Измерения физических величин и их классификация. Статические и динамические измерения физических величин Международная система единиц
Представление о физической величине является полным только тогда, когда она измерена. Потребность в измерении ФВ возникла на ранней стадии познания природы и возрастала по мере развития и усложнения производственной и научной деятельности человека. Требования к точности измерения ФВ постоянно возрастают.
Измерить физическую величину – значит сравнить ее с однородной величиной, условно принятой за единицу измерения.
Измерить неизвестную физическую величину можно двумя способами:
а) Прямым измерением называют измерение, при котором значение ФВ определяют непосредственно из опыта. К прямым измерениям относятся, например, измерение массы с помощью весов, температуры – термометром, длины – масштабной линейкой.
б) Косвенным измерением называют измерение, при котором искомое значение ФВ находят путем прямого измерения других ФВ на основании известной зависимости между ними. Косвенным измерением является, например, определение плотности ρ вещества путем прямых измерений объема V и массы m тела.
Конкретные реализации одной и той же ФВ называются однородными величинами. Например, расстояние между зрачками ваших глаз и высота Останкинской башни есть конкретные реализации одной и той же ФВ – длины и поэтому они являются однородными величинами. Масса сотового телефона и масса атомного ледокола также однородные физические величины.
Однородные ФВ отличаются друг от друга размером. Размер ФВ – это количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию «физическая величина». Размеры однородных физических величин различных объектов можно сравнивать между собой.
Подчеркнем существенное отличие физических величин от единиц их измерения . Если измеренное значение ФВ отвечает на вопрос «сколько?», то единица измерения отвечает на вопрос «чего?». Некоторые единицы измерения удается воспроизвести в виде каких-то тел или образцов (гири, линейки и т.п.). Такие образцы называются мерами . Меры, выполненные с наивысшей достижимой в настоящее время точностью, называются эталонами .
Значением физической величины является оценка физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Основными единицами измерения называют произвольные единицы измерения для немногих величин (независимых друг от друга), с которыми все остальные находятся в определенной связи. Следует различать истинное и действительное значения физической величины.
Истинное значение ФВ – это идеальное значение ФВ, существующее объективно независимо от человека и методов его измерения. Однако истинное значение ФВ нам, как правило, неизвестно. И узнать его можно лишь приблизительно с определенной точностью путем измерения.
Действительное значение ФВ – есть значение, найденное экспериментальным путем – измерением. Степень приближения действительного значения ФВ к истинному зависит от совершенства применяемых технических средств измерения.
Измерения ФВ основываются на различных физических явлениях. Например, для измерения температуры используется тепловое расширение тел, для измерения массы тел взвешиванием – явление тяготения и т.д. Совокупность физических явлений, на которых основаны измерения, называют принципом измерения .
К средствам измерения относятся меры, измерительные приборы и др.
Измерительный прибор – это средство измерения, предназначенное для формирования сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия человеком. К измерительным приборам относятся амперметр, динамометр, линейка, весы, манометр и др.
Кроме основных физических величин в физике существуют производные физические величины, которые можно выразить через основные. Для этого необходимо ввести два понятия: размерность производной величины и определяющее уравнение. Производные единицы получаются из основных при помощи уравнений связи между соответствующими величинами.
Чувствительность измерительных приборов – Измерительные приборы характеризуются чувствительностью . Чувствительность измерительного прибора равна отношению линейного (Dl) или углового (Da) перемещения указателя сигнала по шкале прибора к вызвавшему его изменению DX измеряемой величины X. Чувствительность определяет минимальное измеряемое значение ФВ с помощью данного прибора.
План лекции:
1 Классификация измерений
2 Физические величины. Классификация физических величин
3 Основное уравнение измерений. Измерительное преобразование
4 Постулаты теории измерений
5 Испытание и контроль, предельные возможности измерений
Классификация средств измерений может проводиться по следующим критериям.
1. По характеристике точности измерения делятся на равноточные и неравноточные.
Равноточными измерениями физической величины называется ряд измерений некоторой величины, сделанных при помощи средств измерений (СИ), обладающих одинаковой точностью, в идентичных исходных условиях.
Неравноточньми измерениями физической величины на зывается ряд измерений некоторой величины, сделанных при помощи средств измерения, обладающих разной точностью, и (или) в различныхисходных условиях.
2. По количеству измерений измерения делятся на однократные имногократные.
Однократное измерение - это измерение одной величины, сделанное один раз. Однократные измерения на практике имеют большую погрешность, в связи с этим рекомендуется для уменьшения погрешности выполнять минимум три раза измерения такого типа, а в качестве результата брать их среднее арифметическое.
Многократные измерения - это измерение одной или нескольких величин, выполненное четыре и более раз. Многократное измерение представляет собой ряд однократных измерений. Минимальное число измерений, при котором измерение может считаться многократным, - четыре. Результатом многократного измерения является среднее арифметическое результатов всех проведенных измерений. При многократных измерениях снижается погрешность.
3. По типу изменения величины измерения делятся на статические и динамические.
Статические измерения - это измерения постоянной, неизменной физической величины. Примером такой постоянной во времени физической величины может послужить длина земельного участка.
Динамические измерения - это измерения изменяющейся, непостоянной физической величины.
4. По предназначению измерения делятся на технические и метрологические.
Технические измерения - это измерения, выполняемые техническими средствами измерений.
Метрологические измерения - это измерения, выполняемые с использованием эталонов.
