1 Измерения необходимы для получения информации о свойствах объектов, процессов, явлений;

2 Измерительная информация представляется в виде количественных оценок тех или иных физических величин, отражающих свойства объектов;

3 Достоверность измерительной информации определяется погрешностью измерений.

Вопросы для самоконтроля.

1. Зачем выполняют измерения?

2. Что понимают под метрологией?

3. Что называют физической величиной?

4. Что называют единицей физической величины?

5. Что понимают под измерением?

6. Что называють средством измерений?

7. Что понимают под результатом измерений?

8 Чем отличаются понятия истинного и действительного значений физической величины?

9. Чем определяется достоверность измерительной информации?

10. Что понимают под погрешностью измерений?

Глава 2 виды измерений

В соответствии с разделами физики все измерения принято подразделять на линейные и угловые (геометрические); времени и частоты; механические; акустические; тепловые; электрические; магнитные; оптические; ионизирующих излучений и т.д. В настоящее время все измерения сгруппированы в 13 видов измерений. Им в соответствии с классификацией были присвоены двухразрядные коды видов измерений: геометрические (27), механические (28), расхода, вместимости, уровня (29), давления и вакуума (30), физико−химические (31), температурные и теплофизические (32), времени и частоты (33), электрические и магнитные (34), радиоэлектронные (35), виброакустические (36), оптические (37), параметров ионизирующих излучений (38), биомедицинские (39).

По режиму работы средства измерений измерения разделяются на статические и динамические. К динамическим относят измерения, в процессе которых изменяется во времени сигнал измерительной информации на выходе средства измерений.

Статическими измерениями являются, например, измерения размеров тела, постоянного давления, действующего переменного электрического напряжения. Динамическими − измерения мгновенных значений физических величин (пульсирующих давлений, электрического напряжения, перемещений, температуры). Динамические измерения чаще всего имеют место в автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУ ТП), панорамных измерителях амплитудно−частотных характеристик, анализаторах спектра электрических сигналов.

По виду уравнений измерения их разделяют на прямые; косвенные; совокупные; совместные.

Прямые измерения − это измерения, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно по отсчетным устройствам средства измерений. Прямые измерения можно описать уравнением Q = k*φ , где Q− искомое значение измеряемой величины, k – масштабный коэффициент, а φ − значение, считанное дистанционно из прибора или визуально с его отсчетного устройства.

Примерами прямых измерений служат измерения электрического напряжения вольтметром, частоты повторения импульсов – частотомером, температуры – термометром и др.

Косвенные измерения − это измерения, при которых значение искомой ФВ вычисляют на основании известной математической зависимости, записанной в виде явной функции искомой ФВ от величин, подвергаемыми прямым измерениям: Q = F(x₁, x₂, x₃, …x_n), где Q − искомое значение косвенно измеряемой величины; F− функциональная зависимость, которая заранее известна, x₁, x₂, x₃, …x_n− значения величин, измеренных прямыми измерениями.

Примеры косвенных измерений: измерение мощности, рассеиваемой на резисторе, через прямые измерения падения напряжения на резисторе вольтметром и сопротивления резистора омметром; определение объема тела по прямым измерениям его геометрических размеров; нахождение удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения и т.п.

Косвенные измерения широко распространены в тех случаях, когда искомую величину невозможно или сложно измерить непосредственно или когда прямое измерение дает менее точный результат.

Совокупные измерения − это измерения нескольких однородных величин, при которых эти величины определяют решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях этих величин в совокупности, но в различных сочетаниях.

Примерами совокупных измерений являются измерение сопротивлений трех резисторов, включенных по схеме треугольника, по результатам прямых измерений сопротивлений ветвей треугольника (между узлами схемы), или определение массы отдельных гирь набора (калибровка по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь).

Совместные измерения − это производимые одновременно измерения нескольких неоднородных величин для нахождения зависимостей между ними.

В качестве примера можно назвать измерение электрического сопротивления при 20 ⁰С и температурных коэффициентов измерительного резистора по данным прямых измерений его сопротивления при различных температурах. Совместные измерения могут быть реализованы через пассивный эксперимент и через активный эксперимент.

В активном (планируемом) эксперименте значения параметров−аргуметов выбирают заранее, в соответствии с определенным планом, и последовательно воспроизводят эти значения, выполняя при каждом фиксированном наборе значений аргументов измерение соответствующего значения функции.

В пассивном (непланируемом) эксперименте значения параметров−аргуметов и значения функции измеряют одновременно из числа возможных значений, выбираемых произвольно.

