Научно-технические основы метрологического обеспечения

1. Физические величины и их измерение. Классификация величин и измерений.

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.

Каждая физическая величина имеет качественную и количественную характеристики. Качественная характеристика определяется тем, какое свойство материального объекта или какую особенность материального мира эта величина характеризует. Так, свойство "прочность" в качественном отношении характеризует такие материалы, как сталь, дерево, ткань, стекло и многие другие, в то время как количественное значение прочности для каждого из них совершенно разное. Для выражения количественного содержания свойства конкретного объекта употребляется понятие "размер физической величины", который устанавливается в процессе измерения.

Измерение – это нахождение численного значения физической величины путем сравнения ее с эталоном с помощью специальных технических средств и методик.

Целью измерений является определение значения физической величины как некоторого числа принятых для нее единиц (например, результат измерения массы изделия составляет 2 кг, высоты здания – 12 м и т.д.).

Классификация значений физической величины.

В зависимости от степени приближения к объективности различают истинное, действительное и измеренное значения физической величины.

Истинное значение физической величины – это значение, идеально отражающее в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. Из-за несовершенства средств и методов измерений истинные значения величин практически получить нельзя. Их можно представить только теоретически. А значения величины, полученные при измерении, лишь в большей или меньшей степени приближаются к истинному.

Действительное значение физической величины – это значение, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному, что для данной цели может быть использовано вместо него.

Измеренное значение физической величины – это значение, полученное при измерении с применением конкретных методов и средств измерений.

При планировании измерений следует стремиться к тому, чтобы номенклатура измеряемых величин соответствовала требованиям измерительной задачи (например, при контроле такие величины должны отражать соответствующие показатели качества продукции или характерные свойства процесса).

Требования к измеряемым параметрам:

• корректность формулировки измеряемой величины, исключающая возможность двоякого толкования (необходимо четко различать, что определяется: «масса» или «вес» изделия, "объем" или "вместимость" сосуда и т.д.);

• определенность подлежащих измерению свойств объекта (например, "температура в помещении не более ... °С" допускает возможность различного толкования, поэтому надо так изменить формулировку требования, чтобы было ясно, установлено ли это требование к максимальной или к средней температуре помещения, что будет в дальнейшем учтено при выполнении измерений);

• использование стандартизованных терминов (специфические требования следует пояснять при первом их упоминании).

Существует несколько определений понятию "измерения", каждое из которых описывает какую-нибудь характерную особенность этого многогранного процесса. В соответствии с ГОСТ 16263-70 "Метрология. Термины и определения" измерение – это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Это широко распространенное определение измерения отражает его цель, а также исключает возможность использования данного понятия вне связи с физическим экспериментом и измерительной техникой. Под физическим экспериментом понимают количественное сравнение двух однородных величин, одна из которых принята за единицу, что "привязывает" измерения к размерам единиц, воспроизводимых эталонами.

Интересно отметить толкование данного термина философом П.А. Флоренским, которое вошло в "Техническую энциклопедию" издания 1931 г.: "Измерение – основной познавательный процесс науки и техники, посредством которого неизвестная величина количественно сравнивается с другою, однородною с нею и считаемою известной".

Классификация измерений.

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.

По способу получения результатов измерений (виду уравнения измерений) их разделяют на прямые, косвенные, совокупные, совместные.

– Прямые – это когда искомые значения величин находят непосредственно из опытных данных, например измерение длины линейкой, температуры термометром (?) и т.п. Прямые измерения можно выразить формулой Q = X, где Q – искомое значение измеряемой величины, X – значение, непосредственно получаемое из опытных данных. При прямых измерениях измеряемую величину сравнивают с мерой непосредственно.

– Косвенные – это когда искомое значение величины находят на основании известной зависимости между нею и величинами, подвергаемыми прямым измерениям, например, площадь прямоугольника определяют по результатам измерения его сторон (S = l • d), плотность твердого тела – по результатам измерений его массы и объема (р = m/v) и т.п. При косвенных измерениях измеряют не собственно определяемую величину, а другие величины, функционально с ней связанные. Значение измеряемой величины находят путем вычислений по формуле Q = f(X1, X2, X3…).

Наибольшее распространение в практической деятельности получили прямые измерения, так как они просты и могут быстро выполняться, а косвенные применяют тогда, когда нет возможности получить значение величины непосредственно из опытных данных (определение твердости твердого тела) или когда приборы для измерения величин, входящих в формулу, точнее, чем для измерения искомой величины. 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 косвенных измерений особенно велика при измерении величин, недоступных непосредственному экспериментальному сравнению, например, размеров астрономического или внутриатомного порядка.

Деление измерений на прямые и косвенные позволяет использовать определенные способы оценивания погрешностей их результатов.

Совокупные измерения – это производимые одновременно измерения нескольких одноименных (однородных) физических величин (несколько сопротивлений на различных участках). Они приводят к системе линейных однородных уравнений, из которых может быть определена каждая конкретная величина.

Совместные измерения – это производимые одновременно измерения нескольких разноименных (разнородных) физических величин для нахождения зависимостей между ними (время + масса).

Измерения также делят на однократные и многократные. Результаты многократных измерений обрабатываются статистическими методами.

По условиям, определяющим точность результата, измерения делятся на три класса:

1. Измерения максимально возможной точности.

К ним относятся эталонные измерения, измерения физических констант, прежде всего, универсальных (абсолютное значение ускорения свободного падения) и т.п.

2. Контрольно-поверочные измерения, погрешность которых не должна превышать некоторое заданное значение.

К ним относятся измерения, выполняемые лабораториями государственного надзора за внедрением и соблюдением стандартов и состоянием измерительной техники и заводскими измерительными лабораториями и осуществляемые такими средствами измерений и по такой методике, которые гарантируют погрешность результата, не превышающую некоторого заранее заданного значения.

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

Примерами технических измерений являются измерения, выполняемые в процессе производства.

По способу получения результатов измерения делят на абсолютные и относительные.

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.

Пример относительных измерений – измерение относительной влажности воздуха как отношения количества водяных паров в 1м³ воздуха к максимально возможному при данной температуре.

Основные характеристики измерений:

• принцип измерений;

• метод измерений;

• погрешность;

• точность;

• правильность;

• достоверность измерений.

Принцип измерений – физическое явление или совокупность физических явлений, положенных в основу измерений. Например, измерение массы тела при помощи 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 полученным при измерении X' и истинным Q значениями измеряемой величины. Погрешность измерения Δ определяется формулой Δ = X' – Q.

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

Точность измерений – это характеристика измерений, отражающая близость результатов к истинному значению измеряемой величины. Количественно точность можно выразить величиной, обратной модулю относительной погрешности: ε = |Δ/Q|^–1.

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.

Достоверность измерений 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 не известна, не представляют ценности и в ряде случаев могут служить источником дезинформации.

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