Дифференциальный метод измерений

Введение

В наиболее широком смысле к «измерениям» относят обнаружение наличия или отсутствия каких-либо свойств, качественную оценку любого свойства, сопоставление величин с нормами, оценку свойства по косвенным показателям и ряд других действий. В отличие от геометрии, социометрии, антропометрии, и квалиметрии, имеющей наиболее широкий набор объектов оценки, метрология занимается измерениями физических величин. Потому мы не будем рассматривать получение экспертных оценок, а сосредоточимся только на измерениях тех параметров, которые подлежат объективной оценке с использованием средств измерений. Такие параметры в большинстве представляют собой физические величины, а их экспериментальные оценки называют аппаратурными или инструментальными в отличие от экспертных (органолептических) оценок, при получении которых инструментарием являются чувства человека.

Физические величины и их единицы

Физическая величина — это свойство, общее в качественном отношении многим объектам (системам, их состояниям и происходящим в них процессам), но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта.

Физическая величина отображает свойства объектов, которые можно выражать количественно в принятых единицах.

Размер физической величины — это количественная определенность физической величины, присущая конкретному материальному объекту, системе, процессу или явлению.

Значение физической величины — это выражение физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц измерения.

Истинное значение физической величины – это значение физической величины, которое идеальным образом характеризует в качественном и количественном соотношении соответствующую физическую величину.

Единица физической величины — физическая величина, которой по определению придано значение, равное единице.

Можно сказать также, что единица физической величины — такое ее значение, которое принимают за основание для сравнения с ним физических величин того же рода при их количественной оценке.

Для построения системы единиц выбирают произвольно несколько физических величин.

Они называются основными. Величины, определяемые через основные, называются производными.

Совокупность основных и производных величин называется системой физических величин.

Система физических величин используется для построения системы единиц физических величин.

Единица физической величины представляет собой значение этой величины, принятое за основание для сравнения с ней значений величин того же рода при их количественной оценке. Ей по определению присвоено числовое значение, равное 1.

Единицы величин, входящих в систему, называются системными.

Внесистемные единицы — это единицы, не входящие в систему (единица мощности — лошадиная сила, единица энергии — киловатт-час, единицы времени — час, сутки, единица температуры — градус Цельсия и многие другие).

Кратной единицей называется такая, которая в целое число раз больше системной или внесистемной единицы: килогерц, мегаватт.

Дольной единицей называется такая, которая в целое число раз меньше системной или внесистемной единицы: миллиампер, микровольт.

Относительные величины могут выражаться в безразмерных относительных единицах, в процентах, в промилле.

Логарифмическая величина представляет собой логарифм безразмерного отношения двух одноименных величин: бел (Б)

2.1. Системы единиц физических величин

Система СГС. основными единицами являются сантиметр как единица длины, грамм как единица массы и секунда как единица времени, была установлена в 1881 г.

Система МКГСС. Применение килограмма как единицы веса, а в последующем как единицы силы вообще, привело в конце XIX века к формированию системы единиц физических величин с тремя основными единицами: метр — единица длины, килограмм-сила — единица силы и секунда — единица времени.

Система МКСА. Основы этой системы были предложены в 1901 г. итальянским ученым Джорджи. Основными единицами системы МКСА являются метр, килограмм, секунда и ампер.

В 1954 г. Х Генеральная конференция по мерам и весам установила шесть основных единиц (метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин и свеча) практической системы единиц.

Система, основанная на утвержденных в 1954 г. шести основных единицах, была названа Международной системой единиц, сокращенно СИ

(SI— начальные буквы французского наименования Systeme International). Был утвержден перечень шести основных, двух дополнительных и первый список двадцати семи производных единиц, а также приставки для образования кратных и дольных единиц.

Какие методы сравнения с мерой вы знаете?

При методе сравнения с мерой измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями). Существует ряд разновидностей этого метода : нулевой метод, метод измерений с замещением, метод совпадений.

Какие метрологии бывают?

