Физические величины и шкалы измерений

Тема 1. Физические величины, методы и средства их измерений

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕТРИФИКАЦИЯ

Ю.Е. Калугин

Лекции (определения и тезисы)

Челябинск

Издательство ЮУрГУ

Определение и виды физических величин, шкалы измерений

Наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства, способах достижения требуемой точности называется метрологией (от греч. "метро"- мера,_"логос" - учение). Задачи, решаемые метрологией, можно условно разделить: научные, практические и законодательные.

Научные задачи заключаются в разработке общей теории измерений, разработке эталонов и образцовых средств измерений, исследовании вопросов математической обработки результатов измерений и др.

К практическим задачам метрологии относятся производство рабочих средств измерений, государственные испытания их, контроль единства и правильности измерений. Для обеспечения контроля и выполнения данных задач на промышленных предприятиях вводится отдел (служба) метрологии.

Законодательная метрология включает комплексы взаимосвязанных общих правил, требований и норм, контролируемых государством для обеспечения единства измерения и единообразия средств измерений.

Объектом измерения зачастую являются физические величины

Физической величиной называется одно из свойств физического объекта (явления, процесса, физической системы), которое является общим в качественном отношении для многих - физических объектов, отличаясь при этом количественным значением.

Каждая физическая величина имеет свои качественную и количественную характеристики. Качественная характеристика определяется тем, какое свойство материального объекта или какую особенность материального мира эта величина характеризует. Так, свойство "электрическая проводимость" в качественном отношении характеризует проводниковые материалы, в то время как количественное значение имеет электрическая проводимость конкретного проводника.

Для выражения количественного содержания свойства конкретного объекта употребляется понятие " размер физической величины" – свойство, общее в качественном отношении для множества объектов, но индивидуальное в количественном отношении для каждого из них, Этот размер устанавливается в процессе измерения.

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

Измерение физической величины - это совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу, или воспроизводящую шкалу физической величины, заключающееся в сравнении (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей или шкалой с целью получения значения этой величины в форме, наиболее удобной для использования.

Упорядоченная совокупность значений физической величины, принятая по соглашению на основании результатов точных измерений называется шкалой физической величины.

1. Шкала наименований (шкала классификации), основана на приписывании объекту простых имен, или цифр (знаков), играющих роль имен. Например, транзистор Т1, транзистор Т2 и т.д.

2. Шкала порядка (шкала рангов), предполагающая упорядочение объектов относительно какого-то определенного свойства, то есть расположение их в порядке возрастания или убывания – ранжирования. Это отношения типа "мягче", "тверже", "теплее", "холоднее" и т.д., причем, на сколько мягче, она не дает возможности ответить.

К величинам такого рода относятся, например, твердость, определяемая как способность тела оказывать сопротивление проникновению в него другого тела; температура, как степень нагретости тела и т.п.

3. Шкала интервалов (шкала разностей) состоит из одинаковых интервалов и произвольно выбранное начало – нулевую точку. Она позволяет ответить: на сколько то или иное значение меньше или больше предыдущего. Деления шкалы интервалов на равные части устанавливает единицу физической величины, что не только позволяет выразить результат в числовой форме, но и оценить погрешность измерения.

Характерный пример: шкала интервалов времени, температура по шкале Цельсия.

4. Шкала отношений – представляет собой интервальную шкалу с естественным началом, поэтому она охватывает интервал значений n от нуля и до бесконечности. Это дает возможность определить, во сколько раз одна величина больше или меньше по правилу: А₁/А₂ =к

К таким величинам относятся, например, масса, сила тока, температура по абсолютной шкале температур и т.п.

5. Абсолютные шкалы, соответствующие относительным величинам: коэффициент усиления, коэффициент мощности, коэффициент нелинейного искажения.

Различают истинное и действительное значения физической величины. Истинное значение - значение, идеально отражающее свойство объекта. Действительное значение - значение физической величины, найденное экспериментально, достаточно близкое к истинному значению, которое можно использовать вместо него.

