Из определения следует, что метрология занимается не только самими измерениями, но и обеспечением их единства.

Единство измерений – такое состояние измерений, когда их результаты выражены в узаконенных единицах, а погрешности результатов измерений известны и не выходят за установленные пределы. Единство измерений необходимо для сопоставления результатов, выполненных различными измерительными приборами, в различных местах и в разное время. Соблюдение единства измерений важно как внутри страны, так и на международном уровне. Поэтому обеспечение единства измерений является государственной задачей и регулируется законодательным путем.

В своей теоретической и практической деятельности метрология оперирует специальной терминологией, без знания которой практически невозможно грамотно проводить измерения. Каждый из терминов означает определенное понятие, используемое в измерительной технике. Рассмотрим основные из них.

Когда мы говорим об измерении чего-либо, то имеем ввиду прежде всего числовое значение, включающее в себя определенное число и наименование этого числа. Каждое тело или явление может характеризоваться определенным сочетанием числа и его наименования, что позволяет проводить сравнение однородных тел или явлений. Поскольку измеряются различные характеристики тел или явлений, то вводится понятие «физическая величина».

Физической величиной называют свойство, общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуально для каждого из них. Здесь под физическим объектом понимают физические системы, их состояние, проходящие в них процессы. Сюда относят химические и другие процессы, где используются физические методы. Индивидуальность в количественном отношении понимается как возможность содержания определенного свойства в каждом объекте различное число раз.

Размер физической величины – количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию «физическая величина». Следовательно, понятие «размер» служит для объективного отображения количественного различия между физическими объектами по рассматриваемому свойству.

Окружающие нас объекты вызывают те или иные ощущения, их обычно сопоставляют по размерам однородных свойств. При этом человек использует одну из форм своего мышления – сравнение. В результате формируется заключение о сравниваемых объектах: длиннее или короче, тяжелее – легче, теплее – холоднее и т.д. Общим для этих заключений является признак «больше – меньше». Величины, сравниваемые по такому признаку, называют однородными физическими величинами. Возможность классификации физических величин по данному признаку является фундаментальной предпосылкой реализуемости любого измерения.

Из однородных физических величин разного размера можно составить последовательный ряд, в котором размер каждой последующей величины будет больше размера всех предыдущих и меньше размера всех последующих величин. Ряд, составленный таким образом по однородным физическим свойствам различных физических объектов, называют последовательным натуральным рядом.

Последовательный натуральный ряд служит основой для формирования шкал физической величины. Для формирования шкалы (лат. scalae – лестница) физической величины из последовательного натурального ряда выбирают некоторые физические величины различного размера, которые применяют в качестве отправных или реперных (франц. repire – столб, рейка) точек.

Совокупность реперных точек образуют шкалу размеров физической величины. Из общего числа реперных точек выбирают две, размеры S₁ и S₀ которых относительно просто с высокой точностью реализуются физически. Эти точки называются опорными точками или основными реперами.

Интервал между размерами S₁ и S₀ называют основным интервалом шкалы физической величины. При этом один из размеров S₀ принимают за начало шкалы (отсчета), а некоторую n-ю долю этого интервала – за единицу физической величины. Причем выбор числа n в принципе произволен. Таким образом, единицу физической величины определяют

[S]=(S₁–S₀)/n (1)

где [S] – единица физической величины.

 

Шкала средств измерения – это часть показывающего устройства средства измерений, представляющая собой ряд отметок с числовыми значениями.

Условная шкала физической величины (неметрические шкалы) – это шкала физической величины, исходные значения которой выражены в условных единицах. Например, шкалы твердости материалов (Бринеля, Виккерса, Роквелла), шкалы кислотности рН и т.д.

Шкала физической величины – это упорядоченная совокупность значений физической величины, служащая исходной основой для измерения данной величины. Например, международная температурная шкала, состоящая из ряда реперных точек, значения которых приняты по соглашению между странами Метрической конвенции и установлены на основании точных измерений, предназначена служить исходной основой для измерения температуры.

Единица физической величины – это физическая величина, которой, по определению, приписано числовое значение, равное единице. Используя зависимость (1), размеры физической величины в интервале между S₁ и S₀ определяются методом линейной интерполяции. Физическая величина интерполяции основана на методе измерительных преобразований.

Измерительное преобразование – отражение размера одной физической величины размером другой физической величины, функционально с ней связанной. Понятие «измерительное преобразование» с физической точки зрения означает, что физическая величина не может быть определена сама по себе, а воспринимается только через тот физический процесс, в котором она проявляется. С помощью измерительных преобразований осуществляют интерполяцию размеров физической величины внутри интервалов между реперными точками и определяют длину этих интервалов. Это позволяет построить на основе выбранного измерительного преобразования функциональную шкалу физической величины.

