1 метрология — наука об измерениях, методах, средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Греческое слово "метрология" образовано от слов "метрон" — мера и "логос" — учение.
Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов и процессов с заданной точностью и достоверностью.
задачами метрологии становятся: усовершенствование эталонов, разработка новых методов точных измерений, обеспечение единства и необходимой точности измерений.
2. физическая величина (величина) – свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам (физическим системам, их состояниям и происходящим в них процессам), но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта”.
Физические величины классифицируются по нескольким признакам:
1. По направленности. Физическую величину, отражающую направление движения, называют векторной величиной, в противном случае − скалярной величиной.
2. По наличию размерности. Физическую величину, имеющую формулу размерности, в которой хотя бы одна размерность имеет ненулевой показатель степени, называют размерной величиной. Если же все размерности имеют нулевой показатель степени, то величину в современной физике называют безразмерной величиной. Однако на странице, посвященной безразмерным величинам, показано, что этот термин по сути неверен и что безразмерных величин в природе не существует.
3. По возможности суммирования. Физическую величину называют аддитивной величиной, если ее значения могут быть суммированы (на латыни additio - прибавление), умножены на числовой коэффициент, поделены друг на друга, как, например, это можно сделать с силой или моментом силы, и неаддитивной величиной, если эти математические операции не имеют физического смысла, как, например, у термодинамической температуры, значения которой нет смысла складывать или вычитать.
4. По ее отношению к физической системе. Физическую величину называют экстенсивной величиной, если её значение складывается из значений этой же физической величины для подсистем, из которых состоит система, например, как у объёма (на латыни extensivus - расширяющийся, то есть связанный с количественным увеличением), и интенсивной величиной, если её значение не зависит от размера системы, например, как у термодинамической температуры (по французски intensive - напряжённый).
3. 1. Измерения
Измерение - это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств
Классификация измерений
Измерение является важнейшим понятием в метрологии. Существует несколько видов измерений. При классификации их исходят из характера зависимости измеряемой величины от времени, вида уравнения измерений, условий определяющих точность результата измерений, и способа выражения этих результатов.
По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения подразделяются на:
статические измерения - это измерение физической величины, принимаемой в соответствии с конкретной задачей за неизменную на протяжении времени измерения;
динамические измерения – измерения изменяющейся по размеру физической величины.
По способу получения результатов измерений (виду уравнения измерений) их разделяют на прямые, косвенные, совокупные и совместные.
Прямые измерения - измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно. При этом измеряемую величину сравнивают с мерой измерительными приборами, градуированными в требуемых единицах. Например, измерение напряжения вольтметром
Косвенные измерения - определение искомого значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. Например, определение сопротивления цепи по измеряемому току и напряжению или измерение объема тела по прямым измерениям его геометрических размеров.
Совокупные измерения – проводимые одновременно измерения нескольких одноимённых величин, при которых искомое значение величины определяют путем решения системы уравнений, полученных при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. Примером совокупных измерений является определение массы отдельных гирь набора (калибровка по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь).
Совместные измерения - производимые одновременно измерения двух или нескольких не одноименных величин для определения зависимости между ними. В качестве примера совместных измерений можно назвать измерение электрического сопротивления при 200 С и температурных коэффициентов измерительного резистора по данным прямых измерений его сопротивления при различных температурах.
По используемому методу измерения , измерения подразделяются:
Метод непосредственной оценки - метод измерений, при котором значение величины определяют непосредственно по показывающему средству измерений.
Метод сравнения с мерой - метод измерений в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Этот метод имеет следующие модификации:
а) метод дополнения – метод сравнения с мерой, в котором значение измеряемой величины дополняется мерой этой же величины с таким расчетом , чтобы на прибор сравнение воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению;
б) дифференциальный метод измерений – метод измерений, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, при котором измеряется разность между этими двумя величинами;в) нулевой метод – метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля;г) метод измерения замещением - метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины
4. Испытанием называется экспериментальное определение количественных и (или) качественных характеристик свойств объекта испытаний как результата воздействия на него при его функционировании, а также моделировании объекта и (или) воздействий (ГОСТ 16504-91). Экспериментальное определение характеристик свойств объекта при испытаниях может проводиться путем использования измерений, оценивания и контроля.Объектом испытаний является продукция или процессы ее производства и функционирования. В зависимости от вида продукции и программы испытаний объектом может быть как единичное изделие, так и их партия. Объектом испытания может также быть макет или модель изделия.
