Меню

Измерение физической величины можно проводить



Измерения физических величин

Измерение физической величины (измерение величины, измерение) — это познавательный процесс, заключающийся в сравнении опытным путём измеряемой величины с некоторым её значением, принятым за единицу. На практике процесс измерения представляет из себя совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины.

Например, прикладывая линейку с делениями к какой-либо детали, по сути, сравнивают ее размер с единицей, хранимой линейкой, и, произведя отсчет, получают значение величины (длины, высоты, толщины и других параметров детали). Или с помощью измерительного прибора сравнивают размер величины, преобразованной в перемещение указателя, с единицей, хранимой шкалой этого прибора, и проводят отсчет.

Важно. От термина «измерение» происходит термин «измерять», которым широко пользуются на практике. Все же нередко применяются такие термины, как «мерить», «обмерять», «замерять», «промерять», не вписывающиеся в систему метрологических терминов. Их применять не следует. Не следует также применять такие выражения, как «измерение значения» (например, мгновенного значения напряжения или его среднего квадратического значения), так как значение величины — это уже результат измерений.

В тех случаях, когда невозможно выполнить измерение (не выделена величина как физическая и не определена единица измерений этой величины) практикуется оценивание таких величин по условным шкалам.

Объект измерения —тело (физическая система, процесс, явление и т.д.), которое характеризуется одной или несколькими измеряемыми физическими величинами. По определению объектом измерения является обьект качества.

Примеры:

— коленчатый вал, у которого измеряют диаметр;

— технологический процесс, во время которого измеряют температуру;

— спутник Земли, координаты которого измеряются.

Результат измерения выражается числом, показывающим отношение измеряемой физической величины к единице физической величины (единице измерения).

Важно. Измерения – один из важнейших путей познания природы человеком. Измерения имеют древнейшее происхождение. Потребность в измерениях связана с возникновением орудий производства и необходимостью знания количественной оценки материальных объектов. Они играют огромную роль в современном обществе. Наука, техника и промышленность не могут существовать без них. Каждую секунду в мире производятся многие миллиарды измерительных операций, результаты которых используются для обеспечения надлежащего качества и технического уровня выпускаемой продукции, обеспечения безопасной и безаварийной работы транспорта, для медицинских и экологических диагнозов и других важных целей. Практически нет ни одной сферы деятельности человека, где бы интенсивно не использовались результаты измерений, испытаний и контроля.

Диапазон измеряемых величин и их количество постоянно растет. Так, например, длина измеряется в диапазоне от 10 -10 м до 10 17 м, температура – от 0,5 К до 10 6 К, электрическое сопротивление – от 10 -6 Ом до 10 17 Ом, сила электрического тока – от 10 -16 А до 10 4 А, мощность – от 10 -15 Вт до 10 9 Вт. С ростом диапазона измеряемых величин возрастает и сложность измерений. Они, по сути дела, перестали быть одноактным действием и превратились в сложную процедуру подготовки и проведения измерительного эксперимента, обработки и интерпретации полученной информации. Поэтому следует говорить об измерительных технологиях, понимаемых как последовательность действий, направленных на получение измерительной информации требуемого качества. Результат измерения может восприниматься не только человеком, но и управляющей машиной или другой системой, например, системой автоматического управления и выражаются не только в числовой форме.

Суть любого измерения заключается в сравнении.Не существует иного способа получения информации о размере физической величины, кроме как путем сравнения его с другим размером такой же физической величины, т.е. имеющей такую же размерность. Измерение суть сравнение размеров опытным путем.Сравнение размеров опытным путем является единственным способом получения измерительной информации. При этом не уточняется, каким образом происходит сравнение размеров одноименных физических величин, с помощью каких приспособлений или даже может быть без них. Просто утверждается, что другого способа нет.

Таким образом, в более широком смысле измерение – это процесс приёма и преобразования информации об измеряемой физической величине для получения количественного результата, её сравнения с единицей измерения в форме, удобной для её использования.

Вариантов сравнения между собой двух размеров и всего три:

— первый из них — самый простой; экспериментальное решение неравенства

или; (2.1)

позволяет ответить на вопрос: какой из двух размеров больше другого (либо они равны). Это наименее информативное измерение;

— второй отвечает на вопрос – на сколько один результат отличается от другого

; (2.2)

— последняя разновидность способа сравнения является самой информативной

, (2.3)

она позволяет определить значение измеряемой физической величины Х, т.е. выразить её размер в общепринятых (узаконенных) единицах в кратном или дольном отношении, и отвечает на вопрос, во сколько раз один размер больше (меньше) другого.

Следующие определения относятся к процессу измерения.

Наблюдение при измерении(наблюдение) — операции, проводимые при измерении и имеющие целью своевременно и правильно произвести отсчет. Не следует заменять термин измерение термином наблюдение.

Отсчет показаний средства измерений(отсчет показаний, отсчет) — фиксация значения величины или числа по показывающему устройству средства измерений в заданный момент времени.