В обеих случаях по набору экспериментальных данных отыскивается искомая зависимость в каком – либо виде: аналитическом (формулой), графическом, табличном.

По числу наблюдений (числу считываемых показаний) при измерении физической величины все измерения подразделяют на однократные и многократные.

При однократных измерениях их повторяют не более трех раз для того, чтобы убедиться, что единичное наблюдение не содержит грубой погрешности и что верно априорное предположение о малости случайной погрешности. За результат измерений принимают результат любого из отсчетов.

Измерения многократные всегда выполняются с целью уменьшения случайной составляющей общей погрешности измерений путем статистической обработки результатов наблюдений. Следует отметить, что выполнять многократные измерения имеет смысл только в том случае, если систематическая составляющая общей погрешности не превышает случайную составляющую.

По условиям, определяющим точность результата, измерения делятся на три вида: метрологические измерения, контрольно−поверочные измерения и технические измерения.

Метрологические измерения − это измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровне техники. К ним относятся в первую очередь измерения, связанные с максимально возможной точностью воспроизведения эталонами единиц физических величин, и, кроме того, измерения физических констант, прежде всего универсальных (например, абсолютного значения ускорения свободного падения, гиромагнитного отношения протона, заряда электрона, постоянной Планка и др.).

Контрольно−поверочные (калибровочные) измерения, погрешность которых с определенной вероятностью не должна превышать некоторого заданного значения. К ним относятся измерения, выполняемые лабораториями государственного надзора за внедрением и соблюдением стандартов и состоянием измерительной техники и заводскими измерительными лабораториями, которые гарантируют погрешность результата с определенной вероятностью, не превышающей некоторого, заранее заданного значения.

Технические измерения, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерений. Примерами технических измерений являются измерения, выполняемые в процессе производства на предприятиях в условиях цехов, в процессе разработки в лабораториях, в процессе сертификационных испытаний продукции и др.

По тщательности оценки погрешности различают измерения с априорной оценкой погрешности, с приближенной апостериорной оценкой и с точной апостериорной оценкой погрешности.

Измерения с априорной (до выполнения измерений) оценкой погрешности выполняют по стандартизованным методикам измерений, которые содержат перечень применяемых средств измерений, их подготовку к работе, требования к условиям выполнения измерений, правила обработки результатов измерений и гарантируют достижение указанной точности.

Измерения с приближенной апостериорной оценкой погрешности выполняют по собственным методикам измерений, которые обычно разрабатываются при создании новой продукции и измерениях новых, ранее не измеряемых параметров.

Измерения с точной апостериорной оценкой погрешности выполняют при метрологических измерениях, связанных с созданием эталонов или уточнением значений физических констант.

По способу выражения результатов измерений различают абсолютные и относительные измерения.

Абсолютными называются измерения, которые основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин или на использовании значений физических констант.

Примером абсолютных измерений может служить определение длины в метрах, силы электрического тока в амперах, ускорения свободного падения в метрах на секунду в квадрате.

Относительными называются измерения отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

Классификация видов измерений представлена в табл.2.1.

Вопросы для самоконтроля

1 Что понимают под физической величиной?

2 Что понимают под размером физической величины?

3 Что называют единицей физической величины?

4 Что понимают под измерением?

5 Пpиведите примеры прямых измерений: а) электрической мощности; б) добротности катушки индуктивности; в) сопротивления резисторов.

6 Пpиведите примеры косвенных измерений параметров по п.5.

7 Пpиведите примеры относительных измерений каких−либо физических величин.

8 Яка різниця між сукупними і сумісними вимірюваннями?

9 Що називають абсолютними вимірюваннями?

10 Що називають відносними вимірюваннями?

11 Які бувають види вимірювань по числу спостережень?

12 Які бувають види вимірювань по ретельності оцінки похибки?

13 Наведіть приклади статичних вимірювань.

14 Наведіть приклади динамічних вимірювань.

15 До якого виду вимірювань по режиму роботи засобу вимірювань відноситься визначення амплітудно−частотної характеристики (АЧХ)?

Таблица 2.1 – Виды измерений

По физической природе	По режиму работы средства измерений	По виду уравнения измерения	По числу наблюдений	По условиям измерений	По тщательности оценки погрешности	По способу выражения результатов
Линейные и угловые	Статические	Прямые	Однократные	Технические	С априорной оценкой	Абсолютные
Времени и частоты	Динамические	Косвенные	Многократные	Контрольно−поверочные	С приближенной апостериорной оценкой	Относительные
Механические		Совокупные		Метрологические	С точной апостериорной оценкой
Электрические		Совместные
Магнитные
Оптические
….