Единицы физических величин

Измерительные задачи

Поскольку цель любого измерения – получение действительного значения ФВ, значит в результате измерения должно быть получено такое значение ФВ, которое достоверно (с пренебрежимо малой погрешностью) представляло бы ее истинное значение. Для измерительного контроля корректно нормированной ФВ это результат измерения, погрешность которого пренебрежимо мала по сравнению с допуском. Для ненормированной ФВ это достоверная оценка, погрешностью которой можно пренебречь в соответствии с иной поставленной измерительной задачей.

Формулирование возможных измерительных задач осуществляется, прежде всего, с позиций, позволяющих нормировать требуемую точность измерений. С этой позиции можно рассматривать задачи в соответствии с ожидаемым использованием результатов измерений исследуемого параметра (заданной ФВ), например, такие как:

- измерительный приемочный контроль объекта по конкретному параметру;

- сортировка объектов на группы по конкретному параметру;

- арбитражная перепроверка результатов приемочного контроля конкретного параметра объекта;

- измерения конкретных параметров при проведении научного исследования;

- измерения при ориентировочной оценке конкретного параметра.

В принципе возможны и другие формулировки, но абсолютное большинство измерительных задач сводится к перечисленным.

При решении любой из поставленных задач измерения необходимо:

· установить необходимую точность измерения.

· убедиться в том, что реализуемая в процессе измерения точность соответствует установленной.

Порядок решения этих частных задач может быть изменен, например, необходимую точность измерений можно устанавливать методом проб и ошибок на основании анализа полученных в ходе измерений предварительных результатов с необходимой корректировкой.

Близость результата измерения к истинному значению измеряемой физической величины характеризуют погрешностью измерений Δ (реализуемой погрешностью, пределом погрешности измерения), причем пренебрежимо малой погрешностью можно считать такую, которая не приведет к недопустимому искажению измерительной информации.

Необходимую точность измерения, как правило, нормируют значением допустимой погрешности измерения [Δ]. Значение [Δ] выбирают в зависимости от формулировки поставленной задачи измерений, которые могут быть представлены в разных вариантах. Постановка задачи измерений может быть корректной, либо некорректной, в соответствии с исходной информацией об измеряемой физической величине. Корректно поставленными (корректными) задачами будем называть те, условия которых содержат достаточно полную информацию для априорного назначения допустимой погрешности измерений. Если для измеряемой физической величины установлена норма, ограничивающая ее неопределенность, например, Т – допуск параметра, то при установлении годности объекта по данному параметру можно назначить такую допустимую погрешность измерений [Δ], которая будет пренебрежимо малой по сравнению с допуском параметра, и практически не приведет к расширению его неопределенности по сравнению с нормой:

Т’ = Т * [Δ] ≈ Т,

где Т’ – область неопределенности параметра, искаженная из-за наличия погрешности измерений при его измерительном контроле;

Т – допуск (норма неопределенности) параметра;

* – знак объединения (комплексирования);

[Δ] – допустимая погрешность измерений.

Объединение (комплексирование) двух нормированных неопределенностей в предположении стохастического характера обеих величин может осуществляться как геометрическое (квадратическое) суммирование.

Из приведенных рассуждений следует, что корректно поставленными (корректными) задачами измерений можно считать те, в условиях которых установлена норма допустимой неопределенности измеряемой физической величины. К ним можно отнести следующие задачи:

· измерительный приемочный контроль по заданному параметру, если нормированы его предельные значения (задан допуск параметра);

· сортировка объектов на группы по заданному параметру;

· поверка средства измерений;

· арбитражная перепроверка результатов приемочного контроля;

· идентификация физической величины с нормированным номинальным значением.

Фактически во всех перечисленных случаях для измеряемой физической величины в явном или неявном виде установлена норма, ограничивающая ее неопределенность, на основании которой можно нормировать неопределенность измерений, ограничивая их допустимую погрешность.

2.Измерение физических величин (основные понятия и классификация)

Измерение физической величины – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, заключающихся в сравнении (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей с целью получения этой величины в форме, наиболее удобной для использования.

Все измерения подразделяются на прямые измерения и косвенные измерения. Прямые измерения - измерения, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно. Например, измерение массы на весах, температуры ртутным или спиртовым термометром, геометрических измерений с помощью линейно-угловых СИ и т.д.