Пример — Зафиксированное в данный момент времени по табло бытового электрического счетчика значение, равное 505,9 кВт×ч, является отсчетом его показаний на этот момент.

Измерительный сигнал —сигнал, содержащий количественную информацию об измеряемой физической величине

Измерительная информация —информация о значениях физических величин.

Измерительная задача —задача, заключающаяся в определении значения физической величины путем ее измерения с требуемой точностью в данных условиях измерений. Данная задача, как правило ставится в программе измерений (испытаний).

Источник

Измерения физических величин. Совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой ве

5.1. Измерение физической величины;
измерение величины;
измерение
de Messung
en measurement
fr mesurage
Совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины.
Примеры
1. В простейшем случае, прикладывая линейку с делениями к какой-либо детали, по сути сравнивают ее размер с единицей, хранимой линейкой, и, произведя отсчет, получают значение величины (длины, высоты, толщины и других параметров детали).
2. С помощью измерительного прибора сравнивают размер величины, преобразованной в перемещение указателя, с единицей, хранимой шкалой этого прибора, и проводят отсчет.
Примечания
1. Приведенное определение понятия «измерение» удовлетворяет общему уравнению измерений, что имеет существенное значение в деле упорядочения системы понятий в метрологии. В нем учтена техническая сторона (совокупность операций), раскрыта метрологическая суть измерений (сравнение с единицей) и показан гносеологический аспект (получение значения величины).
2. От термина «измерение» происходит термин «измерять», которым широко пользуются на практике. Все же нередко применяются такие термины, как «мерить», «обмерять», «замерять», «промерять», не вписывающиеся в систему метрологических терминов. Их применять не следует.
Не следует также применять такие выражения, как «измерение значения» (например, мгновенного значения напряжения или его среднего квадратического значения), так как значение величины — это уже результат измерений.
3. В тех случаях, когда невозможно выполнить измерение (не выделена величина как физическая и не определена единица измерений этой величины) практикуется оценивание таких величин по условным шкалам.

5.2. Равноточные измерения

Ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью. Примечание. Прежде чем обрабатывать ряд измерений, необходимо убедиться в том, что все измерения этого ряда являются равноточными.

5.3. Неравноточные измерения

Ряд измерений какой-либо величины, выполненных различающимися по точности средствами измерений и (или) в разных условиях.

Примечание. Ряд неравноточных измерений обрабатывают с учетом веса отдельных измерений, входящих в ряд (см. 8.8).

5.4. Однократное измерение

Измерение, выполненное один раз. Примечание. Во многих случаях на практике выполняются именно однократные измерения.

Например, измерение конкретного момента времени по часам обычно производится один раз.

5.5. Многократное измерение

Измерение физической величины одного и того же размера, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений, т.е. состоящее из ряда однократных измерений.

5.6. Статическое измерение

de Messung einer statischen Grosse en static measurement fr mesurage statique

Измерение физической величины, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения.
Примеры
1. Измерение длины детали при нормальной температуре.
2. Измерение размеров земельного участка

5.7. Динамическое измерение.

de Messung einer dynamischen Grosse

en dynamic measurement fr mesurage dynamique
Измерение изменяющейся по размеру физической величины.
Примечания.
1. Терминоэлемент «динамическое» относится к измеряемой величине.
2. Строго говоря, все физические величины подвержены тем или иным изменениям во времени. В этом убеждает применение все более и более чувствительных средств измерений, которые дают возможность обнаруживать изменение величин, ранее считавшихся постоянными, поэтому разделение измерений на динамические и статические является условным.

5.8. Абсолютное измерение

Измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант.

Пример. Измерение силы основано на измерении основной величины — массы m и использовании физической постоянной g (в точке измерения массы). Примечание. Понятие абсолютное измерение применяется как противоположное понятию относительное измерение и рассматривается как измерение величины в ее единицах. В таком понимании это понятие находит все большее и большее применение.

5.9. Относительное измерение

Измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерение изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

Пример. Измерение активности радионуклида в источнике по отношению к активности радионуклида в однотипном источнике, аттестованном в качестве эталонной меры активности.

5.10. Прямое измерение

Измерение, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно. Примечание. Термин прямое измерение возник как противоположный термину косвенное измерение. Строго говоря, измерение всегда прямое и рассматривается как сравнение величины с ее единицей. В этом случае лучше применять термин прямой метод измерений. Примеры

1. Измерение длины детали микрометром.
2. Измерение силы тока амперметром.
3. Измерение массы на весах.

5.11. Косвенное измерение

Определение искомого значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. Пример. Определение плотности D тела цилиндрической формы по результатам прямых измерений массы m, высоты h и диаметра цилиндра d, связанных с плотностью уравнением: Примечание. Во многих случаях вместо термина косвенное измерение применяют термин косвенный метод измерений.

5.12. 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. Примечание. Для определения значений искомых величин число уравнений должно быть не меньше числа величин.

