Засоби вимірювальної техніки

Засоби вимірювальної техніки

ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ВИМІРЮВАННЯ ТА ЗАСОБИ ВИМІРЮВАЛЬНОЇ ТЕХНІКИ

1.1. Метрологічне забезпечення, інформація, вимірювання, метрологія: визначення і взаємозв'язок

Поняття "метрологічне забезпечення" виникло порівняно недавно і викликано необхідністю встановлення єдиного підходу до організації і проведення вимірювань, а також до єдиного розуміння їх результатів.

У широкому значенні під метрологічним забезпеченням розуміють установлення і застосування метрологічних норм і правил, а також розробку, виготовлення та застосування технічних засобів, необхідних для досягнення єдності і потрібної точності вимірювань.

Метрологічне забезпечення перетворилося в самостійну галузь техніки, яка має важливе практичне значення. Головними сферами його застосування є підвищення ефективності наукових досліджень і дослідно-конструкторських робіт, технічного обслуговування різних фізичних об'єктів і підтримання їх працездатного стану, зберігання матеріальних цінностей і енергетичних ресурсів, медицина, охорона навколишнього середовища і контроль умов життєдіяльності людей, підвищення вірогідності випробувань і контролю якості продукції тощо.

З визначення метрологічного забезпечення випливає, що центральне місце в ньому посідає поняття "вимірювання". Проте перед тим, як дати визначення "вимірюванню", введемо поняття "об'єкт вимірювання", "фізична величина" та "одиниця вимірювань", або "одиниця фізичної величини"(ОФВ).

Примітка. Терміни і визначення в главі 1 наведені згідно з ДСТУ 2681-94, хоча автор не завжди з ними згоден.

Об'єкт вимірювання матеріальний об'єкт, одна або декілька властивостей якого підлягають вимірюванню.

Кожному об'єкту матеріального світу, до якого, зокрема, належать технічні об'єкти (елементи, пристрої, прилади, агрегати, системи, комплекси), речовини, явища і процеси (фізичні, хімічні, біологічні, технологічні та ін.), а також люди, притаманна безліч різних властивостей, на підставі яких можуть бути одержані певні відомості про стан об'єкта вимірювання (ОВ). Сукупність цих відомостей називається узагальненим поняттям інформація.

Властивості ОВ відрізняються якісними і кількісними ознаками, які відображаються в понятті "фізична величина" (рис. 1.1).

Під фізичною величиною (ФВ) розуміють властивість, загальну в якісному відношенні для багатьох об'єктів вимірювань, але в кількісному відношенні індивідуальну для кожного з них. Отже, якісні ознаки мають узагальнений характер, вони об'єднують однорідні властивості найрізноманітніших ОВ. Так, до фізичних величин належать, наприклад, маса, довжина, температура, струм, електрична напруга, частота тощо. Якісна ознака ФВ відображається в понятті "рід ФВ".

Рис. 1.1. Фізична величина та її характеристики

Фізичні величини, що підлягають вимірюванню, називають вимірюваними величинами. Інколи використовують термін "контрольовані параметри". Наприклад, вимірюваними величинами, або контрольованими параметрами, можуть бути напруга і частота джерела живлення, температура, тиск і вологість повітря атмосфери, частотні характеристики технічного об'єкта і т.д.

Найважливішими є відомості про кількісні характеристики властивостей ОВ, які одержують за допомогою вимірювань. Такі відомості розширюють наші знання, тобто знижують якоюсь мірою невизначеність знань про ОВ. Таким чином, вимірювання служать для одержання інформації про явища, технічні процеси, об'єкти тощо, тому вони вважаються інформаційним процесом. Основним інструментом одержання кількісної інформації є засоби вимірювальної техніки. Отже, вимірювальна техніка призначена для одержання експериментальної кількісної інформації про властивості різноманітних об'єктів матеріального світу. Таку інформацію одержують за допомогою процесів вимірювання, контролю, обліку, розпізнавання, виявлення, діагностики.

Інформацію про вимірювані величини та залежності між ними називають вимірювальною інформацією. Вона виникає під час взаємодії, принаймні, двох матеріальних об'єктів об'єкта вимірювання і засобу вимірювальної техніки (ЗВТ). Отже, засіб вимірювальної техніки є джерелом вимірювальної інформації.

