Измерение физических величин

Измерение – это процесс нахождения значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств (средств измерений). Совокупность операций для определения отношения измеряемой величины к другой однородной величине, принятой за единицу, хранящуюся в техническом средстве. Получившееся значение называется числовым значением измеряемой величины.

Физической величиной называется одно из свойств физического объекта (явления, процесса), которое является общим в качественном отношении для многих - физических объектов, отличаясь при этом количественным значением.

Физическая величина, подлежащая измерению, измеряемая или измеренная в соответствии с основной целью измерительной задачи, называется измеряемой физической величиной.

Измеряемые физические величины можно классифицировать с помощью различных признаков, одним из которых является природа величины.

Значение физической величины – выражение размера физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Значение физической величины является числовым значением совместно с обозначением используемой единицы, например, 10 Вт.

Измерение значения физической величины опытным путем проводится с помощью различных средств измерений – измерительных приборов, измерительных преобразователей, установок и др.

Объект измерения – это тело (физическая система, процесс, явление и т. д.), которое характеризуется одной или несколькими измеряемыми физическими величинами.

Свойства объектов можно выражать количественно в принятых единицах.

Единица измерения физической величины – физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное единице, применяемая для количественного выражения однородных с ней физических величин.

На практике широко применяется понятие узаконенные единицы, которое раскрывается как «система единиц и (или) отдельные единицы, установленные для применения в стране в соответствии с законодательными актами».

Система единиц физических величин – совокупность основных и производных единиц физических величин, образованная в соответствии с принципами для заданной системы физических величин.

Система физических величин(англ. system of physical quantities) – совокупность физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины принимают за независимые, а другие определяют как функции независимых величин.

Основная физическая величина (англ. base quantity) – физическая величина, входящая в систему величин и условно принятая в качестве независимой от других величин этой системы.

Производная физическая величина (англ. derived quantity) – физическая величина, входящая в систему величин и определяемая через основные величины этой системы.

Физический параметр – физическая величина, рассматриваемая при измерении данной физической величины как вспомогательная. Пример - При измерении электрического напряжения переменного тока частоту тока рассматривают как параметр напряжения.

Влияющая физическая величина (англ. influence quantity) – физическая величина, оказывающая влияние на размер измеряемой величины и (или) результат измерений.

Размерность физической величины (англ. dimension of a quantity) – выражение в форме степенного одночлена, составленного из произведений символов основных физических величин в различных степенях и отражающее связь данной физической величины с физическими величинами, принятыми в данной системе величин за основные с коэффициентом пропорциональности, равным 1.

Безразмерная физическая величина (англ. dimensionless quantity) – физическая величина, в размерность которой основные физические величины входят в степени, равной нулю. Безразмерная величина в одной системе величин может быть размерной в другой системе. Например, электрическая постоянная eо в электростатической системе является безразмерной величиной, а в системе величин СИ имеет размерность dim _eо = L^-3 М^-1 Т⁴ I².

Целью измерений является определение значения физической величины - некоторого числа принятых для нее единиц (например, результат измерения массы изделия составляет 2 кг, высоты здания -12 м и др.).

Шкала физической величины – упорядоченная совокупность значений физической величины, служащая исходной основой для измерений данной величины.

Условная шкала физической величины (англ. conventional reference scale; reference - value scale) – шкала физической величины, исходные значения которой выражены в условных единицах.

Физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение, равное единице, называется единицей физической величины. Например, единица длины - метр, единица массы килограмм, единица температуры - градус и т.д.

Для большинства величин единицы получают по формулам, выражающим зависимость между физическими величинами. Например, единица скорости - метр в секунду (м/с), единица плотности - килограмм на метр в квадрате (кг/м²).

Единицу можно получить также умножением или делением независимой или производной единицы на целое число, обычно на 10. Такие единицы называют кратными (например, километр - 10³ м, киловатт - 10³ Вт) или дельными (например, миллиметр - 10'³ м, миллисекунда - 10'³ с).

Единицы физических величин объединяются по определенному принципу в системы единиц. Эти принципы заключаются в следующем: произвольно устанавливают единицы для некоторых величин, называемых основными единицами, и по формулам через основные получают все производные единицы для данной области измерений. Совокупность основных и производных единиц, относящихся к некоторой системе величин и образованная в соответствии с принятыми принципами, составляет систему единиц физических величин.

Международная система единиц (СИ) включает семь основных единиц: метр (м), килограмм (кг), секунда (с), ампер (А), кельвин (К), моль (моль) и кандела (кд).

В названии системы величин применяют символы величин, принятых за основные. Так система величин механики, в которой в качестве основных приняты длина L, масса М и время Т, должна называться системой LMT. Система основных величин, соответствующая Международной системе единиц (СИ), должна обозначаться символами LMTIQNJ, обозначающими соответственно символы основных величин - длины L, массы М, времени Т, силы электрического тока I, температуры Q, количества вещества N и силы света J.

Все физические величины можно подразделить на:

- неэлектрические (например, механические, тепловые, химические);

- электрические (например, напряжение, ток, напряженность электромагнитного поля).

