2.2. Види та етапи системи вимірювань

Вимірювання діляться за засобами вимірювань (органолептичні та інструментальні) і за способом отримання числового значення вимірюваної величини (прямі, непрямі, сукупні, спільні).

Органолептичними називаються вимірювання, засновані на використанні органів чуття людини (зору, слуху і т. д.). Наприклад, людське око може з високою точністю визначити при попарному порівнянні відносну яскравість джерел світла. Одним з видів органолептичних вимірів є виявлення - рішення про те, відмінно від нуля значення вимірюваної величини чи ні.

Порівняння невідомого розміру з відомим і вираз перших через другий у кратному або дольному відношенні людині доводиться робити в житті незліченну кількість разів. Порівнюючи в розумі висоту людей з поданням про одиниці довжини, ми вимірюємо їх зростання на око з точністю до декількох сантиметрів. Багатьом неважко визначити, з якою приблизно швидкістю рухається автомобіль. Результати таких вимірювань залежать від кваліфікації тих, хто їх виконує. Штангіст досить точно може визначити масу жене штанги. У цьому і подібних випадках інформація про розміри фізичних величин, що отримується за допомогою органів чуття, порівнюється з поданням про відповідних одиницях, і невідомі розміри виражаються через ці одиниці в кратному або дольному відношенні, тобто виконується вимірювання за шкалою відносин.

Природа різною мірою наділила людей здібностями до органолептичними вимірам за шкалою відносин. Частоту звукових коливань, можуть визначити лише ті деякі, хто володіє абсолютним слухом. Більшість же сприймає різницю звукових частот в тонах і півтонах, т. д. Здатність до вимірювання частоти звуку відбувається тільки за шкалою інтервалів. Вимірювання за шкалою інтервалів менш досконалі, ніж за шкалою відносин, можуть виконуватися і без участі органів чуття. Вимірювання часу або гравітації (космонавтами) ґрунтується на відчуттях. Ще менш досконалі вимірювання за шкалою порядку будуються на враженнях. До них відносяться конкурси майстрів мистецтв (скульпторів, художників, поетів, композиторів), змагання спортсменів з фігурного катання на ковзанах і т.п.

Вимірювання, які засновані на інтуїції, називаються евристичними. При таких вимірах, крім ранжирування (розстановки вимірюваних величин в порядку убування або зростання їх розмірів), широко застосовується спосіб попарного зіставлення, коли вимірювані величини спочатку порівнюються між собою попарно і для кожної пари результат порівняння виражається у формі "більше <-> менше" або "краще - гірше". Потім ранжирування проводиться на підставі результатів попарного зіставлення. Іноді попарне зіставлення проводять більш ретельно, враховуючи рівноцінність.

Особливе місце у вимірах за шкалою порядку займає порівняння з розміром, рівним нулю. Таке вимірювання називається виявленням, а результатом вимірювання є рішення про те, відмінно від нуля значення вимірюваної величини чи ні.

Людина - високоудосконалений «засіб вимірювання». Однак цілком об'єктивними можуть вважатися тільки вимірювання, що виконуються без участі людини.

Інструментальними називаються вимірювання, що виконуються за допомогою спеціальних технічних засобів. Більшість вимірювань фізичних величин є інструментальними. Серед них можуть бути автоматизовані і автоматичні вимірювання. При автоматизованих вимірах роль людини повністю не виключена. Вона може проводити аналіз даних з відлікового пристрою вимірювального приладу або цифрового табло, вести їх реєстрацію в журналі, обробляти за допомогою обчислювальних засобів. На якість цих операцій впливає настрій людини, ступінь його зосередженості, міра відповідальності за доручену справу, рівень професійної підготовки, тобто елемент суб'єктивізму при автоматизованих вимірах залишається. Автоматичні виміри виконуються без участі людини. Результат їх представляється у формі документу і є абсолютно об'єктивним.

