Mittaus

Mittaus on kokeellinen prosessi, jossa erityinen arvo fysikaalisen suureen määritetään kuten moninkertainen yksikkö tai viitearvon .

Mittaus johtaa aluksi mitattuun arvoon . Tämä ei kuitenkaan vastaa mitatun muuttujan todellista arvoa , vaan osoittaa tietyn mittapoikkeaman . Mitattu arvo tulee täydellinen mittaustulos , kun se on täydennetty määrällisten lausuntoja odotettu koko mittauksen poikkeama. Mittaustekniikassa tämä ymmärretään osana mittaustehtävää ja siten mittausta.

Useimpia fyysisiä määriä ei voida mitata suoraan. Sen sijaan yksi tai useampi muu muuttuja mitataan sopivilla mittauslaitteilla , joiden avulla voidaan tehdä johtopäätöksiä todellisesta mitatusta muuttujasta. Esimerkiksi useimmat asteikot eivät oikeastaan mittaa kehon massaa , vaan sen painoa maapallon painovoimakentässä. Kuitenkin massa näytetään vastaavassa yksikössä (esim. Kilogrammoina).

Metrologia ja mittaustekniikka käsittelevät teoreettisia periaatteita ja mittausten käytännön toteutusta . Siellä keksitty termi "mittaus" siirretään myös muille alueille, vaikka sille annetaan eri merkitys. Esimerkiksi tämän mittauskonseptin siirtäminen yhteiskuntatieteisiin epäonnistuu, koska tässä mielessä mittayksiköt ovat toistaiseksi puutuneet yhteiskuntatieteistä.

Kaupankäynnin perusta Meppenin markkinoilla: Pituuden, jalkojen ja kyynärien yksiköt , jotka riippuvat yksilöllisestä korkeudesta , määritellään tässä yhdenmukaisesti.

Perusasiat

DIN 1319: ssä mittaus määritellään seuraavasti:

Mitattu muuttuja on fysikaalisen suureen , toisin sanoen ominaisuus fyysinen esine, joka voidaan mitata. Siksi sillä on samanlaisia ​​ominaisuuksia kuin matematiikan numeroilla. Erityisesti, koot samaa jollaisia voidaan lisätä ja verrata toisiinsa ja koko voidaan kertoa kertomalla se kertoimella. Huomaa, että tämä ei koske kaikkia objektien ominaisuuksia. Esimerkiksi aineen haju ei täytä näitä kriteerejä. Siksi se ei ole mitattavissa oleva ominaisuus eikä sitä voida kuvata fyysisellä suurella.

Jos muuttujan numeerista arvoa ei määritetä, vaan vain määritetään, täyttääkö kohde tietyn kriteerin vai ei, puhutaan testaamisesta eikä mittaamisesta . Esimerkiksi, tarkkailun jatkuvuustesteri , onko johtava yhteys kahden pisteen välillä on, kun taas vastus mittauslaitteen toimenpiteitä , kuinka paljon sähkövirta on suljettu sähkövastus kahden pisteen välillä.

Jotta mittaus voidaan suorittaa, mitattavan arvon kolme puolta on määriteltävä selkeästi: yhtenäisyys, tasa -arvo ja moninaisuus.

