2.2. Види, методи і засоби вимірювання

Кожну фізичну величину можна виміряти за допомо­гою кількох різних методик, які відрізнятимуться техніч­ними і методичними особливостями.

Практичне виконання вимірювань необхідне людині та суспільству постійно, як у побуті (вимірювання часу го­динником, приготування страв тощо), так і у промисловій, практичній, науковій, теоретичній діяльності та еко­логії зокрема.

Вимірювання фізичних величин — багатоступеневий процес пі­знання навколишнього середовища, його явищ, елементів окремо й у взаємодії, який полягає у відображенні виміряних величин їх значеннями шляхом експерименту та обчислень за допомогою спеціальних технічних засобів.

Вимірювання характеризують принцип вимірювань, їх невизначеність, результат і характеристика якості.

Принципом вимірювання є фізичне явище або їх сукуп­ність, які покладені в основу вимірювань. Невизначеність вимірювань полягає в оцінюванні діапазону, в якому перебуває істинне значення вимірюваної величини. Резуль­тат вимірювання — це значення фізичної величини, знайдене шляхом вимірювання.

Характеристики якості результату вимірювання охоп­люють:

1. точність вимірювань (характеристику якості вимірю­вання, що відображає наближеність результатів вимірюван­ня до істинного значення вимірюваної фізичної величини);

2. правильність вимірювань (характеристику якості вимірювань, що відображає наближеність до нуля серед­нього значення похибок їх результатів);

3. збіжність вимірювань (наближеність повторних ре­зультатів вимірювань однієї величини, виконаних у різ­них умовах (час, місце, методики)).

У практичній і теоретичній діяльності метрології ви­різняють два основні види вимірювань: прямі та непрямі.

До прямих вимірювань належать вимірювання однієї величини, значення якої знаходять безпосередньо (на­приклад, вимірювання довжини лінійкою), до непрямих вимірювань — вимірювання, в яких значення однієї чи кількох вимірюваних величин знаходять після обчислен­ня за відомими їх залежностями від кількох величин аргу­ментів, що вимірюються прямо (безпосередньо).

Непрямі вимірювання можуть бути опосередковани­ми, сукупними або сумісними. При опосередкованому ви­мірюванні значення певної величини визначають за ре­зультатами прямих вимірювань інших величин, з якими вона пов'язана явною функціональною залежністю. Нап­риклад, значення електричного опору знаходять за результатами прямих вимірювань напруги U та сили струму І амперметром. Опосередковані вимірювання ви­конують тоді, коли значення величини неможливо або складно виміряти безпосередньо, або якщо опосередкова­ні вимірювання забезпечують вищу точність, ніж прямі. Сукупними вимірюваннями вважають такі, що прово­дяться одночасно для вимірювання кількох одноіменних величин. До сумісних вимірювань відносять ті, в яких значення кількох одночасно вимірюваних різнорідних величин отримують унаслідок розв'язання рівнянь, що пов'язують їх з іншими величинами, виміряними прямо або опосередковано.

Залежно від форми вимірювальної інформації розріз­няють два способи вимірювань: аналоговий та цифровий. За аналогового вимірювання візуальний сигнал є неперер­вною функцією вимірюваної величини (наприклад, візу­альним сигналом є довжина стовпчика ртуті в термометрі, яка пропорційна температурі). За цифрового вимірювання візуальний сигнал є дискретною (перервною) функцією ви­мірюваної величини і має вигляд цифр або символів (на приклад, візуальним сигналом є сукупність цифр на відліковому пристрої годинника на платформі метро).

Залежно від мінливості фізичної величини вимірюван­ня поділяють на статичні, за яких вихідний сигнал засо­бу вимірювань залишається незмінним протягом періоду вимірювання, та динамічні, за яких вихідний сигнал іс­тотно змінюється за час вимірювання.

Зважаючи на потрібну точність результатів, усі вимі­рювання поділяють на такі класи:

• еталонні, тобто вимірювання якнайвищої точності (для відтворення основних одиниць фізичних величин, ви­мірювання фізичних констант);

• контрольно-перевірні, похибка яких не повинна перевищувати певного значення (використовують для кон­трольної перевірки інших засобів вимірювань);

• технічні, які, у свою чергу, поділяються на лабора­торні, що здійснюються під час проведення різних дослі­джень, та виробничі, виконувані для здобуття інформації в системах керування технологічними процесами.

Стан вимірів, при якому їх результати виражені у вста­новлених законом одиницях, та похибки вимірів, відомі із заданою імовірністю, називають єдністю вимірів. Вона за­безпечується шляхом точного відтворення і зберігання встановлених одиниць фізичних величин та передавання їх розмірів іншим засобам вимірювань.

