Тема 4. ТОЧНОСТЬ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

План

1. Погрешности измерений

2. Эталоны и меры измерений

3. Измерительные преобразователи и приборы

 

1. Никакое измерение не может быть вы­полнено абсолютно точно и результат измерения неизбежно содержит погрешность, величина которой зависит от метода измерения и качества измерительного прибора. В связи с этим качество измерений во многом зависит от погрешностей ре­зультатов измерений и пределов, за которые они не должны выходить при заданной вероятности.

Погрешностью называют отклонение результата измерений от действительного (истинного) значения измеряемой вели­чины.

По причинам возникновения погрешности разделяют на инст­рументальные, методические и субъективные.

Инструментальная (аппаратурная) погрешность — погрешность средства измерения, вызываемая несовершенством средства измерения, его конструктивно-технологическими особенностями и влиянием внешних условий. Инструментальная погрешность яв­ляется одной из наиболее ощутимых составляющих погрешно­сти измерений.

Методическая погрешность — составляющая погрешности из­мерений, обусловленная несовершенством примененного ме­тода измерений Иногда средства измерений сами в некоторой степени влияют на измеряемый объект. Например, маска для забора выдыхаемого воздуха затрудняет дыхание, и спортсмен может демонстрировать заниженную ра­ботоспособность по сравнению с той, какую бы он мог де­монстрировать без маски. В большинстве случаев эти погреш­ности «действуют» регулярно, т. е. относятся к систематическим (ступенька в PWC₁₇₀).

Субъективная (личная) погрешность возникает вследствие индивидуальных особенностей (степени внимательности, со­средоточенности, подготовленности) операторов, произво­дящих измерения (человеческий фактор). Эти погрешности практически отсутствуют при использовании автоматических или автоматизированных средств измерений. В большинстве случаев субъективные по­грешности относятся к случайным, но некоторые могут быть и систематическими.

Погрешности измерений приводятся обычно в технической документации на средства измерений или в нормативных до­кументах. Но если учесть, что погрешность зависит еще и от условий, в которых проводится само измерение, от экспери­ментальной ошибки методики и субъективных факторов чело­века в случаях, где он непосредственно участвует в измерени­ях, то следует говорить о нескольких составляющих погрешности измерения, или о суммарной погрешности.

По условиям проведения измерений различают основные и до­полнительные погрешности средств измерений.

Основная погрешность — это погрешность метода измерения или измерительного прибора, которая имеет место в нормаль­ных условиях их применения. Эти условия устанавливаются нормативно-техническими документами на виды средств из­мерений. Кроме этого в техническом пас­порте (описании) и других документах на тип средства измерения указываются также рабочие условия, в пределах которых допускается эксплуатация средства измерения с гарантиро­ванными метрологическими характеристиками.

Дополнительная погрешность — погрешность измеритель­ного прибора, вызванная отклонением одной из влияющих величин от нормального значения. Влияющими называются величины, не измеряемые рассмат­риваемыми средствами измерений, но оказывающие влия­ние на результаты измерений. Например, прибор, предназ­наченный для работы при комнатной температуре, будет давать неточные показания, если пользоваться им летом на стадионе под палящим солнцем или зимой на морозе. По­грешности измерения могут возникать и в тех случаях, когда напряжение электрической сети или батарейного источника питания ниже нормы или непостоянно по величине.

По форме величины основной и дополнительной погреш­ностей могут быть представлены как в абсолютных, так и в относительных единицах.

Величина абсолютной погрешности равна разнице между показанием прибора и истинным значением измеряемой величины. Она измеряется в тех же единицах, что и сама изме­ряемая величина.

Относительная погрешность – отношение абсолютной погрешности к истинному значению из­меряемой величины (в %).

Относительная погрешность обычно измеряется в процен­тах, и она всегда положительна. Абсолютная погрешность мо­жет быть и положительной, и отрицательной.

Погреш­ности разделяются по характеру на систематические, случай­ные и грубые.

Систематической называется погрешность, величина кото­рой не меняется от измерения к измерению, и поэтому она часто может быть предсказана заранее или, в крайнем случае, обнаружена и устранена по окончании процесса измерения.