Важнейшими признаками любых испытаний являются:
• принятие на основе их результатов определенных решении по объекту испытаний, например о его годности или забраковке, о возможности предъявления на следующие испытания и т.д.;
• задание требуемых реальных или моделируемых условий испытаний. Под условиями испытаний понимается совокупность воздействующих факторов и (или) режимов функционирования объекта при испытаниях. В нормативно-технических документах на испытания конкретных объектов должны быть определены нормальные условия испытаний.
Целью испытаний следует считать нахождение истинного значения параметра (характеристики), определенного не при тех реальных условиях, в которых он фактически может находится в ходе испытаний, а в заданных номинальных условиях испытания. Реальные условия испытаний практически всегда отличаются от номинальных, поскольку установить параметры условий испытаний абсолютно точно невозможно. Следовательно, результат испытания всегда имеет погрешность, возникающую не только из-за погрешности определения искомой характеристики, но и из-за неточного установления номинальных условий испытания.
Результатом испытаний называется оценка характеристик свойств объекта, установления соответствия объекта заданным требованиям, данные анализа качества функционирования объекта в процессе испытаний. Результат испытаний характеризуется точностью — свойством испытаний, описывающим близость их результатов к действительным значениям характеристик объекта в определенных условиях испытаний.
Контроль — это процесс определения соответствия значения параметра изделия установленным требованиям или нормам. Сущность всякого контроля состоит в проведении двух основных этапов. На первом из них получают информацию о фактическом состоянии некоторого объекта, о признаках и показателях его свойств. Эта информация называется первичной. На втором — первичная информация сопоставляется с заранее установленными требованиями, нормами, критериями. При этом выявляется соответствие или несоответствие фактических данных требуемым. Информация о их расхождении называется вторичной. Контроль состоит из ряда элементарных действий: измерительного преобразования контролируемой величины; операции воспроизведения уставок контроля; операции сравнения; определения результата контроля.
5. Размер физической величины — это количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию "физическая величина".начение физической величины — это оценка ее размера в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Его получают в результате ее измерения или вычисления в соответствии с основным уравнением измерения Q = q[Q], связывающим между собой значение ФВ Q, числовое значение q и выбранную для измерения единицу [Q]. В зависимости от размера единицы будет меняться числовое значение ФВ, тогда как размер ее будет одним и тем же.
Единица физической величины — это ФВ фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное единице, и которая применяется для количественного выражения однородных ФВ. Размер единиц ФВ устанавливается путем их законодательно закрепленного определения метрологическими органами государства.
Важной характеристикой ФВ является ее размерность. Показатель степени, в которую возведена размерность основной величины, называют показателем размерности. Если все показатели размерности равны нулю, то такую величину называют безразмерной. Совокупность ФВ, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины принимаются за независимые, а другие являются их функциями, называется системой физических величин.
Обосновано, но в общем произвольным образом выбираются несколько ФВ, называемых основными. Остальные величины, называемые производными, выражаются через основные на основе известных уравнений связи между ними. Примерами производных величин могут служить: плотность вещества, определяемая как масса вещества, заключенного в единице объема; ускорение — изменение скорости за единицу времени и др. Совокупность основных и производных единиц ФВ, образованная в соответствии с принятыми принципами, называется системой единиц физических величин. Единица основной ФВ является основной единицей данной системы. В Российской Федерации используется система единиц СИ, введенная ГОСТ 8.417-81 "ГСИ. Единицы физических величин". В качестве основных единиц приняты метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и канделла (табл. 3.1). Производная единица — это единица производной ФВ системы единиц, образованная в соответствии с уравнениями, связывающими ее с основными единицами или же с основными и уже определенными производными. Производные единицы бывают когерентными и некогеренты-ми. Когерентной называется производная единица ФВ, связанная с другими единицами системы уравнением, в котором числовой множитель принят равным единице. Единицы ФВ делятся на системные и внесистемные. Системная единица — единица ФВ, входящая в одну из принятых систем. Все основные, производные, кратные и дольные единицы являются системными. Внесистемная единица — это единица ФВ, не входящая ни в одну из принятых систем единиц. Различают кратные и дольные единицы ФВ. Кратная единица — это единица ФВ, в целое число раз превышающая системную или внесистемную единицу. Например, единица длины километр равна 103 м, т.е. кратна метру. Дольная единица — единица ФВ, значение которой в целое число раз меньше системной или внесистемной единицы.