Мы подошли к основной цели метрологии – измерению. По своей сути измерение является процессом, сложность которого зависит от многих факторов. Сложность определяется методом или способом представления измеряемой величины. Для примера можно привести измерение геометрических размеров физического объекта с помощью линейки или микрометра. Естественно, во втором случае процесс измерения сложнее и требует определенных знаний и навыков. Аналогичные примеры можно привести и для измерений других величин.

Измерение – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих сравнение измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины. Измерения обычно осуществляются на естественных или созданных человеком объектах, называемые объектами измерения.

Объект измерения – это тело, сложное явление или процесс, характеризующийся множеством отдельных физических величин (параметров объекта), каждая из которых может измеряться в отдельности, но в реальных условиях действует на измерительное устройство совместно со всеми остальными параметрами.

Физическую величину, выбранную для измерения, называют измеряемой величиной. Процесс измерения включает в себя, как правило, три этапа: подготовку, проведение измерения (измерительный эксперимент) и обработку его результатов. В процессе проведения самого измерения объект измерения (ОИ) и средство измерения (СИ), способное измерять выбранную физическую величину (ФВ) Х, приводят во взаимодействие. Схема процесса измерения приведена на рис. 1.

Средством измерения называется техническое устройство, используемое при измерении и имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящие и (или) хранящие единицу физической величины. В результате измерения получают значение физической величины, которое представляет ее оценку в виде некоторого числа принятых для ее измерения единиц. Результат измерения можно записать:

 

Y=А [ X ] (2)

где А – числовое значение физической величины

[ X ] – единица физической величины

 

 

Рис.1 Схема процесса измерения

Результат измерения – это значение физической величины, найденное путем ее измерения.

Значение физической величины представляет собой оценку этой величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Размер величины существует реально и остается неизменным. Числовое значение физической величины определяется принятой при измерении единицей этой величины, то есть один и тот же размер может быть выражен различными числовыми значениями в зависимости от принятой единицы физической величины. Например, длину физического тела 1м можно представить и как 100 см, и как 1000 мм, и как 0,001 км.

Различают истинное и действительное значения физической величины.

Истинное значение физической величины – значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. В философском аспекте истинное значение всегда остается неизвестным, а достижения в области теории и практики измерений позволяют приблизиться к истинному значению физической величины.

Действительное значение физической величины – значение физической величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данных условий может использоваться как истинное значение.

Информацию о значении физической величины, получаемую при измерении, называют измерительной информацией. Средство измерения представляет информацию в виде некоторого сигнала, воспринимаемого человеком или техническим устройством – потребителями измерительной информации. Этот сигнал функционально связан с измеряемой физической величиной и его называют сигналом измерительной информации.

В процессе измерения на средство измерения, оператора и объект воздействуют различные факторы, влияющие как на процесс измерения, так и на средство и объект измерения. Такие факторы называют влияющими физическими величинами.

Влияющей физической величиной называют физическую величину, не подвергающуюся измерению данным средством, но оказывающую влияние на результат измерения этим средством.

Влияющие физические величины, как правило, снижают точность измерений. К ним можно отнести несовершенный уровень технологии изготовления средств измерения, неточность градуировки приборов, отклонение условий окружающей среды, субъективизм оператора и тому подобные причины. Эти причины также обуславливают появление погрешности измерения. На величину погрешности измерений немалое влияние оказывают принцип и метод, используемые для проведения измерений.

Принцип измерений – совокупность физических явлений, на которых основано измерение. Например, температуру можно измерять устройствами, реализующими различные физические явления: ртутный термометр работает по принципу зависимости расширения ртути от температуры; с помощью термоэлектрического преобразователя определяют температуру по величине термо э.д.с.; термопреобразователь сопротивления реализует зависимость изменения электрического сопротивления металлического проводника от температуры.

Метод измерений – совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Правильно выбранный метод измерения позволяет уменьшить величину погрешности, иногда довольно значительно. Поэтому в метрологии методам измерения уделяется большое внимание. Специально для проведения измерений разрабатываются методики, обеспечивающие снижение погрешности и единство измерений. В них оговариваются используемые средства измерений, способ их применения и определения погрешности (точности) измерений. Поэтому в каждой методике обязательно указывается принятый метод измерения.

Погрешность (ошибка) измерения – отклонение результата измерения Х от истинного значения Х_и измеряемой величины

D = Х – Х_и (3)

Погрешность D выражена в единицах измеряемой величины и называется абсолютной погрешностью измерения.

