Виды и методы измерений

 

Измерение, в широком смысле этого термина, - это операция или процедура, посредством которой определяется отношение одной (измеряемой) величины к другой однородной величине, принимаемой за известную единицу измерения. Иначе говоря, измерение – получение с помощью измерительных средств численного значения размера, характеризующего одно или несколько свойств объекта (предмета, процесса, явления) и удовлетворяющего требованию единства измерений.

Термином «измерение» чаще называю процедуру инструментального определения знаний абсолютных или удельных (относительных) численных характеристик отдельных свойств.

 

 

Процесс измерения состоит, с одной стороны, из восприятия и отображения физической величины, а с другой стороны – из нормирования, т.е. присвоения измеряемой величине определенного численного значения. При этом должны быть соблюдены два условия:

Ø подлежащая измерению физическая величина однозначно определяема;

Ø единица измерения установлена соглашением.

Длина, вес, время и т.п. вполне определяемы численно. Но комфорт, интеллигентность и другие свойства не обладают достаточной определенностью, чтобы быть измеренными, и поэтому они оцениваются. Оценивание отличается от измерения большей неопределенностью результата.

Итак, определение значений измеряемых свойств, осуществляемое не инструментально, называю оцениванием. Физические величины также часто оцениваются, а не измеряются инструментально. Например, определение расстояния «на глаз» есть его оценивание, а результат выражается в значениях с размерностью инструментально определяемой физической величины. Хотя все же оцениванию подвергаются в основном нефизические величины. Таким образом, оценивание, в силу его специфичности, является разновидностью измерения, но все-таки это разные понятия.

Измеряемая величина – это некоторое свойство объекта, которое необходимо выразить вполне определенно. Всякое свойство индивидуально в количественном отношении, и оно характеризуется размером. Получение информации о размере натуральных (физических) или нефизических величин, характеризующих свойства объекта, является содержанием любого измерения.

Цель любого измерения состоит в получении информации об истинном значении измеряемой величины. Однако при измерении полностью объективное и абсолютно истинное значение измеряемой величины получить нельзя, так как размер измеряемого всегда содержит элемент неопределенности и поэтому остается неизвестным. Поэтому задача измерения состоит не в определении абсолютного истинного значения измеряемой величины, а в том, чтобы получить о нем достоверную информацию, оценить ее и выразить в той или иной приемлемой форме.

 

 

Обычно в результате измерений получают значение определяемого, близкое к истинному, и называют его действительным значением измеренной величины (кратко – действительное значение).

Простейший способ получения информации о размере измеряемой или оцениваемой величины состоит в сопоставлении его с другим размером по принципу, что больше, а что меньше? что лучше или хуже? что ценнее? что красивее? и т.д. Чтобы сравнить между собой, например, m размеров P₁, P₂, …, P_{m ,}  необходимо осуществить m²  сопоставлений и произвести их ранжирование по указанному выше принципу «что больше, а что меньше».

Значительно проще сравнить эти же m  размеров однородных величин с одним эталонным размером [ Р ], принимаемым за единицу размера. При этом все размеры P₁, P₂, …, P_m  получают соответствующие численные значения, N₁, N₂, …, N_m, выраженные в размерности [ Р ], т.е. P=N [ P ], где Р – измеренная величина; [ Р ] – единичный размер измерения; N  – число размерных единиц. Данная формула есть основное управление численных измерений. Смысл этого уравнения так передал английский ученый Л. Эйлер: «Невозможно определить или измерить одну величину этого же ряда и указав соотношение, в котором она находится к ней». Здесь речь идет об измерении в более узком смысле этого слова.

Измеряться могут не только величины, но и их зависимости от других величин, характеризующих сопутствующие свойства. В таком случае результат измерения относится к показателю функциональной зависимости при фиксированном значении аргумента. Если с помощью некоторой меры сформировать так называемую образцовую зависимость, то можно проводить измерение аналогичной функции, а не ее отдельного значения. При установлении вида зависимости осуществляется ее аппроксимация по совокупности нескольких измеренных значений функции.

Измерение отдельных величин и зависимостей имеют общим то, что всякое измерения происходит с фиксированием тех или иных факторов (аргументов).

Все виды изменений разделяются по приемам получения результатов на три группы: прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямыми  называют измерения, результат которых получается непосредственно из опытных данных. Например, измерения температуры воздуха термометром, силы электрического тока амперметром, промежутка времени секундомером – это прямые измерения. Прямые измерения лежат в основе других более сложных видов измерений.

