Зоология 

Методы измерения основных физических величин. Измерение физических величин: основные методы измерений

Измерение физической величины - 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 .

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.

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).

Виды измерений

Область измерений - совокупность измерений физических величин, свойственных какой-либо области науки или техники и выделяющихся своей спецификой. Примечание - Выделяют ряд областей измерений: механические, магнитные, акустические, измерения ионизирующих излучений и др.

Вид измерений - часть области измерений, имеющая свои особенности и отличающаяся однородностью измеряемых величин. Пример - В области электрических и магнитных измерений могут быть выделены как виды измерений: измерения электрического сопротивления, электродвижущей силы, электрического напряжения, магнитной индукции и др.

Существует несколько видов измерений.

По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения разделяются на:

статические измерения;

динамические измерения.

По способу получения результатов измерений их разделяют на:

косвенные;

совокупные;

совместные.

По условиям, определяющим точность результата, измерения делятся на:

метрологические измерения;

контрольно-поверочные измерения;

технические измерения.

По способу выражения результатов различают:

абсолютные измерения;

относительные измерения.

По характеристике средства измерения различают:

равноточные измерения;

неравноточные измерения.

По числу измерений в ряду измерений:

однократные измерения;

многократные измерения.

Измерения различают по способу получения информации, по характеру изменений измеряемой величины в процессе измерений, по количеству измерительной информации, по отношению к основным единицам.

По способу получения информации измерения разделяют на прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямые измерения - это непосредственное сравнение физической величины с ее мерой. Например, при определении длины предмета линейкой происходит сравнение искомой величины (количественного выражения значения длины) с мерой, т. е. линейкой.

Косвенные измерения - отличаются от прямых тем, что искомое значение величины устанавливают по результатам прямых измерений таких величин, которые связаны с искомой определенной зависимостью. Так, если измерить силу тока амперметром, а напряжение вольтметром, то по известной функциональной взаимосвязи всех трех величин можно рассчитать мощность электрической цепи.

Совокупные измерения - сопряжены с решением системы уравнений, составляемых по результатам одновременных измерений нескольких однородных величин. Решение системы уравнений дает возможность вычислить искомую величину.

Совместные измерения - это измерения двух или более неоднородных физических величин для определения зависимости между ними.

Совокупные и совместные измерения часто применяют в измерениях различных параметров и характеристик в области электротехники.

По характеру изменения измеряемой величины в процессе измерений бывают статистические, динамические и статические измерения.

Статистические измерения связаны с определением характеристик случайных процессов, звуковых сигналов, уровня шумов и т. д. Статические измерения имеют место тогда, когда измеряемая величина практически постоянна.

Динамические измерения связаны с такими величинами, которые в процессе измерений претерпевают те или иные изменения. Статические и динамические измерения в идеальном виде на практике редки.

По количеству измерительной информации различают однократные и многократные измерения.

Однократные измерения - это одно измерение одной величины, т. е. число измерений равно числу измеряемых величин. Практическое применение такого вида измерений всегда сопряжено с большими погрешностями, поэтому следует проводить не менее трех однократных измерений и находить конечный результат как среднее арифметическое значение.

Многократные измерения характеризуются превышением числа измерений количества измеряемых величин. Преимущество многократных измерений - в значительном снижении влияний случайных факторов на погрешность измерения. измерение метрологический шкала

Физические венличины. Единицы физических величин

Широкое развитие и распространение методов и средств метрологии обусловило создание целых систем единиц измерений государственных и международных организаций. В настоящий момент всеобщей глобализации роль метрологии и сложность задач значительно возрастает. Каждую качественную особенность физического объекта называют физической величиной (длина, масса, скорость). Физическая величина имеет определенный размер, который выражается через единицу измерения. Среди физических величин различают основные и преобразованные из основных. Обе эти физические величины образуют систему единиц. В разное время существовали разные системы единиц измерения. Система МКС – метр, килограмм, секунда. Система СГС включала сантиметр, грамм, секунда и т.д. На основе их была построена Международная система единиц (СИ), котороя была принята на XI Международной конференции по мерам и весам в 1960 г для введения единообразия в единицах измерения во всем мире.

В СИ установлены семь основных единиц, используя которые можно измерять все механические, электрические, магнитные, акустические, световые и химические параметры, а также характеристики ионизирующих излучений. Основными единицами СИ являются:

метр (м) – для измерения длины;

килограмм (кг) – для измерения массы;

секунда (с) – для измерения времени;

ампер (А) – для измерения силы электрического тока;

кельвин (К) – для измерения термодинамической температуры;

моль (моль) – для измерения количества вещества;

кандела (кд) – для измерения силы света.