Читайте также:  Рабочая область средств измерений

Пример. Значение массы отдельных гирь набора определяют по известному значению массы одной из гирь и по результатам измерений (сравнений) масс различных сочетаний гирь.

5.13. Совместные измерения

Источник

Измерение физической величины можно проводить

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

  • В простейшем случае, прикладывая линейку с делениями к какой-либо детали, по сути сравнивают ее размер с единицей, хранимой линейкой, и, произведя отсчет, получают значение величины (длины, высоты, толщины и других параметров детали).
  • С помощью измерительного прибора сравнивают размер величины, преобразованной в перемещение указателя, с единицей, хранимой шкалой этого прибора, и проводят отсчет.

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

Неравноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных различающимися по точности средствами измерений и (или) в разных условиях.

Однократное измерение – измерение, выполненное один раз. Примечание. Во многих случаях на практике выполняются именно однократные измерения. Например, измерение конкретного момента времени по часам обычно производится один раз.

Многократное измерение – измерение физической величины одного и того же размера, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений, т.е. состоящее из ряда однократных измерений.

Статическое измерение (англ. static measurement) – измерение физической величины, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения.
Примеры

  • Измерение длины детали при нормальной температуре.
  • Измерение размеров земельного участка

Динамическое измерение (англ. dynamic measurement) – измерение изменяющейся по размеру физической величины.

Абсолютное измерение – 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). Примечание. Понятие абсолютное измерение применяется как противоположное понятию относительное измерение и рассматривается как измерение величины в ее единицах. В таком понимании это понятие находит все большее и большее применение.

Относительное измерение – измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерение изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно. Примечание. Термин прямое измерение возник как противоположный термину косвенное измерение. Строго говоря, измерение всегда прямое и рассматривается как сравнение величины с ее единицей. В этом случае лучше применять термин прямой метод измерений.
Примеры

  • Измерение длины детали микрометром.
  • Измерение силы тока амперметром.
  • Измерение массы на весах.

Косвенное измерение – определение искомого значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. Примечание. Во многих случаях вместо термина косвенное измерение применяют термин косвенный метод измерений.

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. Примечание. Для определения значений искомых величин число уравнений должно быть не меньше числа величин.

Совместные измерения – проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для определения зависимости между ними.

Наблюдение при измерении (англ. observation) – операции, проводимые при измерении и имеющие целью своевременно и правильно произвести отсчет.

Отсчет показаний средства измерений – фиксация значения величины или числа по показывающему устройству средства измерений в заданный момент времени.

Измерительный сигнал (англ. measurement signal) – сигнал, содержащий количественную информацию об измеряемой физической величине.

Измерительная информация (англ. measurement information) – информация о значениях физических величин.

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

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

Область измерений – совокупность измерений физических величин, свойственных какой-либо области науки или техники и выделяющихся своей спецификой.

Вид измерений – часть области измерений, имеющая свои особенности и отличающаяся однородностью измеряемых величин.

Подвид измерений – часть вида измерений, выделяющаяся особенностями измерений однородной величины (по диапазону, по размеру величины и др.).

Источник

Глава 1. ИЗМЕРЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Глава 1. ИЗМЕРЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Большое разнообразие явлений, с которыми приходится сталкиваться в практической деятельности, определяет широкий круг величин, подлежащих измерению. Основным объектом изучения в метрологии является измерение физических величин. Во всех случаях проведения измерений, независимо от величины, метода и средства измерения, есть общее, что составляет основу измерений – это сравнение размера данной величины с единицей, хранимой средством измерения. При всяком измерении мы с помощью эксперимента определяем количественно физическую величину в виде некоторого числа принятых для нее единиц, т.е. находим значение размера физической величины. Измерение проводят c использованием шкалы – заранее составленной упорядоченной совокупности последовательности физических величин, принятой по соглашению.

Выбор единиц измерения величин имеет большое значение для сопоставления результатов, выполненных с использованием разных методов, средств и в разных условиях измерения. Поэтому принято устанавливать их размеры законодательным путем. Утвержденная XI Генеральной конференцией по мерам и весам Международная система единиц создала реальные перспективы полной унификации единиц измерения во всех странах мирового сообщества.

Объекты измерений

Шкалы измерений

Шкала измерения служит исходной основой для измерений данной величины. Она представляет собой упорядоченную совокупность значений величины.

Практическая деятельность привела к формированию различных видов шкал измерений физических величин, основными из которых являются четыре, рассматриваемых ниже.

1. Шкала порядка (рангов) представляет собой ранжированный ряд упорядоченную по возрастанию или убыванию последовательность величин, характеризующих изучаемое свойство. Она позволяет установить отношение порядка по возрастанию ли убыванию величин, но нет возможности судить, во сколько раз (или на сколько) больше или меньше одна величина по сравнению с другой. В шкалах порядка в ряде случаев может существовать нуль (нулевая отметка), принципиальным для них является отсутствие единицы измерения, т.к. ее размер невозможно установить, в этих шкалах над величинами нельзя проводить математические операции (умножение, суммирование).

