Метрология

Принцип измерений - физическое явление или совокупность физических явлений, положенных в основу измерений.

Метод измерений - совокупность приёмов использования принципов и средств измерений.

Метод измерения должен по возможности иметь минимальную  погрешность и способствовать исключению систематических погрешностей или  переводу их в разряд случайных.

1.2. Методы измерений

Классификация методов измерений по структурным элементам измерительных операций важна для измерительной техники, метрологии информационно-измерительных систем и отражает тенденции развития микропроцессорной и вычислительной техники. Мы более подробно остановимся на традиционном подходе в силу его большей общности и важности.

Как следует из определения  метода измерений, он включает в себя как приёмы измерения, так и технические  средства (средства измерения).

По физическому  принципу, положенному в основу измерений все методы делятся на электрические, магнитные, акустические, оптические и т.д.

Режим взаимодействия средства и объекта измерений может быть статическим и динамическим.

Третьим признаком может  служить применяемый в средствах  измерения вид измерительных  сигналов: аналоговый и цифровой.

По совокупности приемов использования принципов и средств измерений выделяют:

• метод непосредственной оценки
• метод сравнения.

По сути это непосредственное или опосредованное сравнение с  мерой, которое может быть как  во времени, так и в отношении физической природы измеряемых величин.

Сущность метода непосредственной оценки состоит в том, что о значении физической величины судят по показанию одного (прямые измерения) или нескольких (косвенные измерения) средств измерения, которые проградуированы в единицах измеряемой величины или единицах других величин, от которых они зависят. Это наиболее распространенный метод измерения. Измерения с помощью этого метода проводятся быстро, просто и не требуют высокой квалификации оператора, поскольку не надо создавать специальные измерительные установки, выполнять сложные вычисления. Однако точность измерений чаще всего оказывается невысокой из-за погрешностей, связанных с необходимостью градуировки шкал приборов и воздействием влияющих причин. Простота метода способствует его автоматизации, что особенно важно при контроле качества продукции и поверке средств измерений.

Другую группу образуют методы сравнения:

• дифференциальный;
• нулевой;
• совпадений;
• замещения.

При дифференциальном методе измеряемая величина сравнивается прямо или косвенно с величиной, воспроизводимой мерой и судят о значении искомой величины по измеряемой прибором разности. Эта разность не уравновешивается и является искомой. Дифференциальный метод позволяет получить весьма точный результат, если измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, мало отличаются друг от друга. Пример применения ― измерение вольтметром разности двух напряжений, из которых одно известно с большой точностью, а другое представляет собой искомую величину.

Нулевой метод является разновидностью дифференциального, с тем отличием, что результирующий эффект сравнения сводится до нуля, и этот процесс контролируется измерительным прибором высокой точности – нуль – индикатором. Пример нулевого метода – взвешивание на весах.

Метод замещения заключается в поочередном измерении прибором искомой величины и выходного сигнала меры, однородной с измеряемой величиной. Наибольшая точность при этом получается при одинаковых показаниях прибора. Пример – измерение большого активного сопротивления путем поочередного измерения силы тока, протекающего через контролируемый и образцовый резисторы.

При методе совпадений разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой, мерой, определяют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов. Примером может служить измерение длины при помощи штангенциркуля с нониусом. Частота вращения тела таким же методом измеряется посредством стробоскопа.

1.3. Классификация измерений

Разделение измерений  на группы диктуется потребностями теории и практики и обусловлено удобствами при разработке методик выполнения измерений и обработке результатов.

Наибольшее распространение  получила классификация по общим  приемам получения результатов  измерений. Согласно этому признаку, измерения делятся на:

• прямые;
• косвенные;
• совместные;
• совокупные.

Прямыми называются измерения, при которых искомое значение находят непосредственно по показаниям СИ. Математически прямое измерение может быть представлено в виде уже приводившейся формулы общего уравнения измерений. Числовое значение n, характеризующее разряд величины Q, выраженной в единицах [Q], определяется непосредственно по показаниям мер или измерительных приборов, предназначенных для .измерений данной величины Q.

Например, масса, измеряемая при помощи весов.

Косвенные измерения - это измерения, при которых значение измеряемой величины находят на основании известной зависимости между ней и величинами, получаемыми из прямых измерений, проводимых в одинаковых условиях. Косвенное измерение можно выразить уравнением

Y=f(

,

где Y — измеряемая величина; − величины, определяемые из прямых измерений.

Вид связи между Y и определяет методику расчета погрешности косвенных измерений. Для современных измерительно-вычислительных систем, позволяющих сразу вычислять искомую измеряемую величину, результат определяется способом, характерным для прямых измерений. Погрешность измерения входит в нормативно-техническую документацию системы. К косвенным относятся только такие измерения, при которых расчет производится вручную или автоматически, но после получения результатов прямых измерений. Погрешность расчета также может быть отдельно учтена. В измерительных системах, у которых нормированы метрологические характеристики компонентов по отдельности, суммарная погрешность измерений рассчитывается по нормированным метрологическим характеристикам всех компонентов системы.

Совокупными называются проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых их искомые значения находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.

Совместными называются проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для установления зависимости между ними.

В обоих последних  случаях искомые значения находятся  в результате решения системы  уравнений, коэффициенты в которых  получены путем прямых измерений. Отличие - в определении одноименных величин (в совокупных измерениях) и разноименных (в совместных).

В зависимости от числа  измерений в серии различают:

• однократные;
• многократные.