В СИ принято новое определение единицы длины – метра. До введения СИ в качестве международного и национальных эталонов метра использовали штриховые меры, изготовленные из платиново-иридиевого сплава и имеющие в поперечном сечении Х-образную форму. Метр определили при температуре 20 о С между осями двух средних штрихов меры с точностью ±0,1 мкм.

В новой системе единиц 1 м выражен в длинах световых волн атома криптона, т. е. связан с природной величиной. Теперь метр – это длина, равная 1 650 763,73 длин волн в вакууме излучения, соответствующего оранжевой линии спектра криптона-86. При новом эталоне длина 1 м воспроизводится сейчас с погрешностью 0,002 мкм, которая меньше погрешности старого искусственного эталона метра в 50 раз.

Метод измерений – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины и ее единицы в соответствии с реализованным принципом измерений.

Метод измерений обычно обусловлен устройством средств измерений. Различают несколько основных методов измерений: непосредственной оценки, сравнения с мерой, дифференциальный, или разностный, нулевой, контактный и бесконтактный.


Измерительное средство и приемы его использования в совокупности образуют метод измерения. По способу получения значений измеряемых величин различают два основных метода измерений: метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой.

Метод непосредственной оценки – метод измерения, при котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия.

Например, измеряя длину с помощью линейки, размеры деталей – микрометром, штангенциркулем, получили значение размера

Рисунок 7.1 – Схема измерений методом сравнения с мерой

Метод сравнения с мерой – метод измерения, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Например, для измерения высоты L детали 1 (рис.7.1) миниметр 2 закрепляют в стойке. Стрелку миниметра устанавливают на нуль по какому-либо образцу (набору концевых мер 3), имеющему высоту N, равную номинальной высоте L измеряемой детали. Затем приступают к измерению партий деталей. О точности размеров L судят по отклонению ±∆ стрелки миниметра относительно нулевого положения.

В зависимости от взаимосвязи показаний прибора с измеряемой физической величиной измерения подразделяют на прямые и косвенные, абсолютные и относительные.

При прямом измерении искомое значение величины находят непосредственно в процессе замеров, например измерение угла угломером, диаметра – штангенциркулем, массы – на циферблатных весах.

При косвенном измерении значение величины определяют на основании зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям, например определение среднего диаметра резьбы с помощью трех проволочек на вертикальном длинномере, угла - с помощью синусной линейки и т. д.

При измерении линейных величин, независимо от рассмотренных методов, различают контактный и бесконтактный методы измерений.

Контактный метод осуществляется путем контакта между измерительными поверхностями инструмента или прибора и проверяемой деталью. Недостаток его – необходимость определенного усилия при измерении, что вызывает дополнительные погрешности (например, измерения штангенциркулем, микрометром, рычажно-механическими приборами).

Бесконтактный метод лишен недостатка контактного, поскольку в процессе измерения нет контакта между средством контроля и изделием. Это проверка на проекторах, микроскопах, с помощью пневматических приборов.

Измерение поверхностей деталей, имеющих сложную геометрическую форму (резьбы, шлицевые соединения), может быть произведено либо поэлементным, либо комплексным методом.

Поэлементным методом, например, производится проверка резьбы среднего диаметра – методом трех проволочек, наружного диаметра – микрометром, угла профиля – на универсальном микроскопе.

Комплексным методом пользуются при контроле резьбы с помощью резьбовых пробок и колец на свинчиваемость, одновременно проверяют шаг, угол профиля и средний диаметр резьбы.

Измерительные средства (приборы) классифицируют по назначению, конструктивно-функциональным признакам и технологическим особенностям изготовления. На заводах специализированные цехи и участки изготавливают следующие группы измерительных средств.

1. Оптические приборы:

а) приборы для измерения длин и углов – длинномеры, профилометры, сферометры, инструментальные и универсальные измерительные микроскопы, линейные измерительные, машины, оптические делительные головки, гониометры,

рефрактометры, автоколлимационные трубы, катетометры и т. д.;

б) микроскопы (бинокулярные, интерференционные, биологические и др.);

в) наблюдательные приборы – галилеевские и призменные бинокли, стереотрубы, перископы;

г) геодезические приборы – нивелиры, теодолиты, светодальномеры;

д) призменные и дифракционные спектральные приборы –микрофотометры, интерферометры, спектропроекторы.