Примером шкалы порядка является шкала Мооса для определения твердости тел. Это шкала с реперными точками, которая содержит 10 опорных (реперных) минералов с различными условными числами твердости. Примерами таких шкал также являются шкала Бофорта для измерения силы (скорости) ветра и шкала землетрясений Рихтера (сейсмическая шкала).

2. Шкала интервалов (разностей) отличается от шкалы порядка тем, что для измеряемых величин вводятся не только отношения порядка, но и суммирования интервалов (разностей) между различными количественными проявлениями свойств. Шкалы разностей могут иметь условные нули-реперы и единицы измерений, установленные по согласованию. По шкале интервалов можно определить, на сколько одна величина больше или меньше другой, но нельзя сказать во сколько раз. По шкалам интервалов измеряют время, расстояние (если не известно начало пути), температуру по Цельсию и т. д.

Шкалы интервалов являются более совершенными, чем шкалы порядка. В этих шкалах над величинами можно проводить аддитивные математические операции (сложение и вычитание), но нельзя – мультипликативные (умножение и деление).

3. Шкала отношений описывает свойства величин, для которых применимы отношения порядка, суммирования интервалов и пропорциональности. В этих шкалах существует естественный нуль и по согласованию устнавливают единицу измерения. Шкала отношений служит для представления результатов измерений, полученных в соответствии с основным уравнением измерений (1.1) путем экспериментального сравнения неизвестной величины Q с ее единицей [Q]. Примерами шкал отношений являются шкалы массы, длины, скорости, термодинамической температуры.

Шкала отношений является самой совершенной и наиболее распространенной из всех измерительных шкал. Это единственная шкала, по которой можно установить значение измеренного размера.На шкале отношенийопределены любые математические операции, что и позволяет вносить в показания, нанесенные на шкалу, мультипликативные и аддитивные поправки.

4. Абсолютная шкала обладает всеми признаками шкалы отношений, но дополнительно в ней существует естественное однозначное определение единицы измерений. Такие шкалы используют для измерений относительных величин (коэффициенты усиления, ослабления, полезного действия, отражения, поглощения, амплитудной модуляции и т.д.). Ряду таких шкал присущи границы, заключенные между нулем и единицей.

Шкалы интервалов и отношений объединяют термином «метрические шкалы». Шкалу порядка относят к условным шкалам, т.е. к шкалам, в которых не определена единица измерения и иногда называют неметрической. Абсолютные и метрические шкалы относят к разряду линейных. Практическая реализация шкал измерений осуществляется путем стандартизации как самих шкал и единиц измерений, так и, в необходимых случаях, способов и условий их однозначного воспроизведения.

Основные единицы СИ

Основной единицей величины называется единица основной физической величины, т.е. величины, которая условно принята в качестве независимой от других величин системы. При выборе основных единиц СИ исходили из того, чтобы: 1) охватить системой все области науки и техники; 2) создать основу образования производных единиц для различных физических величин; 3) принять удобные для практики размеры основных единиц, уже получивших широкое распространение; 4) выбрать единицы таких величин, воспроизведение которых с помощью эталонов возможно с наибольшей точностью.

Основные единицы СИ с указанием сокращенных обозначений русскими и латинскими буквами приведены в табл. 1.1.

Основные единицы СИ

Величина Единица измерения Сокращенное обозначение единицы Размерность
русское международное
Длина метр м m L
Масса килограмм кг kg M
Время секунда с s T
Сила электрического тока ампер А А I
Термодинамическая температура кельвин К К Ө
Сила света кандела кд cd J
Количество вещества моль моль mol N

Определения основных единиц, соответствующие решениям Генеральной конференции по мерам и весам, следующие.

Метр равен длине пути, проходимого светом в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды.

Килограмм равен массе международного прототипа килограмма.

Секунда равна 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Ампер равен силе неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызывает на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2×10 –7 Н.

Кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды.

Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0.012 кг.

Читайте также:  Адаптер для измерения тока

Кандела равна силе света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540×10 12 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Три первые единицы СИ (метр, килограмм и секунда) позволяют образовать производные единицы для измерения механических и акустических величин. При добавлении к ним единицы температуры (кельвина) можно образовать производные единицы для измерений тепловых величин.

Метр, килограмм, секунда и ампер служат основой для образования производных единиц в области электрических, магнитных измерений и измерений ионизирующих излучений, а моль используют для образования единиц в области физико-химических измерений.

Производные единицы СИ

Производные единицы Международной системы единиц образуются из основных при помощи уравнений связи между величинами, в которых числовые коэффициенты равны единице. Например, для установления единицы линейной скорости v следует воспользоваться уравнением равномерного прямолинейного движения

где l — длина пройденного пути (в метрах); t — время (в секундах).

Следовательно, единица скорости СИ – метр в секунду – это скорость прямолинейно и равномерно движущейся точки, при которой она за время 1 с перемещается на расстояние 1 м.