Способ устранения систематической погрешности зависит в первую очередь от ее природы. Систематические погрешно­сти измерения можно разделить на три группы:

1) погрешности известного происхождения и известной величины;

Они лег­ко устраняются путем введения соответствующих поправок в результат измерения. Например, при определении результата прыжка рулеткой возможно изменение ее длины из-за разли­чий в температуре воздуха. Введение поправки поможет устра­нить эту погрешность.

2) погрешности известного происхождения, но неизвест­ной величины;

Это погрешности, связанные с несовершенством метода измерения и измери­тельной аппаратуры. Например, погрешность измерения фи­зической работоспособности с помощью маски для забора выдыхаемого воздуха: маска затрудняет дыхание, и спортсмен закономерно демонстрирует физическую работоспособность, заниженную по сравнению с истинной, измеряемой без маски. Величину этой погрешности нельзя предсказать заранее: она зависит от индивидуальных особенностей спортсмена и его самочувствия в момент исследования. Другой пример систе­матической погрешности этой группы — погрешность, свя­занная с несовершенством аппаратуры, когда измеритель­ный прибор заведомо завышает или занижает истинное значение измеряемой величины, но величина погрешности неизвестна (весы с точностью 100 гр?).

3) погрешности неизвестного происхождения и неизвест­ной величины.

Их появ­ление бывает связано как с несовершенством метода измере­ния, так и с особенностями объекта измерения — спортсме­на. Объектами измерений в спортивной практике являются действия и движения спортсмена, его социальные, психоло­гические, биохимические и другие показатели. Измерения та­кого типа характеризуются определенной вариативностью, и в ее основе может быть множество причин (утомление, эмоциональное возбуждение и др.).

Среди способов, с помощью которых ведется борьба с систематической погрешностью, следует выделить тарирова­ние, калибровку и рандомизацию.

Тарированием называется проверка показаний измеритель­ных приборов путем сравнения с показаниями образцовых значений мер (эталонов) во всем диапазоне возможных зна­чений измеряемой величины.

Калибровкой называется определение погрешностей или по­правка для совокупности мер (например, набора динамомет­ров). И при тарировании, и при калибровке ко входу измери­тельной системы вместо спортсмена подключается источник эталонного сигнала известной величины. Например, тарируя установку для измерений усилий, на тензометрическую плат­форму поочередно помещают грузы весом 10, 20, 30 и т.д. килограммов.

Рандомизацией называется превращение систематической по­грешности в случайную. Этот прием направлен на устранение неизвестных систематических погрешностей. По методу ран­домизации измерение изучаемой величины производится не­сколько раз. При этом измерение организуется так, чтобы по­стоянный фактор, влияющий на их результат, действовал в каждом случае по-разному. Так, при исследовании физической работоспособности можно рекомендовать измерять ее много­кратно, всякий раз меняя способ задания нагрузки. По окон­чании всех измерений их результаты усредняются по прави­лам математической статистики.

Случайные погрешности возникают под действием разнооб­разных факторов, которые ни предсказать заранее, ни точно учесть не удается. Случайные погрешности неустранимы. Однако, воспользовавшись методами математи­ческой статистики, можно оценить величину случайной по­грешности и учесть ее при интерпретации результатов измере­ния. Без статистической обработки результаты измерений не могут считаться достоверными.

Грубой называют погрешность измерения, существенно пре­вышающую ожидаемую при заданных условиях. Причиной по­явления грубой погрешности может быть внезапный скачок напряжения в сети питания прибора, незамеченное наруше­ние методики выполнения измерений, неверное снятие от­счета или неверная запись результата. Грубые погрешности из­мерения, приводящие к явно нелепым результатам, легко обнаруживаются, и такие результаты исключают из массива полученных данных (правило 3σ). Некоторые из них нельзя уверенно ис­ключить. Поэтому их выявляют статистическими методами, суть которых заключается в том, что грубыми признают те погреш­ности, вероятность появления которых не превышает некото­рой заранее выбранной величины.

2. Эталон — это высокоточная мера, предназначен­ная для воспроизведения и хранения единицы величины с целью передачи ее размера другим средствам измерений, вы­полненная по особой спецификации и официально утверж­денная в установленном порядке в качестве эталона. От этало­на единица величины передается разрядным эталонам, а от них — рабочим средствам измерений. Эталоны классифицируют на первичные, вторичные и рабочие.