2. Рычажно-оптические приборы: оптиметры, ультраоптиметры и др.

3. Рычажно-механические приборы:

а) собственно рычажные (миниметры и др.);

б) зубчатые (индикаторы часового типа и др.);

в) рычажно-зубчатые (микрометры и др.);

г) рычажно-винтовые (индикатор-микрометр);

д) с пружинной передачей (микрокаторы и др.).

4. Пневматические приборы с манометром и ротаметром.

5. Механические приборы:

а) штриховые, снабженные нониусом (штангенинструменты и универсальные угломеры);

б) микрометрические, основанные на применении винтовой передачи (микрометры, микрометрические нутромеры, глубиномеры, и др.).

6. Электрифицированные приборы (индуктивные, емкостные, фотоэлектрические и т. д.).

7. Автоматические приборы: контрольные и контрольно-сортировочные автоматы, приборы активного контроля и др.

Вид средств измерений – это совокупность средств измерений, предназначенных для измерений данного вида физической величины.

Вид средств измерений может включать несколько типов. Например, амперметры и вольтметры (вообще) являются видами средств измерений соответственно силы электрического тока и напряжения.

Отсчетное устройство показывающего прибора может иметь шкалу и указатель. Указатель выполняется в виде стрелки, светового луча и т. д. В настоящее время широкое применение получают отсчетные устройства с цифровой индикацией. Шкала представляет собой совокупность отметок и проставленных у некоторых из них чисел отсчета или других символов, соответствующих ряду последовательных значений величины. Промежуток между двумя соседними отметками шкалы называется делением шкалы.

Интервал деления шкалы – расстояние между двумя соседними отметками шкалы. У большинства измерительных средств интервал деления составляет от 1 до 2,5 мм.

Рисунок 7.2 – Области значений шкалы

Цена деления шкалы – разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Например (см. рис), у индикатора цена деления 0,002 мм.

Начальное и конечное значения шкалы (предел измерений) – соответственно наименьшее и наибольшее значения измеряемой величины, указанные на шкале, характеризующие возможности шкалы измерительного средства и определяющие диапазон показаний.

1.5 Погрешность измерения и её источники

При анализе измерении сравнивают истинные значения физических величин с результатами измерений. Отклонение ∆ результата измерения X от истинного значения Q измеряемой величины называют погрешностью измерения:

∆=Х -Q.

Погрешности измерений обычно классифицируют по причине их возникновения и по виду погрешностей. В зависимости от причин возникновения выделяют следующие погрешности измерений.

Погрешность метода – это составляющая погрешности измерения, являющаяся следствием несовершенства метода измерений. Суммарная погрешность метода измерения определяется совокупностью погрешностей отдельных его составляющих (показаний прибора, концевых мер, изменения температуры и т. п.).

Погрешность отсчета – составляющая погрешности измерения, являющаяся следствием недостаточно точного отсчета показаний средства измерений и зависящая от индивидуальных способностей наблюдателя.

Инструментальная погрешность – составляющая погрешности измерения, зависящая от погрешностей применяемых средств измерений. Различают основную и дополнительную погрешности средства измерений. За основную погрешность принимают погрешность средства измерений, используемого в нормальных условиях. Дополнительная погрешность складывается из дополнительных погрешностей измерительного преобразователя и меры, вызванных отклонением от нормальных условий.

Если температура проверяемого изделия будет отличаться от температуры, при которой ведется контроль, то это вызовет погрешности, являющиеся результатом теплового расширения. Во избежание появления их все измерения должны проводиться при нормальной температуре (+20°С).

Неточность установки детали при контроле и погрешности установки прибора также влияют на точность измерения. Например, штангенциркуль при измерении должен устанавливаться перпендикулярно к измеряемой поверхности. Тем не менее, в процессе замера могут быть перекосы, что приводит к погрешности измерения.

К перечисленным погрешностям можно добавить ошибки, возникающие при отсчете размера исполнителем вследствие его субъективных данных, ошибки от не плотности контакта между измерительными поверхностями и изделием.

Все погрешности измерения подразделяют по виду на систематические, случайные и грубые.

