ПОГРЕШНОСТИ РЕАЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ. СРЕДНИЕ ЗНАЧЕНИЯ И ОТКЛОНЕНИЯ ОТ НИХ. ПРИБОР КАК ИДЕАЛЬНЫЙ КАНАЛ СВЯЗИ МЕЖДУ ИССЛЕДОВАТЕЛЕМ И ОБЪЕКТОМ. ПРИНЦИП СОВМЕСТНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ОДНОВРЕМЕННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ НЕСКОЛЬКИХ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН. НЕЗАВИСИМОСТЬ (ПЕРЕСТАНОВОЧНОСТЬ) И АДДИТИВНОСТЬ ИЗМЕРЯЕМЫХ ХАРАКТЕРИСТИК. ВЛИЯНИЕ ПРИБОРА НА ПРОЦЕСС РЕАЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ.
Дмитрий Иванович Менделеев о значении измерений для науки говорил: «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять. Точная наука немыслима без меры». А английский физик В. Томсон (Кельвин) указал на то, что «каждая вещь известна лишь в той степени, в какой ее можно измерить».
Измерение следует отличать от других приемов количественной характеристики величин, применяемых в тех случаях, когда нет однозначного соответствия между величиной и ее количественным выражением в определенных единицах. Так, визуальное определение скорости ветра по шкале Бофорта или твердости минералов по шкале Мооса следует считать не измерением, а оценкой.
При исследовании приходится иметь дело с измерением физических величин. Под физической величиной понимается особенность, свойство, общее в качественном отношении многим физическим явлениям, объектам, физическим системам, их состояниям и т.п., но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта (Советский энцикл. словарь, 1987). Примерами физических величин служат масса, плотность, интервал времени, вязкость и др.).
Под измерением физической величины понимают последовательность операций, выполняемых опытным путем при помощи технических средств, специально предназначенных для этой цели, по нахождению с известной точностью значения физической величины, характеризующей исследуемый объект или явление. (Измерить физическую величину — это значит найти опытным путем значение физической величины, используя специальные технические средства).
Измерение начинают с приведения технического средства измерения во взаимодействие с исследуемым объектом. В результате возникает измерительный сигнал на входе средства измерения. Оканчивают измерение при получении информации о физической величине в виде значения величины и оценки погрешности этого значения.
Строго говоря, законченное измерение включает несколько элементов: собственно физический объект (явление), свойство или состояние которого характеризует измеряемая величина; единицу этой величины; технические средства измерений, проградуированные в этих единицах; метод измерения и, наконец, наблюдателя (регистрирующее устройство), воспринимающего результат измерений.
Наличие субъекта (исследователя), производящего измерения, не всегда является обязательным. Он может и не принимать непосредственного участия в процессе измерения, если измерительная процедура включена в работу автоматической информационно-измерительной системы. Последняя строится на базе электронно-вычислительной техники. Причем с появлением сравнительно недорогих микропроцессорных вычислительных устройств в измерительной технике стало возможным создание «интеллектуальных» приборов, в которых обработка данных измерений производится одновременно с чисто измерительными операциями.
Различают следующие виды измерений: прямые, косвенные, совокупные и совместные.
Прямым измерением называют измерение физической величины, при котором входной измерительный сигнал уже содержит информацию об измеряемой физической величине, например измерения температуры физического объекта термометром, давления газа в сосуде манометром, атмосферного давления барометром, массы тела взвешиванием на рычажных весах и т.д. (т.е. при прямых измерениях искомую величину устанавливают непосредственно из опыта).
Косвенным измерением называют измерение физической величины, при котором искомое значение вычисляют с помощью известной зависимости между искомой величиной и величинами подвергаемыми прямым измерением. Например, вычисление значения электрической мощности постоянного тока по показаниям амперметра и вольтметра, определение удельного электрического сопротивления цилиндрического проводника прямыми измерениями длины, диаметра поперечного сечения и электрического сопротивления проводника (при косвенных измерениях искомую величину устанавливают функционально от других величин, определенных прямыми измерениями).