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 21 апреля 2020 года; проверки требуют 24 правки, Метроло́гия (от греч. μέτρον « мера » + λόγος « мысль ; причина ») — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности, Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов с заданной точностью и достоверностью ; нормативная база для этого — метрологические стандарты,

Теоретическая или фундаментальная — рассматривает общие теоретические проблемы (разработка теории и проблем измерений физических величин, их единиц, методов измерений).
Прикладная — изучает вопросы практического применения разработок теоретической метрологии. В её ведении находятся все вопросы метрологического обеспечения.
Законодательная — устанавливает обязательные технические и юридические требования по применению единиц физической величины, методов и средств измерений,

Метро́лог — специалист метрологии.

Что такое абсолютный метод измерения?

Абсолютное измерение – это измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и/или использовании значений физических констант. Пример: Измерение силы F=mg основано на измерении основной величины – массы m и использовании физической постоянной g (в точке измерения массы).

Книги

Таково краткое описание дифференциальной психологии как науки. Поскольку тема достаточно сложная и объемная, одной прочитанной статьи будет явно недостаточно. Вот список книг, с помощью которых вы можете изучить ее более детально.

«Дифференциальная психология» Софья Нартова-Бочавер.
«Дифференциальная психология. Индивидуальные и групповые различия в поведении» Анна Анастази.
«Дифференциальная психология и психодиагностика» Константин Гуревич.
«Дифференциальная психология: учебное пособие» Валерий Машков.
«Дифференциальная психология» Александр Либин.
«Дифференциальная психология и ее методические основы» Уильям Штерн.
«Невротические стили» Дэвид Шапиро.

Начать рекомендуем именно с книги основателя дифференциальной психологии Уильяма Штерна, которая актуальна и по сей день.

Желаем вам удачи!

Методы дифференциальной психологии

Методы, который применяются в дифференциальной психологии, можно условно разделить на несколько групп:

общенаучные;
психогенетические;
исторические;
психологические.

Рассмотрим их по отдельности.

Общенаучные методы

К общенаучным методам относятся наблюдение и эксперимент.

Наблюдение – это описательный исследовательский метод, который заключается в целенаправленном восприятии и регистрации поведения человека.

Преимущества наблюдения:

Отражает контекст жизни субъекта.
Человек воспринимается как целостная личность.
Собираются факты естественного поведения человека.

Недостатки наблюдения:

Фиксация результатов в описательной форме.
Отсутствие возможности повторного наблюдения с точно такими же психологическими параметрами (к тому же человек будет себя вести как ему захочется, а не как того хотят исследователи).
Слитность наблюдаемого факта с попутными явлениями (невозможность их каким-либо образом разъединить).

Эксперимент – проводимый в специальных условиях опыт получения научных знаний. Выполняется целенаправленное вмешательство в жизнедеятельность человека.

В отличии от наблюдения, эксперимент можно повторять многократно, а данные однозначны и однотипны. Главным недостатком является исчезновение естественности процесса и отсутствие целостной картины личности человека.

Если говорить о лабораторных экспериментах, то вышеозвученные недостатки остаются. Однако естественный эксперимент максимально приближен к условиям обычной деятельности человека. В этом случае он может даже и не знать, что над ним проводится опыт.

Существует также моделирование, которое пытается воссоздать фиктивную психологическую реальность. Наличие преимуществ или недостатков определяется мастерством исполнения.

Психогенетические методы

Если общенаучные методы используются в психологии в целом, то психогенетические – конкретно в дифференциальной психологии. Данная группа методов нацелена на выделение факторов среды и наследственности. Существует генеалогический и близнецовый методы.

Генеалогический – это метод для исследования семей и родословных (придуман Ф. Гальтоном и описан в книге «Наследственный гений»). Основное положение: если признак является наследственным и кодируется в генах, то чем ближе родство, тем выше сходство между людьми по этому признаку. Исследователь составляет генеалогическое древо. Предположительно, по мере уменьшения степени родства должно проявляться меньше сходства.

Близнецовый метод: среди близнецов выделяют дизиготных (по своему генному набору аналогичных обычным братьям и сестрам, с той только разницей, что родились одновременно) и монозиготных (развившихся из одной яйцеклетки и потому обладающих идентичными генными наборами). В данном случае исследуются психологические особенности членов близнецовой пары, позволяющие определить степень влияния наследственных факторов и среды на формирование тех или иных психических качеств человека.

Исторические методы

Исторические методы применяются для изучения биографии выдающихся личностей, которые внесли существенный вклад в развитие культуры и науки. Но иногда объектами становятся и вполне обычные люди.