Под систематическими понимают погрешности, постоянные или закономерно изменяющиеся при повторных измерениях одной и той же величины. Случайные погрешности – составляющие погрешности измерения, изменяющиеся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. К грубым относятся случайные погрешности, значительно превосходящие погрешности, ожидаемые при данных условиях измерения (например, неправильный отсчет по шкале, толчки и удары прибора).

Калибровка – установление метрологических характеристик средств измерительной техники, на которые не распространяется государственный метрологический надзор; калибровка производится калибровочными лабораториями.

Порог чувствительности (реагирования) – это наименьший прирост входной величины, который обуславливает заметное изменение выходной величины.

Элементарная погрешность – такая составляющая погрешности, которую в заданном анализе нет необходимости дальше расчленять на составляющие. Универсальных методов выявления систематических ошибок нет. Поэтому применяют разные способы их уменьшения или исключения. Грубые ошибки результатов измерения исключаются с помощью критерия аномальных результатов за которые принимаю интервал относительно центра распределения в долях среднеквадратического отклонения. Обычно, если значение измерения больше 3-х σ, то такое отклонение относят к аномальным.

Для обеспечения метрологического единства измерений производится метрологическая аттестация средств измерительной техники в измерительных лабораториях.

Поверка – установление пригодности средства измерений к применению на основании соответствия экспериментально определяемых метрологических характеристик и контроля установленным требованиям.

Основной метрологической характеристикой средства измерений, определяемой при поверке, является его погрешность. Как правило, она находится на основании сравнения поверяемого средства измерений с образцовым средством измерений или эталоном, т. е. с более точным средством, предназначенным для проведения поверки.

Различают поверки: государственную и ведомственную, периодическую и независимую, внеочередную и инспекционную, комплексную, поэлементную и др. Поверка выполняется метрологическими службами, которым дано на это право в установленном порядке. Поверку проводят специально обученные специалисты, имеющие удостоверение на право ее проведения.

Результаты поверки средств измерений, признанных годными к применению, оформляются выдачей свидетельств о поверке, нанесением поверительного клейма и т. д. Поверке подлежат все средства измерений, применяемые в народном хозяйстве.

На предприятиях основным средством сохранения мер длины являются концевые меры. Все цеховые средства измерений подлежат поверке в контрольно-измерительных лабораториях образцовыми средствами измерений.

Измерение - это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Измерения классифицируются по: ♦ способу получения информации; ♦ характеру изменений величины в процессе ее измерений; ♦ количеству измерительной информации; ♦ отношению к основным единицам измерения. По способу получения информации измерения подразделя­ют на прямые косвенные, совокупные и совместные. По характеру изменений измеряемой величины в процессе измерений выделяют статистические, динамические и стати­ческие измерения.

По количеству измерительной информации различают одно­кратные и многократные измерения.По отношению к основным единицам измерения выделяют абсолютные и относительные измерения.

Принцип измерений - физическое явление или эффект, по­ложенные в основу измерений (например, применение эффекта Допплера для измерения скорости - имеет место при любом волновом процессе распространения энергии; использование силы тяжести при изменении массы взвешиванием).

Метод измерений - это прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений (метод из­мерений обычно обусловлен устройством средств измерений)

Различают следующие методы измерений: методы непосредственной оценки измерений (значение величины определяют непосредственно по показывающему средству измерений); .♦ методы сравнения с мерой (измеряемые величины сравни­ваются с величинами, которые воспроизводят меру); ♦ нулевой метод измерений (результирующий эффект воз­действия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля);♦ метод измерений замещением (измеряемую величину за­меняют мерой с известным значением величины);♦ метод измерений с дополнением (значение измеряемой величины дополняется мерой этой же величины с таким рас­четом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее задуманному значению);♦ дифференциальный метод измерений (измеряемая величи­на сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряе­мой величины, когда измеряется разность между этими двумя величинами);♦ контактный метод измерений (измерение диаметра вала из­мерительной скобой или проходным и непроходным калибром);♦ бесконтактный метод измерений (элемент средства изме­рений не приводится в контакт с объектом измерения (напри­мер, измерение температуры в печи).Методика выполнения измерений - это установленная сово­купность операций и правил при измерении.

