1.2 Основные признаки измерения физических величин
Понятие "измерения" распространяется на весьма широкое разнообразие объектов измерений, разнообразие их свойств, разнообразие способов получения информации о свойствах объектов измерений, разнообразие используемых технических средств (средств измерений). Какие общие особенности таких разных операций, как определение массы груза, длины отрезка ткани, площади земельного участка, интенсивности космического излучения, механических напряжений в элементах летательных аппаратов и т.д. и т.п., – заставили объединить эти операции единым понятием "измерения"? Оказывается, имеется несколько общих особенностей, признаков подобных операций, что позволяет строить общую теорию всех таких операций, общую методологию определения степени близости результатов их целям (метрологию).
Первым общим признаком измерений является их общая функция: получение на числовой оси абстрактного отражения реального свойства объекта измерений в тех реальных условиях, в которых он находится.
Эта общая функция делает измерения важнейшим звеном в связи теории с практикой, в методах проверки правильности теории. С общей функцией измерений связано столь же принципиальное требование к измерениям: отражение размеров измеряемых величин (область вещественного, материального) числом, математическим понятием (область абстрактного). Число может быть выражено любым принятым в математике способом. В общем случае целесообразно говорить о коде, выраженном комбинацией цифр в любой системе счисления, или комбинацией уровней электрического напряжения в каком-либо устройстве, или комбинацией знаков, зафиксированных на любом носителе (бумага, магнитный диск, перфолента и др.). Следует подчеркнуть два обстоятельства.
Во-первых, важно, что функция измерений – это количественное оценивание свойств объектов измерений именно в тех условиях, в которых объекты находятся при проведении измерений. Например, водитель автомобиля непрерывно измеряет скорость движения автомобиля именно при тех условиях и режимах работы автомобиля, при которых автомобиль движется. В зависимости от скорости движения и дорожной обстановки водитель принимает управляющие решения о режиме движения.
Во-вторых, измерения характеризуются общностью цели: свойство реального объекта измерений (первичная цель); истинное значение измеряемой величины – принятого параметра принятой модели объекта измерений (непосредственная цель). Вследствие неизбежной приближенности, неточности отражения моделью реальных свойств объекта измерений, между первичной целью измерений и непосредственной целью – измеряемой величиной, в общем случае имеется некоторое различие, отражаемое погрешностью, обусловленной неадекватностью модели.
Вторым отличительным признаком измерений является специфическая особенность способов получения информации о различных свойствах различных материальных объектов. Эта особенность заключается в том, что первичная информация о свойствах объектов получается в результате непосредственного взаимодействия (контактного или бесконтактного) специального технического средства с объектом измерений. Таким техническим средством всегда служит первичный измерительный преобразователь или измерительный прибор, чувствительный элемент которого взаимодействует с объектом измерений.
Третий отличительный признак измерений – общность этапов подготовки к измерениям. Эти этапы следующие:
a) устанавливается модель объекта измерений, адекватно отражающая те его свойства, определение которых составляет задачу измерений. Это первый, необходимый этап планирования измерений, разработки методик выполнения измерений. В результате выполнения этого этапа определяют "измеряемую величину", диапазон ее возможных значений, характер ее изменения во времени (динамику). Если измеряемая величина является информативным параметром (характеристикой) какого-либо процесса, то на данном этапе ориентировочно оценивается частотный спектр процесса, делается суждение о характере процесса (случайный, импульсный, гармонический и т.п.);
b) устанавливается, будет ли на вход первичного измерительного преобразователя или на чувствительный элемент измерительного прибора воздействовать непосредственно принятая измеряемая величина или какая-либо другая величина, функционально связанная с измеряемой величиной. Этот вопрос решается в зависимости то того, средства измерений каких физических величин доступны или могут быть применены.