§1.2.Международная система единиц SI

Система единиц SI, правила образования производных единиц в системе

Развитие науки и техники, рост научно-технических и экономических связей привели к необходимости установления единообразия единиц измерений в международном масштабе. Требовалась единая система единиц физических величин, удобная в практическом применении и охватывающая различные области измерений. В 1960 г. IX Генеральная конференция по мерам и весам приняла международную систему единиц СИ (SI — начальные буквы французского наименования System International). При разработке этой системы были приняты удобные для практики единицы, уже получившие распространение. Например, в качестве основной единицы длины в СИ принят – метр, все остальные единицы — сантиметр, миллиметр и т.д. являются производными. Другие физические величины, зависящие от единицы длины, также выражаются в СИ через основную единицу - метр. Например, скорость – м/с, плотность тока –А/м², а не через производные.

Международная система единиц состоит из семи основных единиц, двух дополнительных единиц и необходимого числа производных единиц.

Основными единицами в международной системе единиц являются: единица длины- метр (м), единица массы - килограмм (кг), единица времени - секунда (с), единица силы электрического тока - ампер (А), единица термодинамической температуры - кельвин (К), единица силы света - кандела (кд), единица количества вещества - моль (моль). Все остальные производные или когерентные.

Когерентные производные единицы (далее– производные единицы) Международной системы единиц, как правило, образуют с помощью простейших уравнений связи между величинами (определяющих уравнений), в которых числовые коэффициенты равны 1. Для образования производных единиц обозначения величин в уравнениях связи заменяют обозначениями единиц СИ.

Пример – Единицу скорости образуют с помощью уравнения, определяющего скорость прямолинейно и равномерно движущейся материальной точки

V = S/T,

где V— скорость; S— длина пройденного пути; T— время движения материальной точки.

Подстановка вместо и обозначений их единиц СИ дает [V]=[S]/[T]=1m/s.

Следовательно, единицей скорости СИ является метр в секунду. Он равен скорости прямолинейно и равномерно движущейся материальной точки, при которой эта точка за время 1s перемещается на расстояние 1m.

Если уравнение связи содержит числовой коэффициент, отличный от 1, то для образования когерентной производной единицы СИ в правую часть подставляют обозначения величин со значениями в единицах СИ, дающими после умножения на коэффициент общее числовое значение, равное 1.

Пример. Если для образования единицы энергии используют уравнение

E= MV²/2

где Е— кинетическая энергия; M— масса материальной точки; V— скорость движения материальной точки, то для образования когерентной единицы энергии СИ используют, например, уравнение

[E]=1/2(2[M]·[V]²) =1/2(2kg)(1m/s)²= 1kg·m/s²·m=1N·m=1J

Следовательно, единицей энергии СИ является джоуль (равный ньютон-метру). В приведенных примерах он равен кинетической энергии тела массой 2kg, движущегося со скоростью 1m/s, или же тела массой 1kg, движущегося со скоростью 2^1/2m/s.

§1.3. Виды и методы измерений

определения «Измерение» и «Метод измерения», виды и методы измерений, области их применений

Измерением называется нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Основная цель измерения — количественная оценка значения физической величины в принятых для нее единицах.

Возможность применения результатов измерений для правильного и эффективного решения любой измерительной задачи определяется следующими тремя условиями:

- результаты измерений выражаются в узаконенных (установленных законодательством России) единицах;

- значения показателей точности результатов измерений известны с необходимой заданной достоверностью;

- значения показателей точности обеспечивают оптимальное в соответствии с выбранными критериями решение задачи, для которой эти результаты предназначены (результаты измерений получены с требуемой точностью).

