Б = 2 lg(F2/F1) при F2 = 10F1.
Дольная единица от бела - децибел (дБ): 1 дБ = 0,1 Б.
1.2 Измерение
Для получения информации об окружающем нас мире необходимы наблюдения. Поэтому одной из причин производить измерения может быть наше желание сделать восприятие нами мира богаче и совершеннее. Говоря отвлеченно, наша цель состоит в том, чтобы больше знать об окружающем нас мире и о взаимосвязях, существующих между характеристиками, состояниями и явлениями этого мира. Именно так обстоит дело даже с такими каждодневными измерениями как давление в шинах, температура тела и т.д. Собранная информация дает нам возможность свести сложные характеристики, состояния, явления и соотношения к более простым законам и взаимозависимостям. Таким образом, мы имеем возможность сформировать в нашем сознании лучшую более ясную и объективную картину мира, основанную на информации, полученной в результате измерений.
Измерение - это получение с помощью измерительных систем (приборов) информации в форме результата измерения, отражающего характеристику, состояние или явление окружающего нас мира (объект измерения).
Одним и наиболее существенных аспектов измерения является сбор информации; измерения производятся для того, чтобы что-то узнать об объекте измерения, то есть об измеряемой величине. Это означает, что результат измерения должен описывать то состояние или то явление в окружающем нас мире, которое мы измеряем. Между этим состоянием или явлением и результатом измерения должно существовать то или иное соотношение.
Второй аспект измерения состоит в том, что оно должно быть избирательным. Оно может снабдить нас сведениями только о том, что мы хотим измерить (об измеряемой величине), но ничего не говорит ни об одном из многих состояний или явлений вокруг нас. Это обстоятельство тоже необходимо, но не достаточно для определения измерения. Любуясь картиной в пустой комнате, где нет ничего другого, вы получите информацию только об этой картине, но это не будет измерением.
Третье, и также необходимой стороной дела, является факт, что измерение должно быть объективным. Исход измерения не должен зависеть от наблюдателя. Любой наблюдатель должен извлекать из измерения одну и ту же информацию и приходить к одним и тем же выводам. Но это почти невозможно, если наблюдатель будет пользоваться только своими органами чувств. Наблюдения, выполненные с помощью наших органов чувств, в очень большой степени субъективны. Например, наше восприятие температуры сильно зависит от ощущения тепла или холода, предшествующего измерению.
Испытание - определение одной или нескольких характеристик продукции согласно установленной процедуре.
Задача испытания - получение количественных или качественных оценок характеристик продукции, т.е. оценивание способности выполнять требуемые функции в заданных условиях. Эта задача решается в испытательных лабораториях, её решением является подготовленный протокол испытаний с указанием параметров продукции.
Контроль - процедура оценивания соответствия путём наблюдений и суждений, сопровождаемых соответствующими измерениями, испытаниями и калибровкой.
1.3 Классификация видов измерений
Виды измерений обычно классифицируются по следующим признакам:
По Характеристике точности - равноточные, неравноточные (равнорассеянные, неравнорассеянные);
По Числу измерений - однократные, многократные;
По Отношению к изменению измеряемой величины - статические, динамические;
По Метрологическому назначению - метрологические, технические;
По Выражению результата измерений - абсолютные, относительные;
По общим приемам получения результатов измерений - прямые, косвенные, совместные, совокупные.
Равноточные измерения - ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности СИ и в одних и тех же условиях.
Неравноточные измерения - ряд измерений какой-либо величины, выполненных несколькими различными по точности СИ и (или) в разных условиях.
Однократное измерение - измерение, выполненное один раз. Многократные измерения - измерения одного и того же размера
ФВ -результат, которого получен из нескольких следующих друг за другом наблюдений, т.е. состоящих из ряда однократных измерений.
Прямое измерение - измерение ФВ, проводимое прямым методом, при котором искомое значение ФВ получают непосредственно из опытных данных. Прямое измерение производится путём экспериментального сравнения измеряемой ФВ с мерой этой величины или путём отсчёта показаний СИ по шкале или цифровому прибору. (Например, измерения длины, высоты с помощью линейки, напряжения - с помощью вольтметра, массы - с помощью весов.)
Косвенное измерение - измерение, проводимое косвенным методом, при котором искомое значение ФВ находят на основании результата прямого измерения другой ФВ, функционально связанной с искомой величиной известной зависимостью между этой ФВ и величиной, получаемой прямым измерением.
Примеры косвенных измерений:- определение значения активного сопротивления R резистора на основе прямых измерений силы тока I через резистор и падения напряжения U на нём по формуле R = U/I;
- определение плотности r тела цилиндрической формы на основе прямых измерений его массы m, диаметра d и высоты h цилиндра по формуле r = 4m/ pd2h и т.п.
Отметим, что измерения, в которых искомая величина определяется на основе прямых измерений основных физических величин системы и при использовании физических констант, называются абсолютными.
Косвенные измерения сложнее прямых, однако, они широко применяются в практике либо потому, что прямые измерения практически невыполнимы, либо потому, что косвенное измерение позволяет получить более точный результат по сравнению с прямым измерением.
Совокупные измерения - одновременно проводимые измерения нескольких одноимённых величин, при которых искомые значения величин определяют путём решения системы уравнений, получаемых при измерениях различных сочетаний этих величин.
Пример: значение массы отдельных гирь набора определяют по известному значению массы одной из гирь и по результатам измерений (сравнений) масс различных сочетаний гирь.
Совместные измерения - это производимые одновременно измерения двух или нескольких неодноимённых величин для нахождения зависимости между ними.