5. По способу представления результата измерения делятся на абсолютные и относительные.
Абсолютные измерения - это измерения, которые выполняются посредством прямого, непосредственного измерения основной величины и (или) применения физической константы.
Относительные измерения - это измерения, при которых вычисляется отношение однородных величин, причем числитель является сравниваемой величиной, а знаменатель - базой сравнения (единицей). Результат измерения будет зависеть от того, какая величина принимается за базу сравнения.
6. По методам получения результатов измерения делятся на прямые, косвенные, совокупные и совместные.
Прямые измерения - это измерения, выполняемые при помощи мер, т.е. измеряемая величина сопоставляется непосредственно с ее мерой. Примером прямых измерений является измерение величины угла (мера - транспортир).
Косвенные измерения - это измерения, при которых значение измеряемой величины вычисляется при помощи значений, полученных посредством прямых измерений, и некоторой известной зависимости между данными значениями И измеряемой величиной.
Совокупные измерения - это измерения, результатом которых является решение некоторой системы уравнений, котораяс оставлена из уравнений, полученных вследствие измерения возможных сочетаний измеряемых величин.
Совместные измерения - это измерения, в ходе которых ичмеряется минимум две неоднородные физические величины с целью установления существующей между ними зависимости.
Все объекты окружающего мира характеризуются своими свойствами. Свойство – это философская категория, выражающая такую сторону объекта (явления, процесса), которая обуславливает его различие или общность с другими объектами (явлениями, процессами) и обнаруживается в его отношениях к ним. Свойство – категория качественная. Для количественного описания различных свойств процессов и физических тел вводится понятие величины. Величина - это свойство чего-либо, которое может быть выделено среди других свойств и оценено тем или иным способом, в том числе и количественно. Величина не существует сама по себе, она имеет место лишь постольку, поскольку существует объект со свойствами, выраженными данной величиной. Идеальные величины главным образом относятся к математике, и являются обобщением (моделью) конкретных реальных понятий. Они вычисляются тем или иным способом.
Многие свойства, помимо отношения эквивалентности, проявляют себя и в отношении наличия у них количественной ординаты свойства - интенсивности. При расчленении объекта такие свойства обычно не изменяются и называются интенсивными величинами. Путем сравнения интенсивных величин можно определить их соотношение, упорядочить по интенсивности данного свойства. При сравнении интенсивных величин выявляется отношение порядка (больше, меньше или равно), т.е. определяется соотношение между величинами. Примерами интенсивных величин являются твердость материала, запах и др. Интенсивные величины могут быть обнаружены, классифицированы по интенсивности, подвергнуты контролю, количественно оценены монотонно возрастающими или убывающими числами. На основании понятия "интенсивная величина" вводятся понятия физической величины и ее размера. Размер физической величины - количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию физической величины.
Интенсивные величины отображаются путем количественного, главным образом экспертного, оценивания, при котором свойства с большим размером отображаются большим числом, чем свойства с меньшим размером. Интенсивные величины оцениваются при помощи шкал порядка и интервалов, рассмотренных далее.
Объекты, характеризующиеся интенсивными величинами, могут быть подвергнуты контролю. Контроль - это процедура установления соответствия между состоянием объекта и нормой. Для реализации процедуры простейшего однопараметрового контроля свойства X необходимы образцовые объекты, которые характеризуют параметры, равные соответственно нижней Х н и верхней Х в границам нормы, и устройство сравнения. Результат контроля Q определяется следующим уравнением: ниже нормы (X<Х н); норма (X>Х н и X<Х в); выше нормы (X>Х в).
Если физическая величина проявляется в отношениях эквивалентности, порядка и аддитивности, то она может быть: обнаружена, классифицирована, проконтролирована и измерена. Эти величины, называемые экстенсивными, характеризуют обычно физические вещественные или энергетические свойства объекта, например массу тела, электрическое сопротивление проводника и др. При измерении экстенсивной величины несчетное множество ее размеров отображается на счетное подмножество в виде совокупности чисел Q, которое также должно удовлетворять отношениям эквивалентности, порядка и аддитивности. Числа Q - это результаты измерений, они могут быть использованы для любых математических операций. Совокупность таких чисел Q должна обладать следующими свойствами:
Для проявления в отношении эквивалентности совокупность чисел Q, отображающая различные по размеру однородные величины, должна быть совокупностью одинаково именованных чисел. Это наименование является единицей физическая величина или ее доли. Единица физической величины [Q] - это физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное единице. Она применяется для количественного выражения однородных физических величин.
Для проявления в отношениях эквивалентности и порядка число q 1 , отображающее большую по размеру величину Q 1 >Q 2 выбирается большим, чем число q 2 , отображающее меньшую по размеру величину Q 2 . При этом в обоих случаях используется одна единица физической величины. Для выполнения данного условия в качестве искомой совокупности q 1 ,…, q n выбирают упорядоченное множество действительных чисел с естественным отношением порядка.
Для проявления в отношениях эквивалентности, порядка и аддитивности отвлеченное число, равное оценке суммарной измеряемой величины Q, возникающей в результате сложения составляющих однородных величин Q i , должно быть равно сумме числовых оценок qi этих составляющих. Сумма именованных чисел Q i , отражающих составляющие, должна быть равна именованному числу Q, отражающему суммарную величину:
Если реализовано условие [Q] = , т. е. имеет место равенство размеров единиц у всех именованных чисел, отражающих суммарную величину Q и ее составляющие Q i , то в этом случае вводятся следующие понятия:
Значение физической величины Q - это оценка ее размера в виде некоторого числа принятых для нее единиц;
Числовое значение физической величины, q - отвлеченное число, выражающее отношение значения величины к соответствующей единице данной физической величины.