Среди этих методов выделяют дневниковый, биографический и автобиографический.

Дневниковый посвящен изучению жизни конкретного человека и содержит описание его поведения и развития.

Биографический применяют, когда используют биографию выдающейся личности. Если психолог заинтересован в оценке психологических особенностей человека, он проводит психографию.

Автобиографический основан на непосредственных впечатлениях и ретроспективном опыте человека. В современном мире с его информационными технологиями появилась возможности использовать видео- и аудиоматериалы.

Психологические методы

Частные случаи применения этих методов – самонаблюдение и самооценка, которые непосредственно открывают объект изучения.

Самонаблюдение заключается в наблюдении собственных психических процессов. Преимущество всего одно, зато ключевое: человек может познать себя лучше, чем других людей. А вот недостаток – это субъективизм, необъективность.

Самооценка отражает более стабильные психические особенности. Недостаток метода в том, что человек может стыдиться раскрывать свои качества или поверхностно судить о них. Однако эти минусы можно скрасить анонимностью (в этом случае может также применяться анкетирование).

Абсолютно идеального способа познания личности не существует, поэтому главная задача психологов – комбинировать их, учитывая достоинства и недостатки каждого.

Классификация средств измерений

Средства измерения (СИ) классифицируются в зависимости от:

Способов конструктивной реализации.
Метрологического назначения.

По способам конструктивной реализации СИ разделяют на:

меры величины;
измерительные преобразователи;
измерительные установки;
измерительные приборы;
измерительные системы.

Меры величины — это фиксированные СИ, которые неоднократно используются. Они делятся на:

Однозначные — стандартные образцы (СО).
Многозначные.

К СО относятся:

Стандартный образец состава обладает фиксированным значением величины, которое отражает количество содержащихся в нем частей.
Стандартный образец свойств вещества обладает фиксированным значением величины, которое выражает свойства материала.

До начала использования каждый стандартный образец проходит метрологическую аттестацию. В зависимости от уровня использования выделяют государственные, отраслевые, межгосударственные СО и СО предприятий.

Среди измерительных преобразователей выделяют:

аналоговые;
цифроаналоговые;
аналого-цифровые.

Измерительные приборы являются СИ с фиксированным диапазоном. Различают:

приборы прямого действия — результат получают непосредственно с прибора;
приборы сравнения — результат получают путем сравнения с известной соответствующей величиной.

Что такое метрология

Метрология присутствует во всех сферах жизни. Рождаясь, человек сразу сталкивается с измерениями — в роддоме отмечаются длина, масса и температура. В повседневной жизни от количественных оценок (температура воздуха, время суток) зависит деятельность, поведение человека. Метрология является базой для многих технических отраслей. Она вырабатывает показатели, на которые ориентируются при проведении технологических экспериментов, на производстве. Метрологическая отрасль выступает регулятором социально-экономических отношений в обществе.

Метрология (от греч. «метро» — мера и «логос» — учение) — наука, изучающая комплекс измерений, методику и способы обеспечения их точности.

Главным критерием результатов измерений является их единство. Под этим термином понимают установленные единицы величин измерений и заданные допустимые погрешности. Благодаря этому есть возможность сопоставлять результаты замеров, производимых в разных местах, в разное время и различными способами.

Предметом метрологии выступают:

теоретические исследования;
системы единиц физических величин;
средства и методы измерений;
способы установления точности замеров;
единство измерений;
образцовые показатели физических величин;
способы передачи размеров единиц величин от стандартов к рабочим средствам замеров.

Единство измерений регулируется законом РФ «Об обеспечении единства измерений». Он определяет метрологические службы, разграничивает сферы государственного контроля, указывает меру ответственности за нарушение метрологических требований.

Терминология в метрологии устанавливается правовым актом РМГ 29-2013.

Одним из основных в метрологической науке является понятие физической величины. Это свойство, общее для многих объектов в качественном отношении, но индивидуальное для каждого объекта по количественным показателям.

Размер физической величины — количественный показатель свойства физической величины.

Средство измерений — техническое средство, которое имеет соответствующие нормам характеристики и применяется для снятия замеров.

Результат измерения — количественное значение физической величины, полученное в результате практических опытов.

