1.2 Общие сведения из метрологии
Любая деятельность человека так или иначе связана с получением и обработкой информации. Согласно Британской Энциклопедии: "Люди воспринимают информацию органами чувств: звуки - слухом; изображения и текст - зрением; форму, температуру и воздействия (affection) - осязанием; запахи - обонянием. Чтобы интерпретировать сигналы, принятые органами чувств, люди разработали и освоили сложные системы языков, состоящих из алфавитов (символов) и стимулов (раздражителей), и правил их употребления. Это позволило узнавать увиденные предметы, понимать прочтенные или услышанные сообщения и постигать смысл знаков, воспринятых осязанием и обонянием".
Однако той информации, что воспринимается нами, но не интерпретируется осознанно, гораздо больше. Научиться же оперировать остальной информацией было просто жизненно необходимо, без этого невозможно было бы накапливать и анализировать знания, передавать их друг другу и использовать для практической пользы.
Здесь есть очень важный момент. Одни объекты и явления окружающего мира воспринимаются и осмысливаются нами как некие целостные отдельные, "дискретные" сущности (discretus по латыни - разделенный, прерывистый), другие же представляют собой непрерывные процессы, развивающиеся во времени (continuum - непрерывный, продолжающийся). Однако, как справедливо замечает уважаемая энциклопедия, основным инструментом для интерпретации входящей информации в обоих случаях являются "алфавиты", то есть наборы отдельных объектов. Наш разум более склонен манипулировать дискретными объектами, нежели непрерывными процессами, этим и обусловлено развитие дискретных технологий.
Познанию закономерностей физических процессов неизменно предшествует стадия накопления данных - результатов измерений характеристик этих процессов. Для представления и хранения этих результатов, как известно, используются числа. Но здесь есть одна проблема. Использование чисел для пересчета целостных, "штучных" объектов (поголовье овец в стаде, количество деревьев в саду, денег в кармане и т.д.), по крайней мере, на бытовом уровне особых трудностей не вызывает. Если помните, для этого используются натуральные числа.
А вот с измерениями (веса овцы, высоты дерева, электрического сопротивления металла, из которого сделана монета и др.) несколько сложнее. Ведь измерить - значит сопоставить реальную величину с неким эталоном, а природа вещей такова, что величины никак не хотят быть кратными какому бы то ни было эталону, они существуют в пространстве действительных чисел, а действительные числа обладают одним серьезным свойством: как близко бы мы не выбрали два числа на отрезке числовой оси, между ними обязательно отыщется место хотя бы для еще одного.
Это свойство вещественных чисел называется плотностью. Любой же измерительный инструмент, от деревянной линейки до электронного микроскопа, имеет пусть и большое, но ограниченное разрешение. Даже если бы у приборов было неограниченное разрешение, оставалась бы проблема записи результатов, так как действительное число записывается, вообще говоря, бесконечной последовательностью десятичных цифр. Увы, наш скромный удел - ограниченные наборы знаков, независимо от того, какой физический носитель служит хранилищем информации.
1. Измерения реальных физических величин неизбежно сводятся к упрощению, "прореживанию" реальности: мы делаем выборку в отдельные моменты времени и отображаем результат с помощью ограниченного набора значений (рис 1.). Можно, конечно, фиксировать ход физического процесса, скажем, на бумажной ленте с помощью самописца, но этот результат равнозначен самому исходному процессу: как только мы попытаемся анализировать, придется заняться измерениями уже на самой этой ленте, и мы в итоге придем к тому же самому.
2. Процесс перехода от реальных величин или характеристик реальных процессов к неким конечным наборам элементов, собственно, и составляющий суть аналого-цифрового преобразования, был известен человечеству со времен зарождения математики. Поэтому ничего принципиально нового или мистического приборы, называемые аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями (АЦП и ЦАП), разумеется, не делают, а просто автоматизируют некую работу.
Приближенный или упрощенный характер измерений не так уж фатален. Мы, в принципе, можем увеличивать их точность настолько, насколько это необходимо для решения конкретных задач.
