1.2 Поняття вимірювання

У природничих науках і техніці термін "вимірювання" використовують у значенні виконання сукупності вимірю­вальних операцій, пов'язаних з використанням інструмен­тальних засобів і методик їх застосування для отримання первісної інформації про природні і штучні об'єкти.

Вимірювальна операція – це одна з операцій над вимі­рюваною величиною, яка входить в процедуру вимірювань і виконується спеціальним технічним пристроєм.

Процедура вимірювання – це послідовність вимірюваль­них операцій, що забезпечує вимірювання згідно з обраним методом.

Головні ознаки вимірювань такі:

— єдність функції та мети вимірювання;

— спільність способів отримання первісної інформації про властивості об'єктів вимірювань безпосередньо від самих об'єктів;

— спільність основних етапів підготовки до вимірювань;

— єдність методології визначення ступеня досягнення мети.

Принцип вимірювань – це фізичне явище, покладене в основу вимірювання (наприклад, вимірювання температури тіла за зміною його об'єму).

Метод вимірювання – це спосіб дії вимірювального пристрою. Наприклад, методи вимірювання можуть бути прямі, непрямі, сукупні тощо.

Оскільки вимірювання ґрунтуються на порівнянні дея­ких властивостей матеріального об'єкта з вибраною фор­мою їх зображення в засобі вимірювання, то цей засіб пови­нен мати перший, чутливий до вимірюваних властивостей об'єкта, вимірювальний перетворювач або перетворюваль­ний елемент і деяку послідовність вторинних вимірювальних перетворювачів або перетворювальних елементів, за допо­могою яких виконують перетворення форм вимірювальної інформації.

Технічні вимірювання – це вимірювання, що виконують робочими засобами вимірювань.

Засіб вимірювальної тех­ніки — це технічний засіб, який застосовують під час вимі­рювань і який має нормовані метрологічні характеристики. Технічний засіб вимірювання фізичної величини — це засіб вимірювальної техніки, який повністю реалізує процедуру вимірювання. Засобами вимірювання є вимірювальні систе­ма, канал, прилад, перетворювач. Технічний засіб вимірювання не пови­нен суттєво змінювати стан об'єкта вимірювання, бо це може призвести до спотворення інформації про цей об'єкт.

Через неминучу наближеність, неточність відображення моделлю реальних властивостей об'єкта між первісною метою вимірювань і безпосередньою метою (тобто вимірюва­ною фізичною величиною) є різниця, яка відображається по­хибкою, зумовленою неадекватністю моделі.

Похибка вимірювань – це відхилення результату вимі­рювань від істинного значення вимірюваної фізичної вели­чини або від її значення, взятого за таке.

Правильність вимірювань – це характеристика якості вимірювань, яка показує близькість до нуля середнього значення похибок їхніх результатів (систематичної похиб­ки вимірювань).

Результат вимірювання – це значення або сукупність значень фізичної величини, знайдене її вимірюванням, з характеристикою похибки вимірювання, тобто це знайде­не в результаті процедури вимірювання значення фізичної величини з оцінюванням меж, у яких із заданою ймовірніс­тю є поправка, яку називають похибкою вимірювання. По­хибка вимірювання дає змогу встановити також межі зна­чень, в яких може бути отримане значення вимірюваної фізичної величини.

Абсолютне вимірювання – це вимірювання, результат якого подано в одиницях вимірюваної фізичної величини.

Відносне вимірювання – це вимірювання відношення даної величини до однойменної величини, результат якого подано в одиницях відносної величини.

Статичне вимірювання – це вимірювання, яке викону­ється при незмінності вимірюваної величини за час здійс­нення вимірювальних операцій.

Динамічне вимірювання – це вимірювання фізичної ве­личини, яка змінюється.

Вимірювальне перетворення – це вимірювальна операція, під час якої вхідна фізична величина перетворюється у вихідну, функційно з нею зв'язану. Фізичною основою вимірювального перетворення є перетворення та передавання енергії, зокрема перетворення одного виду енергії в інший.