Физические величины как объекты измерений Физическая величина - это одно из свойств физического объекта, общее в качественном отношении для многих физических объектов, но индивидуальное в количественном отно­шении для каждого из них. Измеряемая физическая величина представляет собой коли­чественную физическую величину, подлежащую измерению, измеряемую или измеренную в соответствии с основной целью измерительной задачи. Система единиц физических величин - это совокупность ос­новных и производных физических величин, образованная в со­ответствии с принятыми принципами, когда одни величины при­нимаются за независимые, а другие являются их функциями. Основной называется физическая величина, входящая в сис­тему величин и условно принятая в качестве независимой от других величин этой системы. Производной называется физическая величина, входящая в систему и определяемая через основные величины этой системы.



Основные величины независимы друг от друга, но они мо­гут служить основой для установления связей с другими фи­зическими величинами, которые называются производными от них. Например, в формулу Эйнштейна входит основная едини­ца - масса и производная единица - энергия. Основным величи­нам соответствуют основные единицы измерений, а производ­ным - производные.Каждая физическая величина имеет определенную размер­ность - выражение в форме степенного одночлена, составлен­ного из произведений символов основных физических величин в различных степенях, отражающее связь данной физической величины с физическими величинами, принятыми в данной системе величин за основные, и с коэффициентом пропорцио­нальности равным единице.



22.Средства измерения температуры. Существуют два основных способа для измерения температур -- контактные и бесконтактные. Контактные способы основаны на непосредственном контакте измерительного преобразователя температуры с исследуемым объектом, в результате чего добиваются состояния теплового равновесия преобразователя и объекта. Этому способу присущи свои недостатки. Температурное поле объекта искажается при введении в него термоприемника. Температура преобразователя всегда отличается от истинной температуры объекта. Верхний предел измерения температуры ограничен свойствами материалов, из которых изготовлены температурные датчики. Кроме того, ряд задач измерения температуры в недоступных вращающихся с большой скоростью объектах не может быть решен контактным способом.

Бесконтактный способ основан на восприятии тепловой энергии, передаваемой через лучеиспускание и воспринимаемой на некотором расстоянии от исследуемого объема. Этот способ менее чувствителен, чем контактный. Измерения температуры в большой степени зависят от воспроизведения условий градуировки при эксплуатации, а в противном случае появляются значительные погрешности. Устройство, служащее для измерения температуры путем преобразования ее значений в сигнал или показание, называется термометром (ГОСТ 13417-76),

По принципу действия все термометры делятся на следующие группы, которые используются для различных интервалов температур:1 Термометры расширения от --260 до +700 °С, основанные на изменении объемов жидкостей или твердых тел при изменении температуры. 2 Манометрические термометры от --200 до +600 °С, измеряющие температуру по зависимости давления жидкости, пара или газа в замкнутом объеме от изменения температуры.3. Термометры электрического сопротивления стандартные от --270 до +750 °С, преобразующие изменение температуры в изменение электрического сопротивления проводников или полупроводников. 4. Термоэлектрические термометры (или пирометры), стандартные от --50 до +1800 °С, в основе преобразования которых лежит зависимость значения электродвижущей силы от температуры спая разнородных проводников.

Пирометры излучения от 500 до 100000 °С, основанные на измерении температуры по значению интенсивности лучистой энергии, испускаемой нагретым телом, Термометры, основанные на электрофизических явлениях от -272 до +1000 °С (термошумовые термоэлектрические преобразователи, объемные резонансные термопреобразователи, ядерные резонансные).

Метрология, стандартизация и сертификация

Общие вопросы основ метрологии и измерительной техники

В практической жизни человек всюду имеет дело с измерениями. На каждом шагу встречаются измерения таких величин, как длина, объем, вес, время и др.

Измерения являются одним из важнейших путей познания природы человеком. Они дают количественную характеристику окружающего мира, раскрывая человеку действующие в природе закономерности. Все отрасли техники не могли бы существовать без развернутой системы измерений, определяющих как все технологические процессы, контроль и управление ими, так и свойства и качество выпускаемой продукций.

Отраслью науки, изучающей измерения, является метрология. Слово "метрология" образовано из двух греческих слов: метрон - мера и логос - учение. Дословный перевод слова "метрология" - учение о мерах. Долгое время метрология оставалась в основном описательной наукой о различных мерах и соотношениях между ними. С конца 19-го века благодаря прогрессу физических наук метрология получила существенное развитие. Большую роль в становлении современной метрологии как одной из наук физического цикла сыграл Д. И. Менделеев, руководивший отечественной метрологией в период 1892 - 1907 гг.

