2 Методы и средства измерений физических величин

2.1 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 10¹⁷ м, температура – от 0,5 К до 10⁶ К, электрическое сопротивление – от 10^-6 Ом до 10¹⁷ Ом, сила электрического тока – от 10^-16 А до 10⁴ А, мощность – от 10^-15 Вт до 10⁹ 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).