Точность средства измерения — качественная характеристика, которая отражает близость погрешности измерения по отношению к нулю.

Погрешности, как проводить с учетом ошибок

Абсолютно точные измерения невозможны хотя бы потому, что измеряемые величины, да и сами эталоны единиц измерения, не имеют абсолютно точных значений. Например, масса любого тела меняется из-за испарения его собственных молекул и поглощения молекул окружающего газа. Однако в большинстве случаев точности аппаратуры не хватает, чтобы заметить эти изменения.

Для характеристики каждого конкретного измерения используют его абсолютную погрешность, т.е. модуль разности между точным значением величины и ее значением, полученным в результате измерения. Истинное значение величины узнать нельзя, но с помощью серии измерений и обработки их результатов можно найти ее приблизительное значение и оценить возможное отклонение от него измеренной величины. В этом и заключается смысл обработки результатов эксперимента.

Чтобы понимать, насколько велики ошибки по сравнению с самой измеряемой величиной, вводят относительную погрешность измерения:

Часть погрешностей связана с приборами, часть — с наблюдателем, часть — с методами обработки и расчета. Приборная погрешность проявляется из-за несовершенства измерительной аппаратуры, например, из-за большой силы трения, действующей на стрелку прибора.

Есть погрешности и у цифровых измерительных приборов, поскольку аналого-цифровые преобразователи в принципе имеют ограниченное разрешение, что приводит к нелинейности и ошибкам квантования.

В процессе измерений человек привносит субъективные погрешности. Например, точность измерения секундомером ограничена временем реакции, равным 0,1–0,2 с.

Косвенные измерения требуют расчетов, а значит, появляется погрешность вычислений, ведь при любом вычислении приходится округлять результат: даже самый точный калькулятор вместо точного значения 2/3 использует десятичную дробь конечной длины: 0,66666667. Так как расчеты ведутся по формулам, созданным на основе определенной модели явления, то может обнаружиться и погрешность метода, она же методическая погрешность. Если раз за разом измерять ускорение свободного падения, увеличивая высоту, с которой тело отправляют в полет, то рано или поздно станет заметным влияние сопротивления воздуха.

Результат измерения, как правило, число не целое, а дробное. Измеряемая величина не дискретная, а непрерывная. Повторение чисел в результатах измерений случается редко, и поэтому вероятность повтора какого-то конкретного числа крайне низка и уменьшается при росте выборки.

Формула, по которой вычисляется плотность вероятности:

Так можно вычислить истинное значение величины — ее математическое ожидание.

Ширину распределения описывают средним значением квадрата отклонения от математического ожидания. Отклонение возводят в квадрат, чтобы суммировать неотрицательные числа и не получить в сумме нуль. Эта величина называется дисперсией. В случае реальных измерений физических величин можно рассчитать только выборочное среднее и дисперсию выборки, поскольку число измерений конечно.

При записи результатов измерений соблюдаются некоторые правила. Погрешность измерения обычно округляется до одной цифры, если первая цифра, отличная от нуля, больше 2, и до двух цифр, если она меньше или равна 2. Например, если найденные в результате проведенных измерений погрешности равны ±83, ±0,0218, то их записывают так: ±80, ±0,022. В физических справочниках цифры, в которых возможна ошибка, как правило, заключены в скобки.

Классификация погрешностей

Погрешность измерения — несоответствие результата измерения Х истинному значению Хи:

\(\Delta\;=\;X\;-\;Xи\;.\;\)

Классификация погрешностей формируется на основе:

1. Способа выражения:

абсолютные;
относительные.

2. Источника выражения:

инструментальные — зависят от точности СИ, последствия устраняются при помощи поправок;
методические погрешности вызваны несовершенством методов измерения;
причиной субъективных погрешностей становится оператор.

3. Закономерностей возникновения или проявления:

систематические — появляются постоянно или зависят от изменений конкретной величины;
случайные погрешности могут возникать из-за неточностей приборов, вибраций, шумов, нестабильной работы оборудования, колебаний магнитных полей;
грубые — значительно превышают предполагаемую погрешность. Их могут вызывать метрологический сбой прибора, операторская ошибка, нарушение каких-либо внешних факторов.

