Лекция 7-0, 06 кредитов (2 часа). Основные понятия об измерениях и средствах измерений. 
Единицы физических величин, система СИ. Классификация измерений. 
Основные характеристики и критерии качества измерений

Основная и производная, размерная и безразмерная физические величины. Система единиц физических величин. Основная и производная единицы. Система СИ. Основные, дополнительные, кратные, дольные и внесистемные единицы.

Под термином «измерение физической величины» понимают совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины.

Задачей любого измерения является нахождение значения измеряемой физической величины с определенной точностью. Объект измерения — это физическая система (процесс, явление и т. д.), которая характеризуется одной или несколькими измеряемыми физическими величинами.

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, плотность тела можно определить по результатам измерениймассы и объема.

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 не одноименных 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.

Статические измерения — это такие измерения, когда физическая величина принимается за неизменную на протяжении времени измерения, например, измерение размеров земельного участка.

Динамические измерения — это измерения, изменяющиеся по размеру физической величины.

Развитие средств измерений и повышение их чувствительности позволяет сегодня обнаружить изменение величин, ранее считавшихся постоянными, поэтому разделение измерений на динамические и статические можно считать условным.

По количеству измерительной информации измерения делятся на однократные и многократные.

Однократные измерения выполняются один раз, а многократные позволяют получить результат из нескольких следующих друг за другом измерений одного и того же объекта. При однократных измерениях показания средств измерений являются результатом измерений, погрешность используемого средства измерений определяет погрешность результата измерения. Применение многократных измерений позволяет повысить точность измерения до определенного предела.

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

Абсолютные измерения основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант. Например, определение массы в килограммах, количества вещества — в молях, частоты — в Герцах.

Относительные измерения — это измерения отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерения изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную. Например, относительная влажность определяется как отношение упругости водяного пара, содержащегося в воздухе, к упругости насыщенного пара при той же температуре и выражается в процентах.

Основные характеристики и критерии качества измерений.

К основным характеристикам измерений, которые определяют и качество измерений, относятся: принцип, метод, погрешность результатов измерения, точность, правильность, сходимость и воспроизводимость результатов измерений. Последовательность операций выполнения измерений, правила и приемы, позволяющие получить результат с требуемой точностью, излагаются в документе, который называется методикой выполнения измерений (МВИ). МВИ должна содержать метрологические характеристики и быть аттестована соответствующими метрологическими службами.

Принцип измерений — физическое явление (физический закон или эффект), положенное в основу измерений. Например, применение эффекта Доплера для измерения скорости движения звезд, вращения небесных тел.

Метод измерений — прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Например, определение структуры соединений методом ядерного магнитного резонанса или методом инфракрасной спектроскопии.

Погрешность измерений — отклонение результатов измерений от истинного (действительного) значения измеряемой величины. Погрешность измерений представляет собой сумму целого ряда составляющих, каждая из которых имеет свою причину.

Сходимость — это близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполненных повторно одним и тем же средством, одним и тем же методом в одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью.

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

Точность — характеристика качества измерений, отражающая близость к нулю значения погрешности результатов измерений. Высокая точность измерений соответствует малым величинам погрешностей измерения.

В 2002 году в России введены в действие государственные стандарты ГОСТ Р ИСО 5725−2002 части 1−6 под общим заголовком «Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений», которые являются прямым применением шести частей основополагающего Международного стандарта ИСО 5725. Эти стандарты используются в практической деятельности при разработке, аттестации и применении методик выполнения измерений, стандартизации методик контроля (испытаний, измерений, анализа), испытаниях продукции, в том числе для целей подтверждения соответствия, оценки компетентности испытательных лабораторий согласно требованиям ГОСТ Р ИСО/МЭК 17 025−2000. Стандарты ИСО 5725 могут применяться для оценки точности выполнения измерений различных физических величин, характеризующих измеряемые свойства того или иного объекта, в соответствии со стандартизованной процедурой. Следует отметить, что в отечественной метрологии точность и погрешность результатов измерений, как правило, определяются сравнением результатов измерений с истинным или действительным (условно истинным) значением измеряемой физической величины. Часто за действительное значение принимают общее среднее значение (математическое ожидание) установленной совокупности результатов измерений. В ИСО 5725 вместо термина «действительное значение» введен термин «принятое опорное значение», который и рекомендуется для использования в практике. Термины «правильность» и «прецизионность» в отечественных нормативных документах по метрологии до введения стандартов ГОСТ Р ИСО 5725−2002 не использовались.

Правильность характеризует степень близости среднего арифметического значения большого числа результатов измерений к истинному (действительному) или принятому опорному значению. Показателем правильности обычно является значение систематической погрешности.

