3 Разновидности и средства измерений

3.1 Разновидности измерений

Любое измерение по шкале отношений состоит в сравнении неизвестного размера с известным и выражении первого через второй в кратном или дольном отношении.

Таких измерений каждому человеку приходиться делать в жизни бесчисленное множество. Сравнивая в уме высоту людей с представлением о единице длины в СИ, мы измеряем их рост на глаз с точностью до нескольких сантиметров. Легко мы можем определить примерную скорость движения автомобиля, высоту здания, массу (небольшую) и т. п. Во всех этих случаях информация о размерах тех или иных физических величин, доставляемая с помощью органов чувств, сравнивается с представлением о соответствующих единицах измерения, и неизвестные размеры выражаются через эти единицы в кратном или дольном отношении.

1. Органолептические измерения

Измерения, основанные на использовании органов чувств человека (зрение, слух, обоняние, осязание, вкус), называются органолептическими.

Природа в разной степени наделила людей способностями к органолептическим измерениям по шкале отношений. Частоту звуковых колебаний, например, могут определить лишь те немногие, кто обладает абсолютным слухом. Большинство же воспринимает разность звуковых частот в тонах и полутонах, то есть способны к измерению частоты звука только по шкале интервалов. Измерение по шкале интервалов, будучи менее совершенными, чем по шкале отношений, могут выполняться и без участия органов чувств. Измерение времени, например, или гравитации (космонавтами) основывается на ощущениях. Еще менее совершенные измерения по шкале порядка строятся на впечатлениях. К ним относятся конкурсы мастеров искусств (скульпторов, поэтов, композиторов), соревнования спортсменов по фигурному катанию на коньках и т. п.

Измерения, основанные на интуиции, называются эвристическими.

При всех таких измерениях, кроме ранжирования, широко применяется способ попарного сопоставления, когда измеряемые величины сначала сравниваются между собой попарно, и для каждой пары результат сравнения выражается в форме «больше-меньше» или «лучше-хуже». Затем ранжирование производится на основании результатов попарного сопоставления

A > B C > Д Е > Q M > N

A < Д Q > N Q > Д

Результат измерения, выполненного человеком зависит от множества обстоятельств, неподдающемуся строгому учету. Это и его настроение в данный момент, и степень сосредоточенности и многое другое. Поэтому результат измерения является случайным. Повторное измерение той же величины может дать несколько иной результат, последующие – также. Более точное значение получается при усреднении однократных измерений.

Широко используются при измерениях экспертный метод (квалиметрия, спорт, искусство), при котором одну и ту же величину измеряют несколько экспертов, после чего получают усредненную оценку измерения.

Более объективными могут считаться только измерения, выполняемые без участия человека.

2. Инструментальные измерения

Измерения, выполняемые с помощью специальных технических средств, называются инструментальными. Они могут быть автоматические и автоматизированные.

Автоматические измерения выполняются без участия человека. Результат их представляется в форме документа и является совершенно объективным. Но такие измерения очень дорогие и должны быть экономически обоснованы.

При автоматизированных измерениях роль человека полностью не исключена. Он может, например снимать данные с отсчетного прибора, вводить информацию, вести регистрацию данных и т. п. На качество всех этих операций влияет настроение человека, степень его сосредоточенности, мера ответственности и т. д. Таким образом, элемент субъективности при автоматизированных измерениях остается.

0. Средства измерений

Так как измеряются свойства, общие в качественном отношении многим объектам или явлениям, эти свойства без участия органов чувств человека должны быть каким то образом обнаружены, в чем-то должны проявляться. Для обнаружения используются специальные средства измерений.

Технические устройства предназначенные для обнаружения физических свойств называются индикаторами. Например: стрелка магнитного компаса – индикатор напряженности магнитного поля; электрическая лампочка – индикатор электрического напряжения в сети; лакмусовая бумажка – индикатор активности ионов водорода в растворах и т. п.

Индикаторы показывают только наличие измеряемой величины, интересующего нас свойства материи. В этом отношении индикаторы играют ту же роль, что и органы чувств человека, но значительно расширяют их возможности.

Важнейшей характеристикой индикаторов является порог реагирования (порог чувствительности). Чем меньше порог реагирования, тем более слабое проявление свойства регистрируется индикатором. Современные индикаторы обладают очень низкими порогами реагирования, лежащими на уровне фоновых помех и собственных шумов аппаратуры.

Однако обнаружить физическую величину и измерить ее – далеко не одно и то же. Для измерения необходимо сравнить неизвестный размер с известным и выразить первый через второй в кратном или дольном отношении. Если физическая величина известного размера есть в наличии, то она непосредственно используется для сравнения. Так измеряют длину линейкой. Плоский угол транспортиром, массу с помощью гирь и весов и т. д.

Если же физической величины известного размера в наличии нет, то сравнивается реакция (отклик) прибора на воздействие измеряемой величины с проявившейся ранее реакцией на воздействие то же величины, но известного размера. Так измеряют: силу электрического тока – амперметром; напряжение – вольтметром; скорость – спидометром; давление – манометром; температуру – термометром.

От индикаторов эти приборы отличаются тем, что обеспечивают сравнение откликов на воздействие двух разных размеров физической величины (известного и неизвестного). При этом предполагается, что соотношение между откликами такое же, как и между сравниваемыми размерами. Для облегчения сравнения отклик на известное воздействие, еще на стадии изготовления прибора, фиксируют на шкале отсчетного устройства, после чего разбивают шкалу на деления в кратном или дольном отношении. Эта процедура называется градуировкой шкалы. При измерениях она позволяет по положению указателя получать результат сравнения непосредственно на шкале отношений.

Все технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики называются средствами измерений. К ним относятся вещественные меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки, измерительные системы. Индикаторы к средствам измерений не относятся.

Вещественные меры предназначены для воспроизведения физической величины заданного размера, который характеризуется так называемым номинальным значением. При условии, что указывается точность, с которой воспроизводиться номинальное значение физической величины, гиря – является мерой массы, конденсатор – мерой емкости.

Измерительные преобразователи – это средства измерений вырабатывающие сигналы измерительной информации в форме, удобной для дальнейшего преобразования, передачи хранения, обработки, но как правило, недоступной для непосредственного восприятия наблюдателем. К ним относятся термопары, измерительные усилители, преобразователи давления и другие.

Измерительный прибор представляет собой совокупность преобразовательных элементов, образующих измерительную цепь, и отсчетного устройства. В отличие от вещественной меры прибор не воспроизводит известное значение физической величины. Измеряемая величина должна подводиться к нему и воздействовать на его первичный преобразователь.

Измерительные установки состоят из функционально-объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, собранных в одном месте. В измерительных системах эти средства и устройства территориально разобщены и соединены каналами связи. И в установках и системах выходной сигнал измерительной информации может иметь форму, удобную как для непосредственного восприятия, так и для автоматической обработки, передачи и использования в автоматизированных системах управления.

Средства измерения, используемые в повседневной практике, принято делить по точности на классы. Классом точности называется обобщенная характеристика всех средств измерения данного типа, устанавливающая оценку точности их показаний. Классы точности присваиваются типам средств измерений с учетом результатов государственных приемочных испытаний. Обозначение классов точности наносятся на циферблаты, щитки и корпуса средств измерений, приводятся в нормативно-технических документах. Обозначения могут иметь форму заглавных букв латинского алфавита (М, С и т. д.) или римских цифр (I, II, III, IV и т. д.) с добавлением условных знаков.

Класс точности является обобщенной характеристикой средств измерений. Значение его позволяет определить не точность конкретного измерения, а лишь указать пределы, в которых находиться значение измеряемой величины.