В соответствии с ГОСТ 16263-70 «Метрология. Термины и определения»: метрология – это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Единство измерений - такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Единство измерений необходимо для того, чтобы можно было сопоставить результаты измерений, выполненных в разных местах, в разное время, с использованием разных методов и средств измерений.

Точность измерений характеризуется близостью их результатов к истинному значению измеряемой величины. Точность – величина, обратная погрешности (о ней речь пойдет ниже).

Измерительная техника – это практическая, прикладная область метрологии.

Измеряемыми величинами, с которыми имеет дело метрология, являются физические величины, т. е. величины, входящие в уравнения опытных наук (физика, химия и др.), занимающихся познанием мира эмпирическим (т.

е. опытным) путем.

Метрология проникает во все науки и дисциплины, имеющие дело с измерениями, и является для них единой наукой.

Основные понятия, которыми оперирует метрология, следующие:

Физическая величина;

Единица физической величины;

Система единиц физических величин;

Размер единицы физической величины (передача размера единицы физической величины);

Средства измерений физической величины;

Образцовое средство измерений;

Рабочее средство измерений;

Измерение физической величины;

Метод измерений;

Результат измерений;

Погрешность измерений;

Метрологическая служба;

Метрологическое обеспечение и т. д.

Дадим определения некоторым основным понятиям:

Физическая величина – характеристика одного из свойств физического объекта (явления или процесса), общая в качественном отношений для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальная для каждого объекта (т. е. значение физической величины может быть для одного объекта в определенное число раз больше или меньше, чем для другого). Например»: длина, время, сила электрического тока.

Единица физической величины – физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение равное 1, и применяемое для количественного выражения однородных физических величин. Например: 1 м – единица длины, 1 с – времени, 1А – силы электрического тока.

Система единиц физических величин – совокупность основных и производных единиц физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами для заданной системы физических величин. Например: Международная система единиц (СИ), принятая в 1960 г.

В системе единиц физических величин выделяют основные единицы системы единиц (в СИ – метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин). Из сочетания основных единиц образуются производные единицы (скорости - м/с, плотности – кг/м 3).

Путем добавления к основным единицам установленных приставок, образуются кратные (например - километр) или дольные (например - микрометр) единицы.

Исторически первой системой единиц физических величин была принятая в 1791 г. Национальным собранием Франции метрическая система мер. Она не являлась еще системой единиц в современном понимании, а включала в себя единицы длин, площадей, объемов, вместимостей и веса, в основу которых были положены две единицы: метр и килограмм.

В 1832 г. немецкий математик К. Гаусс предложил методику построения системы единиц как совокупности основных и производных. Он построил систему единиц, в которой за основу были приняты три произвольные, независимые друг от друга единицы - длины, массы и времени. Все остальные единицы можно было определить с помощью этих трех. Такую систему единиц, связанных определенным образом с тремя основными, Гаусс назвал абсолютной системой. За основные единицы он принял миллиметр, миллиграмм и секунду.

В дальнейшем с развитием науки и техники появился ряд систем единиц физических величин, построенных по принципу, предложенному Гауссом, базирующихся на метрической системе мер, но отличающихся друг от друга основными единицами.

Рассмотрим главнейшие системы единиц физических величин.

Система СГС. Система единиц физических величин СГС, в которой основными единицами являются сантиметр как единица длины, грамм как единица массы и секунда как единица времени, была установлена в 1881 г.

Система МКГСС. Применение килограмма как единицы веса, а в последующем как единицы силы вообще, привело в конце XIX века к формированию системы единиц физических величин с тремя основными единицами: метр - единица длины, килограмм-сила - единица силы и секунда - единица времени.

Система МКСА. Основы этой системы были предложены в 1901 г. итальянским ученым Джорджи. Основными единицами системы МКСА являются метр, килограмм, секунда и ампер.

Наличие ряда систем единиц физических величин, а также значительного числа внесистемных единиц, неудобства, связанные с пересчетом при переходе от одной системы единиц к другой, требовало унификации единиц измерений. Рост научно-технических и экономических связей между разными странами обусловливал необходимость такой унификации в международном масштабе.

Требовалась единая система единиц физических величин, практически удобная и охватывающая различные области измерений. При этом она должна была сохранить принцип когерентности (равенство единице коэффициента пропорциональности в уравнениях связи между физическими величинами).

