Методы и средства измерений: термины и смыслы

Методы и средства измерений: термины и смыслы

Измерения бывают прямые и косвенные. На самом деле то, что обычно считается прямыми измерениями, является косвенными, осуществляемыми посредством сложной цепочки преобразований. Например, в стрелочном приборе это напряжение-ток-сила-момент-угол поворота. Если считать человека прибором, то прямым измерением является только сравнение цвета, насыщенности и яркости глазом, температуры — кожей, громкости и спектра звука ухом, остроты кнопки попой, да сексапильности лица иного пола не тем, чем вы подумали, а производной от частоты пульса по времени.

Измерения бывают совокупные, когда измеряются однородные величины и производится вычисление, и совместные, когда измеряются неоднородные величины и производится вычисление. Большой разницы между ними нет, а от всех прочих они отличаются тем, что приходится иначе вычислять погрешности. На самом же деле, в любом измерении принимает участие — в метрологическом смысле, то есть влияя на точность — много величин, и погрешности всех их надо учитывать. Другое дело, что когда мы берем в руки прибор, на котором написано «+/- 1 %», то погрешности всей названной выше («напряжение-ток-сила-момент-угол поворота») цепочки уже посчитаны разработчиком прибора и засунуты внутрь этого 1 %.

Измерения бывают статические и динамические. В этом и многих других случаях формальное определение отсутствует, но и присутствовать ему смысла нет. Ну скажем мы, что динамические измерения — это когда величина контролируется чаще 137 раз в секунду. Почему? И какой смысл в таком определении? А никакого. Фактическое употребление терминов «статические» и «динамические» определяется «похожестью» объектов, в данном случае — приборов и методов измерений. А они зависят не только от требуемой частоты замеров, а от множества вещей — от конкретной величины, от диапазона измерений, от точности, от других условий. Можно было бы сказать, что «статичность» и «динамичность».

Измерения бывают однократные и многократные. Эта разница еще более условна, нежели прочие. С одной стороны, величина может меняться настолько быстро, что измеряя через минуту, я реально измеряю нечто другое, а может не изменяться и за год. То есть не имея какой-то предварительной информации (об этой конкретной величине или об этом классе ситуаций), трудно что-либо сказать. Например, измеряя вес монет одного достоинства мы измеряем номинально одну величину — они должны быть одинаковыми, но фактически разные — они разное время были в обращении. Но даже измеряя последовательно вес одной и той же монетки, мы смешиваем погрешности весов и реальное изменение измеряемой величины от упавшей пылинки, отвалившейся частички грязи и чиха комара, пролетевшего над монеткой, как Матиас Руст над административной единицей «Московский Кремль» (http://2002.novayagazeta.ru/nomer/2002/38n/n38n-s00.shtml).

Измерения бывают — непосредственным сравнением, нулевым методом, дифференциальным и методом замещения. Непосредственное сравнение — это когда мы прикладываем калибр к изделию и говорим — не лезет. Нулевой метод — это когда у нас есть что-то, что выдает управляемую и точно (достаточно точно для нас в данном случае) определенную величину. Например, портновский «сантиметр» — мера длины явно изменяемая — когда мы огибаем им, скажем, талию и медленно скользим по нему… по ним… пальцем. Дифференциальный или разностный метод — когда определяют разность между измеряемой и известной величинами. Скажем, прикладывают к столу метровую палку без делений, а потом линеечкой с деленьицами измеряют остаток. А вот в радиоэлектронике измерения часто ведут именно так, потому что сделать точную меру управляемой намного труднее, чем фиксированного размера. А точность измерений при этом очевидно можно увеличить. Наконец, метод замещения — это метод, при котором мы предъявляем прибору по очереди эталон и измеряемую величину и сравниваем показания. Хрестоматийный пример — взвешивания на неравноплечих (неправильно — неравноплечных) весах. Если использовать одно плечо и для объекта и для гирь, то неравно… это самое… перестает сказываться.