• Tasa -arvo : Mistä tiedät, että kaksi samanlaista määrää ovat keskenään yhtä suuret? Joidenkin kokojen kohdalla tämä kysymys on triviaali: kaksi kappaletta ovat yhtä pitkiä, jos voit laittaa ne yhteen niin, että päät vastaavat toisiaan. Kaksi massaa on yhtä suuria, jos mitään palkkivaaka -astiaa ei lasketa. On vaikeampaa määritellä, milloin kahdella ruumiilla on sama lämpötila. Tässä voidaan sanoa, että heillä on sama lämpötila, kun ne ovat lämpötasapainossa. Useimmissa tapauksissa tasa -arvon määritelmän jälkeen on myös selvää, mikä kahdesta eri määrästä on "suurempi" tai "pienempi".
• Yksikkö : Jotta määrälle voidaan antaa arvo, on määriteltävä, mikä on tämän määrän yksinkertainen määrä. Periaatteessa tämä voidaan asettaa mielivaltaisesti. Esimerkiksi vuoteen 2019 asti massayksikkö (kilogramma) määriteltiin Pariisissa olevalla metallisylinterillä, jota kutsuttiin " alkuperäiseksi kilogrammaksi ". Koska käyttöönoton metrijärjestelmästä, on pyritty päästä pois tällaisen mielivallan. Nykyään kaikki kansainvälisen yksikköjärjestelmän (SI) fyysisten suureiden yksiköt määritellään luonnonvakioilla. SI perustuu seitsemään perusyksikköön ( metreihin pituudet, sekunteihin aikoihin, kilogrammoihin massoihin, ampeereihin virtoihin, Kelviniin lämpötiloihin, mooleihin aineen määrään ja kandelaan valon voimakkuuteen). Kaikki muut yksiköt, ns. Johdetut yksiköt , voidaan ilmaista näillä perusyksiköillä perusyksiköiden voimien tulona. Voimayksikkö (Newton) voidaan siis kirjoittaa myös muodossa .${\ displaystyle 1 \, \ mathrm {N} = 1 \, \ mathrm {kg \, m \, s ^ ​​{- 2}}}$
• Moninaisuus : Loppujen lopuksi on määriteltävä, miten toteuttaa useita, jotka ovat kooltaan. Esimerkiksi kaksinkertainen, kolminkertainen, ... pituus voidaan saavuttaa yhdistämällä kaksi, kolme, ... yhtä pitkää asteikkoa.

Jos nämä kolme näkökohtaa on määritelty tarkasti, koko voidaan mitata. Mitattua muuttujaa voidaan nyt (ainakin periaatteessa) verrata yksikköön ja esittää sen kerrannaisena. Mitattu arvo on siksi aina järkevän luvun ( mitta ) ja yksikön tulo. Pelkällä mittarilla (ilman yksikköä) ei ole mitään merkitystä koon arvolle, ja sillä on merkitys vain yksikön määrittelyn kautta.

Kuitenkin vain hyvin harvoissa tapauksissa mitattua muuttujaa voidaan verrata suoraan mittayksikköön. Tämä voidaan tehdä asettamalla viivain esineeseen pituuden mittaamista varten tai käyttämällä säteen mittakaavaa. Suurimman osan ajasta kuitenkin mitataan yhtä tai useampaa muuta, metrologisesti helpommin saatavilla olevaa muuttujaa, jotka liittyvät mitattuun muuttujaan tunnetun fyysisen vaikutuksen vuoksi, kun jälkimmäistä ei voida mitata suoraan. Tunnettu esimerkki on nesteen lämpömittari lämpötilan määrittämiseen. Se käyttää nestettä, joka laajenee lämpötilan noustessa . Joten jos mittaat nestepylvään pituuden nousuputkessa, jonka poikkileikkaus on vakio, voit tehdä johtopäätöksiä lämpötilasta. Jos suhde on lineaarinen (tämä on hyvä likimäärä nesteen lämpömittarilla), riittää, että tiedät kaksi kiinteää pistettä asteikon kiinnittämiseksi. Monissa tapauksissa suhde on kuitenkin epälineaarinen. Ennen varsinaista mittausta on suoritettava suuri määrä vertailumittauksia, jotta kullekin näyttöarvolle voidaan määrittää mitatun muuttujan arvo. Tämä suhde voidaan esittää kalibrointitoiminnon muodossa tai graafisesti kalibrointikäyränä .

On myös tehtävä ero sen suhteen, toimiiko käytetty mittauslaite analogisesti vai digitaalisesti . In analogisen mittauksen mitattu arvo vaihe- vapaa käsittely mittaussignaalin havaitaan digitaalisessa mittauksen vaihe- viisasta käsittely (DIN 1319-2).