Зберігання, відтворення, передавання розмірів оди­ниць здійснюють за допомогою еталонів (засобів вимірю­вальної техніки з найвищою точністю), які є найвищою ланкою при передаванні розмірів.

Види і характеристики вимірювань, такі як принцип і невизначеність вимірювань, характеристики результату, види вимірювань (прямі, непрямі), способи вимірювань (аналогові, цифрові), класи вимірювань, є складовою мето­дів вимірювань.

Метод вимірювань — сукупність способів використання засобів вимірювальної техніки та принципу вимірювань для створення ви­мірювальної інформації.

Послідовність вимірювальних операцій, що забезпечує вимірювання згідно з обраним методом, називають процеду­рою вимірювань. Сукупність процедур і правил виконання вимірювань, підготовки, оброблення та отримання результатів з потрібною точністю згідно з обраним методом називають методикою виконання вимірювань.

Методи різночасного порівняння часто називають ме­тодами безпосереднього оцінювання на тій підставі, що вони ґрунтуються на використанні вимірювальних прила­дів із заздалегідь проградуйованими в одиницях вимірю­ваної величини шкалами. Методи одночасного порівнян­ня об'єднані загальною назвою «методики порівняння». До них належать методи зіставлення, збігу, врівноважен­ня з регульованою мірою та метод заміщення (згідно з ДСТУ 2681—94). Сутність методу зіставлення полягає у прямому вимірюванні з одноразовим порівнянням вимі­рюваної величини зі всіма вихідними величинами багато­значної нерегульованої міри, наприклад вимірювання дов­жини лінійкою з поділками, вимірювання інтервалу часу годинником. Метод збігу (методика ноніуса) полягає у прямому вимірюванні з одноразовим порівнянням вихід­них величин двох багатозначних нерегульованих мір з різ­ними за значенням ступенями, нульові позначки яких зсу­нуті між собою на вимірювану величину. Прикладом може бути вимірювання лінійного розміру (діаметра) за допомо­гою штангенциркуля з ноніусом (рис. 2.3). Основна шкала проградуйована в міліметрах, а шкала ноніуса має 10 поді­лок по 1,8 мм, тому порядковий номер поділки ноніуса, що збігається з будь-якою поділкою основної шкали, дає чис­ло десятих часток міліметра.

Метод подвійного збігу передбачає пряме вимірювання з одноразовим порівнянням двох квантованих фізичних величин: вимірюваної та відтворюваної багатозначною нерегульованою мірою, наприклад вимірювання інтервалу

часу Т_х з використанням послідовності періодичних ім­пульсів з відомим значенням їх періоду Т₀ (рис. 2.4):

Метод врівноваження з регульованою мірою полягає у прямому вимірюванні з багаторазовим порівнянням вимірю­ваної величини та величини, що відтворюється регульова­ною мірою, до їх повного врівноваження (наприклад, вимі­рювання електричної напруги компенсатором). Метод замі­щення належить до непрямих вимірювань з багаторазовим порівнянням до повного врівноваження вихідних величин вимірюваного засобу при почерговій дії на його вході вимі­рюваної величини та регульованої міри. Сутність цього мето­ду полягає у порівнянні вимірюваної величини з її мірою за­міщення відомою величиною, відтворювальною мірою.

Види і методи вимірювання є важливою складовою те­оретичних надбань метрології, що використовуються на практиці. Очевидно, що в практичній економічній діяль­ності необхідно розробляти і використовувати новітні циф­рові вимірювальні комплекси з сумісними із ними ЕОМ для своєчасного та швидкого отримання достовірної (висо­коякісної) інформації, оскільки кількість і масштаби еко­логічних проблем є надзвичайно великими, а іноді критич­ними, що зумовлює необхідність постійного отримання точної інформації про стан об'єктів довкілля для прийнят­тя невідкладних заходів із охорони і раціонального вико­ристання навколишнього природного середовища.

Планування вимірювань

Вимірювання фізичних величин передбачає не лише процедуру вимірювання, а й низку підготовчих і заключ­них процедур, які необхідно виконувати до та після його проведення.

Оскільки вимірювання є багатоступеневим процесом, до його виконання необхідно підходити з точки зору еколо-госистемного підходу, тобто раціонально планувати місце відбору зразків, їх кількість, правила транспортування та підготовки, фізико-хімічні перетворення при здійсненні процедури вимірювання. Метою такого планування є отри­мання максимально точної і достовірної вимірювальної ін­формації про значення вимірюваних фізичних величин у встановлений строк за найменших обґрунтованих еконо­мічних витрат.

Процес вимірювання можна поділити на три основні етапи: підготовка і планування; виконання; оброблення і аналізування отриманих даних.