6. Погрешность измерений
В практике использования измерений очень важным показателем становится их точность, которая представляет собой ту степень близости итогов измерения к некоторому действительному значению, которая используется для качественного сравнения измерительных операций. А в качестве количественной оценки, как правило, используется погрешность измерений. Причем чем погрешность меньше, тем считается выше точность.
Процесс оценки погрешности измерений считается одним из важнейших мероприятий в вопросе обеспечения единства измерений. Естественно, что факторов, оказывающих влияние на точность измерения, существует огромное множество. Следовательно, любая классификация погрешностей измерения достаточно условна, поскольку нередко в зависимости от условий измерительного процесса погрешности могут проявляться в различных группах. При этом согласно принципу зависимости от формы данные выражения погрешности измерения могут быть: абсолютными, относительными и приведенными.
Кроме того, по признаку зависимости от характера проявления, причин возникновения и возможностей устранения погрешности измерений могут быть составляющими. При этом различают следующие составляющие погрешности: систематические и случайные.
Систематическая составляющая остается постоянной или меняется при следующих измерениях того же самого параметра.
Случайная составляющая изменяется при повторных изменениях того же самого параметра случайным образом. Обе составляющие погрешности измерения (и случайная, и систематическая) проявляются одновременно.
Систематическая погрешность, и в этом ее особенность, если сравнивать ее со случайной погрешностью, которая выявляется вне зависимости от своих источников, рассматривается по составляющим в связи с источниками возникновения.
Составляющие погрешности могут также делиться на: методическую, инструментальную и субъективную. Субъективные систематические погрешности связаны с индивидуальными особенностями оператора. Методическая составляющая погрешности определяется несовершенством метода измерения, приемами использования СИ, некорректностью расчетных формул и округления результатов. Инструментальная составляющая появляется из-за собственной погрешности СИ, определяемой классом точности, влиянием СИ на итог и разрешающей способности СИ. Есть также такое понятие, как «грубые погрешности или промахи», которые могут появляться из-за ошибочных действий оператора, неисправности СИ или непредвиденных изменений ситуации измерений.
7. По характеру проявления погрешности делятся на систематические и случайные.Систематическая погрешность – составляющая погрешности результата измерений, остающаяся постоянной или же закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же физической величины.В зависимости от характера изменения систематические погрешности подразделяются на постоянные, прогрессивные, погрешности, изменяющиеся по сложному закону, периодические.Постоянные погрешности – погрешности, которые длительное время сохраняют свое значение.Прогрессивные погрешности - непрерывно возрастающие или убывающие погрешности.Периодические погрешности – погрешности, значение которых является периодической функцией времени.
Погрешности, изменяющиеся по сложному закону, происходят вследствие совместного действия нескольких систематических погрешностей.
8. По характеру проявления погрешности делятся на систематические и случайные.
Случайная погрешность – составляющая погрешности результата измерения, изменяющаяся случайным образом ( по знаку и значению) при повторных измерениях, проведенных с одинаковой тщательностью, одной и той же физической величины.Случайная погрешность средства измерений - называют составляющую погрешности средства измерений, изменяющаяся случайным образом.
Случайные погрешности представляют собой погрешности, в проявлении каждой из которых не наблюдается какой-либо закономерности. Случайные погрешности неизбежны и неустранимы и всегда присутствуют в результате измерения. Они вызывают рассеяние результатов при многократном и достаточно точном измерении одной и той же величины при неизменных условиях. Любой результат измерения содержит помимо истинного значения случайную погрешность. Случайная погрешность не может быть исключена из результата измерения. Оценить ее значение можно используя при метрологической обработке результатов измерений методы математической статистики.