• Analogisen mittauksen tapauksessa syntyy usein välimatka tai kulma, jotta mitattu arvo voidaan lukea asteikolla, jossa on mukautettu asteikkojako. Mitattu muuttuja näkyy jatkuvasti. Analogiset anturit sisältävät myös antureita, jotka muuttavat mitatun muuttujan jännitetasoksi tai vastusarvoksi.
• Digitaalisen mittauksen tapauksessa syntyy usein välimuuttuja , joka voidaan asettaa askel askeleelta tai joka voidaan määrittää laskemalla, jotta mitattu arvo voidaan lukea numeeriselta näytöltä askelasennon tai laskurin lukeman perusteella . Esimerkiksi mitattu arvo käännetään usein datasanaksi digitaalisessa elektroniikassa , eli se on binäärikoodattu . Digitaalisen mittauksen arvoalue on rajoitettu, koska vain erilliset arvot ovat mahdollisia. Mittausarvon näyttö tai siirto tapahtuu epäjatkuvasti eli kellonaikana. "Laskentamittauslaitteiden käytön vuoksi laskemista käytetään yhä enemmän metrologiassa erityisenä mittaustyyppinä" (DIN 1319-1) (näiden kahden mittausmenetelmän tarkempi vertailu, katso digitaalinen mittaustekniikka ).

Jokaiseen mittaukseen kohdistuu häiritseviä fyysisiä vaikutuksia, jotka saattavat olla vain osittain tiedossa. Näin ollen mitattu arvo poikkeaa käytännössä aina määrän todellisesta arvosta, minkä vuoksi on mahdotonta määrittää tarkasti määrän todellista arvoa. Tarkkoja arvoja esiintyy vain, jos ne on määritelty määritelmän mukaan, esim. B. valon nopeus tyhjiössä . Mitattu arvo edustaa siis vain likimääräistä todellista arvoa, ja näiden kahden arvon välistä eroa kutsutaan mittausvirheeksi . Mittausvirheen osalta erotetaan kaksi komponenttia:

• Satunnainen poikkeama (myös: tilastollinen poikkeama ). Useat samalla tavalla saadut mittausarvot eivät yleensä ole samaa mieltä, mutta osoittavat satunnaisen hajonnan. Useiden tällaisten mitattujen arvojen keskiarvo näyttää myös sirontaa, joka todennäköisyyslaskelman mukaan pienenee sitä enemmän, mitä suurempi on mitattujen arvojen määrä (ks. ” Suurten lukujen laki ”). Keskiarvon pitäisi siis olla lähempänä koon todellista arvoa. Nämä satunnaiset poikkeamat tekevät mittauksesta vähemmän "varmaa", mutta se pysyy silti "oikeana". Yksi mahdollinen syy tähän on mittauslaitteen aina rajallinen resoluutio. Voit vähentää tilastollisia poikkeamia tarkalla työllä. Tätä vaikutusta ei kuitenkaan voida koskaan täysin sulkea pois. Siksi on tarpeen toistaa tuntemattomien määrien mittauksia monta kertaa, jotta voidaan antaa tilastollisesti perustellumpi lausunto keskiarvosta.
• Systemaattinen poikkeama . Tämä tarkoittaa, että mitattu arvo on aina suurempi tai pienempi kuin mitatun muuttujan todellinen arvo. Mikä tahansa syy varmistaa, että mittaus on enemmän tai vähemmän häiriintynyt. Tämän seurauksena mittaustulos muuttuu vähemmän "oikeaksi", vaikka mittaus olisi muuten tarkka. Tavoitteena on siis pystyä sulkemaan pois järjestelmälliset poikkeamat mahdollisuuksien mukaan. Tämä saavutetaannoudattamallaerityistä varovaisuutta mittausta suoritettaessa (esim. Mitattaessa valoilmiöitä pimeässä huoneessa), säätämällä mittauslaitetta ennen mittausta ja ottamalla huomioon häiriöt, jos ne tiedetään, myöhemmässä arvioinnissa.