Вимірювальним перетворювачем (ВП) називають засіб вимірювальної техніки, що реалізує вимірювальне перетворення (засіб вимірю­вальної техніки, призначений для вироблення сигналу вимірювальної інформації у формі, зручній для передачі, для подальшого перетво­рення, оброблення та зберігання, але непридатній для безпосереднього сприйняття спостерігачем).

Д оцільно звернути увагу на відмінність у поняттях "вимірювальний перетворювач" та "перетворювальний елемент". ВП як засіб вимірювань має нормовані метрологічні характеристики і вико­нується звичайно у вигляді окремого засобу певного класу точності. Перетворювальний елемент як частина засобу вимірювань не має окремо нормованих метрологічних характеристик, однак його похибки лімітуються допустимими похибками тих засобів вимірювань, до складу яких він входить.

Принцип перетворювання — це фізичний ефект або су­купність фізичних ефектів, на якому (яких) засноване пе­ретворювання.

Вимірювальний перетворювач (перетворювальний елемент), який є першим у колі послідовно з'єднаних перетворювачів, називають первинним (ПВП). ПВП, який також є вимірювальним перетворювачем, від­різняється від інших вимірювальних перетворювачів тим, що є першим в ланцюзі вимірювальних перетворювачів. ПВП має безпосередній інформаційний контакт з вимірюваною фізичною величиною, яка вважається такою для засобу вимірювання в цілому, і найчастіше перетворює неелектричні фізичні величини, кількість яких значно перевищує кіль­кість електричних фізичних величин. Що ж до ПВП, то для нього ця сама вимірювана фізична величина є перетво­рюваною. Це справедливо, бо не в усіх технічних автома­тичних системах і не при всіх застосуваннях ПВП перетво­рювані ними фізичні величини вимірюються з отриманням іменованих числових або кодових значень.

Залежно від характеру вихідної інформації ВП, яка може місти­тись у вихідному енергетичному процесі (сигналі) або вихідному пара­метрі, розрізняють генераторні та параметричні перетворювачі. До генераторних належать перетворювачі з вихідним сигналом у вигляді енергетичного процесу, наприклад, ним може бути електричний струм, ЕРС, механічна сила чи тиск тощо. Параметричними є перетворювачі, в яких зміна вхідної вимірюваної величини приводить до зміни їх ви­хідних параметрів - електричного опору, ємності, індуктивності, меха­нічної пружності, магнітної проникності тощо. Для отримання вихідної інформації параметричних перетворювачів у вигляді сигналу потрібні додаткові джерела енергії.

Основною статичною характеристикою ВП є функція перетво­рення Y=f (Х), яка визначає залежність вихідної величини У від вхідної X. Найчастіше ця залежність задається аналітичним виразом, інколи - графічно або у вигляді таблиці. Відношення вихідної величини до вхідної називають коефіцієнтом перетворення. Загалом k(х)=У/Х є деякою функцією вхідної перетворюваної величини.

П оряд з терміном "вимірювальний перетворювач" широко засто­совується термін "давач". Давачем називають вимірювальний перетво­рювач неелектричної величини, виконаний як конструктивно заверше­ний засіб вимірювань і призначений для розміщення безпосередньо в зоні досліджуваного об'єкта. Треба зауважити, що в ДСТУ 2681-94 "Метрологія: терміни та визначення" терміна "давач" немає. Його аналогом, очевидно, можна вважати термін "первинний вимірювальний перетворювач" ("сенсор").

Методи перетворювання фізичних величин і вимірювальні засоби (прилади і перетворювачі) поділяють на аналогові й цифрові. Аналогове вимірювальне перетворення – це вимірювальна операція, при якій вхідна фізична величина перетворюється в аналогову (безперервну) вихідну, розмір якої функціонально пов'язаний з розміром вхідної фізич­ної величини. Найчастіше результатом вимірювального пе­ретворювання є інформативний параметр сигналу, розмір якого відображає значення перетворюваної фізичної вели­чини. Для такого вимірювального перетворювання справед­ливі розглянуті вище ознаки традиційних вимірювань, крім відображення істинного значення (розміру) вхідної фізичної величини на числовій осі.