Уравнение Q = q[Q] называют основным уравнением измерения. Суть простейшего измерения состоит в сравнении размера физической величины Q с размерами выходной величины регулируемой многозначной меры q[Q]. В результате сравнения устанавливают, что q[Q] Условием реализации процедуры элементарного прямого измерения является выполнение следующих операций: Воспроизведение физической величины заданного размера q[Q]; Сравнение измеряемой физической величины Q с воспроизводимой мерой величиной q[Q]. Таким образом, на основе использования общих постулатов эквивалентности, порядка и аддитивности получено понятие прямого измерения, которое может быть сформулировано следующим образом: измерение - познавательный процесс, заключающийся в сравнении путем физического эксперимента данной физической величины с известной физической величиной, принятой за единицу измерения. Как и любая другая наука, теория измерения строится на основе ряда основополагающих постулатов, описывающих ее исходные аксиомы. Построению и исследованию этих аксиом-постулатов посвящено большое число научных исследований. Следует отметить, что любая попытка сформулировать исходные положения (постулаты) теории измерений встречает принципиальные затруднения. Это связано с тем, что, с одной стороны, постулаты должны представлять собой объективные утверждения, а с другой - предметом метрологии являются измерения, т.е. вид деятельности людей, предпринимаемой ими для достижения субъективных целей. Следовательно, необходимо сформулировать объективные утверждения, которые бы служили фундаментом научной дисциплины, имеющей существенный субъективный элемент. Первым постулатом метрологии является постулат a: в рамках принятой модели объекта исследования существует определенная измеряемая физическая величина и ее истинное значение. Если, например, считать, что деталь представляет собой цилиндр (модель - цилиндр), то она имеет диаметр, который может быть измерен. Если же деталь нельзя считать цилиндрической, например ее сечение представляет собой эллипс, то измерять ее диаметр бессмысленно, поскольку измеренное значение не несет полезной информации о детали. И, следовательно, в рамках новой модели диаметр не существует. Измеряемая величина существует лишь в рамках принятой модели, т.е. имеет смысл только до тех пор, пока модель признается адекватной объекту. Так как при различных целях исследований данному объекту могут быть сопоставлены различные модели, то из постулата, а вытекает следствие a 1: для данной физической величины объекта измерения существует множество измеряемых величин и соответственно их истинных значений. Итак, из первого постулата метрологии следует, что измеряемому свойству объекта измерений должен соответствовать некоторый параметр его модели. Данная модель в течение времени, необходимого для измерения, должна позволять считать этот ее параметр неизменным. В противном случае измерения не могут быть проведены. Указанный факт описывается постулатом b: истинное значение измеряемой величины постоянно. Выделив постоянный параметр модели, можно перейти к измерению соответствующей величины. Для переменной физической величины необходимо выделить или выбрать некоторый постоянный параметр и измерить его. В общем случае такой постоянный параметр вводится с помощью некоторого функционала. Примером таких постоянных параметров переменных во времени сигналов, вводимых посредством функционалов, являются средневыпрямленные или среднеквадратические значения. Данный аспект отражается в следствии b1: для измерения переменной физической величины необходимо определить ее постоянный параметр - измеряемую величину. Измерения, основанные на использовании органов чувств человека (осязания, обоняния, зрения, слуха и вкуса), называется органолептическими. Измерение времени, например, или гравитации (космонавтами) основываются на ощущениях. Еще менее совершенные измерения по шкале порядка строятся на впечатлениях. Измерения, основанные на интуиции, называются эвристическими. Измерения, выполняемые с помощью специальных технических средств, называются инструментальными. Среди них могут быть автоматизированные и автоматические. При автоматизированных измерениях роль человека полностью не исключена (проводить съем данных с отчетного устройства измерительного прибора или цифрового табло). Автоматические измерения выполняются без участия человека. Результат их представляется в форме документа и является совершенно объективным. Индикаторами называются технические устройства, предназначенные для обнаружения физических свойств. Средствами измерений называются, все технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики. Вещественные меры предназначены для воспроизведения физической величины заданного размера, который характеризуется так называемым номинальным размером. Измерительные преобразователи – это средства измерений, вырабатывающие сигналы измерительной информации в форме, удобной для дальнейшего преобразования, передачи, хранения, обработки, но, как правило, недоступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Под единством измерений понимают такое состояние, при котором результаты выражены в узаконенных единицах, а точность измерений документирована. Метрологическими характеристиками средств измерений называются такие их технические характеристики, которые влияют на результаты и точность измерений. Шкала измерений количественного свойства является шкалой физической величины. Шкала физической величины - это упорядоченная последовательность значений физической величины, принятая по соглашению на основании результатов точных измерений. В соответствии с логической структурой проявления свойств различают пять основных типов шкал измерений. Шкала наименований (шкала классификации). Такие шкалы используются для классификации эмпирических объектов, свойства которых проявляются только в отношении эквивалентности, Эти свойства нельзя считать физическими величинами, поэтому шкалы такого вида не являются шкалами физической величины. Это самый простой тип шкал, основанный на приписывании качественным свойствам объектов чисел, играющих роль имен. Примером шкал наименований являются широко распространенные атласы цветов, предназначенные для идентификации цвета. Шкала порядка (шкала