Далее, метрологи используют термины «измерительные установки», «системы» и «принадлежности». Слов вокруг этих понятий можно произнести много, но смысл довольно понятен. Принадлежности — нечто «маленькое» — или не все время нужное, или не несущее именно измерительных функций (например, источники питания) или несущее какие-то дополнительные функции, например, накопитель данных или устройство защиты приборов от каких-то вредных влияний. Разумеется, если показать конкретному специалисту конкретный прибор, он, скорее всего скажет, что вот это, вон то и, пожалуй то — принадлежности. Но вопросу несколько удивится — какая разница, как называть? Важно, чтобы работало. На самом деле, прок от этих названий есть — их наличие позволяет как-то структурировать материал, облегчает как изложение, так и усвоение.

Далее, измерительные установки — это нечто большее, чем отдельный прибор, измерительные системы — нечто еще большее. Разумно будет сказать, что измерительная установка — это несколько приборов, измеряющих несколько параметров объекта. Иногда добавляют — расположенных в одном месте. Но понятие «одно место» определено не вполне четко (в технике!). С другой стороны, легко представить себе «один прибор», то есть расположенный в одном корпусе, имеющего одно наименование, измеряющий, в том числе и одновременно несколько величин. Одно слово «мультиметр» чего стоит. Правда, определение можно сузить, потребовав одновременности измерений, но цифровые осциллографы измеряют одновременно много параметров.

Измерительные системы несут еще какие-то функции, помимо собственно измерений, например накопление данных, сложную обработку данных (естественный вопрос — что такое «сложная»?), управление объектами, или расположены не в одном месте. Обычно добавляют, что в таких системах есть компьютер, но во-первых, это не принципиально, а во-вторых, нынче в каждом втором тестере по компьютеру, а в каждом третьем — по два :)

Измерения и приборы классифицируют по месту применения и делят на лабораторные, производственные и полевые. Понятно, на чем это сказывается. Для измерений, при прочих равных условиях, на качестве, то есть надежности, разбросе, точности. Для приборов — на пылебрызгозащищенности, вибро- и ударопрочности, а также на возможности работы, когда блоки загоняют на место сапогом, а бычки гасят о шкалу прибора. Чтобы было неповадно показывать глупости. Разумеется, это деление условно, как и все остальные. Все деления условны. «Все, что написано в этой книге — гнусная ложь» («Колыбель для кошки», и не вздумайте сказать, что автора не помните, кто ошибку в цитате заметил — плюс балл на экзамене).

При большом количестве измерений возникает естественная проблема автоматизации измерений. Понятие автоматизации можно трактовать по-разному, шире и уже, и если любую обработку результата (не исходного сигнала) считать автоматизацией, то автоматическим будет любой цифровой прибор, автоматически выбирающий диапазон измерений. Со временем обработка информации усложняется и во многом совершенствуется, человеку начинает казаться, что приборы делают все сами. Это опасный самообман, причем по двум причинам. Во-первых, любое устройство может выйти из строя, в том числе устройство для резервирования, контроля, ремонта — тоже. При отсутствии иных ограничений может быть получена любая надежность, но в конкретных условиях она определяется психологией человека — балансом между другими параметрами системы (например, стоимостью), допустимым риском и эффективностью функционирования; в любом случае, ясное представление о степени надежности машинной подсистемы увеличивает надежность системы человек-машина.

Во-вторых, сложная обработка чревата — см. выше абзац, начинающийся словами «Как указано выше, в интерпретации данных, полученных с высокой точностью, есть одна опасность. Когда мы получаем много цифр, то возникает соблазн поискать закономерности. А при увеличении объема анализируемых цифр что-нибудь да найдется». Так вот, есть опасность найти то, чего нет. Другое дело, что эта опасность больше у социолога, меньше у физика и совсем мала у инженера — ибо он чаше всего получает уже верифицированную и многажды испытанную метрологическую методу. Но все же, как пел Цой: «следи за собой, будь осторожен».