Індивідуальність фізичної величини в кількісному відношенні відображається в поняттях "розмір" і "значення фізичної величини".

Під розміром фізичної величини розуміють кількісний вміст фізичної величини в даному об'єкті вимірювання.

Значення фізичної величини це відображення розміру фізичної величини у вигляді числового значення величини з позначенням одиниці вимірювання.

Числове значення фізичної величини число, яке дорівнює відношенню розміру вимірюваної фізичної величини до розміру одиниці вимірювань (одиниці цієї фізичної величини) або кратної (часткової) одиниці.

Одиниця вимірювань (одиниця фізичної величини) фізична величина певного розміру, прийнята за згодою для кількісного відображення однорідних з нею величин.

Таким чином, зміст понять "розмір" і "значення фізичної величини" полягає в тому, що кількість даної властивості одного ОВ може бути в певне число разів більше або менше від кількості аналогічної властивості іншого ОВ. Неправильно кількість властивості виражати терміном "величина", наприклад, "величина опору" або "величина напруги", оскільки і опір, і напруга є фізичними величинами.

Разом з тим між поняттями "розмір" і "значення фізичної величини" є відмінність. Розмір ФВ існує реально, об'єктивно і залишається незмінним. Оцінку розміру ФВ називають значенням фізичної величини, яке одержують вимірюванням цього розміру. Проте в практиці вимірювань поняття "розмір" і "значення фізичної величини" часто не відрізняють. Оскільки значення ФВ одержують експериментально, то в теперішній час віддають перевагу такому визначенню вимірювання.

Вимірювання це відображення фізичних величин їхніми значеннями за допомогою експерименту (а іноді обчислень) із застосуванням спеціальних технічних засобів.

Під спеціальними технічними засобами розуміють засоби вимірювальної техніки, визначення яких наведено в підп. 1.4.1.

Відрізняють істинне і умовно істинне (дійсне) значення ФВ.

Істинне значення фізичної величини це значення фізичної величини, що ідеально відображає в якісному і кількісному відношенні відповідну властивість даного об'єкта вимірювання.

Проте через недосконалість вимірювань і ЗВТ істинне значення ФВ, яке існує об'єктивно, незалежно від його пізнавання нами, визначити експериментально в принципі неможливо. Тому для значення фізичної величини, знайденого шляхом вимірювання, застосовують терміни "умовно істинне (дійсне) значення" і "результат вимірювання".

Умовно істинне ( дійсне) значення фізичної величини це значення фізичної величини, знайдене експериментально і настільки наближене до істинного значення, що може бути використано замість нього для даної мети.

Результат вимірювання це значення фізичної величини, одержане шляхом її вимірювання. Результати вимірювань знаходять за показами засобів вимірювань (ЗВ) безпосередньо або після додаткових обчислень.

Показ засобу вимірювань значення вимірюваної величини, відтворене за допомогою засобу вимірювань і подане сигналом вимірювальної інформації.

Поняття "засіб вимірювань" наведено в підп. 1.4.2.

При практичних вимірюваннях поняття "умовно істинне значення ФВ" і "результат вимірювання" вважаються ідентичними, і тільки при порівнянні показів двох ЗВ, на чому ґрунтується повірка та метрологічна атестація ЗВ (див. § 5.4), вони розрізняються. За умовно істинне (дійсне) значення приймають показ більш точного, зразкового ЗВ, а за результат вимірювання показ ЗВ, що повіряється (атестується).

Сказане вище можна сформулювати у вигляді трьох постулатів вимірювань.

1. Існує істинне значення ФВ, яке підлягає вимірюванню. Це значення якнайкраще відображає в кількісному відношенні розмір відповідної властивості ОВ.

2. Істинне значення ФВ визначити неможливо через недосконалість різних елементів процесу вимірювання (див. § 1.3). Тому вимірюють умовно істинне (дійсне) значення ФВ, яке відрізняється від її істинного значення.

3. Істинне значення ФВ є постійним.

Математично результат вимірювання X (значення фізичної величини ) в загальному вигляді подають у формі запису, названого основним рівнянням вимірювання:

, (1.1)

де числове значення вимірюваної фізичної величини (показ ЗВ);

одиниця вимірювань (одиниця фізичної величини).