Производным единицам могут присваиваться наименования в честь известных ученых. Так, единице давления 1 Н/м 2 присвоено специальное наименование – паскаль (Па) по имени французского математика и физика Блеза Паскаля. Производные единицы, имеющие специальные названия, приведены в табл. 1.2.

Производные единицы СИ, имеющие специальные названия

Величина Единица
Наименование Размерность Наименование Обозначение Выражение через единицы СИ
Частота Т -1 герц Гц с -1
Сила, вес LMT -2 ньютон Н м·кг·c -2
Давление, механическое напряжение L -1 MT -2 паскаль Па м -1 ·кг·с -2
Энергия, работа, количество теплоты L 2 MT -2 джоуль Дж м 2 ·кг·c -2
Мощность L 2 MT -3 ватт Вт м 2 ·кг·c -3
Количество электричества TI кулон Кл с·A
Электрическое напряжение, потенциал L 2 MT -3 I -1 вольт В м 2 ·кг·c -3 А -1
Электрическая ёмкость L -2 M -1 T 4 I 2 фарад Ф м -2 ·кг -1 ·c 4 ·A 2
Электрическое сопротивление L 2 MT -3 I -2 ом Ом м 2 ·кг·c -3 ·A -2
Электрическая проводимость L -2 M -1 T 3 I 2 сименс См м -2 ·кг -1 ·c 3 ·А 2
Поток магнитной индукции L 2 MT -2 I -1 вебер Вб м 2 ·кг·c -2 ·А -1
Магнитная индукция MT -2 I -1 тесла Тл кг·c -2 ·А -1
Индуктивность L 2 MT -2 I -2 генри Гн м 2 ·кг·c -2 ·А -2
Активность радионуклида Т -1 беккерель Бк с -1
Поглощенная доза излучения L 2 T -2 грей Гр м 2 с -2
Эквивалентная доза излучения L 2 T -2 зиверт Зв м 2 ·c -2

Для измерения плоского и телесного углов в СИ предназначены радиан и стерадиан соответственно.

Радиан (рад) – единица плоского угла – это угол между двумя радиусами окружности, дуга между которыми по длине равна радиусу. В градусном исчислении радиан равен 57°17’48».

Стерадиан (ср) – единица телесного угла – это телесный угол, вершина которого расположена в центре сферы и который вырезает на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, по длине равной радиусу сферы.

Сами по себе радиан и стерадиан применяются в основном для теоретических расчетов, на практике измерения углов производят в угловых градусах (минутах, секундах). Именно в этих единицах проградуировано большинство угломерных средств измерений.

Кратные и дольные единицы

Различают кратные и дольные единиц величин. Кратная единица – это единица физической величины, в целое число раз превышающая системную или внесистемную единицу. Например, единица длины километр равна 10 3 м, т.е. кратна метру. Дольная единица – единица физической величины, значение которой в целое число раз меньше системной или внесистемной единицы. Например, единица длины миллиметр равна 10 -3 м, т.е. является дольной.

Для удобства применения единиц физических величин СИ приняты приставки для образования наименований десятичных кратных единиц и дольных единиц, табл. 1.3.

Множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц и их наименования

Множитель Приставка Обозначение приставки
русское международное
10 24 иотта Y И
10 21 зетта Z З
10 18 экса Э Е
10 15 пета П Р
10 12 тера Т Т
10 9 гига Г G
10 6 мега М М
10 3 кило к k
10 2 гекто г h
10 1 дека да da
10 -1 деци д d
10 -2 санти с c
10 -3 милли м m
10 -6 микро мк m
10 -9 нано н n
10 -12 пико п p
10 -15 фемто ф f
10 -18 атто а a
10 -21 зепто z з
10 -24 иокто y и

В соответствии с международными правилами кратные и дольные единицы площади и объема следует образовывать, присоединяя приставки к исходным единицам. Таким образом, степени относятся к тем единицам, которые получены в результате присоединения приставок. Например, 1 км 2 = 1 (км) 2 = (10 3 м) 2 = 10 6 м 2 .

Виды и методы измерений

Понятие измерения

Измерение является важнейшим понятием в метрологии. Как было сказано выше, оно представляет собой процесс нахождения значения физической величины с помощью специальных технических средств (средств измерений). При измерении проводят наблюдения за объектом измерения с целью своевременно и правильно произвести отсчет. Объектом измерения может быть техническое устройство (например, камерная печь), технологические процессы, окружающая среда, расход веществ и материалов, показатели жизнедеятельности человека и др. Физическую величину, которая выбрана для измерений, называют измеряемой величиной.

Кроме измеряемой величины на объект измерения и, соответственно результат измерения, оказывают влияние другие физические величины, не измеряемые данным средством измерения. Их называют влияющими физическими величинами. Влияющие величины подразделяют на следующие группы:

климатические (температура окружающей среды, влажность воздуха, атмосферное давление);

электрические и магнитные (колебания электрического тока, напряжение в электрической цепи, частота переменного тока, магнитное поле);

внешние нагрузки (вибрации, ударные нагрузки, ионизирующее излучение).