Например, при измерениях высоты какого-либо объекта над уровнем Земли могут применяться барометры абсолютного давления. В этом случае измеряемой величиной является высота расположения объекта над уровнем Земли, а на вход измерительного прибора воздействует другая величина – абсолютное давление в точке расположения объекта, связанное функциональной зависимостью с измеряемой величиной – высотой расположения объекта над уровнем Земли. Назовем в данном случае абсолютное давление "вторичной величиной", отражающей размер измеряемой величины. Функциональная зависимость между измеряемой и "вторичной" величинами может иметь параметры, называемые неинформативными, которые могут оказывать нежелательное влияние на результат измерения, следовательно, на погрешность измерения. В данном примере такими неинформативными параметрами, оказывающими влияние на погрешность измерения высоты, являются температура и влажность столба атмосферы под объектом, высота расположения которого над Землей измеряется.
В результате выполнения данного этапа подготовки к измерениям устанавливают основной метод измерений и далее выбирают вид и тип средства измерений (первичного измерительного преобразователя или измерительного прибора), вырабатывающего первичную информацию об определяемом свойстве объекта измерений при непосредственном взаимодействии средства измерений с объектом измерений;
c) выбираются методы, операции и технические средства, позволяющие оптимально, то есть с возможно меньшими затратами и с приемлемой точностью преобразовать выходной сигнал первичного измерительного преобразователя в число или совокупность чисел, отражающих изучаемое свойство объекта, т.е. в результат измерений.
Четвертым отличительным признаком измерений является общность метрологической методологии определения степени достижения цели измерений (погрешности измерений), отмеченная выше, как основная фундаментальная особенность измерений.
Отсутствие сведений или неверные сведения о степени соответствия результата измерений истинным изучаемым свойствам объекта измерений полностью или в значительной степени обесценивает результаты измерений. Решения, принимаемые на основе той информации, которая заключена в результатах измерений, могут при этом оказаться ошибочными, причем сведения о возможной ошибочности принимаемых решений будут отсутствовать.
Именно поэтому во всех странах мира и в международном сообществе развиваются те или иные метрологические системы, определяющие метрологическую методологию. Назначение подобных систем – обеспечить возможность определения степени близости результатов измерений к истинным свойствам объектов измерений. Такая система должна включать в себя большой комплекс общих научных основ и методик, разрабатываемых метрологическими институтами; технических средств; организационных мероприятий. Метрологическая методология определяет: систему единиц физических величин; систему эталонов; принципиальные основы передачи размеров единиц от эталонов рабочим средствам измерений (поверочных схем); систему образцовых средств измерений; методы нормирования метрологических характеристик, испытаний и поверки средств измерений; методы разработки и метрологической аттестации методик выполнения измерений; систему метрологической подготовки инженерно-технических кадров. Реализация метрологической методологии в практической деятельности общества осуществляется метрологическими службами – государственной и ведомственными. Основное назначение всего этого сложного, громоздкого комплекса – обеспечение возможности оценки степени достижения цели измерений.
Итак, измерения характеризуются единством функции и цели; общностью способов получения первичной информации о свойствах объектов измерений непосредственно от самих объектов; общностью основных этапов подготовки к измерениям; единством методологии определения степени достижения цели. Именно совокупность всех этих признаков делает целесообразным объединение соответствующих экспериментальных операций в единое понятие. Эта общность позволяет строить единую, общую для данных операций теорию измерений, включающую в себя научные основы построения моделей объектов измерений, выбора методов измерений; разрабатывать научные основы классификации измерений, позволяющие устанавливать общие принципы построения методики выполнения измерения (МВИ), метрологической аттестации МВИ; оптимизировать систему единиц и систему эталонов, поверочные схемы, методы нормирования метрологических характеристик, испытаний и поверки средств измерений. Общность операций измерений позволяет строить основанные на единых принципах государственную и ведомственные метрологические службы. Все это дает возможность не только рационально решать научные и технические задачи, связанные с измерениями, но и радикально уменьшить колоссальные затраты, которые были бы неизбежны, если бы все конкретные задачи каких-либо измерений решались каждый раз отдельно, самостоятельно, независимо от решений задач других конкретных измерений, то есть если бы отсутствовали общие научные основы измерений.