7

используются: эталон единицы частоты и длины, эталон единицы постоянного напряжения. Но размеры единиц величин, основанных на константах, на современном уровне развития техники неудобны для практических измерений и не обеспечивают необходимой точности получения всех производных единиц. Однако такие достоинства естественной системы единиц, как неразрушаемость, неизменность во времени, независимость от местоположения стимулируют работы по изучению возможности их практического применения.

2.2. Модели физической величины

Внастоящее время в метрологии используются следующие понятия для характеристики размера (количественной характеристики) физической величины:

∙истинное значение;

∙действительное значение;

∙измеренное значение.

Взаимоотношение перечисленных значений ФВ и их обозначения поясняются следующим рисунком:

ИСТИННОЕ ЗНАЧЕНИЕ ФВ*

ДЕЙСТВИТЕЛЬНОЕ ЗНАЧЕНИЕ ФВд

ИЗМЕРЕННОЕ ЗНАЧЕНИЕ ФВх

2.2.1. Под истинным значением ФВ (ФВ*) понимают такое значение, которое идеальным образом характеризует в качественном и количественном отношении исследуемую физическую величину и может быть соотнесено с понятием абсолютной истины, которая, как известно, познается лишь в результате бесконечного процесса познания. По этой причине и истинное значение ФВ* может быть получено только в результате бесконечного процесса измерений с бесконечным совершенствованием средств измерений (чем выполнять измерения) и методов измерений (как выполнять измерения). Отсюда следует, что еще до начала измерения нужно определиться с пониманием объекта измерения – его теоретической модели.

Необходимость в представлении ФВ теоретической моделью объясняется тем, что реальные объекты и явления материального мира чрезвычайно сложны. Даже, если на первый взгляд какой-то предмет представляется достаточно простым, то это совсем не значит, что этот предмет окажется простым при более глубоком изучении (напомним – как много надо знать, чтобы понять как мало ты знаешь). Человеческое сознание не в состоянии охватить все свойства этих объектов и явлений, а также все связи между ними. Поэтому в процессе описания и изучения реальных объектов человек вынужден упрощать их свойства, т.е. заменять реальные объекты их моделями. В широком смысле любой образ какого-либо объекта, в том числе и мысленный, называют моделью.

Теоретическая модель ФВ* должна быть формализована, т.е. должна быть описана математическими средствами или представлена описательными средствами, но так, чтобы была достигнута однозначность понимания всех определений, условий и ограничений.

8

Как и любая другая наука, теория измерений строится на основе постулатов или аксиом. Одним из основных постулатов в теории измерений считают следующий: измеряемая физическая величина и её “истинное” значение существуют только в рамках принятой теоретической модели объекта измерения.

Понятие истинного значения ФВ в метрологии необходимо как теоретическая основа непрерывного развития теории измерений.

2.2.2. Под действительным значением ФВд понимают такое значение, которое предназначено для экспериментального определения в процессе измерения и которое по своей сущности настолько близко к истинному значению, что для поставленной измерительной задачи может быть использовано вместо него: ФВ*→ ФВд. Таким образом, процесс измерения ФВ* сводится к измерению значения ФВд, которое определяется как один из параметров теоретической модели ФВ*.

Отсюда следует, что еще до начала процесса измерения нужно разобраться с тем, какие допускаются упрощения теоретической модели ФВ* для представления действительного значения этой физической величины. «Разобраться с пониманием ФВд» это значит, что исследователь, фактически, должен создать ее формализованное описание, ее модель. Описание может быть словесным, графическим, математическим или комбинированным. Главное − оно должно как можно адекватнее воспроизводить интересующие исследователя свойства и характеристики ФВ*.

То, насколько близко действительное значение ФВ приближается к истинному значению этой ФВ, исследователи определяют в соответствии с целями конкретной измерительной задачи. Поскольку ФВд по определению может сколь угодно приближаться к ФВ*, но всегда будет отличаться от ФВ*, то разность (ФВ*─ФВд) определяют как теоретическую погрешность.

При проведении исследований вполне может быть, что цели измерения одной ФВ*, представленной теоретической моделью ФВ, могут меняться. Следовательно, одной ФВ* могут соответствовать одна и более ФВд, (представленных действительными моделями ФВ). Такая ситуация представлена на рис.2.1.