рангов). Если свойство данного эмпирического объекта проявляет себя в отношении эквивалентности и порядка по возрастанию или убыванию количественного проявления свойства, то для него может быть построена шкала порядка. Она является монотонно возрастающей или убывающей и позволяет установить отношение больше/меньше между величинами, характеризующими указанное свойство. В шкалах порядка существует или не существует нуль, но принципиально нельзя ввести единицы измерения, так как для них не установлено отношение пропорциональности и соответственно нет возможности судить во сколько раз больше или меньше конкретные проявления свойства. Широкое распространение получили шкалы порядка с нанесенными на них реперными точками. К таким шкалам, например, относится шкала Мооса для определения твердости минералов, которая содержит 10 опорных (реперных) минералов с различными условными числами твердости: тальк - 1; гипс - 2; кальций - 3; флюорит - 4; апатит - 5; ортоклаз - 6; кварц - 7; топаз - 8; корунд - 9; алмаз - 10. Отнесение минерала к той или иной градации твердости осуществляется на основании эксперимента, который состоит в том, что испытуемый материал царапается опорным. Если после царапанья испытуемого минерала кварцем (7) на нем остается след, а после ортоклаза (6) - не остается, то твердость испытуемого материала составляет более 6, но менее 7. Оценивание по шкалам порядка является неоднозначным и весьма условным, о чем свидетельствует рассмотренный пример. Шкала интервалов (шкала разностей). Эти шкалы являются дальнейшим развитием шкал порядка и применяются для объектов, свойства которых удовлетворяют отношениям эквивалентности, порядка и аддитивности. Шкала интервалов состоит из одинаковых интервалов, имеет единицу измерения и произвольно выбранное начало - нулевую точку. К таким шкалам относятся летоисчисление по различным календарям, в которых за начало отсчета принято либо сотворение мира, либо рождество Христово и т.д. Температурные шкалы Цельсия, Фаренгейта и Реомюра также являются шкалами интервалов. Задать шкалу практически можно двумя путями. При первом из них выбираются два значения Q 0 и Q 1 величины, которые относительно просто реализованы физически. Эти значения называются опорными точками, или основными реперами, а интервал - основным интервалом (Q 1 -Q 0). Шкала отношений. Эти шкалы описывают свойства эмпирических объектов, которые удовлетворяют отношениям эквивалентности, порядка и аддитивности (шкалы второго рода - аддитивные), а в ряде случаев и пропорциональности (шкалы первого рода - пропорциональные). Их примерами являются шкала массы (второго рода), термодинамической температуры (первого рода). В шкалах отношений существует однозначный естественный критерий нулевого количественного проявления свойства и единица измерений, установленная по соглашению. С формальной точки зрения шкала отношений является шкалой интервалов с естественным началом отсчета. К значениям, полученным по этой шкале, применимы все арифметические действия, что имеет важное значение при измерении физической величины. Шкалы отношений - самые совершенные. Абсолютные шкалы. Некоторые авторы используют понятие абсолютных шкал, под которыми понимают шкалы, обладающие всеми признаками шкал отношений, но дополнительно имеющие естественное однозначно с определение единицы измерения и не зависящие от принятой системы единиц измерения. Такие шкалы соответствуют относительным величинам: коэффициенту усиления, ослабления и др. Для образования многих производных единиц в системе СИ используются безразмерные и счетные единицы абсолютных шкал. Отметим, что шкалы наименований и порядка называют неметрическими (копцептуалъными), а шкалы интервалов и отношений - метрическими (материальными). Абсолютные и метрические шкалы относятся к разряду линейных. Практическая реализация шкал измерений осуществляется путем стандартизации как самих шкал и единиц измерений, так и, в необходимых случаях, способов и условий их однозначного воспроизведения. Контрольные вопросы: 1 Дайте определение физической величины. Приведите примеры величин, принадлежащих к различным группам физических процессов. 2 Что такое экстенсивные и интенсивные физические величины? В чем их сходство и различие? Приведите примеры физических величин каждого вида. 3 Что такое шкала физической величины? Приведите примеры различных шкал физических величин. 4 Назовите основные операции процедуры измерения. Расскажите, как они реализуются при измерении размера детали штангенциркулем. 5 Приведите примеры измерительных преобразователей, многозначных мер и устройств сравнения, используемых в известных вам средствах измерений. 6 Что такое средство измерений? Приведите примеры средств измерений различных физических величин. 3. Классификация измерений Классификация средств измерений может проводиться по следующим критериям. 1. По характеристике точности
измерения делятся на равноточные и неравноточные. Равноточными измерениями
физической величины называется ряд измерений некоторой величины, сделанных при помощи средств измерений (СИ), обладающих одинаковой точностью, в идентичных исходных условиях. Неравноточными измерениями
физической величины называется ряд измерений некоторой величины, сделанных при помощи средств измерения, обладающих разной точностью, и (или) в различных исходных условиях. 2. По количеству измерений
измерения делятся на однократные и многократные. Однократное измерение
– это измерение одной величины, сделанное один раз. Однократные измерения на практике имеют большую погрешность, в связи с этим рекомендуется для уменьшения погрешности выполнять минимум три раза измерения такого типа, а в качестве результата брать их среднее арифметическое. Многократные измерения
– это измерение одной или нескольких величин, выполненное четыре и более раз. Многократное измерение представляет собой ряд однократных измерений. Минимальное число измерений, при котором измерение может считаться многократным, – четыре. Результатом многократного измерения является среднее арифметическое результатов всех проведенных измерений. При многократных измерениях снижается погрешность. 3. По типу изменения величины
измерения делятся на статические и динамические. Статические измерения