По природе измеряемые величины можно разделить на 11 классов:

1) электрические;

2) магнитные;

3) электромагнитные;

4) механические;

5) акустические;

6) тепловые;

7) оптические;

8) химические;

9) радиоактивные;

10) пространственные;

11) временные.

Каждый класс включает конечное множество конкретных величин.

Классификация физических величин:

1. Может ли совершать работу: активные, пассивные

2. Детерминированные, случайные

3. Аналоговые – ФВ, которая имеет бесконечное множество значений в заданном диапазоне; квантованные

4. Во времени: непрерывные, дискретные

Электрические измерения могут применяться для измерений как электрических, так и неэлектрических величин. Причина широкого распространения электрических измерений – простота и удобство получения, преобразования, передачи и хранения информации, представленной в электрической форме. Большинство современных средств измерений основано на принципах электрических измерений.

В зависимости от степени приближения к объективности различают истинное, действительное и измеренное значения физической величины.

Истинное значение физической величины – это значение физической величины, которое идеальным образом характеризует в качественном и количественном отношении соответствующую физическую величину. Истинное значение – свойство, объективно присущее физической величине, но абсолютно точно определить его экспериментально нельзя. Поэтому при измерениях всегда используется действительное значение физической величины. Из-за несовершенства средств и методов измерений истинные значения величин практически получить нельзя. Их можно представить только теоретически. А значения величины, полученные при измерении, лишь в большей или меньшей степени приближаются к истинному значению.

Действительное значение физической величины – это значение физической величины, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него.

Классификация измерений

Классификация средств измерений может проводиться по следующим критериям.

1. По характеристике точности измерения делятся на равноточные и неравноточные.

Равноточными измерениями физической величины называется ряд измерений некоторой величины, сделанных при помощи средств измерений (СИ), обладающих одинаковой точностью, в идентичных исходных условиях.

Неравноточными измерениями физической величины называется ряд измерений некоторой величины, сделанных при помощи средств измерения, обладающих разной точностью, и (или) в различных исходных условиях.

2. По количеству измерений измерения делятся на однократные и многократные.

3. По типу изменения величины измерения делятся на статические и динамические.

Статические измерения — это измерения постоянной, неизменной физической величины.

Динамические измерения — это измерения изменяющейся, непостоянной физической величины.

4. По предназначению измерения делятся на технические и метрологические.

Технические измерения — это измерения, выполняемые техническими средствами измерений.

Метрологические измерения — это измерения, выполняемые с использованием эталонов.

5. По способу представления результата измерения делятся на абсолютные и относительные.

Абсолютные измерения — это измерения, которые выполняются посредством прямого, непосредственного измерения основной величины и (или) применения физической константы.

Относительные измерения — это измерения, при которых вычисляется отношение однородных величин, причем числитель является сравниваемой величиной, а знаменатель — базой сравнения (единицей).

6. По методам получения результатов измерения делятся на прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямые измерения — это измерения, выполняемые при помощи мер, т. е. измеряемая величина сопоставляется непосредственно с ее мерой, из опытных данных. Прямые измерения можно выразить формулой , где - искомое значение измеряемой величины, а - значение, непосредственно получаемое из опытных данных. Примером прямых измерений является измерение величины угла (мера — транспортир).

Косвенные измерения — это измерения, при которых значение измеряемой величины вычисляется при помощи значений, полученных посредством прямых измерений, искомое значение величины находят по известной зависимости межу этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям (нахождение плотности по массе и размерам). Значение измеряемой величины находят путем вычисления по формуле , где - искомое значение косвенно измеряемой величины; - функциональная зависимость, которая заранее известна, - значения величин, измеренных прямым способом.

Совокупные измерения — это измерения, результатом которых является решение некоторой системы уравнений получаемых при прямых измерениях (нахождение массы гири в наборе по известной массе одной из них и по результатам сравнения масс различных сочетаний гирь).

Совместные измерения — это измерения, в ходе которых измеряется минимум две неоднородные физические величины с целью установления существующей между ними зависимости. Проводятся одновременно измерения двух или более неодноименных величин для выявления зависимости между ними (например, вольт-амперная характеристика).

Наибольшее распространение в практической деятельности получили прямые измерения, т.к. они просты и могут быть быстро выполнены. Косвенные измерения применяют тогда, когда нет возможности получить значение величины непосредственно из опытных данных (например, определение твердости твердого тела) или когда приборы для измерения величин, входящих в формулу, точнее, чем для измерения искомой величины.

Деление измерений на прямые и косвенные позволяет использовать определенные способы оценивания погрешностей их результатов.

Метрология

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства, способах достижения требуемой точности.

Метрология изучает общепринятые основы измерений, единицы физических величин, методы точности измерений, принципы единообразия средств измерений. В метрологии рассматриваются такие понятия как:

- эталоны и образцовые средства измерений,

- применение образцовых средств измерений к средствам измерений применяемых в производстве.

Имеется три направления метрологии:

- теоретическое (фундаментальное); Рассматривает общие теоретические проблемы (разработка теории и проблем измерений физических величин, их единиц, методов измерений).

