ЭИПиДИ. ЭИПиДИ_1. 1. Основы теории измерений Измерение физических величин
 Скачать 46.73 Kb.
|
1. Основы теории измерений1.1. Измерение физических величинВ 1852 году часовщик Эдвард Джон Дент решил создать самые большие и точные часы в мире. На постройку часов башни Вестминстерского дворца в Лондоне, известной всему миру под названием Биг-Бен, ушло семь лет. Чем не свидетельство одной из главных потребностей человечества? Жизнь современного человека зависит от точных измерений. В свое время башенные часы считались инженерным чудом с погрешностью до одной секунды в час. Однако времена менялись. В наши дни созданы часы с погрешностью в одну секунду за 15 миллиардов лет. В этом разделе мы рассмотрим, как измерения помогли цивилизациям древности подчинить окружающий мир, отправили человека на Луну и расщепили атом. Но сначала ответим на вопросы, что такое измерение, что мы измеряем и зачем? Интуитивное описание термина «измерение» может звучать так: «измерение – это процесс получения информации». Однако скачивание файла из сети Интернет на локальный компьютер – это тоже процесс получения информации, но очевидно это не измерение. Поэтому примем данное описание за рабочее определение термина и скорректируем его, рассмотрев ряд аспектов, характерных для измерений. Измерения проводятся с целью узнать что-то об объекте измерения, то есть об измеряемой величине. Другими словами это означает, что результат измерения должен описывать состояние или явление, которое мы измеряем, в реальном мире. Причем между этим состоянием или явлением и результатом измерения должно существовать определенное соотношение. И поэтому, несмотря на то, что получение информации в результате измерения является очевидным, это всего лишь один из аспектов измерения. Необходимое, но не достаточное условие для определения термина. Например, когда Вы читаете этот учебник, Вы получаете, накапливаете информацию, но при этом не выполняете никаких измерений. Второй аспект измерения - оно должно быть избирательным. В окружающем нас мире множество состояний, явлений. А измерение должно предоставить нам сведения только о том, что мы хотим измерить, то есть об измеряемой величине. Измеряя массу предмета, Вы не получаете информации об его размере или цвете. С другой стороны, любуясь картиной в пустой комнате, где нет ничего другого, Вы получите информацию только об этой картине и, тем не менее, это не будет измерением. Это условие тоже необходимо, но не достаточно для определения измерения. Третий аспект - измерение должно быть объективным. Исход измерения не должен зависеть от человека, проводящего измерение. Любой наблюдатель в результате измерения должен получать одинаковую информацию и приходить к одним выводам. А вот это уже невозможно, если наблюдатель будет пользоваться исключительно своими собственными органами чувств. Наблюдения, выполненные с помощью органов чувств, субъективны. К примеру, восприятие температуры объекта человеком зависит от ощущения тепла или холода до момента наблюдения, и в этом достаточно легко убедиться. Попробуйте определить рукой температуру воды в стакане. Если сначала окунуть руку в ледяную воду, то вода в стакане скорее покажется тёплой. Однако если сначала опустить руку в горячую воду, то вода в стакане покажется весьма холодной. Помимо этого в окружающем мире существует множество состояний и явлений, которые мы или просто не ощущаем, к примеру, магнитные поля, или воспринимаем только качественно, например, очень низкие температуры или движение с большими скоростями. Чтобы обеспечить объективность измерения, мы должны воспользоваться различными приспособлениями, другими словами измерительными средствами, приборами. Основная функция измерительных приборов заключается в том, чтобы преобразовать наблюдаемое состояние или явление в другое состояние или явление, которое люди-наблюдатели уже не может истолковать по-разному. Если в приведённом ранее примере со стаканом с водой использовать электронный термометр, то температура воды будет преобразована прибором, например, в число, отображаемое на текстовом дисплее и его по-разному уже не истолковать. Получается, что измерительный прибор преобразует исходное наблюдение к такому виду, в котором оно доступно любому наблюдателю с одной стороны, и относительно которого между наблюдателями не может быть разногласия с другой. Результат измерения на выходе прибора должен восприниматься объективно, например, как число на текстовом дисплее, а не субъективной оценкой таких характеристик как цвет, тональность звукового сигнала и т.