Под совокупным измерением понимают измерение нескольких одноименных физических величин, состоящее из прямых измерений различных сочетаний этих величин. Например, определение масс отдельных гирь по известному значению массы одной гири и разности масс нескольких целесообразно выбранных сочетаний гирь.
Совместным измерением понимают измерение, состоящее из прямых измерений нескольких величин в изменяющихся условиях и последующего нахождения зависимости между этими величинами. Например, определение температурной зависимости электрического сопротивления путем его измерения при различных температурах.
Кроме того, различают измерения постоянной или мало изменяющейся физической величины, называемые статистическими измерениями, и измерения переменной во времени величины, называемые динамическими измерениями. Примеры статистических измерений: измерения размеров физического объекта, постоянного давления манометром, остающегося постоянным действующего напряжения переменного тока вольтметром. Примеры динамических измерений: измерения вибраций, пульсирующих давлений.
Выделяется несколько основных методов измерения.
Метод непосредственной оценки соответствует определению значения величины непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия (например, измерение массы на циферблатных весах). При использовании метода сравнения с мерой измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (например, измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями). При методе противопоставления осуществляется сравнение с мерой (измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор, с помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами, как, например, при измерении массы на равноплечных весах с помещением измеряемой массы и гирь на двух противоположных чашках весов). При дифференциальном методе на измерительный прибор воздействует разность измеряемой и известной величины, воспроизводимой мерой (например, измерения, выполняемые при проверке мер длины сравнением с образцовой мерой на компараторе). При нулевом методе результирующий эффект воздействия величины на прибор доводят до нуля (например, измерение электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием). При методе замещения измеренную величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой (например, взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гири на одну и ту же чашку весов). При методе совпадений разность между измеряемой величиной и величиной воспроизводимой мерой измеряется с использованием совпадения отметок шкал или периодических сигналов.
Результат измерения получается в виде некоторого числа единиц измерения. Единица измерения — это эталон, с которым сравнивается измеряемая сторона объекта или явления (эталону присваивается числовое значение ²1²). Существует множество единиц измерения, соответствующее множеству объектов, явлений, их свойств, сторон, связей, которые приходится измерять в процессе научного познания. При этом единицы измерения подразделяются на основные, выбираемые в качестве базисных при построении системы единиц, и производные, выводимые из других единиц с помощью каких-то математических соотношений.
Вопрос об обеспечении единообразия в измерении величин, отражающих те или иные явления материального мира, всегда был очень важным. В настоящее время действует преимущественно Международная система единиц (СИ), принятая в 1960 г. ХI Генеральной конференцией по мерам и весам. Международная система единиц физических величин является наиболее совершенной и универсальной из всех существовавших до настоящего времени. Она охватывает физические величины механики, термодинамики, электродинамики и оптики, которые связаны между собой физическими законами. Поэтому такие международные организации, как ЮНЕСКО и международная организация законодательной метрологии, призвали государства, являющиеся членами этих организаций, принять вышеупомянутую Международную систему единиц и градуировать в этих единицах все измерительные приборы.
Неотъемлемой частью экспериментальных исследований являются средства измерений, т.е. совокупность технических средств, имеющих нормированные погрешности, которые дают необходимую информацию для экспериментатора. Можно выделить средства измерения, позволяющие непосредственно определить испытуемый показатель (например, пресс для определения прочности материалов), и измерения, которые дают возможность косвенно судить об исследуемом показателе (ультразвуковые дефектоскопы позволяют оценить прочность материала по скорости прохождения ультразвука). К средствам измерений относят меры, измерительные приборы, установки и системы. Простейшим средством измерения является мера, предназначенная для воспроизведения физической величины заданного размера (например, гиря — мера массы).
Выходной сигнал средств измерения фиксируется отчетными устройствами, которые бывают шкальными, цифровыми и регистрирующими. Шкала является важной частью прибора. Расстояние в миллиметрах между двумя смежными отметками на шкале называют длиной деления шкалы. Разность между значениями измеряемой величины, соответствующую началу и концу шкалы, называют диапазоном показаний прибора.