Действие этих величин на результат измерения, а также несовершенство изготовления средства измерения, субъективные ошибки человека-оператора и ряд других факторов являются причинами, обусловливающими неизбежное появление погрешности измерения.

Процесс решения любой измерительной задачи, включает в себя, как правило, три этапа:

1) подготовка к измерениям (выбор методов и средств измерений, обеспечение условий измерения и т.п.);

2) проведение измерений (измерительный эксперимент);

3) обработка результатов измерения.

В процессе измерительного эксперимента, представленного на рис. 1.2, объект измерения и средство измерения, приводятся во взаимодействие. При этом измеряемая величина, воздействуя на средство измерения, преобразуется в некоторый сигнал, который воспринимает человек или различные технические устройства – потребители измерительной информации.

Рис. 1.2. Схема процесса получения измерения

Этот сигнал функционально связан с измеряемой физической величиной, поэтому его называют сигналом измерительной информации. Наиболее часто в качестве сигналов используют:

сигналы постоянного уровня (постоянный электрический ток и напряжение, давление сжатого воздуха, световой поток);

синусоидальные сигналы (переменный электрический ток и напряжение);

последовательность прямоугольных импульсов (электрических, световых).

Воспринятые сигналы измерительной информации далее могут подвергаться обработке с целью наиболее удобного представления результата измерения. Такая обработка может включать статистическую обработку (при многократных измерениях величины), дополнительные расчеты (при косвенных измерениях), округление и т.п. Вопросы, связанные с обработкой результатов измерений рассмотрены далее (п. 2.4).

Классификация измерений

Измерения весьма разнообразны, и классифицировать их можно по различным признакам, наиболее важные из которых отражены на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Классификация измерений

Во-первых, измерения определяются физическим характером явлений (процессов), в соответствии с которым сложились определенные совокупности физических величин, родственных по природе или применению в отдельных областях науки и техники, – механические, тепловые, физико-химические и другие измерения.

Во-вторых, измерения в зависимости от способа получения результатов измерения подразделяют на прямые и косвенные. Прямые – это измерения, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных. При этом объект измерения приводят во взаимодействие со средством измерения и по его показаниям определяют значение измеряемой величины. Примеры прямых измерений: измерение длины линейкой, времени при помощи часов, массы при помощи весов, температуры – термометром, силы тока – амперметром и др. К прямым измерениям относят измерения подавляющего большинства параметров технологических процессов.

Косвенные – это измерения, при которых искомую величину определяют на основании результатов прямых измерений, функционально с ней связанных. Значение величины Q находят путем вычисления по формуле

где X1, X2,…Xm – величины, размер которых определяют из прямых измерений

Примеры косвенных измерений: определение плотности однородного тела по его массе и объему, электрического сопротивления проводника по падению напряжения и силе тока, мощности по силе тока и напряжению.

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.

По метрологическому назначению измерения подразделяют на технические и метрологические. Технические измерения проводятся рабочими средствами измерения с целью определения значения измеряемой величины, а также при ее контроле. Эти измерения являются наиболее распространенными и выполняются во всех отраслях промышленности и науки. Метрологические измерения выполняют при помощи эталонов с целью воспроизведения единиц физических величин и для передачи их размера рабочим средствам измерений (при поверочных и калибровочных работах, осуществляемых метрологическими службами).

По числу измерений, выполненных для получения результата, различают одно- и многократные измерения. Однократным называют измерение, выполненное один раз. Например, измерение времени по часам. Если необходима большая уверенность в получаемом результате, то проводят многократные измерения одной и той же величины, за результат которого обычно принимают среднее арифметическое значение отдельных измерений Обычно для многократных измерений число измерений n ³3.

По зависимости измеряемой величины от времени измерения подразделяют на статические и динамические. При статических измерениях физическая величина принимается за неизменную на протяжении времени измерения (например, измерение длины детали при нормальной температуре). Если размер физической величины изменяется с течением времени, то такие измерения называют динамическими (например, измерение расстояния до поверхности земли со снижающегося самолета).

В зависимости от точности применяемых средств измерения и условий измерения их подразделяют на равноточные и неравноточные. Равноточными называют измерения величины, выполненных с одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью. Если измерения были выполнены различающимися по точности средствами измерений и (или) в разных условиях, то их называют неравноточными.

Кроме приведенных на рис. 1.3. признаков классификации измерений для конкретных случаев при необходимости могут быть использованы и другие. Например, измерения можно подразделять в зависимости от места выполнения на лабораторные и промышленные; в зависимости от формы представлении результатов – на абсолютные и относительные.

Приведенные выше измерения можно выполнять различными методами, т.е. способами решения измерительной задачи.

Читайте также:  Для измерения показателя преломления стекла узкий световой пучок

Методы измерений

Метод измерения представляет собой прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Под принципом измерений понимают физические эффекты (явления), положенные в основу измерений. Например, измерение температуры с использованием термоэлектрического эффекта. Метод измерений обычно обусловлен устройством средств измерений.