Относительная погрешность измерения – отношение абсолютной погрешности измерения к действительному Хд или измеренному значению измеряемой величины

 

d = (4)

или (5)

Точность измерения – одна из характеристик качества измерения, отражающая близость его результата к истинному значению измеряемой величины. Точность измерения может быть выражена величиной, обратной относительной погрешности, взятой по модулю, что практически применения не нашло

 

e = (6)

При определении погрешностей и точности измерения вместо истинного значения физической величины Х_и допускается использование действительного значения Х_д. Поскольку истинное значение измеряемой величины практически определить невозможно, то можно сказать, что точность измерения отражает близость погрешности результата измерения к нулю.

 

1.2 Виды измерений

 

Существующее многообразие явлений различного рода, требующих производства измерений, предполагает наличие многих видов измерений. Если выполнить это требование однозначно, то количество средств измерения было бы сопоставимо с числом измерений. Однако, этого нет. Дело в том, что по мере развития измерений происходило группирование измерений по различным признакам. Сегодня существует четкое деление измерений по своим признакам, включающим целый ряд величин. Такой подход позволил составить классификацию измерений по признакам:

 

1. По зависимости измеряемой величины от времени

- статические

- динамические

2. По сложившейся совокупности измеряемых величин

- электрические

- механические

- теплотехнические

- физико-химические

- радиотехнические

- другие

3. По условиям, определяющим точность результата

- максимально возможной точности

- контрольно-поверочные

- технические

- равноточные и неравноточные

4. По числу измерений, выполняемых для получения результата

- однократные наблюдения (обыкновенные)

- многократные наблюдения (статистические)

5. По способу получения результата (по виду)

- прямые

- косвенные

- совокупные и совместные

 

По первому признаку измерения делятся на статические, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени в процессе измерений, и динамические, при которых измеряемая величина меняется в процессе измерения.

По второму признаку классификация в какой-то степени является условной, однако широко применяется для обозначения приборов и измерений. Ею определяется сложившаяся совокупность родственных по природе или применению в отдельных областях науки и техники физических величин.

По третьему признаку измерения подразделяются на три группы:

- измерения максимально-возможной точности, достигаемой при современном уровне техники. Эти измерения связаны с созданием и воспроизведением эталонов, а также измерения универсальных физических констант.

- контрольно-поверочные измерения, погрешности которых не должны превышать заданного значения. Такие измерения осуществляются в основном государственными и ведомственными метрологическими службами.

- технические измерения, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерения. Технические измерения являются наиболее распространенными и во всех отраслях науки и техники. К ним, в частности, относятся и технологические измерения.

- равноточными называют измерения, выполненные одинаковыми по точности методиками выполнения измерений (МВИ) и СИ в одинаковых условиях. Неравноточными – выполненные различными по точности МВИ и СИ и (или) в разных условиях. Методики обработки результатов равноточных и неравноточных измерений различны.

Четвертый признак определяется числом выполняемых измерений для получения результата. Различают измерения с однократным наблюдением (обыкновенные) и измерения с многократными наблюдениями (статистические).

По пятому признаку измерения подразделяются в зависимости от вида математических зависимостей проводимых измерений, что определяет способ получения результата.

Прямыми называют измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. В процессе измерения объект измерения приводится в непосредственное взаимодействие со средствами измерения и по показаниям последних отсчитывают значение измеряемой величины.

Косвенными называют измерения, при которых искомое значение измеряемой величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. При косвенных измерениях путем прямых измерений находят значения величин-аргументов, а значения измеряемой величины Y определяют путем вычислений по формуле

 

Y = f(x₁, x₂, x₃,..., x_i,..., x_n), (7)

где х₁, х₂ … - величины аргументов;

f – функция зависимости между величинами.

Например, плотность тела можно найти, определив его объем и массу; электрическое сопротивление проводника находят по значениям величин силы тока и падения напряжения.

Совокупными называют производимые одновременно измерения нескольких величин, при которых искомые значения величины находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин или ряда других величин, функционально связанных с измеряемыми

 

(8)

F₁(x₁, x₂, …, x_n, y₁, y₂, …, y_m, k₁₁, k₁₂, k_1j, …, k_1m) = 0

F₂(x₁, x₂, …, x_n, y₁, y₂, …, y_m, k₂₁, k₂₂, k_2j, …, k_2m) = 0

…………………………………………………………

F_n(x₁, x₂, …, x_n, y₁, y₂, …, y_m, k_n1, k_n2, k_nj, …, k_nm) = 0

 

где k_ij – известные величины;

y – одноименные величины, значения которых являются искомыми;

х – величины, значения которых определяются прямым измерением

 

Для определения m искомых величин y₁, y₂, …, y_m необходимо, чтобы число уравнений n было равно или больше m. Поэтому результат измерения каждой из величин можно рассматривать как результат косвенного измерения.

Совместными называют проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимости между ними.

 

---

Дата добавления: 2016-01-04; просмотров: 14; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!