Измерительные приборы (отчетные устройства) характеризуются величиной погрешности и точности, стабильностью измерений и чувствительностью. Погрешности приборов бывают абсолютными и относительными.
Под абсолютной погрешностью измерительного прибора принимается величина
b=±(xи–xд), где
xи — показательная прибора (номинальное значение измеряемой величины);
xд — действительное значение измеренной величины, полученное более точным методом.
Погрешность средства измерения — одна из важнейших его характеристик. Она возникает вследствие недоброкачественных материалов, комплектующих изделий, применяемых для приготовления приборов; неудовлетворительной эксплуатации, неправильной установки измерительной аппаратуры и др. Существенное влияние оказывают градуировка шкалы и периодическая поверка приборов. Кроме этих систематических погрешностей возникают случайные, обусловленные сочетаниями различных факторов — ошибками отсчета, параллаксом, вариацией, колебаниями температуры и т.д. Таким образом, необходимо рассматривать не какие-либо отдельные, а суммарные погрешности приборов, (т.е. случайные погрешности оцениваются методами математической статистики по данным многократных измерений). Систематические погрешности исключают введением поправок, найденных экспериментально.
Относительная погрешность определяется отношением
bотн=±(xи–xд)100/x
Суммарные погрешности, установленные при нормальных условиях (tв=20°С; влажность воздуха 80%; p=1,01325×105 Н/м2), называют основными погрешностями прибора.
Результаты измерений из-за погрешностей всегда несколько отличаются от истинного значения измеряемой величины, поэтому результаты измерения обычно сопровождают указанием оценки погрешности.
Диапазоном измерений называют ту часть диапазона показаний прибора, для которой установлены погрешности прибора (если известны погрешности прибора, то диапазон измерений и показаний прибора совпадает). Диапазон измерений является важной характеристикой прибора. Если шкала измерений изменяется от 0 до N, то в характеристике на прибор диапазон указывают в пределах 0…N. Ряд приборов с нижним пределом измерения 0 имеет большую погрешность в интервале 0…25% от верхнего предела измерений. Поэтому имеется много приборов без нижнего нулевого предела измерений. Приборы нельзя перегружать, хотя некоторые приборы выдерживают перегрузки, но со временем погрешности у верхнего предела измерений существенно возрастают.
Разность между максимальным и минимальным показаниями прибора называют размахом. Если эта величина непостоянная, т.е. если при обратном ходе имеется увеличение или уменьшение хода, то эту разность называют вариацией показаний W. Величина W — это простейшая характеристика погрешности прибора. Другой характеристикой прибора является чувствительность, т.е. способность отсчитывающего устройства реагировать на изменения измеряемой величины. Под порогом чувствительности прибора понимают наименьшее значение измеренной величины, вызывающее изменение показания прибора, которое можно зафиксировать.
Средства измерения делятся на классы точности. Класс точности — это обобщенная характеристика, определяемая пределами основной и дополнительных допускаемых погрешностей, влияющих на точность.
Стабильность (воспроизводимость прибора) — это свойство отсчетного устройства обеспечивать постоянство показаний одной и той же величины. Со временем в результате старения материалов стабильность показания приборов нарушается. Стабильность прибора определяется вариацией показания. Поэтому при установлении стабильности нормируют величину допускаемой вариации Wд. Поскольку вариация принимается с одним знаком, а допускаемая погрешность имеет положительные или отрицательные значения, то Wд=0,5bд, где bд— допустимая относительная погрешность прибора.
На все измерительные приборы в той или иной мере действует магнитное поле. Поэтому ряд электроизмерительных приборов должен быть защищен от действия магнитного поля, а также электростатистических явлений.