Koska ennen kaikkea satunnaista mittauspoikkeamaa ei voida koskaan täysin sulkea pois, mittaukset toistetaan usein monta kertaa käytännössä. Yksittäisten mittausarvojen vaihtelujen syitä ei yleensä tiedetä. Yksittäisten mittausten kokonaismäärä lasketaan siksi yhteen niiden keskiarvon perusteella ja niitä pidetään "arvioituina arvoina" mitatun muuttujan todelliselle arvolle. Yksittäisten arvojen hajonta vaihtelee mittaustarkkuuden mukaan . Siksi on tärkeää paitsi ilmoittaa lopussa saatu keskiarvo, myös myös tähän keskiarvoon liittyvä mittausepävarmuus . Helppo tapa määrittää tämän arvon, katso virhelaskenta- artikkeli .

Mittausjärjestys

Sillä messut ovat:

1. Mittaustehtävän (mittausongelman) ja mitatun muuttujan selkeä määritelmä :

   Tehtävä, mitattava kohde ja fyysinen mitattu muuttuja on määritettävä.

2. Määritelmä mittayksikkö tulokselle:

   Yksikkö ja sen symboli määritellään yleensä SI: n mukaan; kymmenen tehon etuliitteet voidaan valita (myös DIN 1301-1: n mukaisesti).
   Esimerkki pituudesta: mm, cm, m, km.
   Esimerkki nopeus: m / s tai ulkopuolella SI km / h tai erityistä sovellusalueita solmua (DIN 1301-2).
   Myös dimensioluvun määriä on , esim. B. taitekerroin , luku , kulma , jonka arvot on annettu ilman yksikköä tai apumittayksikköä .

3. Reunaehtojen kokoaminen:

   Reunaehtoja ovat mm. B. Mittauskohteen (materiaali, pintaominaisuudet) ja ympäristön (lämpötila, tärinä) ominaisuuksia on noudatettava.

4. Valinta mittalaitteen tai mittauslaite :

   Perustuu mittausperiaate ja mittausmenetelmä , joka on mittausmenetelmä on kehitetty, että on toteutettu mittalaite . Monissa tapauksissa valmis mittalaite on jo saatavilla mittaustehtävää varten. (Katso termien määritelmät alla)

5. Mittauslaitteen / mittauslaitteen kalibrointi:

   DIN EN ISO 9001 edellyttää kaikkien mittausten jäljitettävyyttä kansallisten standardien mukaisesti . Tämä varmistetaan mittauslaitteiden valvontaprosessilla. Tätä tarkoitusta varten mittauslaite on kalibroitava säännöllisin väliajoin . Tällöin mitattu arvo (lähtömuuttuja) määritetään mitatun muuttujan (tulomuuttujan) arvon, jota on pidettävä oikeana, ja näihin arvoihin liittyvä mittausepävarmuus. Jos mitattu arvo ei vastaa mitatun muuttujan arvoa määritettyjen virherajojen sisällä , laite on säädettävä uudelleen (asetettava) tai määritetyt arvot on korjattava aritmeettisesti sen jälkeen.

6. Mittausprosessin määritelmä:

   Mittausten ajallinen tai avaruussarja: z. B. Yksittäisten mittausten järjestys, toistot, mittaussarjat muutetuissa olosuhteissa; mittauspisteiden ( mittauspisteiden ) alueellinen jakauma , mittausprofiilit , tavallinen ruudukko jne.

7. Mittauksen suorittaminen ja mittaustuloksen määrittäminen:

   Yksi mittaus tai useita samankokoisia mittauksia (vertailu / toistomittaukset) voidaan suorittaa samoissa olosuhteissa. Sitten lasketaan keskiarvo ja keskihajonta .

   Lisäksi voidaan vaatia erikokoisia mittauksia, joista halutun koon mitattu arvo voidaan laskea määriteltyjen matemaattisten suhteiden mukaisesti.

8. Vaikuttavien tekijöiden vaikutusten huomioon ottaminen :

   Järjestelmällisten mittausvirheiden korjaus.

   Tämä sisältää olosuhteista riippuen myös vähennyksen , ts. H. korjaus yhtenäisiin olosuhteisiin.