Косвенными  называют измерения, при которых искомая величина непосредственно не измеряется, а ее значение находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, полученными в результате прямых измерений. Простейшим примером косвенного измерения служит определение объема тела по результатам его прямых измерений линейных размеров. Результатом косвенного измерения также является, например, предел прочности материала:

 

σ_В = ,

где     Р – разрушающее усилие;

F_o  – площадь поперечного сечения образца до его испытания на разрыв.

Часто вместо термина «косвенное измерение» используют термин «метод косвенного измерения». Это обусловлено тем, что измерение (по определению) является актом сравнения измеряемой величины с соответствующей единицей измерения. Следовательно, косвенное измерение, строго говоря, - это не само измерение, а метод измерения, т.е. метод получения численного значения измеряемой величины.

Совокупными называю измерения нескольких однородных величин в различных их сочетаниях, значения которых определяют решением системы соответствующих уравнений. При этом искомую величину размера получают путем сопоставления (сравнения) измеряемых ве6личин с известной. Примером совокупных измерений является определение масс отдельных тел, когда известна масса одного из них.

Совместными  называют одновременные измерения двух или нескольких неоднородных величин, для установления зависимости между ними. Например, на основании двух одновременных измерений (температуры и размера) определяют коэффициент расширения твердого тела. Также совместными измерениями определяют скорость измерения чего-либо.

В зависимости от используемых принципов и средств измерений они делятся на методы непосредственной оценки и методы сравнения.

Методом непосредственного отсчета  называют метод, по которому измеряемая величина определяется непосредственно, без каких-либо дополнительных действий и без вычислений, путем отсчета или снятия показателя с измерительного устройства (инструмента).

Метод сравнения  – это метод измерения, по которому измеряемая величина сравнивается с известной базовой или эталонной величиной, т.е. с мерой. Результаты измерений выражаются в натуральных единицах измерений или в безразмерных единицах.

Метод сравнения с мерой подразделяется на следующие.

Метод противопоставления  или нулевой метод – это метод сравнения измеряемой величины с мерой, в котором измеряемая величина уравновешивается соответствующей мерной величиной. Примером такого метода измерений является определение веса тела на рычажных весах или измерение электрического сопротивления при помощи уравновешивающего моста.

Разностный метод  – это метод сравнения с мерой, при которой определяется разность между измеряемой величиной и известной величиной, воспроизводимой мерой. При дифференциальном методе измерений происходит неполное уравновешивание измеряемой величины, и в этом состоит отличие дифференциального метода от нулевого.

Нулевой метод  – в этом случае разность доводят до нуля, как, например, при балансировке измерительного моста.

Метод замещения  – это метод сравнения с мерой, при котором измеряемая величина Р_х заменяется известной величиной Р₀. Величина Р₀ легко воспроизводима мерой[ Р ]. Измеряемая величина соответствует известной величине, т.е. Р_х = Р_0. Примером такого измерения является взвешивание тел на отпарированных (с указателем веса) пружинных весах. Здесь вес измеряемой массы замещает вес тарировочных (известных) грузов.

Методы измерений постоянно совершенствуются, но их сущность, состоящая в сравнении измеряемого размера с известным, остается неизменной. Измерения классифицируют по различным признакам: по точности измерений, по числу измерений в серии, по отношению к изменению измеряемой величины, по назначению, по форме выражения результатов измерения и т.д.

Равноточные измерения  – измерения с равной точностью определения измеряемой величины, выполненные одинаковыми по точности средствами в одних и тех же условиях.

Однократное измерение  – измерение, выполненное один раз.

Многократное измерение  – измерение одного и того же размера, результат которого получают из нескольких последовательных измерений, т.е. это измерение, состоящее из ряда однократных измерений. Могут быть двух-, трех- и четырехкратные измерения. При числе измерений больше четырех результат может быть обработан методами математической статистики, поэтому их называют многократными.

Статистическое измерение  – это измерение, при котором измеряемая величина принимается в соответствии с условиями измерительной задачи за неизменную на протяжении времени измерения.

Динамическое измерение  – определение изменяющейся с течением времени величины размера. Такое изменение размера измеряемой величины требует фиксации момента времени.

Физико-технические  или технические измерения - измерения при использовании единиц измерения физических величин.

Метрологические измерения  – измерения с помощью эталонов и образцов средств измерений, рабочих единиц физических величин для передачи их размера техническим средствам измерений, а также проверочные измерения для определения погрешностей измерительных средств. Эти измерения осуществляются для измерительных же целей, т.е. являются метрологическими.

Абсолютное  или фундаментальное измерение – это прямое измерение одной или нескольких физических размеров свойств с использованием основных натуральных единиц измерений и/или значений физических констант.

Относительное измерение  – измерение отношений измеряемой величины к одноименной величине, играющей роль единицы измерения, или измерение изменяемой величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную (эталонную, базовую).