п. Измерительная техника занимается созданием таких приборов, называемых измерительными системами. Таким образом, измерение — это получение с помощью измерительных систем (приборов) информации в форме результата измерения, отражающего характеристику, состояние или явление окружающего нас мира. Характеристика, состояния или явление окружающего нас мира является объектом измерения. Именно измерительная система должна гарантировать требуемые наглядность, избирательность и объективность измерения. Рассмотрим, что мы измеряем. Например, то, что определение массы покупаемых в магазине овощей в килограммах путем взвешивания является измерением, вряд ли у кого вызовет сомнение. Но можно ли измерить качество выпускаемой предприятием продукции? Выполняются ли измерения при классификации флоры и фауны или детектировании огня в противопожарных системах? Различают два типа информации, которую можно получить в результате измерений: структурную и метрическую. Структурная информация - информация о структуре, состоянии, или природе определенной характеристики. Метрическая информация - информация о величине, интенсивности, амплитуде некоторой характеристики. Получение структурной информации происходит в результате качественного измерения, а метрической — в результате количественного. Если природа измеряемой характеристики ещё не известна, сначала требуется определить её путем проведения качественного измерения. Только потом можно выполнить количественное измерение величины этой характеристики. К примеру, возьмем домашнего голубя, тысячи лет они использовались для доставки почты. Но как измерить эту способность голубей определять направление? Сначала необходимо выяснить, какое физическое явление использует голубь, чтобы найти дорогу: звезды или солнечный свет, гравитационное или магнитное поле Земли. Только потом перейти к определению способности голубя определять направление с помощью количественного измерения. Качественное измерение дает нам информацию, необходимую, чтобы выбрать приборы для проведения количественного измерения. В технике и инженерной деятельности благодаря обучению и подготовке обычно у нас уже есть структурная информация, а провести необходимо только количественные измерения. Следует отметить, что в наше время подавляющее большинство измерений – это электрические измерения. Поэтому в настоящем курсе мы ограничимся только количественными измерениями с помощью электронных приборов и датчиков информации. Кроме средств отображения информации измерительные системы включают в себя специальные чувствительные элементы, называемые датчиками. Датчик – это прибор, преобразующий измеряемую физическую величину, к примеру, температуру в электрический сигнал. В свою очередь электрический сигнал - это некоторая электрическая величина, в которой закодирована информация, чаще всего это напряжение, но не обязательно. Датчик температуры может преобразовывать температуру в постоянное напряжение. Например, 10 градусов по шкале Цельсия в один вольт на выходе датчика, а 40 градусов в два вольта и т.д. В последствие усиленное специальными электронными схемами напряжение с датчика может отклонять стрелку прибора или может быть преобразовано в последовательность импульсов и отображено на жидкокристаллическом экране. Почему же в разных областях деятельности людей осуществляется такое множество измерений? В результате наблюдений и измерений мы получаем информацию об окружающем мире. Поэтому одна из причин – это наше желание сделать восприятие мира совершеннее, богаче. Другими словами цель измерений состоит в том, чтобы знать больше о мире и о взаимосвязях между характеристиками, состояниями и явлениями в нем. Именно так обстоит дело даже с распространенными измерениями, такими как измерение давления в автомобильных шинах или температуры тела с помощью градусника. Собирая информацию, мы получаем возможность свести сложные характеристики, состояния, явления и соотношения к более простым законам и зависимостям. Таким образом, мы имеем возможность сформировать в нашем сознании лучшую, более ясную и объективную картину мира, основанную на информации, полученной в результате измерений. Другими словами, эта информация позволяет нам строить модели мира и формулировать законы и теоремы. После этого мы должны снова с помощью измерений определить, дают ли эти модели, гипотезы, теоремы и законы верное представление о мире. Это осуществляется путем выполнения тестов, которые по своей сути тоже измерения, позволяющих сравнить теорию с реальностью. Так возникают новые теории в фундаментальных науках. Этот процесс демонстрируется на схеме, приведенной на рисунке 1.1.1. Также на этом же рисунке 1.1.1 показана также роль измерений и в