97

2.Элементарные сведения об измерениях, о средствах измерений и их погрешностях

Неотъемлемой частью любой технической науки является измерение, которое служит одним из важнейших путей познания природы. Измерения сопровождают нас от начала восприятия окружающей действительности всю жизнь. Вначале это просто созерцание - наблюдения, которые позволяют зафиксировать наступление того или иного события, например, наблюдение броуновского движения, или наблюдение разрушения образца при испытании на растяжение. Впоследствии мы стремимся качественно описать наблюдаемое явление, фиксируя, например, что скорость броуновского движения частиц зависит от температуры, или отмечая характер разрушения образца - вязкий или хрупкий.

На определенном этапе познания мы уже не удовлетворяемся качественным описанием явлений и стремимся получить количественные соотношения, описывающие изучаемые явления. Например, пытаемся получить выражение, устанавливающее связь между скоростью движения частиц и температурой или определить количество вязкой и хрупкой составляющих в изломе. Таким образом, процесс измерения состоит из наблюдения явления и качественного или количественного его описания.

Поскольку измерения не являются самоцелью, но позволяют нам на основе накопления и обобщения опытных данных продвинуться вперед в процессе познания, необходимо ясно представлять цели, которые мы преследуем при проведении измерений. Это позволит правильно выбрать способ измерения и метод обработки полученных результатов.

2.1. Основные понятия и определения

Измерение - это совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины. Это определение удовлетворяет основному уравнению измерений (Q=n [Q]), так как в нем учтена техническая сторона (совокупность операций), раскрыта метрологическая суть измерений (сравнения с единицей) и показан познавательный аспект измерений (получение значения физической величины в абсолютных или относительных единицах).

От термина "измерение" происходит термин "измерять". На практике применяются термины, такие как "мерить", "обмерять", "замерять", "промерять", пользоваться которыми не следует.

В процессе измерения задействованы:

-наблюдатель (оператор) - человек, имеющий необходимые для этого знания и навыки;

-объект измерения - тело (физическая система, процесс, явление), которое характеризуется одной или несколькими измеряемыми ФВ;

-средство измерения - техническое средство (или их комплекс), предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.

Итогом измерения является результат измерения - значение физической величины, полученное путем ее измерения.

Измерения, выполняемые с использованием специальных технических средств, называются инструментальными. Измерения, основанные на использовании органов чувств человека (обоняние, зрение, слух, вкус, осязание), впечатлениях (соревнования фигуристов, гимнастов, конкурсы красоты), попарном сравнении (лучше - хуже, больше - меньше), то есть когда в качестве "средства измерения" выступает сам человек с его вкусами, страстями, симпатиями, называются экспертными.

Далее будут рассматриваться инструментальные измерения, когда участие человека вообще исключено из процесса измерения (автоматическое измерение состава атмосферы на Венере) или ему отводится роль оператора, использующего средство измерения (измерение твердости с помощью твердомера).

Применяя подходящее средство измерения, во многих случаях получают приемлемый для решения данной измерительной задачи результат. Например, прикладывая металлическую линейку с делениями (средство измерения - линейка) к поковке (объект измерения), сравнивают ее размер с единицей, хранимой линейкой, и, производя отсчет получают значение измеряемого параметра (высота, толщина) поковки. Результатом измерения является значение измеряемого параметра, то есть оценка размера физической величины (длины) в виде некоторого числа принятых для нее единиц (в данном примере миллиметров).

В материаловедении и смежных с ним науках далеко не всегда удается подобрать или создать средство измерения, подходящее для получения результата, приемлемого для практики. Это может быть связано, в первую очередь, с большими затратами на создание необходимых средств измерения или с принципиальной невозможностью их разработки и изготовления при достигнутом уровне развития науки и техники. Примером может служить задача измерения энергии активации (средней избыточной по сравнению со средней энергией движения, которой должны обладать частицы для преодоления потенциального барьера, разделяющего исходное и конечное состояния системы) процесса диффузии атомов примесей внедрения в кристаллической решётке металла - основы. В подобных ситуациях для точных измерений физических величин разработаны некоторые приемы использования принципов и средств измерений, применение которых, с одной стороны, позволяет исключить из результатов измерений ряд погрешностей, а с другой может явиться предпосылкой получение результата, недоступного для ранее используемых методов измерений.