Конкретні інструментальні методи вимірювань визначаються видом вимірюваних величин, їх розмірами, необхідною точністю результату, швидкістю процесу вимірювання, умовами, при яких проводяться вимірювання, і рядом інших ознак. Кожну фізичну величину можна виміряти кількома методами, які можуть відрізнятися один від одного особливостями як технічного, так і методичного характеру

Існує безліч методів вимірювання, відрізняються технічними особливостями, і в міру розвитку науки і техніки, число їх все збільшується. Всі методи вимірювань за загальними характерними ознаками можна систематизувати та узагальнити (табл. 2.1). Розгляд та вивчення цих ознак допомагає правильному вибору методу і полегшує розробку нових методів вимірювання.

За способом отримання числового значення вимірюваної величини всі вимірювання ділять на чотири основних види: прямі, непрямі, сукупні і спільні.

Таблиця 2.1

Види вимірювань
За способом отримання числового значення.	За характером вимірювальної величини.	За кількістю вимірювальної інформації.	За відношенням до основних одиниць вимірювання.
1. Прямі: а) безпосередньої оцінки; б) порівняння: - нульове; - диференціальне; - збігу. 2. Непрямі (за формулами). 3. Сукупні (П+К, система рівнянь). 4. Спільні (П+К декількох величин).	- статичні; - динамічні; - статистичні.	- однократні; - елементні; - комплексні.	- абсолютні; - відносні.

Прямі вимірювання - спосіб вимірювань, за якого шукане значення величини знаходять безпосереднім порівнянням фізичної величини з її мірою. До таких вимірами можна віднести, наприклад, визначення довжини предмета шляхом її порівняння з мірою – лінійкою, зважування на вагах, вимірювання сили струму амперметром, електричної напруги – вольтметром та ін.

Прямі вимірювання - основа більш складних видів вимірювань. Пряме вимірювання виконується методом безпосередньої оцінки або порівняння.

При безпосередньої оцінці значення фізичної величини визначається за показаннями вимірювального приладу, який має градацію у значеннях вимірюваної величини. Швидкість процесу вимірювання цим методом робить його незамінним для практичного використання, хоча точність вимірювання буває зазвичай обмеженої.

Засобами вимірювань в цьому методі є показуючі (стрілочні або цифрові) прилади (манометри, динамометри, барометри, амперметри, вольтметри, ватметри, термометри, кардіографи, лічильники та багато інших), які безпосередньо контактують з вимірюваною величиною. Покажчик їх безперервно слідує за зміною цієї величини, що має велике значення при управлінні технологічними процесами, спостереженнями за явищами природи і т.п.

Часто засіб вимірювань приводиться в контакт із вимірюваною величиною тільки в той момент, коли виникає необхідність дізнатися значення цієї величини, наприклад, зважування вантажів на циферблатних вагах, вимірювання довжини за допомогою рулетки, вимірювання електричних величин переносними приладами і т.п.

Методи порівняння найбільш точні, вони включають методи: нульовий, диференціальний і збігу.

При нульовому методі вимірювана величина порівнюється з мірою або величиною, значення якої визначається мірою. Рівність цих двох величин встановлюється за нульову відмітку приладу (нуль індикатора). В історії розвитку точних вимірювань нульовий метод з'явився одним з перших. Зважування вантажів на важільних вагах (як рівноплечого, так і нерівноплечних) - це характерний приклад нульового методу вимірювання.

При нульовому методі необхідно мати засіб вимірювань, що дозволяє відтворювати будь-яке значення відомої величини без істотного зниження точності. У більшості випадків це бувають заходи змінного значення або набори (магазини) заходів, з яких складаються поєднання, які відтворюють величини, рівні вимірюваним. Класичним прикладом таких заходів є набори гир. При вимірюванні нульовим методом можна застосовувати заходи, у багато разів менші значення вимірюваної величини. Досягається це за допомогою нерівноплечних важелів, застосування яких дозволяє значно розширити можливості нульового методу.