9. Koko mittaustuloksen määrittäminen:

   Täydellinen mittaustulos koostuu mittausarvosta (tarvittaessa yhden tai useamman mittaussarjan keskiarvo tai muihin mittauksiin perustuva laskettu arvo), jota täydennetään mittausepävarmuutta koskevilla määrällisillä lausunnoilla .

Lisää mittausehtoja

Mittausperiaate

"Mittausprosessin tieteellinen perusta." (VIM: 1994); "Mittauksen fyysinen perusta." (DIN 1319-1: 1995),

z. B. Lorentzin voima sähkövirran voimakkuuden mittauksen perustana.

Mittausmenetelmä

"Erityinen mittausmenetelmä riippumatta mittausperiaatteesta" (DIN 1319-1),

z. B. taipuman mittausmenetelmä , nollatasausmittausmenetelmä, eromittausmenetelmä

tai - toisen riippumattoman näkökulman mukaan - analoginen menetelmä, digitaalinen menetelmä, katso alla tai digitaalinen mittaustekniikka .

Mittausmenetelmä

"Mittausperiaatteen ja mittausmenetelmän käytännön soveltaminen" (DIN 1319-1),

z. B. Massan määrittäminen säteen tasapainolla ja painoilla nollavaaka -mittausmenetelmää käyttäen.

Vaikuttava tekijä

Määrä, joka ei ole mittauksen kohde, mutta joka vaikuttaa mitattuun määrään tai mittauslaitteen antamiin tietoihin mittausarvosta (DIN 1319-1 mukaan), (katso myös ristiinherkkyys ),

z. B. Ympäristön lämpötila, sähkömagneettinen kentän voimakkuus.

Mittalaite, mittauslaite, mittausmekanismi

Mittauslaite on määritelty "laitteen, joka on tarkoitettu mittaamaan mitattu muuttuja yksin tai yhdessä muiden laitteiden kanssa" (DIN 1319-1). Mittalaitteiden yleiset ominaisuudet, katso mittauslaitteet .

Mittalaite on usein osa mittauslaitetta, joka määritellään "kaikkien mittauslaitteiden ja lisälaitteiden kokonaisuudeksi mittaustuloksen saavuttamiseksi" (myös DIN 1319-1).

Termiä mittauslaite ei ole "Metrologian sanastossa", standardissa DIN 1319-1: 1995 " en: Measuring instrument " on myös mittauslaite .

Mittaus mekanismi on aktiivinen osa on mekaaninen mittalaite. Liikkuva elementti, jossa on osoitin ja toimintatavan kannalta tärkeät osat, kuuluvat mittausmekanismiin, esim. B. kestomagneetti , kela .

Mittauskohde

”Mitattavan muuttujan kantaja” - ”Mitattavat kohteet voivat olla kappaleita, prosesseja tai tiloja.” (DIN 1319-1), esim. B.

• mitattu muuttuja "nykyisen astian tilavuus" on mitatun kohteen "astian" ominaisuus
• mitattu muuttuja "olemassa olevan magneettikentän vuon tiheys" on mittauskohteen (tilan) "magneettikentän" ominaisuus.

Mittausten rajat

Mitattavuus

Muuttuja voidaan mitata, jos on mitta periaatetta, jonka mukaan se voidaan mitata, toisin sanoen jos se voidaan mielekkäästi määritelty fyysisestä näkökulmasta ja on siksi erityisen kvantitatiivisesti . Tämä sisältää myös kaikki mittaustuloksen toistettavuutta koskevat vaatimukset .

Fyysiset määrät voidaan mitata . Joitakin ei-fyysisiä määriä voidaan jäljittää fysikaalisia suureita, kuten tilavuus on äänenpainetaso , väri käsitys on jakautuminen valon spektrissä .