Числовые значения искомых величин при совокупных и совместных измерениях определяются из системы уравнений, связывающих значения искомых величин со значениями величин, измеренных прямым (или косвенным) способом.
Чтобы определить числовые значения искомых величин, необходимо получить, по крайней мере, столько уравнений, сколько имеется этих величин. Хотя в общем случае число прямых измерений может быть и больше минимально необходимого.
В качестве примера рассмотрим задачу экспериментального определения зависимости сопротивления резистора от температуры.
1.4 Методы измерений
Совокупность приёмов использования принципов и средств измерений составляет метод измерения. Различные методы измерений отличаются, прежде всего, организацией сравнения измеряемой величины с единицей измерения. С этой точки зрения все методы измерений в соответствии с ГОСТ 16263-70 подразделяются на две группы: методы непосредственной оценки и методы сравнения. Методы сравнения в свою очередь включают в себя метод противопоставления, дифференциальный метод, нулевой метод, метод замещения и метод совпадений.
При методе непосредственной оценки значение измеряемой величины определяют непосредственно по отсчётному устройству измерительного прибора прямого действия (измерительный прибор, в котором предусмотрено одно или несколько преобразований сигнала измерительной информации в одном направлении, т.е. без обратной связи). На этом методе основаны все показывающие (стрелочные)приборы (вольтметры, амперметры, ваттметры, счётчики электрической энергии, термометры, тахометры и т.п.). Следует отметить, что при использовании данного метода измерений мера как вещественное воспроизведение единицы измерения, как правило, непосредственно в процессе измерения не участвует. Сравнение измеряемой величины с единицей измерения осуществляется косвенно путём предварительной градуировки измерительного прибора с помощью образцовых мер или образцовых измерительных приборов.
Точность измерений по методу непосредственной оценки в большинстве случаев невелика и ограничивается точностью применяемых измерительных приборов.
Метод сравнения с мерой - это такой метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Примеры этого метода: измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями; измерение напряжения постоянного тока на компенсаторе сравнением с ЭДС нормального элемента. Метод сравнения с мерой, в котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами, называется методом противопоставления.
Это, например, измерение массы на рычажных весах с помещением её и уравновешивающих гирь на две чаши весов при известном соотношении плеч рычага весов. В этом случае при качественном выполнении устройства сравнения (малое трение в опорах, стабильность соотношения плеч рычага и т.п.) может быть достигнута высокая точность измерений (пример - аналитические весы).
Дифференциальный метод - это метод сравнения с мерой, в котором на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой. Этот метод позволяет получать результаты измерений с высокой точностью даже в случае применения относительно неточных измерительных приборов, если с большой точностью воспроизводится известная величина. Рассмотрим следующий пример. Необходимо измерить постоянное напряжение, истинное значение которого равно Ux = 0,99 В.
В распоряжении экспериментатора имеется набор вольтметров (или один многопредельный) с пределами измерения 0,01; 0,1; 1 В. Пусть погрешность каждого вольтметра при измерении величины, значение которой равно пределу измерения, составляет 1%. Предположим, что имеется также образцовая мера напряжения U0 =1В, погрешность которой пренебрежимо мала. Очевидно, что, производя измерения методом непосредственной оценки, экспериментатор использует вольтметр с пределом измерения 1 В и получает результат измерений с погрешностью 1%. При дифференциальном методе измерения экспериментатор включает источники измеряемого постоянного напряжения Ux и образцового напряжения U0 последовательно и встречно и измеряет их разность U0 -Ux = 0,01В вольтметром с пределом измерения0,01 В. В этом случае разность U0 -Ux будет измерена с погрешностью 1%, а, следовательно, значение напряжения будет определено с погрешностью 0,01%.
Указанный метод широко используется, в частности, при поверке средств измерений (например, измерительных трансформаторов тока и напряжения). На нём основана работа очень распространённых в электроизмерительной технике мостов постоянного и переменного токов. Эффект повышения точности результатов измерений, достигаемый при дифференциальном методе, оказывается тем значительнее, чем ближе значение меры к истинному значению измеряемой величины. В том случае, когда результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля, дифференциальный метод измерений превращается в нулевой. Очевидно, что в нулевом методе измерений используемая мера должна быть изменяемой (регулируемой), а прибор сравнения выполняет функции индикатора равенства нулю результирующего воздействия измеряемой величины и меры.
Нулевой метод позволяет получить высокие точности измерений и широко используется, например, при измерениях электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием или постоянного напряжения компенсатором постоянного тока.
Методом замещения называется метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой. Это, например, взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов. Метод замещения можно рассматривать как разновидность дифференциального или нулевого метода, отличающуюся тем, что сравнение измеряемой величины с мерой производится разновременно.
Метод совпадений - это метод сравнения с мерой, в котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов. Примерами этого метода являются измерения длины с помощью штангенциркуля с нониусом, измерение частоты вращения стробоскопом. Описанные выше различия в методах сравнения измеряемой величины с мерой находят своё отражение и в принципах построения измерительных приборов.
С этой точки зрения различают измерительные приборы прямого действия и приборы сравнения. В измерительном приборе прямого действия предусмотрено одно или несколько преобразований сигнала измерительной информации в одном направлении, т.е. без применения обратной связи. Так, например, на рис. 1.3 приведена структура электронного вольтметра переменного и постоянного тока, которая содержит выпрямитель В, усилитель постоянного тока УПТ и измерительный механизм ИМ. В этом приборе преобразование сигнала измерительной информации идёт только в одном направлении.