Наприклад. Для зважування застосовують безмін, на одному плечі якого поміщена гиря. Гиря пересувається уздовж плеча. Чим більше зважується вантаж, тим далі від точки опори слід відсунути гирю. На плечі нанесена шкала, яка вказує значення врівноваженого вантажу.

В електричних вимірах широко застосовуються мости для вимірювання опору, індуктивності і ємності (наприклад, вимірювання опору за мостовою схемою з включенням в діагональ моста показує приладу).

Диференціальний (різницевий) метод - це визначення різниці одночасно діючих на показує прилад вимірюваної величини і відомою величиною, що відтворюється мірою.

Різницевий метод дозволяє отримає результати з високою точністю навіть при застосуванні відносно грубих коштів для вимірювання різниці. Проте здійснення методу можливо тільки за умови відтворення з великою точністю відомої величини, значення якої близько до значення вимірюваної. Це у багатьох випадках виявляється легше, ніж виготовити засіб вимірювань високої точності.

В області електричних вимірювань, різницевий метод застосовується при перевірці вимірювальних трансформаторів струму. Для визначення похибки коефіцієнтів трансформації, який вивірений трансформатор струму порівнюють з зразковим.

У методі збігів вимірювану величину встановлюють за збігом сигналів, що відносяться до вимірюваної і відомим величинам. У цьому методі різниця між вимірюваної величиною і величиною, що відтворюється мірою, визначають використовуючи збіги позначок шкал. За принципом методу збігу побудований ноніус штангенциркуля і ряду інших приладів.

Шкала ноніуса штангенциркуля має десять поділок по 0,9 мм. Коли нульова відмітка шкали ноніуса виявиться між відмітками основної шкали штангенциркуля, це буде означати, що до цілого числа міліметрів слід додати деяке число Х десятих часток міліметра (Х • 0,1). Для визначення числа Х знаходимо позначку шкали ноніуса, збігається з якою-небудь відміткою основної шкали. Нехай такою відміткою буде n-я шкали ноніуса. Так як вимірювана дробова частина міліметра 0,1 • Х дорівнює різниці між цілим числом міліметрів по основній шкалі штангенциркуля (n мм) і відстанню за шкалою ноніуса від нульової до співпадаючою позначки, рівного n • 0,9 мм, можна написати

0,1 • Х = n - n • 0,9 = 0,1 n, тобто Х = n

Отже, порядковий номер збігається позначки ноніуса безпосередньо дає число десятих часток міліметра.

Непрямі вимірювання відрізняються від прямих тим, що шукане значення величини встановлюють (отримують) за результатами прямих вимірювань величин, які пов'язані з шуканої певною залежністю (за формулами). Так, використовуючи відомі функціональні взаємозв'язки, можна розрахувати електричний опір R = U / I за результатами вимірювань падіння напруги й сили струму, площа прямокутника S = a • b, швидкість V = .S / t і т. д. Значення деяких величин легше і простіше знаходити шляхом непрямих вимірювань, так як прямі вимірювання іноді практично неможливо здійснити. Наприклад, щільність твердого тіла зазвичай визначають за результатами вимірювань об'єму та маси, вимірявши об'єм і масу тіла, можна обчислити (побічно виміряти) його щільність або, вимірявши тривалість польотної фази стрибка, обчислити його висоту.

Сукупними вважаються такі вимірювання, при якому досліджуваний результат визначається з результатів декількох груп прямих або непрямих вимірювань окремих величин, функціональна зв'язок вимірюваної величини, з якими заздалегідь відома. Результати сукупних вимірювань знаходять шляхом вирішення системи рівнянь, що складаються за результатами декількох прямих вимірювань. Наприклад, обсяг тіла може бути спочатку знайдений по вимірюванню об'єму витісненої рідини, а потім - по вимірюванню його геометричних розмірів.