Существует множество методов измерений, и по мере развития науки и техники их число увеличивается. Каждую физическую величину можно измерить, как правило, несколькими методами. Для их систематизации необходимо выделить общие характерные признаки. Одним из таких признаков является наличие или отсутствие при измерении меры. В зависимости от этого различают два метода измерений: метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой (рис. 1.4). Мерой называют средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью. Подробнее о разновидностях мер – см. п. 3.1.

Рис. 1.4. Классификация методов измерений

Наиболее распространен метод непосредственной оценки. Его сущность состоит в том, что значение измеряемой величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора, например измерение напряжения вольтметром, взвешивание груза на пружинных весах (рис. 1.5). При этом массу груза Х определяют на основе измерительного преобразования по значению деформации d пружины.

Рис. 1.5. Схема измерения методом непосредственной оценки

Измерения с помощью метода непосредственной оценки, как правило, просты и не требуют высокой квалификации оператора, поскольку не нужно создавать специальные измерительные установки и выполнять какие-либо сложные вычисления. Однако точность измерений чаще всего оказывается невысокой из-за воздействия влияющих величин и необходимости градуировки шкал приборов.

Наиболее многочисленной группой приборов, служащих для измерения методом непосредственной оценки, являются показывающие (в т.ч. стрелочные приборы). К ним относят манометры, динамометры, барометры, амперметры, вольтметры, ваттметры, расходомеры, жидкостные термометры и многие другие. Измерения при помощи интегрирующего прибора-счетчика или самопишущего прибора также относят к методу непосредственной оценки.

При проведении более точных измерений предпочтение отдают методу сравнения с мерой, при котором измеряемую величину находят сравнением с величиной, воспроизводимой мерой. Отличительной особенностью этого метода является непосредственное участие меры в процессе измерения.

Методы сравнения в зависимости от наличия или отсутствия при сравнении разности между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, подразделяют на нулевой и дифференциальный. В обоих из этих методов различают методы противопоставления, замещения и совпадения.

Нулевой метод измерений – это метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля. В этом случае значение измеряемой величины принимается равным значению меры. Совпадение значений измеряемой величины и меры отмечают при помощи нулевого указателя (нуль-индикатора). Примеры нулевого метода измерения: взвешивание на равноплечих весах; измерение сопротивления, индуктивности и емкости при помощи уравновешенного моста; измерение температуры в оптическом пирометре с применением образцовой лампы накаливания (соответственно весы, гальванометр и глаз человека – это нулевые указатели).

Дифференциальный метод измерений (его также называют разностным) – это метод сравнения с мерой, при котором измеряемая величина сравнивается с мерой, и при этом измеряется разность между этими двумя величинами. Мера должна иметь значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины. Пример дифференциального метода: измерение длины детали по разности между измеряемой длиной и концевой мерой длины (в области линейных и угловых измерений этот метод называют относительным); измерение сопротивления, индуктивности и емкости при помощи неуравновешенного моста; взвешивание на неравноплечих весах. Применение нулевого указателя в данном методе не требуется.

Метод противопоставления заключается в том, что измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами. Примером нулевого метода противопоставления является взвешивание груза Х на равноплечих весах (рис. 1.6, а), когда измеряемая масса груза Х равна массе гирь, ее уравновешивающих. Состояние равновесия определяют по положению указателя нуль-индикатора (он должен находиться на нулевой отметке). При взвешивании груза в случае дифференциального метода противопоставления масса груза Х уравновешивается массой гири и силой упругой деформации пружины (рис. 1.6, б), значение которой отсчитывают по шкале прибора. Массу груза определяют как сумму массы гири и показаний, отсчитанных по шкале.

а)
б)

Рис. 1.6. Схема измерения методом сравнения с мерой: а – нулевой, б — дифференциальный

Метод противопоставления широко используют для измерения различных физических величин. Как правило, он обеспечивает большую точность измерения, чем метод непосредственной оценки, за счет уменьшения воздействия на результат измерения погрешности средства измерения и влияющих величин.

К разновидностям метода сравнения с мерой относится и метод замещения, широко применяемый в практике точных метрологических исследований. Сущность метода в том, что измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины, т.е. измеряемая величина и мера последовательно воздействуют на измерительный прибор. В нулевом методе проводят полное замещение измеряемой величины мерой, и результат измерения принимается равным значению меры. В дифференциальной методе не удается провести полное замещение и для получения значения измеряемой величины к значению меры следует прибавить величину, на которую изменилось показание прибора.

Вследствие того, что измеряемая величина и мера включаются одна за другой в одну и ту же часть измерительной цепи прибора, точность измерений значительно повышается по сравнению с измерениями, проводимыми с помощью других разновидностей метода сравнения, где асимметрия цепей, в которые включаются сравниваемые величины, приводит к возникновению систематических погрешностей. Метод замещения часто применяется при электрических измерениях с помощью мостов переменного тока.

