Розділ 3 вимірювання та забезпечення їх потрібної точності

3.1. Фізичний експеримент

З давніх часів людина пізнавала світ, спостерігала за явищами, експериментувала та робила висновки. Шляхом проб і помилок людина винаходила нові інструменти й нові технології, знову експериментувала та знову аналізувала одержані результати. Завдяки науковим експериментам відкрито безліч законів фізики, хімії, соціології та інших наук.

У метрології експеримент є способом дослідження об’єктів і процесів.

Експеримент (від лат. experimentum – проба, дослід) у науковому методі – набір дій і спостережень, виконуваних для перевірки істинності або хибності гіпотези чи наукового дослідження причинних зв’язків між феноменами. Експеримент є наріжним каменем емпіричного (від греч. έμπειρία — дослід) підходу до знання. Кожен експеримент поділяється на такі етапи:

1. Збір інформації.

2. Спостереження явища.

3. Аналіз.

4. Вироблення гіпотези, щоб пояснити явище.

5. Розробка теорії, що пояснює феномен, який базується на припущеннях, у більш широкому плані.

Внаслідок здійснення фізичного експерименту зазвичай ми одержуємо дані, які кількісно характеризують певний параметр досліджуваного об’єкта. Ці дані ми одержуємо шляхом вимірювання.

Вимірювання – це операція для визначення відношення однієї (вимірюваної) величини до іншої однорідної величини, що приймається за одиницю. Одержане значення буде чисельним значенням вимірюваної величини. Вимірювання фізичної величини дослідним шляхом здійснюється за допомогою різних засобів вимірювань. Просте вимірювання фізичної величини складається з двох етапів: 1) порівняння з мірою (еталоном); 2) перетворення у форму, зручну для використання (різні способи індикації).

Метрологія – це наука, предметом вивчення якої є всі аспекти вимірювань.

3.2. Планування та організація вимірювань

Вимірювання фізичних величин є основою як наукового експерименту, так і масо­вих вимірювань в усіх галузях народного господарства. Досліджувані процеси та об’єк­ти є багатогранними. Досліджуючи об’єкт чи технологічний процес, доводиться вимірю­вати ряд фізичних величин та параметрів технологічних процесів. Як і будь-яке інше експериментальне дослідження, вимірювання має певні стадії організації та виконання:

• формування мети;

• складання програми експерименту, методична та матеріальна підготовка експерименту;

• проведення експерименту;

• опрацювання результатів вимірювань та оцінка похибки вимірювань;

• аналіз отриманих результатів і формулювання оцінки проведених вимі­рювань.

Загалом вимірювання фізичних величин є багатоетапним процесом, що поєднує як саму процедуру вимірювань з її типовими вимірювальними операціями, так і ряд підготовчих та заключних процедур, які необхідно виконати до та після самих вимірювань.

Головними питаннями, які потрібно вирішити на етапі підготовки та планування вимірювань, є:

• модель досліджуваного об’єкта, наприклад, під час вимірювання змінного струму здебільшого приймається його гармонічна модель, а у випадку несинусоїдних струмів модель ускладнюється вищими гармонічними складови­ми, сталою складовою;

• вимірювані параметри моделі, наприклад, для синусоїдного струму необхідно знати, який із параметрів вимірюватиметься: ефективне або амплітудне значення струму чи інший параметр (частота);

• мета вимірювання, яка встановлює потрібну точність вимірювань та значною мірою впливає на вибір моделі вимірюваної величини;

• залежності між величинами, значення яких необхідно визначити за безпосередньо вимірюваними величинами;

• умови вимірювань та фактори впливу;

• допустимі похибки вимірювань, а при непрямих вимірюваннях –допустимі похибки вимірювань кожної з безпосередньо вимірюваних величин;

• необхідні методи вимірювань окремих величин;

• потрібні засоби вимірювальної техніки, їх метрологічні характеристики;

• способи корекції похибок вимірювань;

• форма подання результатів вимірювань;

• необхідні алгоритми й засоби опрацювання експериментальних даних та визначення їх достовірності;

• необхідні затрати для виконання поставленого завдання;

• економічна ефективність вимірювань.

Досліджуваний об’єкт та мета досліджень здебільшого задаються. Однак навіть у цьому випадку зазвичай уточнюють мету та завдання вимірювального експерименту, проаналізувавши, як будуть використовуватися результати вимірювань для оцінки досліджуваного об’єкта та ефективності його функціонування. Важливим етапом підготовки до вимірювань є визначення характеру та можливих значень досліджуваних величин з урахуванням властивостей досліджуваного об’єкта. Оцінюються межі можливих значень вимірюваних величин, частотний спектр, взаємні зв’язки тощо. Усе це уточнюється на основі апріорних даних і, якщо необхідно, за попередніми вимірюваннями.