1.3 СТРУКТУРНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ИЗМЕРЕНИЯ
Измерение – сложное понятие, для анализа которого необходимо рассмотреть основные структурные элементы, а именно: цель измерения, объект исследования и его модель, априорную информацию, измеряемую величину, средство измерений, результат и погрешность измерений. На рисунке 2 показаны основные структурные элементы измерения .
Цель измерения определяется совокупностью требований к измерению, которые обусловлены содержанием того этапа исследовательской или конструкторской деятельности, в рамках и в интересах которого проводят измерение. Измерение никогда не является самоцелью. Поэтому цель измерения является "внешней" по отношению к измерению. Цель измерения конкретизирует объект исследования (измерения), выделяет на нем представляющую интерес физическую величину и определяет требуемую точность измерений.
Априорная информация – один из факторов, обуславливающих эффективность измерения: при ее отсутствии измерение невозможно, при наличии в максимальном объеме (известном значении измеряемой величины) – ненужно. Априорная информация определяет достижимую точность измерений и их эффективность.
Объект исследования (измерения) – реальный физический объект, элемент природной или технологической среды. Он обладает многими особенностями (свойствами), находится в многосторонних и сложных связях с другими объектами. Человек не в состоянии представить себе (воспринять) объект целиком, во всем многообразии его свойств и во всех взаимосвязях. Поэтому взаимодействие человека с объектом – исследование или преобразование – возможно лишь на модели объекта.
Модель объекта – теоретико-физическая и математическая конструкция, которая отражает свойства объекта, существенные для данной задачи, в частности измерительной. Модель, строится в соответствии с целью измерения до его выполнения на основе априорной информации об объекте и условиях измерения.
Физическая величина в соответствии с определением может рассматриваться в двух аспектах: общем и конкретном. Непосредственным элементом измерения является конкретная физическая величина, т.е. качественно определенная особенность конкретного объекта. Цель построения измерительной модели объекта состоит в выявлении (представлении) именно конкретной физической величины. Любая физическая величина есть результат абстрагирования от реальности, однако, по уровню абстрагирования физические величины резко отличаются. Так, время и длина отражают непосредственно формы существования материи, а масса и температура связаны с фундаментальными свойствами всех материальных объектов. Наряду с этим система физических величин содержит, например, силу тока, характеризующую определенный тип происходящих в объектах процессов, а также твердость, представляющую собой "внешнее" описание объектов, обусловленной целым рядом их фундаментальных физических свойств. Соответственно модели конкретных величин также отличаются друг от друга уровнем абстрагирования: одни из них являются "первичными", описывающими фундаментальные свойства, а другие – "вторичными", построенными на базе первых.
Измеряемая величина представляет собой постоянный параметр модели объекта, отражающий ту его особенность, количественную оценку которой необходимо получить в результате измерений. Измеряемая величина может совпадать с выделенной физической величиной. Если же свойства объекта зависят от времени или пространственных координат, то измеряемая величина представляет собой параметр (функционал) исходной физической величины. Например, если напряжение изменяется, то на его модели как функции времени выделяют постоянный параметр, который представляет собой измеряемую величину. Таким параметром может быть мгновенное или эффективное напряжение.
Средство измерений определяется как техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства. Средство измерений входит в структуру измерения двояким образом. Во-первых, оно является реальным техническим устройством, которое приводят во взаимодействие с объектом. Это взаимодействие обуславливает появление входного сигнала средства измерений, отклик на который – выходной сигнал – несет информацию об измеряемой величине и подлежит в общем случае обработке с целью нахождения результата измерения и оценки его погрешности. Во-вторых, средство измерений характеризуется своей моделью, которая необходима для правильного применения средства и для эффективности обработки опытных данных.
Модель средства измерений представлена совокупностью его метрологических характеристик, т.е. характеристик тех свойств, которые оказывают влияние на результаты и погрешности измерений.
Метод измерений определяется как "совокупность приемов использования принципов и средств измерений". Отметим, что метод измерений обусловлен целью измерения и, в свою очередь, определяет, как следует организовать взаимодействие средства измерений с объектом и каким образом можно извлечь из исходных и опытных данных требуемую информацию. Таким образом, алгоритм обработки данных является составной частью метода измерений.
Условия измерения – важный фактор, определяющий состояние объекта и эффективность использования средства измерений. Изменяя состояние объекта, условия влияют на выделенную физическую величину и через нее – на измеряемую величину и отклонение значения действительной измеряемой величины от той, которая определена при формулировании измерительной задачи. Влияние этих условий на средство измерений проявляется в изменении его метрологических характеристик; та часть указанного изменения, которая остается неконтролируемой, определяет степень недостоверности результата измерения.
Результат измерений есть значение физической величины (совокупность значений), полученное в итоге измерения. Он выражается в форме именованного числа или ряда чисел. При аналоговой регистрации изменяющейся величины, которую можно рассматривать как совокупность незавершенных измерений, результатом служит кривая записи на механическом или электронном носителе. Если в состав алгоритма обработки данных включена процедура их аппроксимации, то результат может принять форму аналитической зависимости.
Рисунок1.2 показывает, что измерение можно рассматривать как систему, состоящую из двух параллельных рядов соответствующих друг другу элементов, которые относятся к реальности и к ее отражению (познанию). Первый ряд включает в себя объект исследования с выделенной его особенностью – физической величиной, метод измерений, средство или средства измерений, условия проведения измерений, взаимодействие средства измерений с объектом и результаты этого взаимодействия: входное воздействие на средство измерений (входной сигнал) и отклик средства измерений на это воздействие – выходной сигнал средства измерений, дающий результаты измерений наблюдений, а также вычислительные средства. Второй ряд содержит цель измерения, модель объекта с выделенным на ней или введенным на ее основе параметром – измеряемой величины, модель средства измерений с параметрами (метрологическими характеристиками), данные о влияющих физических величинах и помехах, а также модель результатов наблюдений и алгоритм обработки.
Элементы обоих рядов соответствуют друг другу по типу реальность – отражение (модель). Адекватность моделей соответствующим реальностям обусловлена теоретическими и экспериментальными исследованиями. Модель средства измерений обоснована теоретически, а его метрологические характеристики получены экспериментально. При условии адекватности моделей алгоритмы вычислений результата измерения в реальном и модельном рядах тождественны. Таким образом, оба ряда неразрывно связаны между собой. Адекватность в целом реального и модельного рядов устанавливают по результатам измерительного эксперимента при оценке погрешности измерения. Если оценка погрешности оказывается больше рассчитанной до измерения, то это свидетельствует о наличии неучтенных факторов – источников составляющих погрешности, т.е. в конечном итоге о неадекватности модели измерения. Как следует из сказанного, под моделью измерения следует понимать описание его структурных элементов в их взаимосвязях и взаимодействии.
Рисунок1.2 иллюстрирует то, что именно математическая обработка данных служит связующим звеном между структурными элементами измерения, относящимися к реальному и идеальному (модельному) рядам, а также помогает уяснить, что причиной несовершенства измерения (обобщенным источником погрешности результата) является неустранимая (по принципиальным или техническим соображениям) неполнота или неадекватность модельного описания реальности.