Первичный эталон — это эталон, воспроизводящий единицу физической величины с наивысшей точностью, возможной в данной области измерений на современном уровне научно-технических достижений. Первичный эталон может быть наци­ональным (государственным) и международным. Эталон, обес­печивающий воспроизведение единицы в особых условиях и заменяющий в этих условиях первичный эталон, называется специальным. Официально утвержденные в качестве исходных для страны первичный или специальный эталоны называются государственными. Национальный эта­лон утверждается в качестве исход­ного средства измерения для страны национальным органом по метроло­гии. В России национальные (государ­ственные) эталоны утверждает Гос­стандарт РФ.

Международные эталоны хранит и поддерживает Международное бюро мер и весов (МБМВ). Важнейшая за­дача деятельности МБМВ состоит в систематических международных сли­чениях национальных эталонов круп­нейших метрологических лаборато­рий разных стран с международными эталонами. Сличению подлежат эта­лоны как основных величин системы СИ, так и производных. Установ­лены определенные периоды сличения. Так, эталоны метра и килограмма сличают каждые 25 лет, а электрические и свето­вые эталоны — один раз в 3 года.

Первичному эталону соподчинены вторичные и рабочие (разрядные) эталоны. Размер единицы, воспроизводимой вто­ричным эталоном, сличается с государственным эталоном. Вторичные эталоны (их иногда называют «эталоны-копии») могут утверждаться либо Госстандартом РФ, либо государ­ственными научными метрологическими центрами, что свя­зано с особенностями их использования. Рабочие эталоны вос­принимают размер единицы от вторичных эталонов и в свою очередь служат для передачи размера менее точному рабоче­му эталону (или эталону более низкого разряда) и рабочим средствам измерений.

Для практического измерения единицы величины приме­няются технические средства, которые имеют нормирован­ные погрешности и называются средствами измерений. К средствам измерений относятся: меры, датчики информации (ин­дикаторы), измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и системы, измеритель­ные принадлежности.

Мерой называется средство измерения, предназначенное для воспроизведения физических величин заданного размера. К дан­ному виду средств измерений относятся гири, меры длины и т.п. На практике используют однозначные и много­значные меры, а также наборы и магазины мер.

Однозначные меры воспроизводят величины только одного размера (гиря). Многозначные меры воспроизводят несколько размеров физической величины. Например, миллиметровая линейка дает возможность выразить длину предмета в санти­метрах и в миллиметрах.

Наборы и магазины представляют собой объединение (со­четание) однозначных или многозначных мер для получения возможности воспроизведения некоторых промежуточных или суммарных значений величины. Набор мер представляет собой комплект однородных мер разного размера, что дает возмож­ность применять их в нужных сочетаниях (набор лабораторных гирь). Магазин мер — сочетание мер, объеди­ненных в одно механическое целое, в котором предусмотрена возможность посредством ручных или автоматизированных переключателей соеди­нять составляющие магазин меры в нужном сочетании (мага­зин электрических сопротивлений).

При пользовании мерами следует учитывать номинальное и действительное значения мер, а также погрешность меры. Номинальным называют значение меры, указанное на ней. Действительное значение меры должно быть указано в специальном свидетельстве как результат высокоточного из­мерения с использованием официального эталона.

Разность между номинальным и действительным значения­ми называется погрешностью меры.

3. Технические устройства, предназначенные для обнаружения (индикации) физических свойств, называются индикаторами. Стрелка маг­нитного компаса, например, — индикатор напряженности магнитного поля; осветительная электрическая лампочка — индикатор электрического напряжения в сети. Основное назначение датчиков — восприятие физических величин, характеризующих измеряемые явления (движений спортсмена). Это средство измерений служит для преобразова­ния сигнала измерительной информации в форму, удобную для обработки или хранения, а также передачи в показываю­щее устройство. Датчики, воспринимающие информацию, либо входят в конструктивную схему измерительного прибора, либо применяются совместно с ним.