– это измерения постоянной, неизменной физической величины. Примером такой постоянной во времени физической величины может послужить длина земельного участка. Динамические измерения
– это измерения изменяющейся, непостоянной физической величины. 4. По предназначению
измерения делятся на технические и метрологические. Технические измерения
– это измерения, выполняемые техническими средствами измерений. Метрологические измерения
– это измерения, выполняемые с использованием эталонов. 5. По способу представления результата
измерения делятся на абсолютные и относительные. Абсолютные измерения
– это измерения, которые выполняются посредством прямого, непосредственного измерения основной величины и (или) применения физической константы. Относительные измерения
– это измерения, при которых вычисляется отношение однородных величин, причем числитель является сравниваемой величиной, а знаменатель – базой сравнения (единицей). Результат измерения будет зависеть от того, какая величина принимается за базу сравнения. 6. По методам получения результатов
измерения делятся на прямые, косвенные, совокупные и совместные. Прямые измерения
– это измерения, выполняемые при помощи мер, т. е. измеряемая величина сопоставляется непосредственно с ее мерой. Примером прямых измерений является измерение величины угла (мера – транспортир). Косвенные измерения
– это измерения, при которых значение измеряемой величины вычисляется при помощи значений, полученных посредством прямых измерений, и некоторой известной зависимости между данными значениями и измеряемой величиной. Совокупные измерения
– это измерения, результатом которых является решение некоторой системы уравнений, которая составлена из уравнений, полученных вследствие измерения возможных сочетаний измеряемых величин. Совместные измерения
– это измерения, в ходе которых измеряется минимум две неоднородные физические величины с целью установления существующей между ними зависимости. 5.4.6 Оценка неопределенности измерений
5.4.6.1 Калибровочная лаборатория или испытательная лаборатория, осуществляющая свои собственные калибровки, должна иметь и применять процедуру оценки неопределенности измерений при всех калибровках и типах калибровок.5.4.6.2 5.6 Прослеживаемость измерений
5.6.1 Общие положения
Все оборудование, используемое для проведения испытаний и/или калибровок, включая оборудование для дополнительных измерений (например окружающих условий), имеющее существенное влияние на точность и достоверность 5. Основные характеристики измерений
Выделяют следующие основные характеристики измерений:1) метод, которым проводятся измерения;2) принцип измерений;3) погрешность измерений;4) точность измерений;5) правильность измерений;6) достоверность измерений.Метод измерений – 9. Средства измерений и их характеристики
В научной литературе средства технических измерений делят на три большие группы. Это: меры, калибры и универсальные средства измерения, к которым относятся измерительные приборы, контрольно-измерительные приборы (КИП), и 16. Погрешности средств измерений
Погрешности средств измерений классифицируются по следующим критериям:1) по способу выражения;2) по характеру проявления;3) по отношению к условиям применения. По способу выражения выделяют абсолютную и относительную 2 Классификация измерений
Классификация средств измерений может проводиться по следующим критериям.1. По характеристике точности измерения делятся на равноточные и неравноточные.Равноточными измерениями физической величины называется ряд измерений некоторой 3. Основные характеристики измерений
Выделяют следующие основные характеристики измерений:1) метод, которым проводятся измерения;2) принцип измерений;3) погрешность измерений;4) точность измерений;5) правильность измерений;6) достоверность измерений.Метод измерений – это 8. Средства измерений и их характеристики
В научной литературе средства технических измерений делят на три большие группы. Это: меры, калибры и универсальные средства измерения, к которым относятся измерительные приборы, контрольно-измерительные приборы (КИП), и 13. 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 16. Погрешности средств измерений
Погрешности средств измерений классифицируются по следующим критериям:1) по способу выражения;2) по характеру проявления;3) по отношению к условиям применения.По способу выражения выделяют абсолютную и относительную погрешности. 18. Выбор средств измерений
При выборе средств измерений в первую очередь должно учитываться допустимое значение погрешности для данного измерения, установленное в соответствующих нормативных документах.В случае, если допустимая погрешность не предусмотрена в 21. Поверка и калибровка средств измерений
Калибровка средств измерений – это комплекс действий и операций, определяющих и подтверждающих настоящие (действительные) значения метрологических характеристик и (или) пригодность средств измерений, не подвергающихся Общие вопросы измерений
Когда измерение становится проблемой
Во-первых, когда предполагается измерять какую-то новую величину. Тут есть тонкость - что значит «новая величина»? Физики и инженеры считают, что существует то, что можно измерить. В величину, которую мы Обработка результатов измерений
Нет данных без обработки и нет обработки без предварительной информации. Когда мы измеряем тестером напряжение в сети, мы немедленно делаем свой вывод - «нормально» или «низковато для этого времени суток» или «почему так много, тестер Классификация средств измерений может проводиться по следующим критериям. 1. По характеристике точности
измерения делятся на равноточные и неравноточные. Равноточными измерениями
физической величины называется ряд измерений некоторой величины, сделанных при помощи средств измерений (СИ), обладающих одинаковой точностью, в идентичных исходных условиях. Неравноточными измерениями
физической величины называется ряд измерений некоторой величины, сделанных при помощи средств измерения, обладающих разной точностью, и (или) в различных исходных условиях. 2. По количеству измерений
измерения делятся на однократные и многократные. Однократное измерение
– это измерение одной величины, сделанное один раз. Однократные измерения на практике имеют большую погрешность, в связи с этим рекомендуется для уменьшения погрешности выполнять минимум три раза измерения такого типа, а в качестве результата брать их среднее арифметическое. Многократные измерения
