Метрология (стр. 2 )

4. Основное уравнение измерения

Измерение некоторой физической величины производят путем ее сравнения в ходе физического эксперимента с вели­чиной, принятой за единицу физической величины. Резуль­татом измерения будет число, показывающее соотношение измеряемой величины с единицей физической величины.

Значение физической величины получают в результате ее измерения или вычисления в соответствии с уравнением:

Q = q [Q],  (1)

которое называют основным уравнением измерения,

где Q — значение физической величины — это оценка ее раз­мера в виде некоторого числа принятых для нее единиц; q — числовое значение физической величины — отвлеченное чис­ло, выражающее отношение значения величины к соответству­ющей единице данной физической величины; [Q] — выбран­ная для измерения единица физической величины.

Единство измерений — такое состояние измерений, при котором их результать1 выражены в узаконенных еди­ницах, размеры которых в установленных пределах рав­ны размерам единиц воспроизводимых первичными этало­нами, а погрешности результатов измерений известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные (допускаемые) пределы. Единство измерений необходимо для того, чтобы можно было сопоставить результаты из­мерений, выполненных в разных местах, в разное время, с использованием разных методов и средств измерений.

5. Области и виды измерений

Область измерений — совокупность измерений физи­ческих величин, свойственных какой-либо области на­уки или техники и выделяющихся своей спецификой.

Вид измерений — часть области измерений, имеющая свои особенности и отличающаяся однородностью измеряемых величин.

Принято различать следующие области и виды изме­рений.

Измерение геометрических величин: длин, откло­нений формы поверхностей, параметров сложных поверхностей, углов. Измерение механических величин: массы, силы, крутящих моментов, прочности и пластичности, пара­ метров движения, твердости. Измерение параметров потока, расхода, уровня, объема веществ: массового и объемного расхода жидко­стей в трубопроводах, расхода газов, вместимости, пара­метров открытых потоков, уровня жидкости. Измерение давления, вакуумные измерения: избы­ точного давления; абсолютного давления, переменного давления, вакуума. Физико-химические измерения: вязкости, плотности, содержания (концентрации) компонентов в твердых, жидких и газообразных веществах, влажности газов, твер­дых веществ, электрохимические измерения. Теплофизические и температурные измерения: тем­пературы, теплофизических величин. Измерения времени и частоты: методы и средства воспроизведения и хранения единиц и шкал времени и частоты; измерения интервалов времени; измерения ча­стоты периодических процессов; методы и средства пере­
дачи размеров единиц времени и частоты. Измерения электрических и магнитных величин на постоянном и переменном токе: силы тока, количества электричества, электродвижущей силы, напряже­ния, мощности и энергии, угла сдвига фаз; электричес­кого сопротивления, проводимости, емкости, индуктивности и добротности контуров электрических цепей; па­раметров магнитных полей; магнитных характеристик материалов. Радиоэлектронные измерения: интенсивности сигналов; параметров формы и спектра сигналов; параметров трактов с сосредоточенными и распределенными постоянными; свойств веществ и материалов радиотехни­ческими методами; антенные измерения. Измерения акустических величин: акустические — в воздушной среде и в газах; акустические — в водной среде; акустические — в твердых телах; аудиометрия и измерения уровня шума. Оптические и оптико-физические измерения: световые, измерения оптических свойств материалов в видимой области спектра; энергетических параметров не­когерентного оптического излучения; энергетических па­-
раметров пространственного распределения энергии и мощности непрерывного и импульсного лазерного и ква­зимонохроматического излучения; спектральных, частот­ных характеристик, поляризации лазерного излучения; параметров оптических элементов, оптических характе­ристик материалов; характеристик фотоматериалов и оптической плотности. Измерения ионизирующих излучений и ядерных констант: дозиметрических характеристик ионизирующих излучений; спектральных характер и стик ионизирующих излучений; активности радионуклидов; радиометрических характеристик ионизирующих излучений.

Объектом измерения являются физическая система, "процесс, явление и т. д., которые характеризуются одной или несколькими измеряемыми физическими величина­ми. Примером объекта измерений может быть технологи­ческий химический процесс, во время которого измеряют температуру, давление, энергию, расход веществ и мате­риалов.

6. Шкалы измерений

Измерения различных величин, характеризующих свойства систем, явлений и других процессов занимают важное место в повседневной жизни. Разнообразные про­явления (количественные или качественные) любого свой­ства образуют множества, отображения элементов кото­рых образуют шкалы измерения этих свойств. Шкала измерений количественного свойства является шкалой физической величины. Шкала физической величины —

это упорядоченная совокупность значений физической величины, служащая исходной основой для измерений данной величины.

