Лекции по метрологии. Часть 1: Основные понятия
Измерение. Измеряемые величины
Определения метрологии и метрологического обеспечения начинаются с основного понятия — измерение. Пожалуй, ни одно определение в области метрологии не вызывает столько споров, как определение этого понятия. Профессором М. Ф. Маликовым было дано следующее определение: «Измерение — познавательный процесс, заключающийся в сравнении путем физического эксперимента данной величины с известной величиной, принятой за единицу сравнения». Недостатком этого определения является то, что оно предполагает сравнение измеряемой величины с ее единицей, что имеет место только при прямых измерениях с использованием метода сравнения с мерой. В частности, это определение не согласуется с косвенными измерениями. К.П.Широковым дано более общее определение: «Измерение — нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств». Это определение, включенное в ГОСТ 16263-70, четко определяет границы самого понятия и содержит указания на все важнейшие его элементы. К тому же лаконичность этого определения является его достоинством. Предложения о включении в формулировку определения элементов терминологии кибернетики и теории информации не опровергают стандартизированную формулировку, но усложняют ее понимание и запоминание. Следует отметить, что в нахождение значения физической величины (далее — величины) включается и математическая обработка результатов измерения, в частности введение поправок и статистическая обработка результатов наблюдений (если это требуется).
Значение величины, найденное путем его измерения, называется результатом измерения. Значение величины, полученное при отдельном измерении, называется результатом наблюдения (точнее — измерения). Наблюдением при измерении является экспериментальная операция, выполняемая в процессе измерений, в результате которой получают одно значение из группы значений величины, подлежащих совместной обработке для получения результата измерения.
В определение понятия метрологического обеспечения входит термин «единство измерений», под которым понимается такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах, размеры которых соответствуют единицам, воспроизводимым эталонами, погрешности результатов измерения известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы.
Этот термин позволяет обеспечить сопоставимость измерений, выполненных в разное время, разными средствами и методами. Единство измерений обеспечивается единообразием средств измерений и правильностью методик их выполнения. При этом под единообразием средств измерений понимается такое их состояние, при котором они градуированы в узаконенных единицах и их метрологические свойства соответствуют установленным нормам.
Показателями качества измерений являются погрешность (точность), правильность, сходимость и воспроизводимость измерений.
Погрешность измерения — отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.
Точность измерений — их качество, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины.
Правильность измерений — их качество, отражающее близость к нулю систематических погрешностей в их результатах.
Сходимость измерений — их качество, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в одинаковых условиях.
Воспроизводимость измерений — их качество, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в различных условиях (в разное время, в различных местах, разными методами и средствами). Ниже будут рассмотрены более подробно все важнейшие элементы, необходимые для осуществления процесса измерений и обеспечения единства измерений [6].
Объектом измерения является физическая величина, характеризующая одно из свойств физического объекта.
Физическая величина, подлежащая измерению, измеряемая или измеренная в соответствии с основной целью измерительной задачи, называется измеряемой физической величиной или просто измеряемой величиной [3].
Измеряемые величины — это величины непосредственно воспринимаемые средствами измерений. Их можно классифицировать с помощью различных признаков, основными из которых являются: природа величины, вид отражаемой стороны эмпирических объектов, метризуемость и изменяемость [8].
По природе измеряемые величины разделяются на 11 классов: электрические, магнитные, электромагнитные, механические, акустические, тепловые, оптические, химические, радиоактивные, пространственные и временные. Каждый класс включает конечное множество конкретных величин.
По виду отражаемой стороны эмпирических объектов каждый класс измеряемых величин разделяется на два подкласса: энергетические и вещественные величины. К энергетическим величинам относятся, например, сила электрического тока, электрическое напряжение, напряженность электрического поля, напряженность магнитного поля, механическая сила, давление и т.п. Метрологическая общность энергетических величин заключается в использовании при их измерении энергии объектов исследования. Вещественными величинами являются различные свойства веществ и материалов, а также параметры физических тел и объектов, например удельное электрическое сопротивление, диэлектрическая проницаемость, магнитная проницаемость, магнитное сопротивление, акустическое сопротивление и т.п. Метрологическая общность вещественных величин состоит в использовании при их измерении измерительных преобразований и других приемов косвенных измерений.