Прецизионность — степень близости друг к другу независимых результатов измерений, полученных в конкретных регламентированных условиях. Мера прецизионности обычно вычисляется как стандартное отклонение результатов измерений. Крайние показатели прецизионности — повторяемость (сходимость) и воспроизводимость широко используются в отечественных нормативных документах, в том числе в большинстве государственных стандартов на методы контроля. Термин «точность» в соответствии с ГОСТ Р ИСО 5725−1-2002 определяется как степень близости результата измерений к применяемому опорному значению.

Внедрение стандартов ГОСТ Р ИСО 5725 только начинается в России и направлено на более эффективную реализацию требований Российской государственной системы стандартизации при разработке стандартов на методы контроля продукции различных отраслей промышленности.

Таким образом, при правильном выборе метода измерений, повышая такие показатели как точность, правильность, уменьшая погрешности измерений, можно достигать высокого качества измерений.

Физические величины и их единицы.

Основным предметом измерения в метрологии является физическая величина.

Физическая величина применяется для описания систем и объектов, относящихся к любым наукам и сферам деятельности.

Физические величины подразделяются на два вида: основные и производные.

Совокупность физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами, создает систему физических величин, при этом одни величины принимаются как независимые, а другие определяются как функции независимых величин.

Основная физическая величина — это величина, входящая в систему величин и условно принятая в качестве независимой от других величин этой системы.

Производная физическая величина — величина, входящая в систему величин и определяемая через основные величины этой системы.

Основным величинам соответствуют основные единицы измерений, а производным — производные единицы измерений.

Производная единица — это единица производной физической величины системы единиц, образованная в соответствии с уравнением, связывающим ее с основными единицами или с основными и уже определенными производными. Например, м/с — единица скорости, образованная из основных единиц СИ — метра и секунды.

Система единиц СИ — единственная система единиц физических величин, которая сегодня принята и используется в большинстве стран мира. Она обладает несомненными достоинствами и преимуществами перед другими системами единиц.

Основные из них:

• — универсальность — охват всех областей науки, техники, производства;
• — унификация единиц для всех видов измерений (механических, тепловых, электрических, магнитных и др.), например, вместо ряда единиц давления (атмосфера нормальная (физическая), атмосфера техническая, мм рт. столба, мм водяного столба, бар, торр, дина на см2 и др.) в СИ применяется единая единица давления — Паскаль; вместо ряда единиц работы и энергии используется одна единица — джоуль;
• — когерентность (связанность, согласованность) величин; коэффициенты пропорциональности в уравнениях, определяющих единицы производных величин равны 1;
• — возможность воспроизведения единиц с высокой точностью в соответствии с их определениями;
• — упрощение записи уравнений и формул в физике, химии, а также в технических расчетах, отсутствие в них производных коэффициентов;
• — уменьшение числа допускаемых единиц;

единая система образования кратных и дольных единиц, имеющих собственное наименование;

облегчение процесса образования;

лучшее взаимопонимание при развитии международных научно-технических и экономических связей.

В настоящее время система единиц СИ состоит из 7 основных и ряда производных единиц физических величин. Приняты следующие определения основных единиц СИ.

Единица длины — метр — длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299 792 458 доли секунды.

Единица массы — килограмм — масса, равная массе международного прототипа килограмма (платиноиридиевый цилиндр (90% Pt, 10% Ir)).

Единица времени — секунда — продолжительность 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующих, переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133, не возмущенного внешними полями.

Единица силы электрического тока — ампер — сила не изменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, создает между этими проводниками силу взаимодействия, равную 2 * 10−7 Н на каждом участке проводника длиной 1 м.

Единица термодинамической температуры — кельвин (до 1967 г. имел наименование градус Кельвина) -1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Допускается выражение термодинамической температуры в градусах Цельсия.

Единица количества вещества — моль — количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в 0,012 кг углерода с атомной массой 12.

Структурные элементы — это атомы, молекулы, ионы или другие частицы, из которых состоит данное вещество.

Единица силы света — кандела — сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540 * 1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт*ср-1.

Кратные и дольные единицы. Размеры единиц системы СИ часто бывают неудобны — или слишком велики или очень малы. Поэтому пользуются кратными и дольными единицами, т. е. единицами, в подходящее целое число раз большими или меньшими единицы данной системы. Широко применяются десятичные кратные и дольные единицы, которые получаются умножением исходных единиц на число 10, возведенное в степень.

Кратная единица — это единица физической величины, в целое число раз превышающая системную или внесистемную единицу.

Дольная единица — это единица физической величины, значение которой в целое число раз меньше системной или внесистемной единицы.

Внесистемные единицы — это такие единицы физических величин, которые не входят в принятую в каждом конкретном случае систему единиц. Они подразделяются на:

допускаемые к применению наравне с единицами СИ;

допускаемые к применению в специальных областях;

временно допускаемые;

устаревшие (не допускаемые).

[2], с.105−110, 114−120; [2], с.98−122; [16]; [17]; [4].