Измерение

Физическая величина

Физической величиной называют одно из свойств физического объекта (явления, процесса), которое является общим в качественном отношении для многих физических объектов, отличаясь при этом количественным значением. Так, свойство «прочность» в качественном отношении характеризует такие материалы, как сталь, дерево, ткань, стекло и многие другие, в то время как степень (количественное значение) прочности – величина для каждого из них совершенно разная.

Целью измерения и его конечным результатом является нахождение значения физической величины. Значение физической величины – оценка физической величины в принятых для измерения данной величины единицах. Понятно, что числовое значение результата измерения будет зависеть от выбора единицы физической величины.

Метрология изучает и имеет дело только с измерениями физических величин, для которых может существовать физически реализуемая и воспроизводимая единица величины.

В теории измерений вводятся понятия истинного измеренного и действительного значения физической величины.

Истинное значение физической величины – значение величины, которое идеальным образом характеризует в качественном и количественном отношении соответствующую физическую величину. Истинное значение физической величины может быть соотнесено с понятием абсолютной истины. Его можно получить только в результате бесконечного процесса измерений с бесконечным совершенствованием методов и средств измерений.

Действительное значение физической величины – это значение физической величины, полученное экспериментальным путём и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него.

Измерение физических величин – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с её единицей и получение значения этой величины.

Измерение – сложный процесс, и важными для него являются следующие характеристики: принцип и метод измерений, результат, погрешность, точность, сходимость, воспроизводимость, правильность и достоверность. Чтобы уяснить, что понимается под измерением в метрологии, рассмотрим типы шкал, на основе которых формируется представление об объекте.

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

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

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

Косвенные измерения – искомое значение величины устанавливают по результатам прямых измерений таких величин, которые связаны с искомой определённой зависимостью. Так, если измерить силу тока амперметром, а напряжение – вольтметром, то по известной функциональной зависимости всех трёх названных величин можно рассчитать мощность электрической цепи.

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

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

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.

По количеству измерительной информации различают однократные и многократные измерения.

По отношению к основным единицам измерения делят на абсолютные и относительные.

Абсолютные измерения – при которых используется прямое измерение одной (или нескольких) основной величины и физической константы. Так, в известной формуле Эйнштейна масса (m) – основная физическая величина, которая может быть измерена прямым путём (взвешиванием), а скорость света (c) – физическая константа.

Относительные измерения базируются на установлении отношения измеряемой величины к однородной, применяемой в качестве единицы. Искомое значение зависит от используемой единицы измерений.

С измерениями связаны такие понятия, как «шкала измерений», «принцип измерений», «метод измерений».

Шкала измерений – это упорядоченная совокупность значений физической величины, которая служит основой для её измерения. Так, в шкале Цельсия за начало отсчёта принята температура таяния льда, а в качестве основного интервала (опорной точки) – температура кипения воды. Одна сотая часть этого интервала является единицей температуры (^оС). В температурной шкале Фаренгейта за начало отсчёта принята температура таяния смеси льда и нашатырного спирта (либо поваренной соли), а в качестве опорной точки взята нормальная температура здорового человека. За единицу температу- ры (^оF) принята одна девяносто шестая часть основного интервала. По этой шкале температура таяния льда равна +32 ^оF, а температура кипения – +212 ^оF. Таким образом, если по шкале Цельсия разность между температурами кипения и таяния льда составляет 100 ^оС, то по Фаренгейту она равна 180 ^оF. На этом примере видна роль принятой шкалы как в количественном значении измеряемой величины, так и в аспекте обеспечения единства измерений. В данном случае требуется находить отношение размеров единиц, чтобы можно было сравнить результаты измерений, т.е. t, ^oF/t, ^oC.

В метрологической практике известно несколько разновидностей шкал: наименований; порядка; интервалов; отношений и др.

Шкала наименований – качественная шкала, она не содержит нуля и единиц измерений (пример – атлас цветов (шкала цветов). Процесс измерений заключается в визуальном сравнении окрашенного предмета с эталонными образцами атласа цветов.

Шкала порядка характеризует значение измеряемой величины в баллах (шкала землетрясений, силы ветра, твёрдости физических тел и т.п.).

Шкала интервалов (разностей) имеет условные нулевые значения, а интервалы устанавливаются по согласованию. Такими шкалами являются шкала времени, шкала длины.

Шкала отношений имеет естественное нулевое значение, а единица измерений устанавливается по согласованию. Например, шкала массы (обычно говорят «веса») начинается от нуля, может быть градуирована по-разному в зависимости от требуемой точности взвешивания (бытовые и аналитические весы).

Принцип измерений – физическое явление или измерение, положенное в основу измерений. Примеры: применение эффекта Джозефсона для измерения электрического напряжения, эффекта Доплера для измерения скорости; использование силы тяжести при измерении массы взвешиванием.

Метод измерения – приём или совокупность приёмов сравнения измеряемой физической величины с её единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Пример: измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями (мерами массы с известным значением).

Результат измерения – значение величины, полученное путём её измерения.

Погрешность результата измерений – отклонение результата измерений от истинного (действительного) значения измеряемой величины.

Точность результата измерений – одна из характеристик качества измерений, отражающая близость к нулю погрешности результата измерения. Высокая точность измерения соответствует малым погрешностям. Количественно точность оценивают обратной величиной модуля относительной погрешности, например, если относительная погрешность составляет 0,01, то точность равна 100.

Сходимость результатов измерений – близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполненных повторно одними и теми же средствами, одним и тем же методом в одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью. Сходимость измерений отражает влияние случайных погрешностей на результат измерения.

Воспроизводимость – близость результатов измерений одной и той же величины, полученных в разных местах, разными методами и средствами, разными операторами, в разное время, но приведённых к одним и тем же условиям (температура, давление, влажность и др.).

Правильность – характеристика качества измерений, отражающая близость к нулю систематических погрешностей в их результатах.

Достоверность – характеристика качества измерений, отражающая доверие к их результатам, которая определяется вероятностью (доверительной) того, что истинное значение измеряемой величины находится в указанных границах (доверительных). Измерения делятся на достоверные и недостоверные в зависимости от того, насколько известны вероятностные характеристики их отклонения от действительного значения измеряемых величин.

Дата добавления: 2014-01-04