Вообще говоря, термины "аналоговый" и "дискретный" принято относить к радиотехнике: если сигнал порожден физическим процессом, который можно описать непрерывной функцией, то его называют аналоговым, имея в виду его соответствие реальному процессу. Дискретный сигнал, как правило, является последовательностью импульсов, применяемых для кодирования чисел. Чаще всего речь идет о двоичном представлении чисел, в этом случае единица представлена высоким, а нуль - низким потенциалом напряжения. Однако, термин "аналоговый" часто используют шире, имея в виду "нецифровой", "некомпьютерный", и т.д. Например, с появлением цифровой фотографии обычную фотографию, с фотопленкой и проявкой, стали тоже называть "аналоговой".
Основные определения и термины
Термин «метрология» произошел от греческих слов: metron — мера и logos — учение, слово. В современном понимании — это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.
Измерение — это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Под измерением понимается процесс физического сравнения данной величины с некоторым ее значением, принятым за единицу измерения. Единицы физических величин не являются объектами природы, а представляют собой лишь вспомогательный аппарат, применяемый при ее изучении. Законы природы не меняют своего объективного характера при замене одних единиц другими. Поэтому принципиально возможно бесконечное множество единиц измерения. Однако практика выдвигает требование единства измерений.
Единство измерений — это состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Как ясно из этого определения, понятие единства измерений включает в себя не только выполнение условия единства используемых единиц измерений, но и знание погрешности измерений.
Погрешность измерения — отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Чем меньше погрешность измерения, тем выше его точность.
Точность измерения — качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Проведение измерения требует применения специальных технических средств.
Средство измерения — это техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства.
Устройство измерительное – совокупность средства измерений и вспомогательных устройств для решения измерительной задачи.
Устройство измерительное состоит из отдельного измерительного прибора или нескольких взаимодействующих средств измерений и дополнительных устройств. Они осуществляют на основе определенного принципа измерений выбранный метод измерений. Если совместное функционирование входящих в состав измерительного устройства приборов обеспечивается объединяющим характером измерительной задачи и программным управлением с помощью микропроцессора, то говорят об измерительной системе. При необходимости понятия «измерительная установка и «измерительная» аппаратура могут быть разграничены.
Выбор средств измерений - составная часть стратегии измерений.(обработки сигналов)
Выбор средств измерений должен осуществляться с учетом технических, технологических и экономических аспектов. Целенаправленное проведение измерений, реализующее выбранную концепцию решения данной задачи, основывается на решении следующих вопросов и последующем выборе средств измерений.
Какие величины и параметры следует измерять, чтобы получить требуемый результат?
Какие из имеющихся измерительных приборов пригодны для измерения требуемых величин?
Имеют ли эти приборы как минимум необходимый диапазон измерений? (верхняя граница диапазона должна в 1,5 раза превышать ожидаемый результат измерения).
Обеспечивают ли эти измерительные приборы требуемую точность?
Имеют ли эти приборы требуемую чувствительность?
В каких условиях будут проводится измерения? Пригодны ли все средства измерений для работы в этих условиях: диапазон частот, сопротивление цепей и измерительного прибора? (Потребуется ли коррекция результата измерений?)
Насколько оправдана выбранная организация измерений с экономической точки зрения? (Обеспечивается лишь необходимая точность или максимально возможная (избыточная)?)
Метрология имеет дело с измеримыми физическими величинами. Физическую величину можно считать измеримой, лишь выделив ее среди других, выбрав единицу для измерений и воплотив ее в средстве измерений.
В реальной действительности измеряются не физические величины вообще, а физические величины, присущие конкретным предметам, явлениям, процессам, т. е. величины ограниченных размеров. Строго говоря, измеряется «размер физической величины».
Размер физической величины (кратко — размер величины) — количественная определенность физической величины, присущая конкретному предмету, системе, явлению или процессу.