По признаку метризуемости измеряемые величины разделяются на непосредственно и косвенно метризуемые величины. К непосредственно метризуемым величинам относится около двух десятков физических величин, остальные являются косвенно метризуемыми величинами. Непосредственно метризуемые величины измеряются наиболее просто и с высокой точностью. Измерение косвенно метризуемых величин осуществляется с использованием различных функциональных связей и с преобразованием их в непосредственно метризуемые величины.
По признаку изменяемости выделяют состояния и изменения величин. Состояние величины в общем случае характеризуется размером величины, нахождение значения которого и является задачей измерения.
Изменение величины может происходить в пределах какого-либо диапазона размеров и во времени. В зависимости от числа размеров по диапазону различают непрерывные и квантованные по размеру изменения величин. При непрерывном по размеру изменении величины имеется бесконечное число размеров по диапазону. При квантованном по размеру изменении величины в данном диапазоне проявляется конечное число размеров величины.
Изменение величины во времени может быть непрерывным и дискретным (прерывным во времени). При непрерывном изменении величины во времени значения размеров величины определены на данном отрезке времени при бесконечно большом числе моментов времени. При дискретном изменении величины значения размеров величины отличны от нуля только в определенные моменты или интервалы времени. На рис. 1.1 и 1.2 показаны четыре характерные разновидности изменения величин.
 |
Проявления размеров величины по диапазону и во времени могут быть неслучайными (детерминированными) и случайными. Детерминированное изменение величины характеризуется тем, что закон его известен. Случайное изменение величины происходит случайным образом.
Детерминированные непрерывные и дискретные изменения величин подразделяются на периодические и непериодические. Непрерывные периодические и непериодические изменения величин далее подразделяются по виду описывающих их функций. Указанные изменения величин характеризуются обобщенными параметрами и диапазонами их значений.
Для периодически изменяющейся величины x(t) любой формы с периодом Т важными параметрами являются амплитудное xm, среднее
и действующее 
значения, а также частота изменения величин. Непериодическое изменение величины
характеризуется максимальным значением, скоростью нарастания и скоростью спада.
Дискретные периодические и непериодические изменения величин подразделяются по форме импульса и характеризуются обобщенными параметрами (мгновенным, амплитудным, средним значениями, а также длительностью импульса, временем нарастания (спада) импульса, частотой следования) и диапазонами их значений.
Случайные непрерывные и дискретные изменения величин разделяются на стационарные и нестационарные. При стационарном изменении величин, в отличие от нестационарного, закон распределения отдельных проявлений размеров не зависит от времени.
Случайные изменения величин описываются различными функциями (функцией распределения вероятностей, функцией плотности распределения вероятностей, автокорреляционной функцией, спектральной плотностью и другими), каждая из которых может определяться вероятностями и количеством реализации, а также диапазонами их значений.
Независимо от того, воспринимается состояние или изменение величины измеряемой величиной, в любом конкретном случае может быть определено мгновенное значение размера величины. При измерении состояния величины, т.е. не изменяющейся во времени величины или весьма медленно меняющейся, процесс измерения может осуществляться в течение длительного времени и к средствам измерения не предъявляется особых требований по быстродействию.
Измерение параметров изменений величин требует повышенного быстродействия средств измерений. При этом помимо мгновенного значения размера величины в качестве измеряемой величины может выступать любой из указанных выше параметров изменений величин.
Различают истинное и действительное значения размера величины. Истинное значение размера величины есть значение размера величины, которое идеальным образом отражает количественную сторону соответствующего свойства объекта. Экспериментально определить его можно только в случае измерения количеств дискретных элементов каких-либо совокупностей, когда погрешность измерения практически может отсутствовать. Получить путем измерения истинное значение размера непрерывного изменения величины невозможно, так как в этом случае погрешности измерения неизбежны. Поэтому на практике часто вместо истинного пользуются действительным значением.
Действительное значение размера величина — это значение, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному, что может быть использовано вместо него. Определяют его с помощью образцовых средств измерения, погрешностями которых по сравнению с используемыми при измерении средствами можно пренебречь.