Различают следующие типы шкал измерений:

шкалы наименований характеризуются оценкой (от­ношением) эквивалентности различных качественных проявлений свойства. Эти шкалы не имеют нуля и еди­ницы измерений, в них отсутствуют отношения сопостав­ления типа «больше — меньше». Это самый простой тип шкал. Пример шкалы наименований: шкалы цветов, пред­ставляемые в виде атласов цветов. При этом процесс из­мерений заключается в достижении (например, при визу­альном наблюдении) эквивалентности испытуемого образца с одним из эталонных образцов, входящих в атлас цве­тов;

шкалы порядка описывают свойства величин, упоря­доченные по возрастанию или убыванию оцениваемого свойства, т. е. позволяют установить отношение больше/ меньше между величинами, характеризующими это свой­ство. В этих шкалах может в ряде случаев иметься нуль (нулевая отметка), но принципиальным для них являет­ся отсутствие единицы измерения, поскольку невозмож­но установить, в какое число раз больше или меньше проявляется свойство величины. Примеры шкал поряд­ка: шкалы измерения твердости, баллов силы ветра, зем­летрясений;

шкалы интервалов (разностей) описывают свойства величин не только с помощью отношений эквивалентно­сти и порядка, но также и с применением отношений суммирования и пропорциональности интервалов (разно­стей) между количественными проявлениями свойства. Шкалы интервалов могут иметь условно выбранное на­чало — нулевую точку. К таким шкалам, например, от­носятся летоисчисление по различным календарям, в ко­торых за начало отсчета принято либо сотворение мира, либо Рождество Христово, температурные шкалы Цель­сия, Фаренгейта, Реомюра.

Шкала интервалов величины Q описывается уравне­нием:

где q — числовое значение величины, Qo — начало отсчета шкалы; [Q] — единица рассматриваемой величины. Такая шкала определяется заданием начала отсчета Qo шкалы и еди­ницы величины [Q);

шкалы отношений описывают свойства величин, для множества количественных проявлений которых приме­нимы логические отношения эквивалентности, порядка и пропорциональности, а для некоторых шкал также от­ношение суммирования. В шкалах отношений существу­ет естественный нуль и по согласованию устанавливается единица измерения.

Шкалы отношений описываются уравнением:

Q = q [Q],

где Q — физическая величина, для которой строится шкала

Примерами шкалы отношений являются шкалы мас­сы и термодинамической температуры:

абсолютные шкалы кроме всех признаков шкал от­ношений обладают дополнительным признаком: в них присутствует однозначное определение единицы измере­ния. Такие шкалы присущи таким относительным еди­ницам, как коэффициенты усиления, ослабления, полез­ного действия и т. д. Ряду абсолютных шкал, например, коэффициентов полезного действия, присущи границы, заключенные между нулем и единицей;

условные шкалы — шкалы величин, в которых не определена единица измерения. К ним относятся шкалы наименований и порядка.

Шкалы интервалов, отношений и абсолютные называ­ются обычно метрическими (физическими), а шкалы наименований и порядка — неметрическими. Практическая реализация шкал измерений осуществляется путем стан­дартизации как самих шкал и единиц измерений, так и способов и условий их однозначного воспроизведения.

7. Классификация измерений

Все измерения классифицируют:

по способу получения информации; по характеру изменения измеряемой величины в процессе измерения; по количеству измерительной информации; по отношению к основным единицам.

По способу получения информации измерения раз­деляются на следующие виды:

1. Прямые измерения, при которых искомое значение физической величины получают непосредственно (путем сравнения величины с ее единицей). При прямых измере­ниях объект исследования приводят во взаимодействие со средством измерений и по его показаниям отсчитыва­ют значение измеряемой величины.

К прямым измерениям относятся измерение массы при помощи весов и гирь, силы тока — амперметром, темпе­ратуры — термометром, измерение  длины — линейкой.

2.        Косвенные измерения, при которых искомое значение физической величины определяют на основании пря­мых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. Например, плот­
ность тела можно определить по результатам измерений
массы т и объема V:

 

Совокупные измерения, при которых одновременно проводятся измерения нескольких одноименных величин и искомое значение величины определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях, при этом число уравнений должно быть не меньше числа величин. Например, значение массы отдельных гирь набора определяют по известному значению массы одной из гирь и по результатам измерений (сравнений) масс различных соче­таний гирь. Совместные измерения, при которых одновременно
проводятся измерения двух или нескольких неодноимен­ных величин для определения зависимости между ними, например, зависимость длины объекта от температуры.

По характеру изменения получаемой информации в процессе измерений измерения подразделяются на стати­ческие и динамические.