Метод измерений - это приём или совокупность приёмов сравнения измеряемой физической величины с её единицей в соответствии с реализованным принципом измерений.

Принцип измерения - это физическое явление или эффект, положенное в основу измерений.

И, наконец, совокупность операций и правил при измерении, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с гарантированной точностью в соответствии с принятым методом, образует методику измерений.

Обычно в документации на методики измерений указывают:

- назначение методики выполнения измерений;

- требования к средствам измерений (в том числе к стандартным образцам, аттестованным смесям, вспомогательным устройствам, материалам);

- процедуру подготовки объектов измерений и средств измерений к работе;

- требования к условиям измерений (температура, давление, влажность, ускорения и т.д.);

- требования к погрешности измерений и (или) приписанные характеристики погрешностей измерения;

- число измерений и операции при выполнении измерений;

- порядок обработки результатов измерений, включая вычисления и введение поправок, способы выражения погрешностей и оформление результатов измерений;

- требования к квалификации оператора ;

- требования к обеспечению безопасности выполняемых работ и экологической безопасности.

Насколько важна методика измерения и безусловное её соблюдение свидетельствует такая история. В 2000 году англичане взяли в аренду у НАСА (США) установку для испытания на прочность стекол для автомобилей и самолетов. В качестве «снаряда» при испытаниях использовали тушки курочек, которые имитировали встречу самолета с летящей птицей.

Какого же было удивление англичан, которые обнаружили, что ни одно стекло не выдержало удара тушки. Они обратились за помощью в НАСА. И тут выяснилось, что ученые НАСА «забыли» сообщить в методике одну маленькую деталь: тушки перед испытаниями надо было размораживать, а англичане «стреляли» мерзлыми тушками.

Наблюдатель, объект измерения, средство измерения, метод измерения и методика измерения являются компонентами измерений.

Пример. Рабочий измеряет радиус диска при помощи металлической линейки. В этом случае:

оператор - рабочий; объект измерения - диск; средство измерения - линейка; метод измерения - непосредственное сравнение диаметра диска с хранителем физической величины - линейкой. Условия измерения (методика) характеризуются температурой окружающей среды, освещенностью поверхности диска и линейки и т.д. Каждый из компонентов измерения может повлиять на измеренное значение ФВ (результат измерения). В приведенном примере:

- оператор вследствие своих физиологических особенностей или низкой квалификации не может идеально судить о совпадении диаметра диска с отметкой шкалы;

- объект измерения (диск) может быть далек от идеальной круглой формы (овал);

- средство измерения, с одной стороны, не идеально передает соответствующее значение ФВ на момент отсчета в силу ошибок при изготовлении линейки, а с другой - не верно выбрано и в принципе не позволяет провести измерения с требуемой точностью;

- метод измерения выбран не лучшим образом, так как прямое сравнение шкалы линейки может происходить не в двух противоположных точках диаметра (здесь лучше использовать кронциркуль);

- методика измерения также может повлиять на результат отсчёта, например, из-за плохой освещённости рабочего места.

Другими словами, влияние компонентов измерения на результат приводит к тому, что результат измерения x_изм не будет совпадать с действительным значением x_дейст измеряемой величины.

Отклонение результата измерения (x_изм) от действительного значения измеряемой величины (x_дейст) называется погрешностью результата измерения, которая определяется как

x = x_изм - x_дейст (2.1)

Из вышеприведенного примера следует, что в общем случае погрешность измерения вызывается несовершенством методов и средств измерений, непостоянством условий измерений, недостаточным опытом наблюдателя и так далее, то есть величина x зависит от многих факторов. Теперь, когда мы в первом приближении представляем себе процесс измерения, перейдем к более детальному его изучению.