Загальні поняття про технічні вимірювання

Вимірюванням називають сукупність операцій, виконуваних за допомогою технічного засобу, що зберігає одиницю величини і дозволяє порівняти з нею вимірювану величину. Отримане значення величини і є результат вимірювання. Цікаво відзначити відповідність у цілому такого сучасного трактування з тлумаченням цього терміна філософом П.Л. Флоренським, що ввійшло в "Технічну енциклопедію" видання 1931 р.: "Вимірювання - основний пізнавальний процес науки і техніки, за допомогою якого невідома величина кількісно порівнюється з другою, однорідною з нею і яка вважається відомою".

Одна з головних задач метрології - забезпечення єдності вимірювання - може бути вирішена при дотриманні двох умов, які можна назвати основними:

-       вираження результатів вимірювання у єдиних узаконених одиницях;

-       установлення припустимих помилок (погрішностей) результатів вимірювання і меж, за які вони не повинні виходити при заданій імовірності.

Погрішністю називають відхилення результату вимірювання від дійсного (істинного) значення вимірюваної величини. При цьому варто мати на увазі, що істинне значення фізичної величини вважається невідомим і застосовується в теоретичних дослідженнях; дійсне значення фізичної величини встановлюється експериментальним шляхом у припущенні, що результат експерименту (виміру) у максимальному ступені наближається до дійсного значення. Погрішності вимірювань звичайно приводяться в технічній документації на засоби вимірювання або в нормативних документах. Правда, якщо врахувати, що погрішність залежить ще і від умов, у яких проводиться сам вимір, від експериментальної помилки методики і суб'єктивних факторів людини у випадках, де вона безпосередньо бере участь у вимірюванні, то можна говорити про декілька складових погрішностей вимірювань або про сумарну погрішність.

По кількості вимірювальної інформації розрізняють однократні і багаторазові виміри.

Однократні виміри - це один вимір однієї величини, тобто число вимірювань дорівнює числу вимірюваних величин. Практичне застосування такого виду вимірювання завжди сполучено з великими погрішностями, тому варто проводити не менш трьох однократних вимірювань і знаходити кінцевий результат як середнє арифметичне значення.

Багаторазові виміри характеризуються перевищенням числа вимірювань кількості вимірюваних величин. Звичайно мінімальне число вимірювань у даному випадку більше трьох. Перевага багаторазових вимірювань - у значному зниженні впливів випадкових факторів на погрішність вимірювання.

Стосовно основних одиниць виміри поділяють на абсолютні і відносні.

Абсолютними вимірами називають такі, при яких використовується прямий вимір однієї (іноді декількох) основної величини і фізична константа. Так, у відомій формулі Ейнштейна Е=тс², маса (т) - основна фізична величина, що може бути виміряна прямим шляхом (зважуванням), а швидкість світла (с) - фізична константа.

Відносні виміри базуються на установленні відносини вимірюваної величини до однорідної, що застосовується як одиниця. Природно, що шукане значення виміру залежить від використовуваної одиниці.

З вимірюванням зв'язані такі поняття, як "шкала вимірювання", "принцип вимірювання", "метод вимірювання".

Шкала вимірювання - це упорядкована сукупність значень фізичної величини, що є основою для її виміру. Пояснимо це поняття на прикладі температурних шкал.

У шкалі Цельсія за початок відліку прийнята температура танення льоду, а як основний інтервал (опорної точки) - температура кипіння води. Одна сота частина цього інтервалу є одиницею температури (градус Цельсія). У температурній шкалі Фаренгейта за початок відліку прийнята температура танення суміші льоду і нашатирного спирту (або повареної солі), а за опорну точку узята нормальна температура тіла здорової людини. За одиницю температури (градус Фаренгейта) прийнята одна дев'яносто шоста частина основного інтервалу. По цій шкалі температура танення льоду дорівнює + 32°F, а температура кипіння води + 212°F. Таким чином, якщо по шкалі Цельсія різниця між температурою кипіння води і танення льоду складає 100°С, то по Фаренгейту вона дорівнює 180°F. На цьому прикладі ми бачимо роль прийнятої шкали як у кількісному значенні вимірюваної величини, так і в аспекті забезпечення єдності вимірювань. У такому випадку потрібно знаходити відношення розмірів одиниць, щоб можна було порівняти результати вимірювань, тобто t°F/t°C.

У метрологічній практиці відомі кілька різновидів шкал: шкала найменувань, шкала порядку, шкала інтервалів, шкала відносин і ін.

Шкала найменувань - це свого роду якісна, а не кількісна шкала, вона не містить нуля й одиниць вимірювання. Прикладом може служити атлас кольорів (шкала кольорів). Процес вимірювання полягає у візуальному порівнянні пофарбованого предмета зі зразками кольорів (еталонними зразками атласу кольорів). Оскільки кожен колір має чимало варіантів, таке порівняння під силу досвідченому експертові, що володіє не тільки практичним досвідом, але і відповідними особливими характеристиками зорових можливостей.

Шкала порядку характеризує значення вимірюваної величини в балах (шкала землетрусів, сили вітру, твердості фізичних тіл і т.п.).

Шкала інтервалів (різностей) має умовні нульові значення, а інтервали встановлюються за узгодженням. Такими шкалами є шкала часу, шкала довжини.

Шкала відносин має природне нульове значення, а одиниця вимірювання установлюється за узгодженням. Наприклад, шкала маси (звичайно ми говоримо "ваги"), починаючи від нуля, може бути градуйована по-різному в залежності від необхідної точності зважування. Порівняйте побутові й аналітичні ваги.