В последние годы при исследованиях различных процессов стали широко применяться электрические, электронные, частотные, радиоизотопные и другие приборы. Такие приборы, как правило, требуют дополнительной защиты от пыли, вибрации, газа, снега и др. отсутствие такой защиты может вызвать погрешности, превышающие допустимые. Все средства измерения (приборы, используемые для измерения в научных исследованиях) проходят периодическую поверку на точность. Такая поверка предусматривает определение и по возможности уменьшение погрешностей приборов. Поверка позволяет установить соответствие данного прибора регламентированной степени точности и определяет возможность его применения для данных измерений, т.е. определяются погрешности, и устанавливается, не выходят ли они за пределы допускаемых значений. Поверку средств измерений производят на различных уровнях — от специальных государственных организаций до низовых звеньев. На высокоточные измерительные средства государственные метрологические организации выдают специальное свидетельство, в котором после поверки указывают номинальные значения измеряемой величины, класс точности, предельную допускаемую погрешность, результаты поверки погрешности прибора в виде таблиц, вариации измерений. Для приборов меньшей ответственности свидетельство может не выдаваться и заменяться лишь указанием о том, что прибор удовлетворяет требованиям стандарта или инструкции. Прибор снабжается клеймом поверки.
Технические возможности измерительных приборов в значительной мере отражают уровень развития науки. С современной точки зрения, приборы, использовавшиеся учеными-естествоиспытателями в 19 веке и в начале нашего столетия, были весьма несовершенны. Тем не менее с помощью этих приборов ставились иногда блестящие эксперименты, оставившие заметный след в истории науки, открывались и изучались важные закономерности природы. Оценивая, например, значение известных измерений скорости света, проведенных американским физиком А. Майкельсоном, для последующего развития науки, академик С.И. Вавилов писал: «На почве его экспериментальных открытий и измерений выросла теория относительности, развилась и рафинировалась волновая оптика и спектроскопия и окрепла теоретическая астрофизика».
С прогрессом науки продвигается вперед и измерительная техника. Наряду с совершенствованием существующих измерительных приборов, работающих на основе традиционных, утвердившихся принципов (замена материалов, из которых сделаны детали прибора, внесение в его конструкцию отдельных изменений и т.д.), происходит переход на принципиально новые конструкции измерительных устройств, обусловленные новыми теоретическими предпосылками. Это миниатюризация и микроминиатюризация средств измерений с использованием новейших достижений науки, в частности физики твердого тела.
Тенденции развития измерительной техники к 21 веку определились довольно четко. Основными из них во всех областях измерительной техники являются:
1. резкое повышение качества приборов — снижение погрешностей до 0,1% и ниже, увеличение быстродействия до тысяч и даже миллионов измерений в 1 сек, повышение надежности приборов и уменьшение их размеров;
2. расширение области применения измерительной аппаратуры в направлении измерения величин, прежде не поддававшихся измерению, а также в направлении ужесточения условий эксплуатации приборов;
3. повсеместный переход к цифровым методам не только в области измерений электрических величин, но и во всех других областях (уже имеются цифровые термометры, манометры, газоанализаторы, виброметры и т.д.) при этом аналоговые приборы по-прежнему применяются и продолжают совершенствоваться;
4. дальнейшее развитие системного подхода к унификации измерительной аппаратуры;
5. широкое внедрение во все средства измерительной техники методов логической и математической обработки измерительной информации.
.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бабушкин А.Н. Современные концепции естествознания. Лекции по курсу: Серия «Учебники для вузов, специальная литература». — СПб: Изд. Лань, 2000
2. Горелов А.А. Концепция современного естествознания: Учеб. пособие. Практикум. — М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 1998
3. Крутов В.И., Грушко И.М., Попов В.В. и др. Основы научных исследований: Учеб. для техн. вузов. — М.: Высшая школа, 1989
4. Орир Дж. Физика: Перевод с англ. — М.: Мир, 1981
5. Сиборг Г. Химия. Курс для средней школы: Перевод с англ. — М.: Мир, 1971
6. Солопов Е.Ф. Концепция современного естествознания: Учеб. пособие для вузов. — М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 1998
7. Стоцкий Л.Р. Физические величины и их единицы. Справочник: Книга для учителя. — М.: Просвещение, 1984
8. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. — М.: Высшая школа, 1980