Если результаты измерений удовлетворяют первым двум условиям, то о них известно все, что необходимо знать для принятия обоснованного решения о возможности их использования. Такие результаты можно сопоставлять, они могут использоваться в различных сочетаниях, различными людьми, организациями. В этом случае говорят, что обеспечено единство измерений - состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности результатов не выходят за установленные границы с заданной вероятностью.

Третье из перечисленных выше условий определяет требование к точности применяемых методов и средств измерений. Недостаточная точность измерений приводит к увеличению ошибок контроля, к экономическим потерям. Завышенная точность измерений требует затрат на приобретение более дорогих средств измерений. Поэтому это требование является не только метрологическим, но и экономическим требованием, т.к. связано с затратами и потерями при проведении измерений (затраты и потери - экономические критерии).

Измерения в зависимости от способа получения числового значения измеряемой величины делятся на прямые, косвенные, совместные и совокупные.

Прямые измерения - измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. Например, измерение длины линейкой, температуры термометром и т.п.

Косвенные измерения - измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Например, площадь прямоугольника определяют по результатам измерения его сторон (s=l·d), плотность твердого тела определяют по результатам измерений его массы и объема (р= m/v) и т.п.

Наибольшее распространение в практической деятельности получили прямые измерения, т.к. они просты и могут быть быстро выполнены. Косвенные измерения применяют тогда, когда нет возможности получить значение величины непосредственно из опытных данных (например, определение твердости твердого тела) или когда приборы для измерения величин, входящих в формулу, точнее, чем для измерения искомой величины

Совокупными называют измерения нескольких одноименных величин, производимые одновременно, при которых искомые значения величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. Например, нахождение сопротивлений отдельных резисторов набора по известному сопротивлению одного из них и по результатам прямых измерений сопротивлений различных сочетаний резисторов.

Совместными измерениями называются производимые одновременно измерения двух или нескольких не одноименных величин для нахождения зависимости между ними. Например, сопротивление резистора при температуре С и его температурные коэффициенты находят по данным прямых измерений сопротивления при различных температурах t:

.

По способу выражения результатов различают абсолютные и относительные измерения.

Абсолютным называют измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и использовании значений физических констант. Например, измерение силы тока в Амперах (мА, мкА,…).

Относительным называют измерение отношения физической величины к одноименной, играющей роль единицы, либо принимаемой за исходную. Например, измерение коэффициента передачи четырехполюсника на разных частотах по отношению к максимальному значению этого коэффициента на некоторой частоте.

По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения делятся на статические (измеряемая величина остается постоянной) и динамические (величина меняется в течение времени).

Принцип измерений – совокупность физических явлений, на которых основаны измерения. Например, измерения напряжения на основе электростатического взаимодействия заряженных проводников.

Метод измерения – совокупность приемов использования принципов и средств измерения. Различают два основных метода измерений: непосредственной оценки и сравнения с мерой (рис.1.1).

1. Метод непосредственной оценки — метод измерений, при котором значение физической величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия. Этот метод является наиболее распространенным, но по точности зависит от точности измерительного прибора.

2. Метод сравнения с мерой — метод измерения, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Например, измерение напряжения постоянного тока путем сравнения с Э.Д.С. нормального элемента.

Существует несколько разновидностей метода сравнения:

а) дифференциальный метод, в котором на измерительный прибор воздействует разность измеряемой и известной величин, воспроизводимых мерой. Например, измерение электрического сопротивления мостом с неполным его уравновешиванием.

б) нулевой (частный случай дифференциального), в котором результирующий эффект воздействия на приборе сравнения доводят до нуля. Например, измерение электрического сопротивления мостом с полным уравновешиванием.

Рис.1.1. Методы измерений

в) метод замещения, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой. Этот метод чаще всего применяют при измерении параметров цепей на высоких частотах. Например, измерение вносимого электрической цепью ослабления сигнала путем поочередного включения в измерительную установку исследуемой цепи и регулируемого рабочего аттенюатора.

г) метод совпадений, при котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов. Метод применяют при измерении частоты.