Известно, что каждый предмет имеет свой объем, обладает конкретной массой и т. д. Иначе говоря, каждому предмету присущи свои размеры, поэтому предметы можно различать по длине, массе и другим свойствам, т. е. различать по размеру той или иной величины. Чтобы оценить ту или иную величину, измеряют ее размер (размер длины, массы и т. д.). И все же прибавлять слово «размер» перед словами «физическая величина» нецелесообразно, за исключением случаев, когда важно подчеркнуть, что измеряется именно размер величины. Для простоты слово «размер» опускают. Следует отметить, что в машиностроении широко применяют термин «размер», в действительности понимая под ним значение физической величины (длины, угла), свойственной какой-либо детали.
Значение физической величины получают в результате ее измерения или вычисления. Например, при измерении температуры в тройной точке воды получен результат, равный 273,16 К — это и будет значением температуры (значением величины). Для простоты слово «значение» опускают и говорят: температура равна 273,16 К. Число 273,16 — числовое значение величины.
Значение одной и той же физической величины будет изменяться в зависимости от выбранной единицы, тогда как размер останется одним и тем же. Так, измерение перемещения средствами измерений, проградуированными соответственно в метрах, сантиметрах и миллиметрах, даст разные значения величины (например, 1,1 м, 110 см, 1100 мм), которые будут характеризовать одно и то же перемещение.
В процессе измерений экспериментатор стремится получить значение величины, соответствующее тому или иному размеру величины. Таким значением является истинное значение физической величины. Однако вследствие погрешностей применяемых средств и методов измерений, колебаний внешних условий, которые вносят в результат измерений дополнительные погрешности, получаемое значение величины, строго говоря, не будет равно истинному значению. Истинное значение останется неизвестным. Однако это понятие введено в теорию измерений, так как оно дает возможность более полно раскрыть понятие «погрешность измерений».
Истинное значение физической величины (кратко — истинное значение величины или истинное значение) можно определить как значение физической величины, которое идеальным образом отражает в количественном отношении размер некоторой физической величины.
В результате измерений получают значение физической величины, близкое к истинному, которое называют действительным значением физической величины (кратко — действительное значение величины или действительное значение). Его определяют как значение физической величины, найденное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что для поставленной измерительной задачи оно может его заменить. За действительное значение при многократных измерениях принимают среднее арифметическое значение из ряда значений величины, при однократных измерениях — значение величины, полученное в результате измерений более точным техническим средством. При поверке средств измерений действительным значением величины нередко является показание образцового средства измерений.
При выполнении точных измерений оперируют понятиями «измеряемая физическая величина» и «влияющая физическая величина».
Измеряемая физическая величина (кратко — измеряемая величина)—физическая величина, подлежащая измерению, измеряемая или измеренная в соответствии с основной целью измерительной задачи.
Влияющая физическая величина (кратко — влияющая величина)—физическая величина, не измеряемая данным средством измерений, но оказывающая влияние на него и объект измерений таким образом, что это приводит к искажению результата измерений.
Для избежания искажений, например, при точных измерениях длины детали учитывают ее температуру, которая в данном случае является влияющей величиной. При отклонении температуры от установленного значения вводится поправка на температуру.
Помеха – величина, вызывающая нежелательное искажающее воздействие на измерения. В отличие от влияющей величины воздействие помехи невозможно или очень трудно оценить и им управлять.
Физический параметр (кратко — параметр) — физическая величина, характеризующая частную особенность измеряемой физической величины. Например, при измерении напряжения переменного тока, амплитуду и частоту рассматривают как параметры напряжения.
Род физической величины (кратко — род величины) — качественная определенность физической величины. Например, длина и диаметр являются величинами одного рода или однородными величинами, длина и масса (одной и той же детали) — разнородными величинами.
Оценка – субъективная оценка измеряемой величины. Оценка не является измерением , так как при ее определении не участвует объективная величина сравнения. Оценка всегда связана с большой неопределенностью.
Кроме рассмотренных в метрологии применяется много других терминов. Метрологические термины и определения регламентированы стандартом (ГОСТ 16263-70).