Преобразователи подразделяются на первичные (непосред­ственно воспринимающие измеряемую величину), передающие, на выходе которых величина приобретает форму, удобную для регистрации или передачи на расстояние, промежуточные, ра­ботающие в сочетании с первичными и не влияющие на из­менение физической величины.

В качестве первичных преобразователей в физической куль­туре и спорте применяются: фотодиоды, реостатные дат­чики, тензорезисторы, акселерометры. Фотодиоды используют­ся в устройствах, с помощью которых измеряют время движений. Входная величина фотодиодов — освещенность, выходная — постоянный ток. Они чувствительны в диапазоне от 0 до 500 Гц и имеют погрешность в 1 — 3 %. Эту погрешность можно умень­шить точностью установки фотопреобразователей на дистан­ции, степенью фокусировки и временем переключения.

Реостатные датчики наиболее ча­сто используются в устройствах, с помощью которых измеряют ампли­туду движений в различных суставах. Входная величина реостат­ного датчика — линейное и угловое перемещение, выходная — измене­ние сопротивления. У этих датчиков высокая чувствительность и сравни­тельно небольшие погрешности.

Тензорезисторы являются чув­ствительным элементом измери­тельной системы, с помощью ко­торой оцениваются динамические показатели движений. Входная ве­личина тензорезисторов — переме­щение, выходная — изменение со­противления. Достоинством их являются невысокая стоимость, устойчивость к вибрациям и малая погрешность измерений. Акселерометры предназначены для измерения ускорений. В основе работы акселерометров лежит измерение силы инер­ции, возникающей при движении. Сила инерции вызывает от­клонение массы акселерометра, которое прямо пропорциональ­но ускорению. Это отклонение измеряется тензорезистором или пьезоэлектрическим датчиком. С помощью индикаторов уста­навливается наличие измеряемой величины и регистрирует­ся изменение ее размера. В этом отношении индикаторы игра­ют ту же роль, что и органы чувств человека, но значительно расширяют их возможности. Человек, например, слышит в ди­апазоне частот от 16 Гц до 20 кГц, в то время как технически­ми средствами обнаруживаются звуковые колебания в диапа­зоне от инфранизких (доли герца) до ультравысоких (десятки и сотни килогерц) частот. В то же время не создано еще техни­ческих устройств, которые могли бы соперничать с обоняни­ем человека или животных.

Так как индикаторы должны обнаруживать проявление свойств окружающего мира, их важнейшей технической харак­теристикой служит порог обнаружения (иногда его называют порогом чувствительности). Чем меньше порог обнаружения, тем более слабое проявление свойства регистрируется индикатором. Современные индикаторы обладают очень низкими порогами обнаружения, лежащими на уровне фоновых помех и собствен­ных шумов аппаратуры.

Индикаторы служат средствами измерений по шкале поряд­ка. Для измерения по шкале отношений необходимо сравнить неизвестный размер с известным и выразить первый через вто­рой в кратном или дольном отношении. Если физическая величина известного размера есть в наличии, то она непосред­ственно используется для сравнения. Так, длину измеряют ли­нейкой, плоский угол — транспортиром, массу — с помощью гирь и весов. Если же физической величины известного разме­ра в наличии нет, то сравнивается реакция (отклик) прибора на воздействие измеряемой величины с проявившейся ранее реакцией на воздействие той же величины, но известного раз­мера. Так, силу электрического тока измеряют амперметром, электрическое напряжение - вольтметром, скорость — спи­дометром и т.д. При этом шкалу измерительного прибора разбивают на деления в кратном и дольном отношении. Эта процедура на­зывается градуировкой шкалы. При измерениях она позволяет по положению указателя получать результат сравнения непос­редственно на шкале отношений.

Информацию, воспринятую датчиками, необходимо пре­образовать в величину, пригодную для последующего анализа. Преобразование осуществляется с помощью устройств, на вы­ходе которых формируется сигнал, удобный для последующего анализа. Например, изменение электрических потенциалов сердца преобразуется в графическую запись (электрокардиограмму). В процессе преобразования измерительной информации проис­ходит и усиление сигнала, воспринятого датчиком. Коэффициент усиления некоторых преобразователей достигает 500 000.