В 1954 г. Х Генеральная конференция по мерам и весам установила шесть основных единиц (метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, кандела + моль). Система, основанная на утвержденных в 1954 г. шести основных единицах, была названа Международной системой единиц, сокращенно СИ (SI - начальные буквы французского наименования Systeme International). Был утвержден перечень шести основных, двух дополнительных и первый список двадцати семи производных единиц, а также приставки для образования кратных и дольных единиц.

В РФ система СИ регламентируется ГОСТом 8.417-81.

Размер единицы физической величины – количественная определенность единицы физической величины, воспроизводимой или хранимой средством измерений. Размер основных единиц СИ устанавливается определением этих единиц Генеральными конференциями по мерам и весам (ГКМВ). Так, в соответствии с решением XIII ГКМВ, единица термодинамической температуры, кельвин, установлена равной 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды.

Воспроизведение единиц осуществляется национальными метрологическими лабораториями при помощи национальных эталонов . Отличие размера единицы, воспроизводимой национальным эталоном от размера единицы по определению ГКМВ устанавливается при международных сличениях эталонов.

Размер единицы, хранимой образцовым (ОСИ) или рабочим (РСИ) средствами измерений, может быть установлен по отношению к национальному первичному эталону. При этом может быть несколько ступеней сравнения (через вторичные эталоны и ОСИ).

Измерение физической величины – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, заключающихся в сравнении (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей с целью получения этой величины в форме, наиболее удобной для использования.

Принцип измерений – физическое явление или эффект, положенное в основу измерений тем или иным типом средств измерений.

Применение эффекта Доплера для измерения скорости;

Применение эффекта Холла для измерения индукции магнитного поля;

Использование силы тяжести при измерении массы взвешиванием.

Виды 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.

Статическими измерениями являются, например, измерения размеров тела, постоянного давления, электрических величин в цепях с установившемся режимом, динамическими - измерения пульсирующих давлений, вибраций, электрических величин в условиях протекания переходного процесса.

По способу получения результатов измерений их разделяют на:

косвенные;

совокупные;

совместные.

Прямые - это измерения, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных.

Прямые измерения можно выразить формулой , где - искомое значение измеряемой величины, а - значение, непосредственно получаемое из опытных данных.

При прямых измерениях экспериментальным операциям подвергают измеряемую величину, которую сравнивают с мерой непосредственно или же с помощью измерительных приборов, градуированных в требуемых единицах. Примерами прямых служат измерения длины тела линейкой, массы при помощи весов и др.

Косвенные - это измерения, при которых искомую величину определяют на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям, т.е. измеряют не собственно определяемую величину, а другие, функционально с ней связанные. Значение измеряемой величины находят путем вычисления по формуле , где - функциональная зависимость, которая заранее известна, - значения величин, измеренных прямым способом.

Примеры косвенных измерений: определение объема тела по прямым измерениям его геометрических размеров, нахождение удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения.

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.

Совокупные - это производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомую величину определяют решением системы уравнений, получаемых 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 - это производимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимостей между ними.

В качестве примера можно назвать измерение электрического сопротивления при 20 0 С и температурных коэффициентов измерительного резистора по данным прямых измерений его сопротивления при различных температурах.

Методы измерений

Метод измерения – это способ экспериментального определения значения физической величины, т. е. совокупность используемых при измерениях физических явлений и средств измерений.

Метод непосредственной оценки заключается в определения значения физической величины по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия. Например – измерение напряжения вольтметром.

Этот метод является наиболее распространенным, но его точность зависит от точности измерительного прибора.

Метод сравнения с мерой – в этом случае измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой. Точность измерения может быть выше, чем точность непосредственной оценки.

Различают следующие разновидности метода сравнения с мерой:

Метод противопоставления , при котором измеряемая и воспроизводимая величина одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между величинами. Пример: измерение веса с помощью рычажных весов и набора гирь.

Дифференциальный метод , при котором на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой. При этом уравновешивание измеряемой величины известной производится не полностью. Пример: измерение напряжения постоянного тока с помощью дискретного делителя напряжения, источника образцового напряжения и вольтметра.

Нулевой метод , при котором результирующий эффект воздействия обеих величин на прибор сравнения доводят до нуля, что фиксируется высокочувствительным прибором – нуль-индикатором. Пример: измерение сопротивления резистора с помощью четырехплечевого моста, в котором падение напряжения на резисторе с неизвестным сопротивлением уравновешивается падением напряжения на резисторе известного сопротивления.