– это измерение одной или нескольких величин, выполненное четыре и более раз. Многократное измерение представляет собой ряд однократных измерений. Минимальное число измерений, при котором измерение может считаться многократным, – четыре. Результатом многократного измерения является среднее арифметическое результатов всех проведенных измерений. При многократных измерениях снижается погрешность. 3. По типу изменения величины
измерения делятся на статические и динамические. Статические измерения
– это измерения постоянной, неизменной физической величины. Примером такой постоянной во времени физической величины может послужить длина земельного участка. Динамические измерения
– это измерения изменяющейся, непостоянной физической величины. 4. По предназначению
измерения делятся на технические и метрологические. Технические измерения –
это измерения, выполняемые техническими средствами измерений. Метрологические измерения
– это измерения, выполняемые с использованием эталонов. 5. По способу представления результата
измерения делятся на абсолютные и относительные. Абсолютные измерения
– это измерения, которые выполняются посредством прямого, непосредственного измерения основной величины и (или) применения физической константы. Относительные измерения
– это измерения, при которых вычисляется отношение однородных величин, причем числитель является сравниваемой величиной, а знаменатель – базой сравнения (единицей). Результат измерения будет зависеть от того, какая величина принимается за базу сравнения. 6. По методам получения результатов
измерения делятся на прямые, косвенные, совокупные и совместные. Прямые измерения
– это измерения, выполняемые при помощи мер, т. е. измеряемая величина сопоставляется непосредственно с ее мерой. Примером прямых измерений является измерение величины угла (мера – транспортир). Косвенные измерения
– это измерения, при которых значение измеряемой величины вычисляется при помощи значений, полученных посредством прямых измерений, и некоторой известной зависимости между данными значениями и измеряемой величиной. Совокупные измерения
– это измерения, результатом которых является решение некоторой системы уравнений, которая составлена из уравнений, полученных вследствие измерения возможных сочетаний измеряемых величин. Совместные измерения –
это измерения, в ходе которых измеряется минимум две неоднородные физические величины с целью установления существующей между ними зависимости. 4. Единицы измерения В 1960 г. на XI Генеральной конференции по мерам и весам была утверждена Международная система единиц (СИ). В основе Международной системы единиц лежат семь единиц, охватывающих следующие области науки: механику, электричество, теплоту, оптику, молекулярную физику, термодинамику и химию: 1) единица длины (механика) – метр;
2) единица массы (механика) – килограмм;
3) единица времени (механика) – секунда;
4) единица силы электрического тока (электричество) – ампер;
5) единица термодинамической температуры (теплота) – кельвин;
6) единица силы света (оптика) – кандела;
7) единица количества вещества (молекулярная физика, термодинамика и химия) – моль.
В Международной системе единиц есть дополнительные единицы: 1) единица измерения плоского угла – радиан;
2) единица измерения телесного угла – стерадиан.
Таким образом, посредством принятия Международной системы единиц были упорядочены и приведены к одному виду единицы измерения физических величин во всех областях науки и техники, так как все остальные единицы выражаются через семь основных и две дополнительных единицы СИ. Например, количество электричества выражается через секунды и амперы. Основные характеристики измерений
Выделяют следующие основные характеристики измерений: 1) метод, которым проводятся измерения; 2) принцип измерений; 3) погрешность измерений; 4) точность измерений; 5) правильность измерений; 6) достоверность измерений. Метод измерений
– это способ или комплекс способов, посредством которых производится измерение данной величины, т. е. сравнение измеряемой величины с ее мерой согласно принятому принципу измерения. Существует несколько критериев классификации методов измерений. 1. По способам получения искомого значения измеряемой величины выделяют: 1) прямой метод (осуществляется при помощи прямых, непосредственных измерений); 2) косвенный метод. 2. По приемам измерения выделяют: 1) контактный метод измерения; 2) бесконтактный метод измерения. Контактный метод измерения
основан на непосредственном контакте какой-либо части измерительного прибора с измеряемым объектом. При бесконтактном методе измерения
измерительный прибор не контактирует непосредственно с измеряемым объектом. 3. По приемам сравнения величины с ее мерой выделяют: 1) метод непосредственной оценки; 2) метод сравнения с ее единицей. Метод непосредственной оценки
основан на применении измерительного прибора, показывающего значение измеряемой величины. Метод сравнения с мерой
основан на сравнении объекта измерения с его мерой. Принцип измерений
– это некое физическое явление или их комплекс, на которых базируется измерение. Например, измерение температуры основано на явлении расширения жидкости при ее нагревании (ртуть в термометре). Погрешность измерения
– это разность между результатом измерения величины и настоящим (действительным) значением этой величины. Погрешность, как правило, возникает из-за недостаточной точности средств и методов измерения или из-за невозможности обеспечить идентичные условия при многократных наблюдениях. Точность измерений
– это характеристика, выражающая степень соответствия результатов измерения настоящему значению измеряемой величины. Количественно точность измерений равна величине относительной погрешности в минус первой степени, взятой по модулю. Правильность измерения
– это качественная характеристика измерения, которая определяется тем, насколько близка к нулю величина постоянной или фиксировано изменяющейся при многократных измерениях погрешности (систематическая погрешность). Данная характеристика зависит, как правило, от точности средств измерений. Основная характеристика измерений – это достоверность измерений. Достоверность измерений