Косвенные измерения - определение искомого значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. Например, нахождение температуры по реакции термоЭДС в термопаре, удельного электросопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площадипоперечного сечения и т.д.

Из прямых и косвенных измерений вытекают понятия:

- совокупные измерения - проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях. Например, измерение массы отдельных гирь сравнением масс сочетания гирь;

- совместные измерения - проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для определения зависимости между ними. Например, измерение, при которых электросопротивление при Т=20 °С и температурные коэффициенты измерительного резистора находят по данным прямых измерений его сопротивления при различных температурах;

- абсолютное измерение - измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант;

- относительное измерение - измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерение изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную;

- принцип измерения - физическое явление или эффект, положенное в основу измерения. Основывается на известных законах физики и химии;

- методы измерения – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с использованным принципом измерений;

- средство измерения - техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящие и (или) хранящие единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в условиях установленной погрешности) течение известного интервала времени;

- мера - средство измерения, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.

Единицы физических величин

Под физической величиной понимают характеристику физического объекта, общую для множества объектов в качественном отношении (например, длина, масса, мощность) и индивидуальную для каждого объекта в количественном отношении (например, длина нервного волокна, масса тела человека, мощность поглощенной дозы ионизирующего излучения). Между физическими величинами, характеризующими какой-либо объект, существует закономерная связь. Установление этой связи благодаря измерению физических величин имело важное научное и практическое значение. Под измерением физической величины подразумевается совокупность экспериментальных (с помощью мер и эталонов) и в некоторых случаях вычислительных операций для определения количества данной величины. При этом важное значение имеет обоснованный рациональный выбор ее единицы.

Структура Международной системы единиц (СИ). Международная система единиц представляет собой совокупность основных и производных единиц, охватывающих все области измерений механических, тепловых, электрических, магнитных и других величин. Важным преимуществом этой системы является также и то, что составляющие ее основные и производные единицы удобны для практических целей. Основным достоинством СИ является ее когерентность (согласованность), т.е. все производные единицы в ней получены с помощью определяющих формул (так называемых формул размерности) путем умножения или деления основных единиц без введения числовых коэффициентов, показывающих, во сколько раз увеличивается или уменьшается значение производной единицы при изменении значений основных единиц. например, для единицы скорости она имеет следующий вид: v = kL×T^-1~; гдеk — коэффициент пропорциональности, равный 1, L — длина пути, Т — время. Если вместо L и Т подставить наименования единиц измерения длины и времени в системе СИ, получим формулу размерности единицы скорости в этой системе: V = м/с, или v = м×с^-1. Если физическая величина представляет собой отношение двух размерных величин одной природы, то она не имеет размерности. Такими безразмерными величинами являются, например, коэффициент преломления, массовая или объемная доля вещества.

Единицы физических величин, которые устанавливаются независимо от других и на которых базируется система единиц, называются основными единицами системы. Единицы, определяемые с помощью формул и уравнений, связывающих физические величины между собой, называются производными единицами системы. Основные или производные единицы, входящие в систему единиц, называются системными единицами.

Международная система единиц включает 7 основных (табл. 1), 2 дополнительные (табл. 2). Дополнительные единицы (радиан и стерадиан) не зависят от основных единиц и имеют нулевую размерность. Для непосредственных измерений они не применяются из-за отсутствия измерительных приборов, проградуированных в радианах и стерадианах. Эти единицы используют для теоретических исследований и расчетов.

Таблица 1.

Килограмм	kg	кг	Масса
Метр	m	м	Длина
Секунда	s	с	Время
Ампер	А	А	Сила электрического тока
Кельвин	К	К	Термодинамическая температура*
Моль	mol	моль	Количество вещества
Кандела	cd	кд	Сила света

Основные единицы СИ и измеряемые ими величины

* Допускается также наименование «температура Кельвина». Кроме температуры Кельвина (Т) можно пользоваться температурой Цельсия (t), определяемой из выражения: t = T – T₀ где Т — термодинамическая температура, Т₀= 273,15 К. Для разности температур 1°С = 1 К.

Таблица 2.

Дополнительные единицы СИ и измеряемые ими величины