Измерительные приборы — это средства измерений, кото­рые позволяют получать измерительную информацию в фор­ме, удобной для восприятия пользователем. Они представляют собой совокупность преобразовательных элементов, образую­щих измерительную цепь, и отсчетного устройства. Различают приборы прямого дей­ствия и приборы срав­нения.

Приборы прямого действия отображают измеряемую величину на показывающем устройстве, имеющем соответствующую градуировку в единицах этой величины. К таким приборам относят амперметры, вольтметры, термометры и т.п. Приборы сравнения предназначаются для сравнения измеря­емых величин с величинами, значения которых известны (измерение яркости источников излучения, давления сжатого воздуха и т.д.).

Функционально объе­диненные средства измерения и вспомогательные устройства, собранные в одном месте, называются измерительной установкой.

По метрологическому назначению выделяют рабочие средства измерений, которые применяют для определения параметров (ха­рактеристик) технологических процессов, окружающей среды, параметров тренировочной деятельности спортсменов и др. Ра­бочие средства могут быть лабораторными (для научных исследо­ваний, они самые точные и чувствительные), производственны­ми (для обеспечения и контроля заданных характеристик технологических процессов, обладают устойчивостью к воздей­ствиям различных факторов производственного процесса: тем­пературы, влажности, вибрации и т.п.), полевыми (для само­летов, автомобилей, судов; работают в условиях, постоянно изменяющихся в широких пределах внешних воздействий).

Передача результатов измерения в области физической куль­туры и спорта осуществляется двумя способами:

- с помощью проводной связи между спортсменом и ис­следовательской аппаратурой;

- путем беспроводной связи (с помощью радиоволн).

Проводная телеметрия чаще используется при лабораторных исследованиях. Она соединяет блок преобразования и предва­рительной обработки информации с блоком ее отображения. Проводная телеметрия отличается высокой помехоустойчиво­стью, но в то же время провода, идущие от спортсмена, меша­ют его действиям.

Радиотелеметрия лишена этого недостатка и позволяет осу­ществлять контроль за спортивной техникой в реальных дина­мических условиях учебно-тренировочного процесса и иногда в условиях соревнований. На спортсмене крепятся датчики, усилители и преобразователи информации, радиопередатчик и антенна. Все это выполняется в очень компактном варианте, и спортсмен получает возможность свободно перемещаться по спортивной площадке и выполнять те или иные упражнения. Посылаемые передающим устройством сигналы принимаются блоком, состоящим из антенны и приемника. Здесь происходит отображение, хранение и автоматическая обработка результатов измерений.

Аналоговая форма представления результатов измерений осу­ществляется приборами, называемыми самописцами. С их по­мощью получают наглядные диаграммные записи, которые позволяют анализировать динамику регистрируемого процесса. Другая форма представления измерительной информации — с помощью цифровых приборов. Результаты измерений в этом случае высвечиваются на разных цифровых табло. Цифровая индикация может быть следующих типов:

— механические приборы цифровой индикации;

— оптические цифровые приборы;

— электронные цифровые приборы.

При использовании электронно-вычислительной техники результаты измерений могут:

— показываться (в виде графика или цифр) на экране дисплея;

— печататься на бланке;

— записываться на магнитные диски для хранения.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие факторы влияют на качество измерений?

2. Что называется погрешностью измерений?

3. Как разделяются погрешности в зависимости от условий проведения?

4. Как разделяют погрешности в зависимости от причин возникновения?

5. Как разделяют погрешности по форме представления?

6. Какие погрешности называются систематическими?

7. Какие способы устранения систематических погрешностей вы знаете?

8. Какие погрешности называются случайными и какие грубыми?

9. Что называется эталоном?

10. Как классифицируют эталоны?

11. Каковы функции рабочего эталона? *^;

12. Что называют средствами измерений?:

13. Какие меры используются в практике измерений? '

14. Какие технические устройства называются индикаторами?

15. Какие датчики используются в физической культуре и спорте?

16. Какая процедура называется градуировкой шкалы?

17. Какие средства измерений называются измерительными приборами?

18. Из каких блоков состоят измерительные установки?

19. Какими способами осуществляется передача результатов измерения?

20. Как используется в физической культуре и спорте радиотелеметрия?

21. Какие существуют формы представления результатов измерений?