А налоговий сигнал несе більше інформації, ніж цифровий. Однак цифровий сигнал більш зручний для подальших пе­ретворювань, для сприйняття оператором без додаткових суб'єктивних помилок. Аналогова обробка інформаційних сигналів здійснюється безперервно. Це дає змогу максималь­но використати і суттєво поліпшити динамічні властивості засобів вимірювань і вимірювальних перетворювачів, що особливо важливо у разі перетворювання і вимірювання фізичних величин, які швидко змінюються у часі.

Аналогові методи перетворювання фізичних величин за­безпечують доступність використання у вимірювальній техні­ці великої кількості різноманітних фізико-технічних ефектів. Нерідко аналогові методи є єдиною можливістю сприйнят­тя і перетворювання фізичної величини. Тому ці методи, засновані на використанні безперервних фізичних проце­сів, широко використовуються у вимірювальній техніці, особливо у ПВП фізичних величин.

У цифровому вимірюванні й перетворюванні числове зна­чення (розмір) виробляється у вимірювальному пристрої або виводиться із нього на основі використання операцій з числами (дискретними сигналами). При цифровому методі інформація (дискретні значення сигналів) обробляється послідовно у часі, тривалість обробки швидко зростає із збільшенням вимог до точності. Однак цифрові методи по­дання вимірюваних величин більш точні, ніж аналогові. Тому вибирати той чи інший метод перетворювання слід у кожному конкретному випадку на основі аналізу, викона­ного з урахуванням багатьох вимог.

Залежно від функціонального зв'язку між шуканою і без­посередньо вимірюваною фізичними величинами і від спо­собу одержання числового значення вимірюваної фізичної величини вимірювання поділяють на прямі й побічні.

Прямі вимірювання — це вимірювання, при яких резуль­тат залежить від однієї вимірюваної величини. При прямо­му вимірюванні значення фізичної величини знаходять без додаткового перетворення роду фізичної величини безпосе­редньо за результатами вимірювального експерименту.

Побічні, або непрямі, вимірювання — це вимірювання, при яких результат (або результати) залежить від кількох фізичних величин. При непрямому вимірюванні значення однієї чи кількох вимірюваних величин знаходять після перетворення роду величини (величин) чи обчислення за відомими залежностями її від кількох аргументів, що вимі­рюються прямо.

Непрямі вимірювання поділяють на посередні, сукупні та сумісні.

Посередні вимірювання — це вимірювання, при яких шукане значення однієї фізичної величини визначають на основі відомої залежності цієї величини від значень кіль­кох величин — аргументів, одержаних прямими вимірюван­нями.

Сукупні вимірювання — це вимірювання, при яких шу­кані значення кількох однорідних величин знаходять на основі вимірювань різних комбінацій цих величин і роз­в'язання відповідної системи рівнянь.

Сумісні вимірювання — це одночасні вимірювання двох або більше різнорідних величин для знаходження парамет­рів залежності між ними. Сумісні вимірювання є різнови­дом визначення залежностей.

Крім основних засобів вимірювання існують також допо­міжні засоби, які забезпечують вимірювання фізичних вели­чин, але самі не перетворюють вимірювальну інформацію з однієї форми в іншу.

У метрології і вимірювальній техніці під вимірювальним експериментом розуміють, як правило, вимірювальні й обчислювальні процедури. Сучасні вимірювальні процеду­ри — це сприйняття фізичних величин, перетворювання їх у сигнали вимірювальної інформації, порівняння аналого­вих сигналів з мірами цих фізичних величин і отримання переважно цифрових значень цих сигналів. До обчислю­вальних процедур належать математичні перетворювання аналогових, дискретних і цифрових сигналів у процесі ви­мірювання фізичних величин.

Р езультати перетворювань фізичних величин завжди мають похибки. Вони виникають внаслідок багатьох при­чин, насамперед через недосконалість ПВП і перетворю­вальних елементів, що входять до їхнього складу, неточність передачі ПВП розмірів одиниць фізичних величин. Недоско­налість ПВП виявляється у випадкових змінах результатів перетворювання при повторних експериментах з незмінними умовами їх проведення, у зміні значень похибок при змінах умов перетворювань фізичних величин.