д) метод противопоставлений, в котором устанавливается соотношение между измеряемой и известной величинами. Метод применяется при измерении Э.Д.С., напряжения, тока.

§1.4. Общие сведения о средствах измерений (СИ)

Средства измерений: определение, классификацию, метрологические характеристики, классы точности

Средством измерений называют техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства. Различают следующие виды средств измерений: меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи, измерительные установки, измерительные системы.

Мера — средство измерения, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. В качестве мер могут служить измерительный резистор (мера электрического сопротивления), конденсатор постоянной емкости (мера электрической емкости), кварцевый генератор (мера частоты электрических колебаний). Если мера воспроизводит физическую величину одного размера, она называется однозначной (конденсатор постоянной емкости, нормальный гальванический элемент, кварцевый генератор). Многозначная мера воспроизводит ряд одноименных величин различного размера (конденсатор переменной емкости, магазин сопротивлений, магазин индуктивностей).

Измерительный прибор — средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Различают аналоговые и цифровые измерительные приборы. Электроизмерительные приборы могут быть классифицированы по различным видам: показывающие и регистрирующие, суммирующие и интегрирующие, а также по конструктивным и функциональным признакам — стационарные и переносные, обыкновенные и пыле-, водо-, брызгозащищенные и др.

Измерительным преобразователем называют средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

В зависимости от характера измеряемых величин различают преобразователи электрических величин в электрические (шунты, делители напряжений, добавочные сопротивления, измерительные трансформаторы); преобразователи неэлектрических величин в электрические (термосопротивления, индуктивные преобразователи, генераторные преобразователи).

Измерительная установка — это совокупность функционально объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем. Она расположена в одном месте. Например, установка, предназначенная для градуировки и поверки электроизмерительных приборов, испытательные стенды.

Измерительная система — совокупность средств и измерений, соединенных между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматизированных системах управления (АСУ).

Метрологические характеристики (м.х.) средств измерений-характеристики свойств средств измерений, оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений. Эти характеристики называют еще точностными характеристиками средств измерении. Информация о назначении и метрологических характеристиках приведена в документации на средства измерений (в государственном стандарте, в ТУ, в паспорте на средство измерения).

Характерной особенностью измерительной техники является широкое распространение измерительных процессов, в которых одновременно участвуют несколько средств измерений, измеряющих разные физические величины и основанных на разных принципах действия. Это вызывает необходимость нормировать метрологические характеристики различных средств измерений на единой, принципиальной основе.

По метрологическим характеристикам средств измерений решается ряд задач, важных для обеспечения единства измерений:

-определение погрешности результата измерений (одной из составляющих погрешности измерений является погрешность средств измерений),

-выбор средств измерений по точности по известным условиям их применения и требуемой точности измерений (эта задача является обратной по отношению к задаче определения погрешности измерений);

-сравнение средств измерений различных типов с учетом условий их применения;

-замена одного средства измерений на другое - аналогичное;

оценка погрешности сложных измерительных систем и др.

Нормированные метрологические характеристики выражают в форме, удобной для обоснованного решения перечисленных выше задач и одновременно достаточно простого осуществления их контроля при поверке или калибровке.

При установлении совокупности нормируемых метрологических характеристик для средств измерений конкретного вида необходимо использовать номенклатуру характеристик, регламентированных ГОСТ 8.009-84 "ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений". Например, в ГОСТ 8711-78 "Амперметры и вольтметры. Общие технические условия" нормируется предел допускаемой основной погрешности и нормальные условия; пределы допускаемых дополнительных погрешностей и рабочие области влияющих величин; предельно допускаемая вариация и невозвращения указателя нуля. При поверке или калибровке эти характеристики подлежат контролю.