- законодательное; Устанавливает обязательные технические и юридические требования по применению единиц физической величины, методов и средств измерений.

- прикладное; Изучает вопросы практического применения разработок теоретической метрологии. В её ведении находятся все вопросы метрологического обеспечения.

Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов с заданной точностью и достоверностью, нормативная база для этого – метрологические стандарты.

Базовые понятия метрологии:

1) Измерение;

2) Единство измерений;

3) Точность измерений.

Единство измерений

Единство измерений - комплекс принятых мер, при которых результаты измерений выражены в общепринятых узаконенных единицах величин и погрешности измерений не превышают установленных стандартов с учитываемой вероятностью;

Под единством измерений понимают такое состояние измерений, при котором результаты всех измерений проводимых в стране выражаются в одних и тех же узаконенных единицах измерения и оценка их точности обеспечивается с гарантированной доверительной вероятностью.

Определение, которое дано в ФЕДЕРАЛЬНОМ ЗАКОНЕ от 26.06.2008 N 102-ФЗ "ОБ ОБЕСПЕЧЕНИИ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ" (принят ГД ФС РФ 11.06.2008): «Единство измерений — состояние измерений, при котором их результаты выражены в допущенных к применению в Российской Федерации единицах величин, а показатели точности измерений не выходят за установленные границы.»

Единство измерений необходимо для того, чтобы можно было сопоставить результаты измерений, выполненных в разных местах и в разное время, с использованием разных методов и средств измерений.

Определение понятия «единство измерений» охватывает важнейшие задачи метрологии:

- унификацию единиц,

- разработку систем воспроизведения единиц и передачи их размеров рабочим средствам измерений с установленной точностью,

- проведение измерений с погрешностью, не превышающей установленные пределы и др.

Единство измерений должно выдерживаться при любой точности измерений, необходимой владельцу процесса.

Для обеспечения единства измерений выполняются следующие условия:

•применяются только узаконенные правилами единицы измерений;

•устанавливается допустимые погрешности измерений и пределы, за которые они не должны выходить при заданной вероятности.

Основными документами метрологии являются Закон РФ«Об обеспечении единства измерений» и стандарты государственной системы обеспечения единства измерений, которые объединены в следующие группы:

•стандартные справочные данные; стандартные образцы; эталоны единиц физических величин; методики и условия измерений; измерения геометрических, механических, электрических и других величин (например, объем, физико-химический состав и свойства материала);

•методы поверки, калибровки и аттестации. В настоящее время действует более 3 тысяч государственных стандартов на методы контроля и испытаний различных видов продукции.

Метрологическое обеспечение

Метрологическое обеспечение – это утверждение и применение метрологических норм, правил и методик выполнения измерений (МВИ), а также разработка, изготовление и применение технических средств для обеспечения единства и требуемой точности измерений.

Основными целями метрологического обеспечения являются:

- повышение качества продукции, эффективности управления производством;

- обеспечение взаимозаменяемости деталей, узлов и агрегатов.

Основные задачи метрологического обеспечения:

- установление единых требований к метрологическим характеристикам средств измерений;

- проведение государственных испытаний средств измерений, предназначенных для серийного или массового производства;

- обеспечение и выполнение процессов измерений, испытаний и контроля;

- поддержание технических средств в метрологически исправном состоянии.

Комплексное решение всех задач метрологического обеспечения позволит свести к минимуму возможность принятия ошибочных решений по результатам измерений, испытаний и контроля сырья, материалов, изделий и процессов.

Метрологическое обеспечение необходимо при экспертизе технической документации, выборе средств измерений, разработке систем обслуживания и оценке качества продукции. Оценку качества продукции проводят при предпродажном контроле (оценка производителя — «первого лица»), при эксплуатации или после ремонта (оценка потребителя — «второго лица») и при сертификации (оценка, независимая от производителя и потребителя — «третьего лица»). Оценка качества необходима и при проведении технологических процессов различных отраслей экономики.

Метрологическое обеспечение присутствует на всех уровнях управления производством:

•нормативном (корпоративном), когда определяются основные принципы, относящиеся к системе менеджмента качества;

•стратегическом, когда принимаются решения по выбору направлений деятельности, будущей продукции;

•эксплуатационном (производственная деятельность), когда принимаются оперативные решения и дается оценка товаров и услуг, предлагаемых потребителю.

Законодательно установлено, что потребитель не обязан обладать профессиональными знаниями опотребляемых товарах и услугах, его компетенция ограничивается преимущественно правилами пользования ими. Именно правила его использования позволяют определить возможности товара в конкретной потребительской ситуации. Например, безопасность является базовым свойством, допускающим товар на рынок, а надежность гарантирует исключение возникновения негативных ситуаций. Для потребителя эти параметры в системе потребительской ценности не являются синонимами качества, а служат лишь условиями, необходимыми и достаточными для его использования.

Метрологическое обеспечение производства должно обеспечивать оптимизацию управления технологическими процессами предприятия, поддерживать качество изготовления продукции. При этом затраты на метрологическое обеспечение производства должны соответствовать масштабам производства, сложности технологических циклов.