Похибка перетворювання (як і похибка вимірювання) може бути зумовлена недосконалістю методу перетворюван­ня, способів перетворювання і попередньої обробки сигна­лів вимірювальної інформації в інформаційно-перетворю­вальному ланцюзі інформаційної частини ПВП.

Непридатність використаного методу і фізичного принци­пу перетворювання фізичних величин, тобто неадекватність їх меті перетворювання і недосконалість конструкції ПВП, призводять до недостатньої його чутливості й нестабільності результатів перетворювання.

Методологічно виникнення похибки перетворювання фізичної величини пояснюється такими обставинами:

— неможливістю точно і вичерпно охарактеризувати об'єкт, створивши точну його фізичну і математичну моделі;

— випадковим впливом зовнішніх факторів, які не можна повністю виявити, оцінити, врахувати і (або) усунути;

— обмеженістю точності перетворювань малих значень фізичних величин через обмежену чутливість чутливих пе­ретворювальних елементів;

— зумовленою координатною неоднозначністю елемен­тарних часток об'єктів граничною похибкою перетворювань, яка додатково збільшується внутрішніми шумами перетво­рювальних елементів.

На результати перетворювання суттєво впливають не тільки особливості взаємодії ПВП з полем фізичної величини, а й інерційні властивості ПВП, причому це може відбуватися як при контактному, так і при безконтактному перетворюваннях. Однак при безконтактному перетворюванні похибки від взає­модії є значно меншими, ніж при контактному. Тому викорис­тання в ПВП безконтактних методів перетворювання фізич­них величин та покращення динамічних характеристик ПВП сприяють поліпшенню їхніх метрологічних характеристик.

Реальні похибки перетворювань фізичних величин і ПВП мають властивості нестаціонарного випадкового процесу. Для зручності виявлення причин виникнення, аналізу, оці­нок кількісних значень, підсумовувань похибок їх умовно поділяють на систематичні і випадкові, використовуючи для роботи з ними існуючі й добре розроблені методи матема­тичної обробки вимірювальної інформації і підвищення точ­ності вимірювань.

Вірогідність результатів перетворювання і вимірювання фізичної величини також є оцінкою їхньої якості, яка ха­рактеризує рівень довір'я до отримуваних результатів. Наявність оцінок імовірності конкретних можливих відхи­лень отриманого значення фізичної величини від істинного значення робить цю інформацію науково визначеною, інак­ше отриману інформацію не можна використовувати або їй не можна довіряти.

Підвищення вимог до точності перетворювань ПВП зна­чень фізичних величин забезпечується розробкою оптимальних алгоритмів перетворювань і математичним моделюван­ням їх. Для цього об'єкт і ПВП описують математичною мовою, створюючи математичні моделі об'єкта, ПВП та їх взаємодії в процесі перетворювання значень фізичної величи­ни у вихідний сигнал вимірювальної інформації ПВП — модель перетворювання фізичної величини ПВП. На основі аналізу моделі перетворювання фізичної величини ПВП формується алгоритм розв'язання задачі перетворювання фізичної величини — встановлюється послідовність фізич­них і математичних операцій, які потрібно виконати для одер­жання необхідного рівня точності кількісних характерис­тик об'єкта.

Одним із важливих шляхів підвищення точності перетво­рювань фізичних величин ПВП є вдосконалення методів аналізу причин виникнення похибок перетворювань, способів їх виявлення, кількісних оцінок їхніх значень і способів зменшення цих похибок.

У сучасних засобах вимірювань вимірювальні й обчис­лювальні процедури виконують спільно, одночасно і неро­зривно. Ця тенденція розвитку вимірювальної техніки й інтеграції засобів обчислювальної та вимірювальної техні­ки виявляється і у ПВП фізичних величин, оскільки в них все частіше перетворювання фізичних величин у сигнали вимірювальної інформації роблять разом з попередньою обробкою цих сигналів і використанням результатів цієї обробки для керування перетворюваннями, корекції їхніх похибок, адаптації ПВП до об'єктів тощо.