Основним дане рівняння названо тому, що воно повністю розкриває метрологічну суть вимірювань, яка полягає в порівнянні розміру вимірюваної ФВ Х з прийнятою одиницею цієї ФВ.

Таким чином, результат вимірювання виражають іменованим або неіменованим числом, яке становить співвідношення розміру вимірюваної ФВ з її одиницею. Приклади: 220 В, 36 оC іменовані числа; відношення напруг 10,0, коефіцієнт підсилення 100 неіменовані числа.

Якісна відміна результату вимірювання та умовно істинного (дійсного) значення вимірюваної ФВ від її істинного значення характеризується похибкою вимірювання (див. § 2.1). Похибка властива будь-якому вимірюванню і є досить важливим показником якості вимірювань. Тому, вказуючи результат вимірювання, необхідно наводити характеристику похибки, за якою він одержаний. Адекватним похибці є інший показник якості вимірювань точність вимірювання, що, як і похибка, відображає міру близькості результату вимірювання до істинного значення вимірюваної величини.

Крім похибки і точності вимірювань, для характеристики якості вимірювань використовуються й інші показники: правильність, збіжність і відтворюваність, а також невизначеність. Їх фізичний зміст розкрито в § 2.2.

Вимірюванням властива одна фундаментальна особливість, яка полягає в єдності методології оцінки ступеня досягнення поставленої мети. Ця методологія узагальнюється науковою дисципліною "метрологія".

Метрологія це наука про вимірювання, яка включає теоретичні і практичні аспекти вимірювань в усіх галузях науки і техніки. Головним завданням метрології є забезпечення єдності і заданої (потрібної) точності вимірювань.

Єдність вимірювань стан вимірювань, при якому їхні результати виражаються в узаконених одиницях вимірювань, похибки вимірювань відомі та з заданою ймовірністю не виходять за встановлені границі.

Забезпечення єдності вимірювань є необхідним для зіставлення результатів вимірювань, виконаних у різний час, у різних місцях, різними методами і засобами, різними експериментаторами.

1.2. Системи фізичних величин і одиниць вимірювань

Вимірювання фізичних величин, що характеризують той чи інший ОВ, дозволяють установити і кількісно виразити зв'язки, які існують між цими величинами. Саме так, наприклад, було встановлено математичний зв'язок між масою тіла, прискоренням і силою, яка його створює, відомий під назвою другого закону Ньютона.

Аналітичний зв'язок між фізичними величинами, що відображає різні властивості будь-якого ОВ, виражається рівнянням зв'язку, яке в загальному випадку має вигляд:

, (1.2)

де фізичні величини, ;

абстраговані додатні та від'ємні числа;

A числовий коефіцієнт.

Сукупність фізичних величин, що розглядаються як узагальнені фізичні властивості і зв'язані між собою строгими функціональними залежностями, називається системою фізичних величин. Фізичні величини поділяють на основні та похідні.

Основна фізична величина це фізична величина, що входить у дану систему фізичних величин і прийнята за незалежну від інших величин цієї системи. Наприклад, до основних величин різних систем належать довжина, маса, час.

Похідна фізична величина це фізична величина, що входить у дану систему фізичних величин і визначається через основні величини цієї системи.

Такою величиною, наприклад, є швидкість, якщо за основні величини системи вибрані довжина і час. Розмірність похідних величин визначається через розмірності основних величин.

Під розмірністю фізичної величини розуміють вираз, що відображає її зв'язок з основними величинами даної системи фізичних величин. Розмірність основної ФВ не залежить від інших величин, тобто формула розмірності основної величини збігається з привласненим їй умовним символом. Розмірність похідної фізичної величини є добутком розмірностей основних величин, піднесених до відповідних степенів.

Термін "розмірність" при записі позначають скороченням "dim" (від латинського слова dimension розмір) або знаком [Х], а розмірність фізичних величин великими літерами латинського алфавіту прямим шрифтом. Так, розмірності довжини l, маси m і часу t позначають відповідно L, M, T, а система фізичних величин, в якій ці величини взяті за основні, називається системою LMT (вона свого часу діяла в механіці). Наприклад, розмірність похідної величини швидкості може бути одержана з формули швидкості прямолінійного рівномірного руху і виражається співвідношенням

dim v = LM0T-1.

Запис М0 свідчить про відсутність цієї величини (в даному випадку маси) в розмірності.