– это характеристика, определяющая степень доверия к полученным результатам измерений. По данной характеристике измерения делятся на достоверные и недостоверные. Достоверность измерений зависит того, известна ли вероятность отклонения результатов измерения от настоящего значения измеряемой величины. Если же достоверность измерений не определена, то результаты таких измерений, как правило, не используются. Достоверность измерений ограничена сверху погрешностью Лекция 3. ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
3.1 Измерения физических величин и их классификация 3.2 Принципы, методы измерений 3.3. Методика выполнения измерений Измерения физических величин и их классификация
Достоверность измерительной информации является основой для анализа, прогнозирования, планирования и управления производством в целом, способствует повышению эффективности учета сырья, готовой продукции и энергетических затрат, а также повышению качества готовой продукции. Измерение
- совокупность операций, выполняемых для определения количественного значения величины; Измерение физической величины –
совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины. Объект измерения
– реальный физический объект, свойства которого характеризуются одним или несколькими измеряемыми ФВ. измерительная техника
– совокупность технических средств, служащих для выполнения измерений. Основной потребитель измерительной техники – промышленность. здесь измерительная техника является неотъемлемой частью технологического процесса, так как используется для получения информации о технологических режимах, определяющих ход процессов. технологические измерения
– совокупность измерительных устройств и методов измерений, используемых в технологических процессах. Объект измерений
–
тело (физическая система, процесс, явление и т. д.), которое характеризуется одной или несколькими измеряемыми или подлежащими измерению физическими величинами. Качество измерений
– это совокупность свойств, обусловливающих соответствие средств, метода, методики, условий измерений и состояния единства измерений требованиям измерительной задачи. Измерения классифицируются по следующим признакам: 3.1.1 По зависимости измеряемой величины от времени
на статические и динамические;
Статические измерения–
измерения физической величины, принимаемой в соответствии с измерительной задачей за постоянную на протяжении времени измерения (например, измерение размера детали при нормальной температуре). Динамические измерения
– измерения физической величины, размер которой изменяется с течением времени (например, измерение массовой доли воды в продукте в процессе сушки). 3.1.2 По способу получения результатов
на прямые, косвенные, совокупные, совместные; Прямое измерение
– измерение, при котором искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных. В процессе прямого измерения объект измерения приводится во взаимодействие со средством измерения и по показаниям последнего отсчитывают значение измеряемой величины. Примером прямых измерений могут служить измерения длины линейкой, массы с помощью весов, температуры стеклянным термометром и активной кислотности при помощи рН-метра и т. д. К прямым измерениям относят измерения подавляющего большинства параметров химико-технологического процесса. Косвенное измерение
– измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, полученными прямым измерением. Косвенные измерения применяют в двух случаях: · отсутствует измерительное средство для прямых измерений; · прямые измерения недостаточно точны. При проведении химических анализов состава и свойств пищевых веществ широко применяются косвенные измерения. Примером косвенных измерений могут служить измерения плотности однородного тела по его массе и объему; определение массовой доли воды в рыбных продуктах методом высушивания при температуре 105 о
С, сущность которого заключается в высушивании продукта до постоянной массы и определении массовой доли воды по формуле: где М 1
– масса бюксы с навеской до высушивания, г; М 2
– масса бюксы с навеской после высушивания, г; М – масса навески. Совокупные измерения –
измерения нескольких однородных величин, при которых искомые значения величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин (измерения, при которых масса отдельных гирь набора находится по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь). Совместные измерения –
одновременные измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимости между ними (например, производимые одновременно измерения приращения длины образца в зависимости от изменений его температуры и определение коэффициента линейного расширения по формуле k= l/(l Dt)). Совместные измерения практически не отличаются от косвенных. 3.1.3. По связи с объектом
на контактные и бесконтактные,
при который чувствительный элемент прибора приводится или не приводится в контакт с объектом измерения. 3.1.4. По условиям точности
на равноточные и неравноточные. Равноточные измерения –
ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях. Неравноточные измерения
– ряд измерений какой-либо величины, выполненных различными по точности средствами измерений и в разных условиях. Например, массовую долю воды в вяленой рыбе определяли двумя методами: сушкой при температуре 130 о
С и на приборе ВЧ при температуре 150 о
С, допустимая ошибка в первом случае +1 %, во втором – +0,5 %. 3.1.5 По числу измерений в ряду измерений
на однократные и многократные. Однократное измерение
– измерения, выполненное один раз (измерение конкретного времени по часам). Многократное измерение
– измерение физической величины одного и того же размера, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений т.е. состоящее из ряда однократных измерений. Обычно многократными измерениями считаются те, которые производят больше трех раз. За результат многократных измерений обычно принимают среднее арифметическое значение отдельных измерений. 3.1.6. По метрологическому назначению
на технические, метрологические; Техническое измерение
– измерение, выполненное при помощи рабочего средства измерений с целью контроля и управления научными экспериментами, контроля параметров изделий и т. д. (измерение температуры в коптильной печи, определение массовой доли жира в рыбе). Метрологическое измерение