Однократное измерение — измерение, выполняемое один раз. Например, определение времени по часам. Если необходима большая уверенность в получаемом результате, то проводятся многократные измерения, результат которых получают из нескольких следующих друг за другом измерений. За результат многократного измерения обычно принимают среднее арифметическое значение из результатов однократных измерений, входящих в ряд.

По отношению к изменению измеряемой величины:

• статические;
• динамические.

По выражению результата измерений:

• абсолютные;
• относительные.

При абсолютном измерении результат выражается в узаконенных единицах.

1.4. Системы единиц физических величин

Описание свойства, характеризуемого данной величиной, производится на языке, других величин, принятых за основные. Эта возможность обусловливается наличием объективно существующих связей между свойствами объектов, описываемых уравнениями между величинами.

Число уравнений n в любом разделе науки меньше числа таким образом связываемых величин N. В каждом уравнении имеется свой известный коэффициент пропорциональности , которому можно придать любое значение и, в частности, приравнять равным единице. Если для N-n физических величин выбрать свои независимые единицы, то они становятся известными числами и n уравнений решаются относительно оставшихся n физических величин. Поэтому и принято выделять в отдельную группу некоторые величины, называемые основными. Остальные величины называются производными.

Число основных единиц тесно  связано с числом коэффициентов, стоящих в выражениях для физических величин. Коэффициенты пропорциональности, зависящие от выбора основных единиц, называются фундаментальными или мировыми постоянными. В системе SI к ним относятся гравитационная постоянная, постоянная Планка, постоянная Больцмана, и световая эффективность. Их следует отличать от специфических постоянных, характеризующих различные свойства отдельных объектов, массу и заряд электрона, например.

Фундаментальные константы присутствуют в выражениях для всех физических законов, но соответствующим выбором  единиц определенное их число приравнено к каким либо постоянным числам, обычно к единице. Чем больше основных единиц принято при построении системы, тем больше фундаментальных констант будет присутствовать в формулах. Сокращение числа основных единиц сопровождается уменьшением числа основных постоянных.

При построении системы  единиц ученые руководствуются лишь практической целесообразностью, при  этом критериями являются:

• простота образования производных физических величин (ФВ) и их единиц;
• точность материализации основных и производных единиц и передачи их размера нижестоящим эталонам;
• возможность воссоздания в случае потери;
• близость размеров основных и производных единиц к размерам физических величин, наиболее часто встречающимся на практике;
• долговременность хранения единиц эталонами;
• выбор в качестве основных минимального числа единиц, выражающих наиболее общие свойства материи.

Совокупность физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда  одни величины принимаются за независимые, а другие являются их функциями, называется системой физических величин.

Единица физической величины - это физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение равное единице, и которая применяется для количественного выражения однородных физических величин. Единица основной ФВ является основной единицей данной системы. Размер единиц устанавливается законодательно метрологическими органами государства.

Связь данной величины с основными  ФВ выражается в форме степенного многочлена и называется размерностью (dimension):

dim Q = К L^a M^b T^g    ,

где L, M, T- условные обозначения основных величин данной системы;

a, b, g - целые или дробные, положительные или отрицательные вещественные числа.

Показатели степени, в  которую возведена размерность  основной величины, называют показателем  размерности. Если все показатели размерности  равны нулю, то такую величину называют безразмерной.

Понятие размерности  используется:

• для перевода единиц из одной системы в другую;
• для проверки правильности вывода формул;
• в теории физического подобия.

Для производных единиц ФВ, называемых когерентными, числовой коэффициент в уравнении связи с основными К = 1. Единица скорости в системе СИ – когерентна.

В названии системы физических величин применяют символы, величин  принятых за основные. Например: СГС - сантиметр, грамм, секунда.

1.4.1. Система единиц СИ

В системе SI (System International),введенной в нашей стране ГОСТ 8.417-81 “ГСИ. Единицы физических величин” основными величинами и соответственно единицами являются: длина (метр), масса (килограмм), время (секунда), сила электрического тока (ампер), температура (кельвин), количество вещества (моль) и сила света (канделла).

В 1983 г. основными были названы единицы времени и  скорости, а единице скорости света  в вакууме было придано точное, но в принципе произвольное значение с = 299 792 458 м/с. Длина и ее единица метр стали по, существу, производными. Однако формально длина в SI остается основной физической величиной и ее единица определяется так:

Метр − расстояние, которое свет проходит в вакууме за 1/299 792 458 долей секунды.

Секунда − 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующих переходу между двумя сверхтонкими уровнями атома цезия Cs − 133.

Килограмм − масса международного прототипа килограмма. Это цилиндр из сплава платины и иридия, единственный потенциально уничтожаемый из всех эталонов основных единиц системы СИ. Он подвержен старению и требует применения громоздких поверочных схем. Однако современное состояние науки не позволяет связать килограмм с естественными атомными константами с достаточной точностью. До сих пор это единственная договорная единица.

Кельвин − единица измерения температуры. Один кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды.

Для получения оптимальной  системы электромагнитных единиц достаточно было к трем, выбранным в механике основным единицам добавить одну электромагнитную, выбрав ее из четырех вновь введенных величин: электрического тока I, электрического заряда q, магнитной проницаемости m₀ вакуума и диэлектрической проницаемости e₀ вакуума. К обстоятельствам чисто практического удобства и исторически сложившимся моментам использования ампера, вольта и других электротехнических величин дополнились еще и проблемы создания универсальной системы для всех областей науки.