Глава два. Измерения. Погрешности измерений.

2.1. Понятие “измерение”.

Наука об измерениях, способах достижения требуемой точности измерений, методах и средствах обеспечения их единства называется метрологией. Метрология зародилась в глубокой древности из требований жизни, в таких областях как обмен и торговля, астрономия, строительство.

Ключевым понятием метрологии и измерительной техники является понятие физической величины. Физическая величина (ФВ) - это характеристика одного из свойств физического объекта (явления, процесса), общая в качественном отношении многим физическим объектам, но в количественном отношении индивидуальная для каждого объекта. Выделим следующие существенные стороны этого определения.

1. ФВ характеризует некоторое качество объекта, которым обладают многие объекты. Например, длина, температура, напряженность электрического поля и т. д.

2. Не всякое качество (свойство) объекта относится к ФВ, а только такое, о котором можно сказать, что этого качества может быть больше или меньше. Так, например, запах, бесспорно, является качеством, но к физическим величинам его отнести невозможно, так как разные запахи сравнивать по шкале больше-меньше невозможно. Однако и возможность сказать о каком-либо свойстве “больше” или “меньше” все еще недостаточно, чтобы считать его физической величиной.

3. Для того, чтобы считать данное свойство объекта физической величиной, необходимо, чтобы можно было сказать, что это свойство для одного объекта в определенное число раз больше или меньше, чем у другого объекта. В этом случае говорят, что данная количественная определенность ФВ, присущая конкретному материальному объекту, явлению, процессу, имеет размер. Это означает, что отношение количеств данного свойства может быть выражено числом. Если такое число существует, то существует оценка размера ФВ в виде некоторого числа. Например, мы можем говорить о том, что отношение верхних граничных частот двух электроакустических систем равно определенному числу. Однако, иногда не удается указать численное различие некоторых свойств, например, запаха. Поэтому запах не является ФВ.

Здесь мы приходим к определению понятия "измерение" как эксперимента (опыта), в котором при помощи специальных технических средств устанавливают числом какое количество данного свойства содержится в данном объекте (явлении). Для того, чтобы числом выразить количественную сторону данного качества (в нашем примере верхнюю граничную частоту) необходима единица физической величины, то есть ФВ фиксированного размера, которой условились присвоить численное значение, равное единице. В нашем примере ФВ является частота или количество колебаний за единицу времени. Единицей для измерения частоты является Герц, то есть частота, при которой одно полное колебание (цикл) происходит за интервал времени, равный одной секунде. Эта количественная определенность (именно одно колебание и именно за одну секунду) называется размером единицы ФВ.

Важнейшим назначением измерений является перевод соотношений количеств, присущих реальным материальным объектам (явлениям), в абстрактную форму чисел и далее в математические символы. Итогом является возможность производить расчеты абстрагируясь, не имея материальных объектов, но получать результаты, адекватные практике.

Для того, чтобы произвести измерение, необходимо выполнение ряда условий. Такими условиями являются:

• возможность выделения измеряемой ФВ среди других;

• возможность установления единицы, необходимой для измерения данной ФВ;

• возможность материализации установленной единицы ФВ техническим средством;

• возможность сохранения неизменным размера единицы как минимум в течение интервала времени, необходимого для выполнения измерения.

Когда соблюдены необходимые условия, производят определенные операции по сравнению измеряемой ФВ с одноименной ФВ, принятой за единицу. Таким образом, измерение всегда состоит в сравнении измеряемой ФВ с единицей этой же ФВ, то есть с другим количеством той же ФВ, принятым за единицу данной ФВ. Поэтому при изучении любого измерительного прибора необходимо в первую очередь установить каким образом (способом, методом) осуществляется сравнение измеряемой ФВ с ее единицей.

Измеряемой ФВ должно быть приписано некоторое значение, которое идеальным образом отражает ее в качественном и количественном отношениях. Это значение ФВ называют ее истинным значением. Понятие истинного значения ФВ соотносимо с понятием абсолютной истины. Однако абсолютная истина, как известно, познается лишь в результате бесконечного процесса познания. В данном случае - в результате бесконечного процесса измерений с бесконечным совершенствованием методов и техники измерений. Для каждого случая в практике мы можем знать только действительное значение ФВ, то есть значение ФВ, найденное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что для поставленной задачи оно может заменить истинное.

Метод измерений - прием или совокупность приемов сравнения измеряемой ФВ с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений.

Принцип измерений - физическое явление или эффект, положенные в основу измерений. Например, применение эффекта Допплера при измерении скорости радиолокационной цели.