В ГОСТ 8.009-84 установлены общие положения, комплекс метрологических характеристик средств измерений, и способы их нормирования- В этом стандарте приведены модели погрешности измерений в зависимости от свойств средств измерений, рекомендации по выбору метрологических характеристик для различных видов средств измерений и критерии существенности составляющих погрешности средств измерений. Положения и рекомендации стандарта могут быть использованы для оценивания инструментальной погрешности в реальных условиях применения средств измерений.

В практике применения средств измерений широко используется выражение - класс точности. Это характеристика, зависящая от способа выражения пределов допускаемых погрешностей средств измерений - Впервые "класс точности" был введен в тридцатые годы применительно к стрелочным приборам и определял основную погрешность средств измерений (погрешность средств измерений в нормальных условиях). Введение класса точности преследовало цель классификации средств измерений по точности. Эта характеристика была удобной и для приборостроителей, т.к. позволила четко стандартизировать измерительные приборы в виде регламентированных рядов классов точности. Такое представление в то время было оправдано и характеристикой "класс точности" можно было руководствоваться при выборе средств измерений, при ориентировочной оценки точности измерений и др.

В настоящее время, когда схемы и конструкции средств измерений усложнились, а области применения средств измерений весьма расширились, на погрешность измерений стали существенно влиять и другие факторы. В частности, изменения внешних условий (температура окружающей среды, механические нагрузки на средства измерений и т.д.), а также характер изменения измеряемых величин во времени. Основная погрешность измерительных приборов перестала быть действительно основной составляющей погрешности измерений и класс точности не позволяет в полной мере решать практические задачи, перечисленные выше. Область практического применения характеристики "класс точности" ограничена только такими средствами измерений, которые предназначены для измерения статических величин. В международной практике "класс точности" устанавливается только для небольшой части приборов.

Требования к назначению, применению и обозначению "классов точности" регламентированы в ГОСТ 8.401-80 "ГСИ. Классы точности средств измерений. Основные положения". Согласно этого стандарта к ласс точности средств измерений - обобщенная характеристика средств измерений, определяемая пределами допускаемых основной и дополнительной погрешностей, а также другими свойствами средств измерений, влияющими на их точность, значения которых устанавливаются в стандартах на отдельные виды средств измерений. Классы точности присваиваются средствам измерений при их разработке с учетом результатов государственных приемочных испытаний. Класс точности хотя и характеризует совокупность метрологических свойств данного средства измерений, однако не определяет однозначно точность измерений, так как последняя зависит от метода измерений и условий их выполнения.

Классы точности наносят на циферблат. Если пределы допускаемой основной погрешности выражены в форме абсолютной погрешности средств измерений, то класс точности обозначается прописными буквами латинского алфавита (L, M), если это основная приведенная погрешность, то – арабскими цифрами, например, 0,5 или 0,02/0,01, и т. д.

Контрольные вопросы к теме

1. Что такое метрология? Какие задачи она решает?

2. Что называют физической величиной? Какие у нее характеристики?

3. Что такое измерение физической величины? Что такое размер?

4. Какие существуют шкалы измерения? Чем отличается шкала порядка от шкал наименований и интервалов? Какие величины соответствуют шкалам: абсолютной и отношений?

5. Сколько основных единиц и какие в системе СИ? Какие дополнительные?

6. Как образуются производные единицы в системе СИ?

7. Что называют измерением? Каковы условия применения результатов измерений? В каком случае обеспечивается единство измерений?

8. Каковы виды измерений и их сущностные черты в зависимости:

А) от способа получения числового значения измеряемой величины;

Б) по способу выражения результатов;

В) по характеру зависимости измеряемой величины от времени?

9. Назовите принципы измерения, что такое метод измерения?

10.Что такое средство измерения? Мера? Измерительный прибор? Измерительный преобразователь? Измерительная система? Метрологические характеристики?

11.Какие задачи существуют для обеспечения единства измерений?

12. Что такое класс точности? Какой ГОСТ Р определяет классы точности средств измерений? Где наносятся сведения о классе точности?

Дата добавления: 2014-01-05