На етапі підготовки та планування вимірювань необ­хідно визначити:

• модель досліджуваного об'єкта (наприклад, при ви­мірюванні змінного струму здебільшого приймають його гармонічну модель, а у разі вимірювань несинусоїдних струмів модель ускладнюється вищими гармонічними складовими, сталою складовою);

• вимірювані параметри моделі (наприклад, для си­нусоїдного струму необхідно знати, який із параметрів ви­мірюватиметься: ефективне значення струму, амплітудне чи інший параметр (частота));

• мету вимірювання, яка зумовлює потрібну точність вимірювань і значною мірою впливає на вибір моделі вимі­рюваної величини;

• залежності між величинами, значення яких необ­хідно визначити за безпосередньо вимірюваними величи­нами (при непрямих вимірюваннях);

• умови вимірювань (температура середовища, на­пруга в електричній мережі тощо);

• допустимі похибки вимірювань, а за непрямих ви­мірювань — допустимі похибки вимірювань кожної із без­посередньо вимірюваних величин.

На етапі виконання вимірів слід обрати:

• методики вимірювань окремих величин;

• засоби вимірювальної техніки, їх метрологічні ха­рактеристики (похибка, повірка, точність);

• способи корекції похибок вимірювань (повторні ви­мірювання, використання іншого приладу).

На етапі оброблення і аналізування отриманих даних потрібно визначити:

— форму подання результатів вимірювань (цифри, графіки);

• необхідні алгоритми та засоби опрацювання експе­риментальних даних і визначення їх достовірності (авто­матизовані комплекси, підключення комп'ютера);

• необхідні затрати для виконання поставленого зав­дання

• економічну ефективність вимірювань.

Досліджуваний об'єкт і мета досліджень здебільшого

задані заздалегідь, але навіть при цьому слід уточнити мету та завдання вимірювального експерименту, проана­лізувавши, як використовуватимуться результати вимі­рювань при оцінюванні об'єкта або ефективності його функціонування.

Важливим етапом підготовки до вимірювання є визна­чення характеру і можливих значень досліджуваних вели­чин з урахуванням властивостей досліджуваного об'єкта. Оцінюють межі можливих значень вимірюваних величин, частотний спектр, взаємні зв'язки тощо, їх уточнюють на основі апріорних даних і, за необхідності, попередніх ви­мірювань.

Рівень точності вимірювання зумовлюється його ме­тою. У разі масових вимірювань вимоги до точності форму­ють передусім економічні міркування. Ці вимоги повинні бути обґрунтованими, їх не можна завищувати, бо чим ви­ща точність вимірювання, тим більше за інших однакових умов потрібно ресурсів і часу для її забезпечення. Точніші та чутливіші прилади, як правило, складніші і дорожчі, вимагають кваліфікованого обслуговування.

Вимірювальні експерименти поділяють на пасивні та активні. Планування пасивних експериментів полягає в оптимізації збирання та опрацювання інформації про об'єкт дослідження без впливу дослідника на факторний простір. При активному експерименті дослідник задає рів­ні факторів. В однофакторному активному експерименті змінюють рівні одного фактора за фіксованих рівнів інших факторів, у багатофакторному — рівні кількох факторів, зберігаючи однакові комбінації решти.

Отже, оперування комплексом фізичних величин та їх одиниць, Міжнародною системою СІ, видами та методами вимірювань, планування вимірювань з чіткою організаці­єю проведення робіт дадуть змогу отримати достовірну ін­формацію про стан об'єктів довкілля, попередити еколо­гічні проблеми. Діяльність вимірювальних лабораторій у природоохоронних службах підприємств, адміністратив­них регіонів та областей, які укомплектовані сучасними досконалими цифровими засобами вимірювальної техні­ки у комплексі з ЕОМ, покликана забезпечити досягнення цієї мети.

Запитання. Завдання

1. Охарактеризуйте практичне значення вимірювань в екології.

2. Проаналізуйте характеристики якості результату вимірювань.

3. У чому полягає сутність єдності вимірів?

4. Охарактеризуйте методи вимірювань.

5. Які особливості планування вимірювань щодо об'єктів дов­кілля є основним? Відповідь поясніть на прикладах.

6. Чому підготовка до вимірювання є необхідним етапом при їх здійсненні?

7. Проаналізуйте процедуру вимірювання концентрації забруд­нюючих речовин (наведіть власний приклад).

8. Яке значення має точність вимірювань при їх плануванні?

9. Що найбільше позначається на якості вимірювання?

10. Наведіть приклади практичного використання методик по­рівняння.

10. Охарактеризуйте особливості планування вимірювань.

10. У чому полягає сутність екологічних питань при організації і плануванні вимірювань?