Измерения как способ получения количественной информации
Развитие науки, управление технологическими процессами немыслимы без получения количественной информации о тех или иных свойствах физических объектов [9]. Измерения – единственный способ получения количественной информации о величинах, характеризующих те или иные физические объекты, физические явления и процессы. Современная информационно-измерительная техника располагает средствами измерения нескольких сот различных электрическихи неэлектрических (тепловых, механических, оптических и др.) величин.
Измерение неэлектрических величин может осуществляться как электрическими устройствами с предварительным преобразованием неэлектрической величины в электрическую, так и неэлектрическими устройствами. Электрические средства измерений имеют ряд преимуществ перед другими средствами измерений. Они характеризуются следующим.
А) Простотой изменения чувствительности в широком диапазоне измеряемых значений. Использование электронной техники позволяет повысить чувствительность измерительного прибора в тысячи раз, что позволяет измерять такие величины, которые другими методами не могут быть измерены.
Б) Малой инерционностью (широким частотным диапазоном), что позволяет проводить измерения как медленно меняющихся, так и быстро меняющихся во времени величин.
В) Возможностью создания комплексных измерительно-информационных систем, передачи результатов измерения на большие расстояния, математической обработки и использования их для создания управляющих систем.
Д) Возможностью комплектования измерительных и обслуживаемых ими автоматических систем из блоков однотипной электронной аппаратуры.
Существует несколько определений понятия «измерение». Большинство говорит о том, что измерение – это процесс получения информации, т. е. измерение представляет собой информационный процесс, результатом которого является получение измерительной информации. Измерительная информация – это количественная оценка состояния материального объекта, получаемая экспериментально, путем сравнения параметров объекта с мерой.
Физическая величина – это свойство, общее в качественном отношении для многих физических объектов, (систем, их состояний и происходящих в них процессов), но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта. Основной задачей измерений является получение информации о значении физической величины в виде некоторого числапринятых для нее единиц. Единица физической величины – это физическая величина, которой по определению присвоено численное значение, равное 1. Значением физической величиныназывается оценка физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц.
Физическая величина может характеризоваться истинным ее значением. Истинное значение физической величины – значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта.Следует отметить, что экспериментально определить истинное значение невозможно. Результат измерения дает только оценку истинного значения физической величины с некоторой погрешностью. Поэтому при необходимости вместо истинного значения используют действительное значение физической величины.
Действительное значение физической величины – значение физической величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него. Средства измерений – это технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики. По характеру участия в процессе все средства измерений (СИ) можно разделить на пять основных групп: меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и измерительные системы.
Виды измерений
Классификация видов измерений строится:
А) по способу получения результата.Прямые измерения – это такие, результат которых получается непосредственно из опытных данных. Прямое измерение условно можно выразить формулой X = Y, где Y – искомое значение измеряемой величины, X – значение, непосредственно полученное из опытных данных.
Косвенные измерения – измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям.
Совместные измерения – такие, при которых искомое значение разноименных величин определяются путем решения системы уравнений, связывающих значения искомых величин с непосредственно измеренными величинами, т. е. путем решения системы уравнений:
F1 ( Y1, Y2, Y3, ... , X1I, X2I, X3I, ... ) = 0;
F2 ( Y1, Y2, Y3, ... , X1II, X2II, X3II, ... ) = 0 (4.1)
Б) по изменению входной величины во времени:
– статические – такие, когда входящая величина неизменна во времени;
– динамические – такие, когда входящая величина меняется во времени.
В) по форме входной информации:аналоговые – такие, когда выходной величиной является непрерывная величина. Дискретные (цифровые)– такие, когда выходной величиной является дискретная (цифровая) величина.
Д) по повторяемости: однократные – такие, когда результат получают при помощи одного измерения (отсчета, опыта). Многократные(статистические) – такие, при которых результат получают после проведения нескольких измерений (отсчетов, опытов) и последующей обработки полученных данных.
Погрешности измерений
В связи с тем, что истинное значение ХИнеизвестно, на практике пользуются «действительным значением» величины, которое может быть определено экспериментально при помощи образцовых средств измерения и настолько приближается к истинному, что может быть использовано вместо него. Погрешность измерения – это отклонение результата измерения от истинных значениях измеряемой величины. Важно: отклонение, а не разность, т. к. разность – абсолютна, а отклонение может быть и абсолютно, и относительно. Различают погрешности инструментальную и методическую. Инструментальная обусловлена несовершенством применяемого средства измерений, а методическая – метода измерения.
По виду выражения погрешности различают: абсолютные; относительные; приведенные. Абсолютная погрешность измерений – погрешность, выраженная в единицах входной величины.Погрешность измерений и средств измерений не одно и то же, поэтому целесообразно определить некоторые погрешности средств измерений. Абсолютная погрешность меры: разность между номинальным значением меры и истинным значением воспроизводимой ей величины.
Абсолютная погрешность D прибора: разность между показаниями Х прибора и истинным значением ХИ измеряемой величины: D = Х – ХИ. Абсолютная погрешность, взятая с обратным знаком, называетсяпоправкой.
Для характеристики средств измерений используют понятие относительной погрешности приборов, преобразователей и мер. Для приборов и преобразователей используют также понятие приведенной погрешности. Относительная погрешность d – это отношение абсолютной погрешности к истинному значению входной или воспроизводной величины (обычно выражается в процентах):
d = (D / ХИ) х 100 % . (4.2)
Приведенная погрешностьравна выраженному в процентах отношению абсолютной погрешности Dк нормирующему значениюХN :
g = (D / Х N) х 100 % . (4.3)
Нормирующее значениепринимается равным:
а) для средств измерений, за исключением случая неравномерной шкалы, если нулевая отметка находится на краю или вне шкалы – конечному значению диапазона измерений;
б) если нулевая отметка находится внутри диапазона измерений – арифметической сумме конечных значений диапазона измерений;
в) для средств измерений с установленным номинальным значением – этому номинальному значению;
д) для приборов с неравномерной шкалой нормирующее значение устанавливают равным всей длине шкалы или ее части, соответствующей диапазону измерений. В этом случае абсолютную погрешность выражают (как и длину шкалы) в единицах длины.
В зависимости от изменения во времениизмеряемой величины различаются следующие погрешности средств измерений: статическая – при измерении неизменной во времени величины; динамическая – разность между погрешностью статической и погрешностью в динамическом режиме.
В зависимости от характера изменений во времени различают погрешности: систематическую – погрешность, остающуюся постоянной или закономерно изменяющуюся; случайную – погрешность, изменяющуюся случайным образом.
В зависимости от условий возникновения различают погрешности: основную – погрешность средства измерений в нормальных условиях применения; дополнительную – погрешность средства измерений, вызванную отключением одной из влияющих величин от нормального значения или выходом за пределы нормальных значений.
У средств измерений существуют погрешности, которые возрастают пропорционально входному сигналу. Это мультипликативные погрешности. Есть погрешности, значения которых не зависят от входного сигнала. Это аддитивные погрешности, рисунок 4.1.
Рисунок 4.1 – Поведение погрешности в динамическом диапазоне