данной измерительной задачи, но и теми свойствами, которые могут влиять на результаты измерения искомой величины.

Объект измерения характеризуется набором свойств и описывающих их ФВ (см. рис. 2.4). Одна из них (i-я) является измеряемой величиной. Измеряемая величина – это ФВ, подлежащая измерению, измеряемая или измеренная в соответствии с основной целью измерительной задачи. До недавнего времени понятие «физическая величина» считалось достаточным для постановки и решения всех измерительных задач. Однако из-за расширения области применения измерений и усиления требований к точности и достоверности понятие «физическая величина» в ряде случаев перестало удовлетворять потребности в экспериментальном определении различных свойств объектов.

При планировании современных измерений стало необходимым введение более конкретных понятий, определяемых целями измерений, чем весьма общее понятие «физическая величина». В настоящее время под «измеряемой величиной» понимается параметр или функциональных параметров модели объекта измерений, отражающий то его свойство, количественную оценку которого необходимо получить в результате измерений. Измеряемая величина всегда имеет размерность определенной ФВ, но представляет собой ее некоторую конкретизацию, обусловленную свойствами объекта измерений, которые связаны с поставленной целью.

Для иллюстрации вышесказанного рассмотрим пример. Объект измерения – поршень грузопоршневого манометра. Цель измерения – определение эффективной площади поршня.

Априорная информация состоит в том, что поперечное сечение поршня незначительно отличается от круга. В соответствии с этой информацией в качестве модели поршня принимается прямой цилиндр, поперечное сечение которого близко к кругу. Эффективную площадь поршня в некоторых случаях определяют по среднему диаметру его поперечного сечения. В соответствии с целью измерения в качестве параметра модели – измеряемой величины – принимается средний диаметр поперечного сечения поршня. Значение измеряемой величины в этом случае можно выразить функционалом вида

d=1/6Sd(а ),

где d(a₁) – диаметр, имеющий угловую координату a_i= 30(i-1), т. е. функцию аргумента а_i, выраженную в градусах.

Измерительная информация, т.е. информация о значениях измеряемой ФВ, содержится в измерительном сигнале. Измерительный сигнал – это сигнал, содержащий количественную информацию об измеряемой ФВ. Он поступает на вход средства измерений, с помощью которого преобразуется в выходной сигнал, имеющий форму, удобную для непосредственного восприятия человеком (субъектом измерения) или удобную для последующей обработки и передачи. Субъект измерения осуществляет выбор принципа, метода и средства измерений.

Принцип измерений – физическое явление или эффект, положенные в основу измерений. Например, применение эффекта Джозефсона для измерения электрического напряжения или эффекта Доплера для измерения скорости.

Метод измерения – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой ФВ с единицей в соответствии с реализованным принципом измерения. Метод измерения должен, по возможности, иметь минимальную погрешность и способствовать исключению систематических погрешностей или переводу их в разряд случайных. Методы измерения можно классифицировать по различным признакам. Известна [6] классификация по основным измерительным операциям. Она тесно связана с элементарными средствами измерений, реализующими эти операции. Данная классификация ориентирована на структурное описание средств измерений и поэтому важна для измерительной техники, а также метрологии и ннформационно-измерительных систем.

Для метрологического анализа используются традиционные классификации, основанные на следующих признаках. Первым из них является физический принцип, положенный в основу измерения, По нему все методы измерений делятся на электрические, магнитные, акустические, оптические, механические и т.д. В качестве второго признака классификации используется режим взаимодействия средства измерений с объектом измерений. В этом случае все методы измерений подразделяются на статические и динамические. Третьим признаком может служить вид применяемых в средствах измерений измерительных сигналов. В соответствии с ним методы делятся на аналоговые и цифровые.

Наиболее разработанной является классификация по совокупности приемов использования принципов и средств измерений. По ней все методы делятся на метод непосредственной оценки и методы сравнения (рис. 2.5).

Сущность метода непосредственной оценки состоит в том, что о значении измеряемой величины судят по показанию одного (прямые измерения) или нескольких (косвенные измерения) средств измерений, которые заранее проградуированы в единицах измеряемой величины или единицах других величин, от которых она зависит. Это наиболее распространенный метод измерения. Его реализуют большинство средств измерений.