Фізичні величини за видом розмірності поділяють на розмірнісні й безрозмірнісні.

Розмірнісна фізична величина це величина, в розмірності якої хоча б одна з основних величин піднесена до степеня, що не дорівнює нулю.

Показники степеня, до якого піднесена розмірність основних величин, що входять до розмірності похідної фізичної величини, називають показниками фізичної величини.

Безрозмірнісна фізична величина це величина, в розмірності якої всі степені розмірностей основних величин дорівнюють нулю.

Безрозмірнісними фізичними величинами є відносні і логарифмічні величини. Відносна величина являє собою відношення двох однорідних однойменних фізичних величин, наприклад, коефіцієнт гармонік, коефіцієнт форми, коефіцієнт амплітудної модуляції та ін. Логарифмічна величина являє собою логарифм відношення двох однорідних фізичних величин. Логарифмічні величини широко застосовуються для відображення підсилення і ослаблення потужності й напруги електричних сигналів у радіотехніці й техніці зв'язку та передавання інформації.

1.2.2. Системи одиниць вимірювань

Нагадаємо, що, згідно з основним рівнянням вимірювань (1.1), усі результати вимірювань подаються у загальноприйнятих одиницях вимірювань, або одиницях фізичних величин.

Для позначення одиниць вимірювань використовують їх умовні символи у вигляді літерних позначень, які можуть бути міжнародними (з латинського та грецького алфавітів) і українськими. Наприклад: m (м) позначення метра, kg (кг) позначення кілограма, s (с) позначення секунди, V (В) позначення вольта, (Ом) позначення ома.

Одиниці вимірювань, їх найменування, позначення і правила застосування встановлюються державним стандартом.

Зв'язок між одиницями вимірювань установлює рівняння зв'язку, одержане з основного рівняння (1.1) і рівняння зв'язку (1.2) між ФВ. З урахуванням (1.1) рівняння зв'язку (1.2) записується у вигляді

. (1.3)

Воно є основою для одержання іншого виду рівняння зв'язку між числовими значеннями

. (1.4)

У цьому рівнянні символи позначають не конкретні величини (масу, довжину, силу і под.), а конкретні числа, які залежать від вибору одиниць відповідних ФВ. Наявність у формулі (1.4) числового коефіцієнта a, який залежить від вибору одиниць, є характерною ознакою рівнянь цього виду. До них, зокрема, належать усі емпіричні формули.

Розділивши рівняння (1.3) на (1.4), одержимо рівняння зв'язку між одиницями вимірювань:

, (1.5)

де b- числовий коефіцієнт: .

Одиниці вимірювань [Xi] можуть бути вибрані таким чином, щоб коефіцієнт A в рівнянні (1.3) дорівнював коефіцієнту a в рівнянні (1.4), тобто . Тоді коефіцієнт . Одиниці фізичних величин, які задовольняють цій умові, називають когерентними. Вони утворюють когерентну систему одиниць вимірювань, для яких рівняння зв'язку (1.4) між числовими значеннями має таку саму форму (включаючи коефіцієнт), що й рівняння зв'язку (1.3) між фізичними величинами.

Одиниці вимірювань, як і фізичні величини, об'єднуються в системи одиниць вимірювань, або одиниць фізичних величин, які застосовуються в окремих країнах або в міжнародних масштабах.

Система одиниць вимірювань (одиниць фізичних величин) це сукупність одиниць певної системи фізичних величин.

Одиниці вимірювань поділяють на основні і похідні.

Основною називається одиниця основної фізичної величини, вибрана довільно при створенні системи одиниць, а похідною одиниця похідної фізичної величини у певній системі одиниць. Рівняння для установлення похідних одиниць вимірювань можуть бути вибрані довільно, але на практиці перевага надається простим рівнянням, в яких фізичні величини зв'язані між собою операціями ділення і множення. Поряд із системними одиницями використовуються позасистемні одиниці вимірювань, тобто одиниці, які не входять у жодну систему. Прикладами таких одиниць можуть бути карат (одиниця маси), кінська сила (одиниця потужності), доба і місяць (одиниці часу) та ін. Виникнення цих одиниць пояснюється зручністю їх використання у повсякденній практиці і загальноприйнятими традиціями.

Страницы: 1, 2