Составляющие процесса измерений. Физические величины, методы и средства измерений (СИ)

Лекция № 1

Теоретические основы метрологии

Вопросы лекции:

Основные понятия, связанные с объектами и средствами измерений.

Составляющие процесса измерений. Физические величины, методы и средства измерений (СИ).

 

Основные понятия, связанные с объектами и средствами измерений

 

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

Физическая величина - одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.

Измеряемая физическая величина – физическая величина, подлежащая измерению, измеряемая или измеренная в соответствии с основной целью измерительной задачи.

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

Значение физической величины – выражение размера физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц.

Числовое значение физической величины – отвлеченное число, входящее в значение величины.

Различают истинное и действительное значения физической величины.

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

Истинное значение может быть получено только в результате бесконечного процесса измерений с бесконечным совершенствованием методов и средств измерений. Так как истинное значение определить практически невозможно, вместо истинного значения пользуются действительным значением.

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

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

Измерение физической величины – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном и неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины.

Результат измерения физической величины – значение величины, полученное путем ее измерения.

Измерительная задача — задача, заключающаяся в определении значения физической величины путем ее измерения с требуемой точностью в данных условиях измерений.

Для выполнения этой задачи необходимо воспроизвести единицу физической величины, сравнить с ней значение измеряемой величины, зафиксировать результаты сравнения и оценить погрешности измерений.

Погрешность результата измерения – отклонение результата измерения х от истинного (действительного) значения А измеряемой величины.

Абсолютная погрешность измерения – погрешность измерения, выраженная в единицах измеряемой величины:

(1)

Относительная погрешность измерения – погрешность измерения, выраженная отношением абсолютной погрешности измерения к действительному или измеренному значению х измеряемой величины.

Относительная погрешность выражается в долях или процентах и характеризует качество измерения:

или

Точность результата измерений – одна из характеристик качества измерения, отражающая близость к нулю погрешности результата измерения.

Чем меньше погрешность измерения, тем больше его точность. Количественно точность измерений может быть выражена значением, обратным модулю относительной погрешности . Если погрешность измерения , то точность равна 10³.

Принцип измерений – физическое явление или эффект, положенный в основу измерений.

Метод измерений – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерения.

Средство измерений – техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.

Единство измерений – состояние измерений, характеризующееся тем, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам единиц, воспроизводимых первичными эталонами, а погрешности результатов измерений известны и с заданной вероятностью не выходят за установленные пределы.

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

В России действуют «ГСИ. Единицы физических величин » - этими стандартами установлено обязательное применение Международной системы единиц СИ [SI]. Единицы подразделяют на основные, дополнительные, производные.

Основные единицы СИ: длина (метр), масса (килограмм), время (секунда), сила электрического тока (ампер), термодинамическая температура (кельвин), количество вещества (моль), сила света (кандела).

Метр – единица равная длине пути, проходимого светом в вакууме за 1/299792458 доли секунды. Первоначально (1791 г.) был определен как одна десятимиллионная часть четверти парижского меридиана.

Килограмм – единица массы, равна массе международного прототипа килограмма – платиновой цилиндрической гири, изготовленной в 1799 году и хранящейся в национальном архиве Франции.

Секунда – определяется по частотной характеристике одной из спектральных линий атома цезия. 1с равна 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу атома цезия между двумя определенными уровнями энергии.

Ампер – сила электрического тока. 1А определяется как сила тока, который будучи поддерживаемый в двух параллельных прямолинейных проводниках, расположенных в вакууме на расстоянии друг от друга в 1 метр, вызывал бы между этими проводниками силу, равную 2·10^-7 ньютона на один метр длины.

Кельвин – единица термодинамической температуры, до 1968 года именовалась градус Кельвина. 1К определяется как 1/273,16 часть термодинамической температуры точки равновесия льда, воды и ее пара, равен 1^°С.

Моль – содержит столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в нуклиде углерода массой 0,012 кг, то есть 6,022·10²³, обозначается mol.

Кандела – единица силы света. 1кд – сила света, испускаемая специальным излучателем, имеющим температуру затвердевания платины (2042 К) при нормальном давлении (101325-Па).

Дополнительные единицы СИ: плоский угол (радиан), телесный угол (стерадиан).

Производные единицы СИ: частота (герц), энергия (джоуль), мощность (ватт), количество электричества (кулон), электрическое напряжение (вольт), электрическая емкость (фарад), электрическое сопротивление (ом), электрическая проводимость (сименс), магнитный поток (вебер), индуктивность (генри). Производные единицы наиболее часто используют в электро и радио измерениях.

Диапазон измеряемых величин велик, поэтому кроме целых единиц часто употребляют приставки для образования кратных (в целое число раз больше основной) и дольных (в целое число раз меньше) единиц физических величин. Так, внесистемная безразмерная единица - децибел (дБ) определяется при сравнении напряжений по формуле 1 дБ = при .

При сравнении мощностей 1 дБ = 10 lg(Р₂/ Р₂) при (Р₂/ Р₂) = 10^1/10 = 1,259. Размерность физической величины – выражение в форме степенного одночлена, составленного из произведения символов основных физических величин в различных степенях, отражающее связь данной физической величины с физическими величинами, принятыми в данной системе величин за основные с коэффициентами пропорциональности, равными единице.

В соответствии с международным стандартом размерность величин обозначается dim (лат. Imension - размерность). Уравнения связи между величинами в конкретной измерительной задаче называют уравнением размерностей.

Допустим, что физическая величина А связана с X и У уравнением А= F(Х, У). Тогда величины X, У, А можно представить в виде

X=x[X]; Y=y[Y]; A=a[A]

где А, X, У - символы, обозначающие физическую величину; а, х, у - числовые значения величин (безразмерные); [А], [X], [У] - соответствующие единицы данных физических величин.

Размерность значений физических величин и их единицы совпадают, например:

А = (Х/У); dim[А] = dim (Х/У) = [Х]/[У].

Размерность – качественная характеристика физической величины, дающая представление о виде, природе величины, о соотношении ее с другими величинами, единицы которых принимаются за основные.

Приведенные выше определения позволяют понять суть метрологии.

Метрология служит научной основой измерительной техники - всех технических средств, с помощью которых выполняются измерение и техники проведения измерений. Метрология состоит из следующих разделов: теоретической, законодательной и практической.

Теоретическая метрология – раздел метрологии, предметом которого является разработка фундаментальных основ метрологии.

Теоретическая метрология включает в себя: общую теорию измерений; учение о физических величинах; теорию единства физических величин, средств измерений; теорию погрешностей методов измерений, средств измерений и измерительных процедур; теорию измерений по областям; теорию законодательной метрологии.

Законодательная метрология – раздел метрологии, предметом которого является установление обязательных технических и юридических требований по применению единиц физических величин, эталонов, методов и средств измерений, направленных на обеспечение единства и необходимой точности измерений в интересах общества.

Практическая (прикладная) метрология – раздел метрологии, предметом которого являются вопросы практического применения разработок теоретической метрологии и положений законодательной метрологии в ряде областей науки и техники.

По сути, это совокупность измерений физических величин, свойственных какой-либо области науки или техники, выделяющаяся своей спецификой. К ним относятся электрические, механические, магнитные, акустические, оптические, измерения ионизирующих излучений и др. Новейшие физические принципы, информационные и компьютерные технологии позволяют разрабатывать современные виртуальные приборы, автоматические измерительные системы, обладающие многофункциональностью, высокой точностью, быстродействием.

 

Составляющие процесса измерений. Физические величины, методы и средства измерений (СИ)

 

Измерение является важнейшим понятием в метрологии. Это организованное действие человека, выполняемое для количественного познания свойств физического объекта с помощью определения опытным путем значения какой-либо физической величины [20].

Существует несколько видов измерений. При их классификации обычно исходят из характера зависимости измеряемой величины от времени, вида уравнения измерений, условий, определяющих точность результата измерений, и способов выражения этих результатов.

1) По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения разделяются:

• на статические, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени;

• динамические, в процессе которых измеряемая величина изменяется и является непостоянной во времени.

Статическими измерениями являются, например, измерения размеров тела, постоянного давления, динамическими — измерения пульсирующих давлений, вибраций.

2) По способу получения результатов измерений их разделяют:

• на прямые;

• косвенные;

• совокупные;

• совместные.

Прямые – это измерения, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных. Прямые измерения можно выразить формулой Q = X, где Q – искомое значение измеряемой величины, а X – значение, непосредственно получаемое из опытных данных.

При прямых измерениях экспериментальным операциям подвергают измеряемую величину, которую сравнивают с мерой непосредственно или же с помощью измерительных приборов, градуированных в требуемых единицах. Примерами прямых служат измерения длины тела линейкой, массы с помощью весов и др. Прямые измерения широко применяются в машиностроении, а также при контроле технологических процессов (измерение давления, температуры и др.).

Косвенные – это измерения, при которых искомую величину определяют на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям, т.е. измеряют не собственно определяемую величину, а другие, функционально с ней связанные. Значение измеряемой величины находят путем вычисления по формуле Q = F(х₁, х₂,..., x_N), где Q — искомое значение косвенно измеряемой величины; F — функциональная зависимость, которая заранее известна, х₁, х₂,..., x_N — значения величин, измеренных прямым способом.

Примеры косвенных измерений: определение объема тела по прямым измерениям его геометрических размеров, нахождение удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения.

Косвенные измерения широко распространены в тех случаях, когда искомую величину невозможно или слишком сложно измерить непосредственно или когда прямое измерение дает менее точный результат. Роль их особенно велика при измерении величин, недоступных непосредственному экспериментальному сравнению, например размеров астрономического или внутриатомного порядка.

Совокупные — это производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомую величину определяют решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.

Примером совокупных измерений является определение массы отдельных гирь набора (калибровка по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь).

Совместные — это производимые одновременно измерения двух или нескольких одноименных величин для нахождения зависимостей между ними.

В качестве примера можно назвать измерение электрического сопротивления при 20°С и температурных коэффициентов измерительного резистора по данным прямых измерений его сопротивления при различных температурах.

3) По условиям, определяющим точность результата, измерения делятся на три класса.

Измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровне техники.

К ним относятся в первую очередь эталонные измерения, связанные с максимально возможной точностью воспроизведения установленных единиц физических величин, и, кроме того, измерения физических констант, прежде всего универсальных (например, абсолютного значения ускорения свободного падения, гиромагнитного отношения протона и др.). К этому же классу относятся и некоторые специальные измерения, требующие высокой точности.

Контрольно-поверочные измерения, погрешность которых с определенной вероятностью не должна превышать некоторого заданного значения.

К ним относятся измерения, выполняемые лабораториями государственного надзора за внедрением и соблюдением стандартов и состоянием измерительной техники и заводскими измерительными лабораториями, которые гарантируют погрешность результата с определенной вероятностью, не превышающей некоторого заранее заданного значения.

Технические измерения, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерений.

Примерами технических измерений являются измерения, выполняемые в процессе производства на машиностроительных предприятиях, на щитах распределительных устройств электрических станций и др.

4) По способу выражения результатов измерений различают абсолютные и относительные измерения.

Абсолютными называются измерения, которые основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин или на использовании значений физических констант.

Примером абсолютных измерений может служить определение длины в метрах, силы электрического тока в амперах, ускорения свободного падения в метрах на секунду в квадрате.

Относительными называются измерения отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

В качестве примера относительных измерений можно привести измерение относительной влажности воздуха, определяемой как отношение количества водяных паров в 1 м³ воздуха к количеству водяных паров, которое насыщает 1 м³ воздуха при данной температуре.

Основными характеристиками измерений являются: принцип измерений, метод измерений, погрешность, точность, правильность и достоверность.

Принцип измерений — физическое явление или совокупность физических явлений, положенных в основу измерений. Например, измерение массы тела с помощью взвешивания с использованием силы тяжести, пропорциональной массе, измерение температуры с использованием термоэлектрического эффекта.

Метод измерений — совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Средствами измерений являются используемые технические средства, имеющие нормированные метрологические свойства.

Погрешность измерений — разность между полученными при измерении X' и истинными Q значениями измеряемой величины:

А = X' - Q. (2)

Погрешность вызывается несовершенством методов и средств измерений, непостоянством условий наблюдения, а также недостаточным опытом наблюдателя или особенностями его органов чувств.

Точность измерений — это характеристика измерений, отражающая близость их результатов к истинному значению измеряемой величины.

Количественно точность можно выразить величиной, обратной модулю относительной погрешности:

. (3)

Например, если погрешность измерений равна 10^-4, то точность равна 10⁴.

Правильность измерения определяется как качество измерения, отражающее близость к нулю систематических погрешностей результатов (т.е. таких погрешностей, которые остаются постоянными или закономерно изменяются при повторных измерениях одной и той же величины). Правильность измерений зависит, в частности, от того, насколько действительный размер единицы, в которой выполнено измерение, отличается от ее истинного размера (по определению), т. е. от того, в какой степени были правильны (верны) средства измерений, использованные для данного вида измерений.

Важнейшей характеристикой качества измерений является их достоверность; она характеризует доверие к результатам измерений и делит их на две категории: достоверные и недостоверные, в зависимости от того, известны или неизвестны вероятностные характеристики их отклонений от истинных значений соответствующих величин. Результаты измерений, достоверность которых неизвестна, не представляют ценности и в ряде случаев могут служить источником дезинформации.

Наличие погрешности ограничивает достоверность измерений, т. е. вносит ограничение в число достоверных значащих цифр числового значения измеряемой величины и определяет точность измерений.

Существуют различные физические объекты, обладающие разнообразными физическими свойствами. Обычным объектом измерений являются физические 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. Качественная характеристика физической величины определяется тем, какое свойство материального объекта или какую особенность материального мира эта величина характеризует (твердость, надежность, прочность и т. п.). Для выражения количественного содержания свойства конкретного объекта употребляется понятие «размер физической величины», который устанавливается в процессе измерения. Физические величины разделяют на измеряемые и оцениваемые. Измеряемые величины могут быть выражены количественно в установленных единицах измерения. Величины, для которых не может быть введена единица измерения, относятся к оцениваемым. Оцениваемые величины производятся при помощи установленной шкалы.

Физические величины классифицируют по видам явлений:

—вещественные, описывающие физические и физико-химические свойства веществ, материалов и изделий из них;

—энергетические, описывающие энергетические характеристики процессов преобразования, передачи и использования энергии;

—физические величины, характеризующие протекание процессов во времени.

Исходя из определения понятия «физическая величина» единицей физической величины называется такая физическая величина, которой присвоено числовое значение, равное единице. Единицы физических величин можно выбрать произвольно, получить по формулам, выражающим зависимость между физическими величинами — эти последние единицы называются производными.

Единицы физических величин объединяются в системы единиц по определенным принципам, т. е. произвольно устанавливаются единицы для некоторых величин, называемых основными единицами, и через них по формулам получают все производные единицы для данной области измерений. Совокупность основных и производных единиц, относящихся к некоторой системе величин, образованная в соответствии с принятыми принципами, составляет систему единиц физических величин.

Развитие метрической системы мер в различных отраслях науки и техники происходило разобщено и привело к появлению многих систем единиц физических величин и большого количества внесистемных единиц.