Рис.2.1. Представлениезначени истинного значения ФВ несколькими действительными

ю, что

значениями с учетом различия цели выполнения измерения

для

постав

Прежде чемленнойприступать к измерениям ФВ*, необходимо определиться с целью измере-

ний и в соответствииизмери с целью определить (выбрать, разработать) действительную модель

ФВд. тельно

Рассмотримйзадачирешение такой задачи по рис.2.1 на примере измерения истинной физической величиныможет− температуры воздуха (Т) в аудитории.

ФВ*→

2) Если целью измерений является мониторинг температуры по площади аудитории, то

модель д2 может быть определена так: среднее значение вычисляемое по результатам

ФВ ФВд.

Таким

измерений несколькимиобразом термометрами установленными по периметру аудитории с учетом

априорной информации, или одним термометром, переносимом точки измерения.

процесс

измерен ия ФВ*

сводитс я к измерен

пературы по объемупараметаудитории, то модель ФВд3 может быть определена так: среднее значе-

ние по результатамров измерений в нескольких контрольных точках, установленных по

периметру аудитории, и в , установленных по вертикали.

теорети нескольких контрольных точках

ческой

Исследовательмоделиможет усложнить модели ФВдi путем ввода различных ее уточнений:

∙ограничениемФВ* . места в аудитории, в которых разрешается установка одного термометра;

∙увеличением количества используемых термометров, определением мест их расположения на площади, заданием частоты чтения результатов измерений (раз в сутки, раз в час, раз в минуту, ежесекундно) и количества считываемых знаков после запятой;

∙увеличением количества используемых термометров и определением мест их расположения по объему помещения, заданием частоты чтения результатов измерений и количества считываемых знаков после запятой.

При усложнении модели ФВдi увеличивается количество измерений и количество используемых технических средств, добавляются алгоритмы обработки результатов измерений.

Из рассмотренного примера можно сделать такой вывод: если исследуемая ФВ* явля-

ется распределенной во времени и (или) в пространстве, то соответствующая ему ФВд или ΣФВдi представляют собой функцию времени и (или) пространственных координат. При этом ФВд, как параметр модели ФВ*, может быть величиной, определяемой как «энергети-

ческий» параметр, или мгновенной величиной; средней величиной по времени или пространственным координатам, и т.д.

2.2.3. Под измеренным значением ФВх (ФВ*) понимают такое значение, которое находится экспериментальным путем с использованием средства измерения на основе действиительной модели ФВд.

Связь действительного и измеренного значений определяется уравнением:

ФВд.─ ФВх = +Δ,

где (+ ) − погрешность измерения, определяемая несовершенством экспериментальных технических средств и методик их применения. Вопросы погрешности измерения физических величин будут рассмотрены далее.

2.2.4. О целях измерения.

Необходимость получения потребителем количественной информации о ФВ* возникает не «просто так − давайте измерим». Выше уже отмечалось, что измерения должны выполняться с конкретной целью. Поэтому еще раз обратим внимание на то, что измерение никогда не является самоцелью.

Цель измерения всегда является внешней по отношению к процессу измерения. И эта цель формируется на том этапе исследовательской, конструкторской или производственной деятельности, на котором возникает необходимость увеличения знаний об объекте исследования, конструирования, эксплуатации.

Напомним, что если об интересующем нас объекте априорно нет никакой информации, то и измерения невозможны, поскольку ни цель, ни задачи измерения не могут быть сформулированы. Если же об объекте априорно имеется полная информация, то в выполнении измерений нет необходимости. Цель измерения всегда конкретизирует необходимость расширения общих знаний об объекте или знаний о его свойствах и состояниях в каких-то временных процессах.

В общем случае цели измерений могут быть познавательного и производственного характера.

1) Решение задач познавательного характера осуществляется постановкой множества экспериментов в процессе которых получаются данные о физических величинах, определяющих состояния или свойства изучаемого объекта. При этом задачей исследователя может быть непрерывное совершенствование измерительного процесса с целью углубления про-

10

цесса познания путем получения все большего количества исследовательской информации или повышения качества получаемой информации.

Новые данные позволяют исследователю совершенствовать как теоретическую модель измеряемой ФВ, так и модели, на основе которых определяются действительные значения этой величины.

2) Решение задач производственного характера осуществляется путем контроля реального состояния или свойств объектов. На основе этой информации принимаются решения по контролю состояния или свойств какого-то объекта, а также по управлению различными объектами.