Другую группу методов измерений образуют методы сравнения: дифференциальный, нулевой, замещения и совпадений. К ним относятся все те методы, при которых измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой. Следовательно, отличительной особенностью методов сравнения является непосредственное участие мер в процессе измерения.

При дифференциальном методе измеряемая величина х сравнивается непосредственно или косвенно с величиной х_м, воспроизводимой мерой. О значении х судят по измеряемой прибором разности Dх = х – х_м одновременно измеряемых величин х и х_м и по известной величине х_м, воспроизводимой мерой. Следовательно, х = х_м+Dх. При дифференциальном методе производится неполное уравновешивание измеряемой величины. Он может дать весьма точный результат измерения, если только измеряемая величина и мера мало отличаются друг от друга.

Нулевой метод является разновидностью метода дифференциального. Его отличие состоит в том, что результируюший эффект сравнения двух величин доводится до нуля, что контролируется с помощью специального измерительного прибора высокой точности – нуль- индикатора. В этом случае значение измеряемой величины равно значению, которое воспроизводит мера. Вследствие высокой чувствительности нуль-индикаторов, а также большой точности выполнения меры получается малая погрешность измерения.

Метод замещения заключается в поочередном измерении искомой величины прибором и измерении этим же прибором выходного сигнала меры, однородного с измеряемой величиной. По результатам этих измерений вычисляется искомая величина. Поскольку оба измерения производятся одним и тем же прибором в одинаковых внешних условиях, а искомая величина определяется по отношению показаний прибора, то в значительной мере уменьшается погрешность результата измерения. Так как погрешность прибора неодинакова в различных точках шкалы, наибольшая точность измерения получается при одинаковых показаниях прибора.

При методе совпадений разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов. Этот метод широко используется в практике неэлектрических измерений.

Метод измерений реализуется в средстве измерений. Средство измерений – техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу ФВ, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени. Средство измерений является обобщенным понятием, объединяющим самые разнообразные конструктивно законченные устройства, обладающие одним из двух признаков:

•они вырабатывают сигнал (показание), несущий информацию о размере (значении) измеряемой величины;

•воспроизводят величину заданного (известного) размера.

При использовании СИ весьма важно знать степень соответствия выходной измерительной информации истинному значению измеряемой величины. Для его установления введено правило, по которому требуется нормировать метрологические характеристики всех средств измерений. Метрологическая характеристика – это характеристика одного из свойств СИ, влияющая на результат измерений и его погрешность.

Средство измерения входит в обе ветви в схеме на рис. 2.4. В реальности оно взаимодействует с объектом измерений, в результате чего появляются входной (для СИ) сигнал и отклик на него – выходной сигнал, подлежащий обработке с целью нахождения результата измерения и оценки его погрешности. В области отражений СИ описывается моделью, необходимой для его правильного применения и эффективной обработки опытных данных. Эта модель представлена совокупностью его метрологических характеристик.

В процессе измерения важную роль играют условия измерения – совокупность влияющих величин, описывающих состояние окружающей среды и средства измерений. Влияющая величина – физическая величина, не измеряемая данным СИ, но влияющая на результаты измерений этим средством.

Изменение условий измерения приводит к изменению состояния объекта измерения. Это в свою очередь определяет влияние условий измерения на выделенную ФВ и через нее – на измеряемую величину и отклонение значения действительной измеряемой величины от той, которая была определена при формировании измерительной задачи. Влияние условий измерения на СИ проявляется в изменении его метрологических характеристик. При этом та часть погрешности изменения, которая возникает из-за перемены условий, называется дополнительной погрешностью.

В соответствии с установленными для конкретных ситуаций диапазонами значений влияющих величин различают нормальные, рабочие и предельные условия измерений. Нормальные условия измерений – это условия измерений, характеризуемые совокупностью значений или областей значений влияющих величин, при которых изменением результата измерений пренебрегают вследствие малости. Нормальное значение влияющей величины значение влияющей величины, установленное в качестве номинального. Нормальные условия измерений устанавливаются в нормативно-технической документации на СИ данного вида. При нормальных условиях определяется основная погрешность средства измерения. Нормальные условия для ряда влияющих величин приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1