Права и обязанности

Права и обязанности структурных подразделений метрологической службы в центральном аппарате, в головных и базовых организациях метрологической службы, а также на предприятиях и в организациях определяются Положением о метрологической службе государственного органа управления или юридического лица, утверждаемые их руководителем.

Деятельность метрологических служб поддерживается законодательными и нормативными документами, регламентирующими различные направления, в том числе по метрологическому обеспечению производства и сертификации систем качества; эталонами и средствами измерений, контроля и испытаний; специалистами, имеющими профессиональную специальную подготовку, квалификацию и опыт в выполнении метрологических работ и услуг.

МИ подразделяются на

Метод непосредственной оценки

Значение измеряемой величины снимается непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия.

Преимущество – быстрота измерений, обусловливающая незаменимость для практического применения. Недостаток – ограниченная точность.

Метод сравнения с мерой

Измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой. Пример: измерение длины линейкой.

Преимущество – большая точность измерения, чем при методе непосредственной оценки. Недостаток – большие затраты времени на подбор мер.

Метод противоставления

Измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, единовременно действует на прибор сравнения, с помощью которого устанавливают соотношение между этими величинами.

Например, взвешивание на равноплечных весах, при котором измеряется масса, определяется как сумма массы гирь, ее уравновешивающих, и показаний по шкале весов.

Преимущество – уменьшение воздействия на результаты измерения факторов, влияющих на искажение сигналов измерительной информации. Недостаток – увеличение времени взвешивания.

Дифференциальный (разностный) метод

Характеризуется разностью измеряемой и известной (воспроизводимой мерой) величинами. Например, измерение путем сравнения с рабочим эталоном на компаторе, выполняемые при поверке мер длины.

Преимущество — получение результатов с высокой точностью, даже при применении относительно грубых средств для измерения разности.

Метод совпадения

Метод сравнения с мерой, в которой разность между значениями искомой и воспроизводимой мерой величин измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов.

Преимущество – метод позволяет существенно увеличить точность сравнения с мерой. Недостаток – затраты на приобретение более сложных СрИзм, необходимость наличия профессиональных навыков у оператора.

Метод замещения

Основан на сравнении с мерой, при котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой, сохраняя все условия неизменными. Например, взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов.

Преимущества – погрешность измерений мала, так как определяется в основном погрешностью меры и зоной нечувствительности прибора (ноль – индикатор). Недостаток – необходимость применения многозначных мер.

Косвенный метод измерения

Измерение физической величины одного наименования, связанной с другой искомой величиной, определенной функциональной зависимостью, с последующим расчетом путем решения управления. Косвенные методы широко применяются при химических методах испытания.

Преимущества – возможность измерения величин, для которых отсутствуют методы непосредственной оценки или они не дают достоверных результатов или связаны со значительными затратами. Недостатки – повышенные затраты времени и средств на измерение.

Методы измерений

Метод измерений – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Можно выделить следующие методы измерений.

По способу получения значения измеряемых величин различают два основных метода измерений.

Метод непосредственной оценки – метод измерения, при котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия.

Метод сравнения с мерой – метод измерения, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

Разновидности метода сравнения:

метод противопоставления, при котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения;
дифференциальный метод, при котором измеряемую величину сравнивают с известной величиной, воспроизводимой мерой;
нулевой метод, при котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля (например, измерение электрического сопротивления по схеме моста с полным его уравновешиванием);
метод совпадений, при котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, определяют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов (например, считывание размера по основной и нониусной шкалам штангенциркуля).

При измерении линейных величин независимо от рассмотренных методов различают контактный и бесконтактный методы измерений.

В зависимости от измерительных средств, используемых в процессе измерения, различают:

инструментальный метод;
экспертный метод, который основан на использовании данных нескольких специалистов (например, в квалиметрии, спорте, искусстве, медицине);
эвристические методы, которые основаны на интуиции. Широко используется способ попарного сопоставления, когда измеряемые величины сравниваются между собой попарно, а затем производится ранжирование на основании результатов этого сравнения;
органолептические методы оценки, которые основаны на использовании органов чувств человека (осязания, обоняния, зрения, слуха, вкуса). Например, оценка шероховатости поверхности по образцу зрительно или на ощупь.