Метод замещения , при котором производится поочередное подключение на вход прибора измеряемой величины и известной величины, и по двум показаниям прибора оценивается значение измеряемой величины, а затем подбором известной величины добиваются, чтобы оба показания совпали. При этом методе может быть достигнута высокая точность измерений при высокой точности меры известной величины и высокой чувствительности прибора. Пример: точное точное измерение малого напряжения при помощи высокочувствительного гальванометра, к которому сначала подключают источник неизвестного напряжения и определяют отклонение указателя, а затем с помощью регулируемого источника известного напряжения добиваются того же отклонения указателя. При этом известное напряжение равно неизвестному.

Метод совпадения , при котором измеряют разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов. Пример: измерение частоты вращения детали с помощью мигающей лампы стробоскопа: наблюдая положение метки на вращающейся детали в моменты вспышек лампы, по известной частоте вспышек и смещению метки определяют частоту вращения детали.

Факторы, влияющие на результаты измерений

Вметрологической практике при проведении измерений необходимо учитывать ряд факторов, влияющих на результаты измерения. Это - объект и субъект измерения, метод измерения, средство измерения и условия измерения.

Объект измерения должен быть чист от посторонних включений, если измеряется плотность вещества, свободен от влияния внешних помех (природные процессы, индустриальные помехи и т. п.). Сам объект не должен обладать внутренними помехами (работа самого объекта измерения).

Субъект измерения , т. е. оператор, привносит в результат «личностный» момент измерения, элемент субъективизма. Он зависит от квалификации оператора, санитарно-гигиенических условий труда, психофизиологического состояния субъекта, от учета эргономических требований.

Метод измерения . Очень часто измерение одной и той же величины постоянного размера разными методами дает различные результаты, причем каждый из них имеет свои недостатки и достоинства. Искусство оператора состоит в том, чтобы соответствующими способами исключить или учесть факторы, искажающие результаты. Если измерение не удастся выполнить так, чтобы исключить или компенсировать какой-либо фактор, влияющий на результат, то в последний в ряде случаев вносят соответствующую поправку.

Влияние СИ наизмеряемую величину во многих случаях проявляется как возмущающий фактор, например, внутренние шумы измерительных электронных усилителей.

Другим фактором является инерционность СИ. Некоторые СИ дают постоянно завышенные или постоянно заниженные показания, что может быть результатом дефекта изготовления.

Условия измерения как влияющий фактор включают температуру окружающей среды, влажность, атмосферное давление, напряжение в сети и т. п.

Учет указанных факторов предполагает исключение ошибок и внесение поправок к измеренным величинам.

Методы измерения определяются видом измеряемых величин, их размерами, требуемой точностью результата, требуемой быстротой процесса измерения и прочими данными.

Существует множество методов измерения, и по мере развития науки и техники число их все увеличивается.

По способу получения числового значения измеряемой величины все измерения разделены на три основных вида: прямые, косвенные и совокупные.

Прямыми называются измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных (например, измерение массы на циферблатных или равноплечных весах, температуры - термометром, длины - с помощью линейных мер).

Косвенными называются измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям (например, плотности однородного тела по его массе и геометрическим размерам; определение электрического сопротивления по результатам измерения падения напряжения и силы тока).



Совокупными называются измерения, при которых одновременно измеряют несколько одноименных величин, а искомое значение величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин (например, измерения, при которых массы отдельных гирь набора устанавливают по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь).

Ранее говорилось о том, что на практике наибольшее распространение получили прямые измерения ввиду их простоты и скорости исполнения. Дадим краткую характеристику прямым измерениям.

Прямые измерения величин можно производить следующими методами:

1) Метод непосредственной оценки - значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора (измерение давления - пружинным манометром, массы - циферблатными весами, силы электрического тока - амперметром).

2) Метод сравнения с мерой - измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (измерение массы рычажными весами с уравновешиванием гирями).

3) Дифференциальный метод - метод сравнения с мерой, при котором на измерительный прибор действует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой (измерения, выполняемые при проверке мер длины сравнением с образцовой мерой на компараторе).

4) Нулевой метод - метод сравнения с мерой, когда результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля (измерение электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием).

5) Метод совпадений - метод сравнения с мерой, при котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов (измерение длины с помощью штангенциркуля с нониусом, когда наблюдают совпадение отметок на шкалах штангенциркуля и нониуса).

6) Метод замещения - метод сравнения с мерой, когда измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой (взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов).