Файл: Конспект лекций. Часть2.doc

1.1.3 Объекты метрологии. Основные понятия и определения. Шкалы физических величин

Основные понятия, которыми оперирует метрология, следующие: физическая величина, единица физической величины, система единиц, размерность физической величины, шкала физической величины, измерение физической величины, результат измерения, качество измерения. погрешность измерения, средство измерения, класс точности средства измерения, погрешность средства измерения и т. д.

Физические величины. Физическими величинами называются общепринятые или установленные законодательным путем характеристики (меры) различных свойств, общих в качественном отношении для многих физических объектов (физических систем, их состояний и происходящих в них процессов), но в количественном отношении индивидуальных для каждого из них.

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

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 физической величины – физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение равное единице и применяемое для количественного выражения однородных физических величин (например, 1 м - единица длины, 1 с - единица времени).

Воспроизведение единиц осуществляется национальными метрологическими лабораториями. Размер единиц хранится образцовыми и рабочими эталонами или средствами измерений.

Совокупность единиц измерения основных и производных величин называется системой единиц.

Размер физической величины — количественная определенность физической величины, присущая конкретному материальному объекту, системе, явлению или процессу. Получение информации о размере является содержанием любого измерения. Простейший способ получения такой информации, который позволяет составить представление о размере, это сравнение его с другим по принципу «больше-меньше».

Шкала физической величины - упорядоченная последовательность значений физической величины, принятая по соглашению на основании точных измерений. Для измерений используются следующие виды шкал: шкала порядка, шкала интервалов, шкала отношений.

Расстановка размеров в порядке их возрастания или убывания с целью получения информации по шкале называется ранжированием. Расположенные в порядке возрастания или убывания размеры измеряемых величин образуют шкалу порядка. Для облегчения измерений по шкале порядка некоторые точки на ней можно зафиксировать в качестве опорных (реперных). Например, знания измеряют по реперной шкале: отлично, хорошо, удовлетворительно, неудовлетворительно. Точками шкалы могут быть цифры, баллы и так далее. Недостатком реперных шкал является неопределенность интервалов. Поэтому баллы нельзя складывать, перемножать, делить.

Более совершенными являются шкалы, составленные из строго определенных интервалов. Например, год, час, минута, секунда. Такая шкала называется шкалой интервалов. По шкале интервалов можно судить насколько один размер больше другого, то есть на шкале интервалов можно производить математические действия сложения, вычитания.

Если в качестве реперной точки взять такую точку, где размер равен нулю, то по такой шкале можно отсчитывать абсолютное значение размера и определять не только на сколько, но и во сколько раз он больше или меньше. Эта шкала называется шкалой отношений. Так международная практическая температурная шкала состоит из ряда наиболее точно воспроизводимых основных реперных точек. Реперными точками являются, например, тройная точка воды 273,16 К (0,01° С), точка кипения воды 373,15 К (100.00° С), точка затвердевания олова 505,1181 К (231,9681° С) и так далее.

Таким образом, значение измеряемой величины определяется ее числовым значением и некоторым размером, принятым за единицу измерения. Увеличение или уменьшение размера влечет изменение числового значения.

1.1.4 Классификация измерений физических величин

Числовое значение величины находят путем измерения, то есть узнают во сколько раз значение данной величины больше или меньше значения величины, принятого равным единице.

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

Так, в простейшем случае, прикладывая линейку с делениями к какой-либо детали, сравнивают ее размер с единицей, хранимой линейкой, и, производя отсчет, получают значение величины.

Измерения могут быть классифицированы по ряду признаков.

По общим приемам получения результатов измерения бывают прямые, косвенные, совместные, совокупные.

Прямым называется измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. Уравнение прямого измерения:

, (1.1)

где Y — значение измеряемой величины в принятых для нее единицах измерения;

C – цена деления шкалы;

Х – отсчет по индикаторному устройству.

Косвенным называется измерение, результат которого определяют на основании прямых измерений величин, связанных с измеряемой величиной известной зависимостью. Уравнение косвенного измерения:

. (1.2)

Например, плотность (Д) однородного тела цилиндрической формы определяют по значениям массы (m), высоты (h) и диаметра цилиндра (d), полученным из измерений по уравнению

. (1.3)

Совместными называются производимые одновременно измерения двух или нескольких разноименных величин для нахождения функциональной зависимости между ними. Например, на основании ряда одновременных измерений приращений длины образца в зависимости от изменений его температуры определяют коэффициент линейного расширения образца. Совместные измерения принципиально не отличаются от косвенных.

Совокупными называются проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых значения искомых величин находят решением систем уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях. Примером могут служить измерения, при которых массы отдельных гирь находят по известной массе одной из них и по результатам прямого сравнения масс различных сочетаний гирь.

По выражению результата измерений измерения бывают абсолютными и относительными.

Абсолютным называется измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант. Например, измерение при помощи линейки, измерение силы, основанное на измерении основной величины – массы и использовании физической постоянной g.

Относительным называется измерение отношения величины к одноименной величине, принятой за исходную. Например, измерение массы взвешиванием, то есть с использованием силы тяжести, пропорциональной массе.

По метрологическому назначению измерения делят на технические и метрологические. Технические измерения – измерения с помощью рабочих средств измерения. Они применяются в науке и технике с целью контроля параметров изделий, процессов и так далее. Метрологические измерения – измерения при помощи эталонов и образцовых средств измерения с целью воспроизведения единиц физических величин для передачи их размера рабочим средствам измерений. К таким измерениям относятся измерения, выполняемые образцовыми средствами измерений при поверке рабочих средств измерений.

По отношению к изменению измеряемой величины измерения различают статические и динамические.

Статическое измерение – измерение физической величины, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения. Например, измерение длины детали при нормальной температуре (20° С).

Динамическое измерение – измерение изменяющейся по размеру физической величины и, если необходимо, ее измерение во времени. Например, измерение переменного напряжения электрического тока.

По характеристике точности измерения бывают равноточные и неравноточные.

Равноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений и в одних и тех же условиях.

Неравноточные измерения - ряд измерений какой-либо величины, выполненных различными по точности средствами измерений и (или) в разных условиях. Неравноточные измерения обрабатывают с целью получения результата измерений только в том случае, когда невозможно получить ряд равноточных измерений.

По числу измерений в ряду измерений — однократные и многократные.

Однократное измерение – измерение, выполненное один раз. Во многих случаях на практике выполняются именно однократные измерения, например, измерение времени по часам.

Многократное измерение – измерение одного и того же размера физической величины, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений, то есть состоящее из ряда однократных измерений. При четырех измерениях и более измерение можно считать многократным, за результат обычно принимают среднее арифметическое значение из отдельных результатов измерений.