Спільні вимірювання - це одночасні вимірювання двох і більше неоднорідних фізичних величин для встановлення функціональної залежності між ними. Наприклад, визначення залежності електричного опору від температури.

За характером зміни вимірюваної величини в процесі вимірювань розрізняють статистичні, динамічні і статичні вимірювання.

Статичні вимірювання мають місце тоді, коли вимірювана величина практично постійна (довжина стрибка у довжину, дальність польоту снаряда, вага ядра і т.д.).

Динамічні вимірювання пов'язані з такими величинами, які в процесі вимірювань зазнають ті чи інші зміни. Наприклад, зусилля, що розвиваються спортсменом в опорний період при стрибках у довжину з розбігу.

Статистичні вимірювання пов'язані з визначенням характеристик випадкових процесів, звукових сигналів, рівня шумів і т. д.

За кількістю вимірювальної інформації вимірювання бувають одноразові і багаторазові.

Одноразові вимірювання - це один вимір однієї величини, тобто число вимірювань дорівнює числу вимірюваних величин. Так як одноразові вимірювання завжди сполучені з похибками, слід проводити не менше трьох однократних вимірювань і кінцевий результат знаходити як середнє арифметичне значення.

Багаторазові вимірювання характеризуються перевищенням числа вимірювань кількості вимірюваних величин. Зазвичай мінімальне число вимірювань в даному випадку більше трьох. Перевага багаторазових вимірювань - в значному зниженні впливів випадкових факторів на похибку вимірювання.

Елементні вимірювання характеризуються вимірюванням кожного параметра окремо. Комплексний метод характеризується вимірюванням сумарного показника якості, на який впливають окремі його складові.

По відношенню до основних одиницям, вимірювання ділять на абсолютні та відносні.

Абсолютні вимірювання засновані на прямих вимірах основних величин і використанні значень фізичних констант. Так, у відомій формулі Ейнштейна Е = т • с маса (т) - основна фізична величина, яка може бути виміряна прямим шляхом (зважуванням), а швидкість світла (с) - фізична константа.

При відносних вимірюваннях величину порівнюють з однойменної, що відіграє роль одиниці або прийнятої за вихідну. Наприклад, вимірювання діаметра обертається деталі по числу оборотів що стикається з нею атестованого ролика.

Основні етапи процесу вимірювань. Вимірювання – це послідовність складних і різноманітних дій, які складаються з ряду етапів.

Першим етапом будь-якого вимірювання є постановка вимірювальних завдань, що включає: збір даних про вимірювання і дослідження фізичних величин, їх аналіз; формування моделі об’єкта і визначення вимірюваної величини; постановку вимірювального завдання на основі прийнятої моделі об’єкта вимірювання; вибір конкретних величин, за допомогою яких буде знаходитись значення вимірювальної величини; формулювання рівняння вимірювання.

На другому етапі процесу вимірювання відбувається планування вимірювання, яке відбувається в такій послідовності: вибору методів вимірювань безпосередньо вимірюваних фізичних величин і можливих видів системи вимірювань; апріорна оцінка похибки вимірювань; визначення вимог до метрологічних характеристик системи вимірювань і умов вимірювань; вибір системи вимірювань у відповідності до вказаних вимог; вибір параметрів вимірювальної процедури; підготовка системи вимірювань до виконання експериментальних досліджень; забезпечення відповідних умов для вимірювання та створення можливості їх контролю.

Третій головний етап вимірювання – вимірювальний експеримент: взаємодія засобів і об’єкта вимірювань; переформування сигналу вимірювальної інформації; відтворення сигналу заданого розміру; порівняння сигналів і реєстрація результатів.

Останній етап вимірювання – обробка експериментальних даних: попередній аналіз інформації; розрахунок і внесення можливих поправок на систематичні погрішності; формулювання та аналіз математичного завдання обробки даних; побудова можливих алгоритмів обробки експериментальних даних; проведення розрахунків відповідно прийнятому алгоритму; аналіз та інтерпретація одержаних результатів.