Метод совпадений представляет собой разновидность метода сравнения с мерой, в котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов. По принципу метода совпадений построен нониус, входящий в состав ряда измерительных приборов (например, штангенциркуля).

Кроме рассмотренных методов измерений различают также контактные и бесконтактные в зависимости от наличия (или отсутствия) непосредственного контакта между чувствительным элементом средства измерения и объектом измерения. Примеры контактного метода – измерение диаметра вала штангенциркулем, измерение температуры тела термометром. Примеры бесконтактного метода – измерение температуры в доменной печи пирометром, измерение расстояния до объекта радиолокатором.

Погрешности измерений

Результат измерений величины зависит от многих факторов: выбора метода и средства измерений, условий его осуществления (например, температуры, давления, влажности окружающей среды), способа обработки результатов измерений, квалификации оператора, выполняющего измерения, и др. Указанные факторы приводят к различию в значении результата измерения величины и ее истинного значения, т.е. к погрешности. Одной из основных задач метрологии является разработка методов определения погрешностей измерений.

В зависимости от степени приближения к объективно существующему значению величины следует различать истинное значение величины и результат ее измерения, а также ее действительное значение.

Истинным значением Хи величиныназывают значение, идеальным образом характеризующее в качественном и количественном отношении соответствующую физическую величину. Оно может быть получено только в результате бесконечного процесса измерений с бесконечным совершенствованием методов и средств измерений.

Результатом измерения Хизм называют значение, полученное при ее измерении с применением конкретных методов и средств измерений.

Погрешность результата измерения (или погрешность измерения) D – это отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины, т.е.

Но поскольку истинное значение измеряемой величины неизвестно, то точно неизвестны и погрешности измерений, поэтому на практике для определения погрешности используют так называемое действительное значение величины, которым заменяют истинное значение.

Действительное значение Хдвеличины это значение, полученное экспериментально и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него. Действительное значение находят более точными методами и средствами измерений. Чем выше точность средства и метода измерений, с помощью которых определено Хд, тем с большей уверенностью оно рассматривается как близкое к истинному. Поэтому на практике погрешность измерения D (здесь имеется в виду абсолютная погрешность) находят по формуле

Полностью устранить погрешности невозможно, но можно уменьшить их с помощью методов, рассмотренных ниже.

Точность результата измерения – это одна из важнейших характеристик (показателей) качества измерения, отражающая близость к нулю погрешности результата измерения. Кроме того, показателями качества измерений являются сходимость, воспроизводимость, правильность и достоверность результатов измерений, о которых речь пойдет ниже.

Правило трех сигм

Характерное свойство нормального распределения состоит в том, что в интервале [M[Х] ± 1s] находится около 68 % из всех его результатов измерений. В интервале [M[Х] ± 2s] — 95 %. В интервале [M[Х] ± 3s] — 99,73 % (рис. 1.12). Следовательно, почти все результаты измерений лежат в интервале 6s (по три s в каждую сторону от M[Х]). За пределами этого интервала могут находится 0,27 % данных от их общего числа (приблизительно три из тысячи результатов измерений).

Рис. 1.12. Иллюстрация правила трех сигм

Отсюда следует, что если какое-либо значение величины выходит за пределы ±3s, то с большой вероятностью его можно считать ошибочным.

На основании этого сформулировано правило трех сигм: если при многократных измерениях (n > 25…30) одной и той же величины постоянного размера сомнительный результат Хсомн отдельного измерения (максимальный или минимальный) отличается от среднего значения более чем на 3s, то с вероятностью 99,7 % он ошибочен, т.е.

если > 3s, (1.12)

то Хсомн является промахом; его отбрасывают и не учитывают при дальнейшей обработке результатов измерений.

Закон нормального распределения работает при числе результатов измерений n = ¥. В реальности получают конечное число измерений, которые подчиняются закону распределения Стьюдента. При n>25 распределение Стьюдента стремится к нормальному.

Глава 2. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

Одним из важнейших элементов процесса измерения, который позволяет непосредственно получать измерительную информацию, является средство измерения. Каждый день осуществляется огромное количество измерений с помощью целой «армии» разнообразных средств измерений. Их много, они могут быть простыми в использовании, как например, линейка, или представлять собой сложнейшие аппараты, требующие высококвалифицированного обслуживания, как например, радионавигационная система. Вне зависимости от сложности, назначения и принципа действия все они выполняют одну и ту же функцию – сравнивают неизвестный размер физической величины с его единицей. При этом важно, чтобы средство измерений «умело» хранить (и воспроизводить) единицу физической величины таким образом, чтобы выполнялось требование неизменности размера хранимой единицы в течение времени. Именно это «умелое хранение» отличает средства измерений от иных технических средств. Таким образом, средство измерения представляет собой техническое средство (или их комплекс), предназначенное для изме­рений, имеющее нормированные метрологические ха­рактеристики, воспроизводящее и (или) хранящее еди­ницу физической величины, размер которой принимается неизменным (в преде

Источник