Fyysisten suureiden määrittämättä jättämistä, kuten saatuja käyttämällä tilastollisia menetelmiä inflaatioaste , älykkyysosamäärä tai asiakastyytyväisyys, kutsutaan joskus myös mittaukseksi. Fyysisestä näkökulmasta tämä on yleensä kiistanalaista, koska ei ole fyysisesti määriteltyä yksikköä. Katso myös: operatiivisuus (mitattavissa)

Ominaisuus, jota voidaan arvioida vain subjektiivisesti, kuten B. Kauneutta (kuten väriä) tai ovelaa ei yleisesti tunnusteta, eikä pelkästään tästä syystä voida mitata.

Arvoja, jotka ovat liian pieniä nykypäivän menetelmillä mitattavaksi, kutsutaan joskus "mittaamattomiksi", mutta niitä ei yksinkertaisesti voida havaita.

Fyysiset rajat

Kun Kööpenhaminan tulkinta on kvanttimekaniikan , mittaus vie keskeistä asemaa. Tämä heijastuu siihen tosiasiaan , että aika kuvaa Schrödinger -yhtälön lisäksi kvanttitilan kehitystä, sen omat lait, jotka koskevat järjestelmän käyttäytymistä kvanttimekaanisessa mittauksessa . Epävarmuus suhde kuvataan myös olennainen raja mittauksia, riippumatta tarkkuus laitteen. Mutta jopa klassisessa fysiikassa on rajoituksia mittausten tarkkuudelle, koska jokaisen mittauksen on oltava vuorovaikutus. Tunnettu esimerkki itse mittauksen vaikutuksesta mittauskohteeseen tulee sähkötekniikasta, katso palautepoikkeama . Tämä tarkoittaa, että todellisen jännitelähteen avoimen piirin jännitettä ei voida mitata tarkasti oikeilla mittauslaitteilla.

On myös pidettävä mielessä, että valon nopeudella on rajallinen arvo, joten tiedot tarvitsevat aikaa päästäkseen havainnoidusta kohteesta tarkkailtavaan kohteeseen. Siksi ihminen näkee aina kuvan menneisyydestä eikä voi tarkkailla, mitä tapahtuu tarkalla mittaushetkellä. Edes termi "läsnä" ( suhteellisuusteorian mukaan ) ei voi olla sama kahdelle tarkkailijalle, kun he liikkuvat toisiaan vastaan.

nettilinkit

Wikisanakirja: Measurement  - selitykset merkityksille, sanojen alkuperälle, synonyymeille, käännöksille

• Wolfgang Balzer: Teoria ja mittaus. Springer, Berliini 1985 ( URN )
• Oliver Schlaudt: Mittaus. Julkaisussa: Thomas Kirchhoff (Toim.): Online Encyclopedia Philosophy of Nature / Online Lexikon Naturphilosophie. Heidelbergin yliopiston kirjasto, Heidelberg 2020 ( DOI )
• Era Tal: Mittaus tieteessä. Julkaisussa: Edward N.Zalta (Toim.): The Stanford Encyclopedia of Philosophy. 2020 ( url ).

lähteet

1. ↑ Dirk Goßlau: Ajoneuvon mittaustekniikka: Mittaustekniikan perusteet ja…. Springer, 2020, sivu 8.
2. ↑ Rainer Parthier: Mittaustekniikka: Sähkömittaustekniikan perusteet ja sovellukset. 8. painos. Springer Vieweg, 2016, sivu 1.
3. ↑ DIN 1319–1: Mittaustekniikan perusteet: perusehdot . 1995, nro 3.10.
4. ^ Bortz, J. & Döring, N.: Tutkimusmenetelmät ja arviointi ihmis- ja yhteiskuntatieteilijöille. Springer, Heidelberg 2006, ISBN 978-3-540-33305-0 , s.65 .
5. ^ "Fysiikan ehdot ja määrät", Regensburgin yliopiston fysiikan tiedekunnan aineiden didaktikan työryhmä, pdf
6. ↑ DIN EN ISO 80000-1: 2013-08 Koot ja yksiköt-yleiset .
7. ↑ DIN EN ISO 80000-11: 2013-08 Koot ja yksiköt-mitan numeron parametrit .
8. ↑ Metrologian sanasto