5.2. Измерение

Понятие «измерение» трактуется по-разному.

Измерение в техническом аспекте – это нахождение значения физической величины опытным (экспериментальным) путем с помощью специальных технических средств.

Измерение с метрологической точки зрения – познавательный процесс, заключающийся в сравнении путем физического эксперимента данной величины с некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения, т.е. с мерой.

Метрологическая суть измерения сводится к уравнению измерения

Q = q [Q],

(1)

где Q – измеряемая величина, [Q] – единица величины, q – число единиц.

Процедура простейшего измерения состоит в сравнении размера физической величины Q с размерами выходной величины q[Q], создаваемой специальным устройством – регулируемой многозначной мерой. Для реализации процедуры измерения необходимо выполнить следующие элементарные операции:

- измерительное преобразование измеряемой физической величины Х в другую физическую величину Q, однородную или неоднородную с ней;

- воспроизведение физической величины Q_М заданного размера N[Q], однородной с преобразованной величиной Q;

- сравнение однородных физических величин: преобразованной Q и воспроизводимой мерой Q_М = N[Q].

Структурная схема измерения показана на рис. 3.

Q = F(Х)

Х

Измерительное

преобразование

F

Сравнение

с мерой

Результат

измерения

Х = F^-1 {q[Q]}

Δ = F(Х) - N[Q]

Воспроизведение

физической величины заданного размера

N[Q]

N

N

N

Q_М = N[Q]

Рис. 3. Структурная схема процедуры измерения

Для получения результата измерения необходимо обеспечить выполнение при N = q условия минимизации погрешности Δ сравнения величин Q и Q_М:

Δ = Q - q[Q] = F(Х) - q[Q] = min(F[Х] - N[Q]).

(2)

Измерительное преобразование – операция, при которой устанавливается взаимно однозначное соответствие между размерами в общем случае неоднородных преобразуемой Х и преобразованной Q физическими величинами. Измерительное преобразование описывается уравнением вида

Q = F(Х),

(3)

где F – некоторая функция, чаще линейная.

Операция измерительного преобразования осуществляется посредством измерительного преобразователя – технического устройства, построенного на определенном физическом принципе и выполняющего одно частное измерительное преобразование.

Результат измерений находится как

Х = F-1{q[Q]},

(4)

где F^-1 – операция, обратная операции F, осуществляемой при измерительном преобразовании.

Воспроизведение физической величины заданного размера N[Q] – это операция создания требуемой физической величины с заданным значением, которую формально можно представить как преобразование кода N в заданную физическую величину Q_М , основанное на единице данной физической величины [Q]:

QМ = N[Q].

(5)

Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера в соответствии с выражением (5).

Сравнение измеряемой физической величины с величиной, воспроизводимой мерой Q_М – это операция, заключающаяся в установлении отношения этих двух величин:

Q > QМ, Q < QМ или Q = QМ .

Точное совпадение сравниваемых величин, как правило, не встречается в практике измерений. В результате сравнения может быть лишь установлено, что

|Q - QМ| < [Q].

Измерительная информация может преобразовываться так, чтобы результат измерения представлял собой именованное число единиц измерения в явном виде – 220 В, 15 км, 300 Н и т.д. Вместе с тем, в технике широко распространены информационные структуры и процессы, в которых измерительная информация необходима и используется в форме сигнала измерительной информации. Измерительная информация в форме сигнала является исходной для решения задач, конечная цель которых – не получение значения физической величины в виде числа принятых единиц, а формирование определенных суждений, логических заключений об объекте типа «годен – не годен», «исправен – не исправен», «больше – меньше».

Принцип измерений – совокупность физических принципов, на которых основаны измерения, например, применение явления термического расширения газообразных и жидких тел для измерения температуры, измерение силы по изменению под ее действием длины упругого элемента (закон Гука) или с использованием пьезоэлектрического эффекта.

Метод измерения – это прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерения. В зависимости от способа применения меры различают методы непосредственной оценки и методы сравнения.

Классификация измерений как разнообразных экспериментальных процедур проводится по различным классификационным признакам. Пример подобной классификации в виде логической структуры показан на рис. 4.

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ

по способу нахождения искомого значения измеряемой величины

по виду измерительных сигналов

по физическому принципу в основе измерения

по режиму работы средства измерения

прямое измерение

косвенное измерение

совместные измерения

статические

динамические

аналоговые

цифровые

механические

электрические

магнитные

совокупные измерения

акустические

Рис. 4. Классификация измерений

Средство измерений – это техническое средство (или их комплекс), предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменной в течение известного интервала времени.

Средство измерений объединяет самые разнообразные конструктивно законченные устройства, которые реализуют одну из двух функций:

- воспроизводят величину заданного (известного) размера, например, гиря – заданную массу, магазин сопротивлений ряд дискретных значений сопротивления, концевая мера – заданный линейный размер;

- вырабатывают сигнал (показание), несущий информацию о значении измеряемой величины.

Показания средства измерений либо непосредственно воспринимаются органами чувств человека (например, показания стрелочного или цифрового приборов), либо они недоступны восприятию человеком и используются для преобразования другими средствами измерений.

Выработка информационного сигнала – основная функция, которая может быть реализована только посредством измерения, составляющие операции которого представлены на рис. 3. Для этого средства измерения должны содержать устройства (блоки, модули), которые выполняют эти элементарные операции. Такие устройства называются элементарными средствами измерений. В их число входят измерительные преобразователи, меры и устройства сравнения (компараторы). Обобщенная структура средства измерения показана на рис. 5, расположенном непосредственно под схемой процесса измерения.

Управляющее устройство

или оператор

Х₁ = F(Х)

|Х _М - Х₁|<[Q]

Х

Измерительный

преобразователь

F

Устройство сравнения

(компаратор)

Х_М = N[Q]

Многозначная мера

[Q]

Y₁ = N

Y₂ = Х_М

Y₃ = Х₁

Рис. 5. Обобщенная структурная схема средства измерения