– измерение, производимое при помощи эталона и образцовых средств измерений с целью введения новой единиц физической величины или передачи ее размера рабочим средствам измерений. 3.1.7 По выражению результата измерений
на абсолютные и относительные; Абсолютное измерение
– измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и на использовании физических констант. Например, измерение силы тяжести основано на измерении основной величины – массы (m) и использовании физической постоянной g: F = mg. Относительное измерение
– измерение, производимое с целью получения отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерения величины по отношению к одноименной величине, принятой за исходную. Например, измерение относительной влажности воздуха. 3.1.8. По сложившимся совокупностям измеряемых величин
на электрические (сила тока, напряжение, мощность), механические (масса, количество изделий, усилия);, теплоэнергетические
(температура, давление);, физические
(плотность, вязкость, мутность); химические
(состав, химические свойства, концентрация) , радиотехнические
и т. д. Анализ состояния измерений в пищевой промышленности позволил установить качественный и количественный состав парка измерительной техники, который характеризуется следующим соотношением (%): – теплотехнические измерения – 50,7; – механические измерения – 30,4; – электроэнергетические – 12,1; – физико-химические измерения – 6,2; – измерения времени и частоты – 0,6. Принципы и методы измерения
Принцип измерений
– физическое явление или эффект, положенное в основу измерений. Например, измерение температуры жидкостным термометром основано на увеличении объема жидкости при повышении температуры. Метод измерени
й
- прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализуемыми принципами измерений. Классификация измерительных методов представлена на рис.3.1. Рис 3.1. Классификация методов измерений Метод непосредственной оценки
– метод измерений, в котором значение измеряемой величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия (с отсчетом по шкале или по шкале нониусу – вспомогательной шкале по которой отсчитывают доли деления основной шкалы). Например, отсчет по часам, линейке. Метод сравнения с мерой
– метод измерения, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Мера
– СИ, предназначенное для воспроизведения ФВ заданного размера Метод сравнения бывает нулевой, дифференциальный, замещения.
Нулевой метод
– разновидность дифференциального метода, при котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля (чашечные весы). В этом случае значение измеряемой величины равно значению, которое воспроизводит мера. При дифференциальном методе
измеряемая величина х сравнивается непосредственно или косвенно с величиной х м воспроизводимой мерой. О значении х судят по измеряемой прибором разности Δх = х – х м одновременно измеряемых величин х и хм и по известной величине хм, воспроизводимой мерой. Тогда х = х м + Δх Метод замещения
- метод, в котором искомую величину замещают мерой с известным значением. В зависимости от контакта с измеряемой величиной методы подразделяются на контактные и бесконтактные
, при который чувствительный элемент прибора приводится или не приводится в контакт с объектом измерения. Примером контактного измерения может служить измерение температуры продукта термометром, а бесконтактного – измерение температуры в доменной печи пирометром. В зависимости от принципа, положенного в основу измерения методы подразделяются на физический, химический, физико-химический, микробиологический, биологический
. Физический метод
– метод основан на регистрации аналитического сигнала, фиксирующего некоторое свойство, как результат физического процесса. С помощью физического метода определяют физические свойства гидробионтов (массу, длину, цвет) и многие параметры контроля технологического процесса(температуру, давление, время и т.д.) При проведении исследования предусматривают применение различных измерительных приборов. Это метод наиболее объективный и прогрессивный. Преимущества – быстрота определения, точность результата Недостатки – невозможность определения многих показателей, в основном аналитических Химических метод
– основан на фиксировании аналитического сигнала, возникающего как результат химической реакции, применяется для оценки состава и свойств продукта.. Например: титрометрия (определение солености, гравиметрия – определение содержания сульфатов в поваренной соли). Преимущества: наиболее точный и объективный. Недостатки: длительность анализа, требует подготовки реактивов, большого количества посуды. Физико-химический метод
– основан на регистрации сигнала, возникающего как результат химической реакции, но который при этом фиксируется в виде измерения какого-либо физического свойства. Является в настоящее время наиболее прогрессивный. Физико-химические методы подразделяются на: Оптические методы
– используется связь между оптическими свойствами системы и ее составом. - калориметрический
Если – основанные на измерении поглощения электромагнитной энергии в узком интервале длины света (определение количества фенолов, содержания витаминов и т.д.). - рефрактометрический –
основанные наизмерении показателя преломления раствора (определение содержания сухих веществ в томате). - потенциалометрический
– основан на определении равновесного потенциала (измерение ЭДС) и нахождении зависимостью между его величиной потенциалоопределяющим компонентом раствора (Определение РН раствора) - полярографический
– основан на определении зависимости силы тока от увеличения напряжения на электроде ячейки погруженной в раствор (определение тяжелый металлов) - кондуктометрический
– основан на определении электрической проводимости растворов электролитов (определение тяжелых металлов, концентрации пов.соли в растворе). - комбинированные методы
-основаны на разделении сложных смесей на отдельные компоненты и их количественном определении, бывают: хроматографические (тонкослойной – определение жирнокислотного состава; газожидкостная _ определение аминокислотного состава, пестицидов, адсорбционная, ионообменная).Метрология, стандартизация и сертификация: конспект лекций Демидова Н В
3. Классификация измерений