прикладных науках. Под прикладной наукой подразумевается область знаний, предназначенных для изменения мира. Другими словами в прикладных науках модели, законы и теоремы, имеющиеся у нас благодаря фундаментальной науке, используются с целью изменения окружающего нас мира. С этой точки зрения цель измерений заключается в том, чтобы прямо или косвенно осуществлять регулирование определенных процессов в окружающем мире, контролировать их или вносить в них изменения на основе результатов измерений и существующих моделей, законов и теорем. Затем можно проверить результаты такого регулирующего воздействия, сравнить их с желаемыми результатами и в дальнейшем сделать необходимые поправки. Например, даже весьма простое измерение такое, как проверка давления в шинах автомобиля, можно описать в приведенных терминах. У нас имеется предположение или гипотеза: мы опасаемся, что давление в шинах слишком мало или, наоборот, велико. Если бы такой гипотезы не было, то и не надо было бы его измерять, такая необходимость просто бы не возникла.  Рисунок 1.1.1 – Роль измерений в науке Проведя измерение, мы узнаем, какого давление на самом деле и находится ли оно в тех пределах, указанных изготовителем. Далее если это не так, то мы меняем давление и повторно его измеряем, повторяя процедуру до тех пор, пока давление не станет требуемым. На рассмотренной ранее схеме (рисунок 1.1.1) видно, что измерения образуют важное звено между реальным миром с одной стороны и нашим отвлеченным представлением о нем с другой. Именно благодаря измерениям удерживается наше представление о мире от того, чтобы становиться сном, служа звеном между действительностью и нашим восприятием ее. Без измерений мы обладали бы только лишь философским видением реальности, как это было у древних греков. Кроме того, перед лицом различных представлений мы бы не были способны определить, какое из них справедливо. Каждый мог бы замкнуться в своем собственном восприятии мира без возможности достичь общего понимания. Поэтому без измерений развитие общества остановилось бы во времена алхимиков, астрологов и магов! В наши дни важнейшую роль измерения играют в промышленности в системах автоматики. Здесь измерения осуществляются различными индуктивными, емкостными датчиками приближения, фотоэлектрическими датчиками или даже системами технического зрения. Какие задачи они решают? Датчики — это глаза, уши и органы осязания машин, установленных в автоматизированных комплексах и системах. Например, английские слова sensor (в переводе датчик) и sense (чувствовать) похожи. Даже самый неквалифицированный рабочий может легко определить, что обрабатываемая машиной деталь упала на пол или же, что готовая деталь не вышла из машины. Однако автоматизированная система не может этого сделать без помощи датчиков. Корректно установленные датчики дают возможность автоматизированному комплексу получать те же данные, которые оператор-человек получает с помощью органов чувств. Перечислим основные задач, которые выполняют измерительные приборы и датчики в технологических установках в промышленности: 1. Обнаружение опасных ситуаций, в которых оператор или любой другой работник производства может получить травму от промышленного оборудования. 2. Определение условий, при которых оборудование автоматизированного комплекса может быть повреждено другим производственным оборудованием. 3. Сбор данных о текущем состоянии автоматизированного комплекса, чтобы обеспечить верную установку её рабочих параметров. 4. Контроль работы всей системы в целом для обнаружения сбоев и их анализа. 5. Измерение параметров выпускаемых деталей, например, габаритных размеров или шероховатости поверхностей для определения уровня качества. 6. Идентификация созданных деталей, определение их положения и ориентации в пространстве для подготовки к обработке на следующем оборудовании в составе автоматических линий. Сегодня в нашем распоряжении имеется большое количество датчиков для измерения самых разнообразных физических величин с уникальными наборами характеристик чувствительности, выходных характеристик и других параметров. Для измерения и контроля отдельных параметров в одних автоматизированных комплексах часто применяются датчики индивидуально, например: датчики температуры; датчики токов и напряжений, магнитных полей; датчики положения; датчики давления; датчики уровня жидкостей; датчики расхода жидкостей или газов. В других комплексах и системах наоборот используются многочисленные датчики, которые входят в состав сети передачи данных или промышленной сети, они связаны с управляющим компьютером с помощью многоканального сетевого кабеля. |