Основные понятия и определения метрологии

Под измерениями понимают способ количественного позна­ния свойств физических объектов. Существуют различные физи­ческие объекты, обладающие разнообразными физическими свойствами, количество которых неограниченно. Человек в своем стремлении познать физические объекты — объекты познания — выделяет некоторое ограниченное количество свойств, общих в качественном отношении для ряда объектов, но индивидуаль­ных для каждого из них в количественном отношении. Такие свойства получили название физических величин.

Физические величины различают в качественном и количе­ственном отношении. Качественная сторона определяет «вид» величины (например, электрическое сопротивление), а количе­ственная — ее «размер» (например, сопротивление конкретного резистора). Таким образом, физическая величина — свойство, общее в качественном отношении для множества объектов и ин­дивидуальное в количественном отношении для каждого из них. Количественное содержание свойства, соответствующего поня­тию «физическая величина», в данном объекте — размер физиче­ской величины. Размер физической величины существует объек­тивно, вне зависимости от того, что мы знаем о нем.

В результате измерений человек получает знания об объектах в виде значений физических величин. Понятие «физическая величина» распространяют на свойства, изучаемые не только в физике, но и в других областях науки и техники.

В ГОСТ 16263—70 «Метрология. Термины и определения» дано определение понятия «измерение»: измерение — нахожде­ние значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

В этом определении отражены следующие главные признаки понятия «измерение»:

а) измерять можно свойства реально существующих объек­тов познания, т. е. физические величины;

б) измерение требует проведения опытов, т. е. теоретические рассуждения или расчеты не могут заменить эксперимент;

в) для проведения опытов требуются особые технические средства — средства измерений, приводимые во взаимодействие с материальным объектом;

г) результатом измерения является значение физической ве­личины.

Принципиальная особенность измерения заключается в отра­жении размера физической величины числом. Число может быть выражено любым принятым способом, например комбина­цией цифр, комбинацией уровней электрических напряжений и т.д.

Значение физической величины — количественная оценка из­меряемой величины должна быть не просто числом, а числом именованным, т. е. результат измерения должен быть выражен в определенных единицах, принятых для данной величины. Толь­ко в этом случае результаты измерений, полученные различными средствами и разными экспериментаторами, сопоставимы.

Результат измерения практически всегда отличается от ис­тинного значения физической величины — значения, которое вы­ражает размер величины абсолютно точно. Истинное значение физической величины определить невозможно.

Отличие результата измерения от истинного значения объясняется несовершенством средств измерений, несовершенством способа применения средства измерений, влиянием условий вы­полнения измерения, участием человека с его ограниченными возможностями и т. д.

Отклонение результата измерения от истинного значения из­меряемой величины называют погрешностью измерения. Погреш­ность измерения Δx = x - x_и, где х— измеренное значение; x_и — истинное значение.

Поскольку истинное значение неизвестно, практически по­грешность измерения оценивают, исходя из свойств средства измерений, условий проведения эксперимента и анализа получен­ных результатов. Полученный результат отличается от истинного значения, поэтому результат измерения имеет ценность только в том случае, если дана оценка погрешности полученного значе­ния измеряемой величины. Причем чаще всего определяют не конкретную погрешность результата, а степень недостоверно­сти — границы зоны, в которой находится погрешность.

Часто применяют понятие «точность измерения», имея при этом в виду качество измерения, отражающее близость результа­та измерения к истинному значению измеряемой величины. Высокая точность измерения соответствует малой погрешности изме­рения.

Совокупность величин, связанных между собой зависимостя­ми, образуют систему физических величин. Объективно суще­ствующие зависимости между физическими величинами представ­ляют рядом независимых уравнений. Число уравнений т всегда меньше числа величин n. Поэтому m величин данной системы определяют через другие величины, а п — т величин — независи­мо от других. Последние величины принято называть основными физическими величинами, а остальные — производными физиче­скими величинами.

В качестве основных могут быть выбраны любые из данного числа величин, но практически выбирают величины, которые могут быть воспроизведены и измерены с наиболее высокой точ­ностью. В области электротехники основными величинами приня­ты длина, масса, время и сила электрического тока.

Зависимость каждой производной величины от основных ото­бражается её размерностью. Размерность величины представля­ет собой произведение обозначений основных величин, возведен­ных в соответствующие степени, и является ее качественной характеристикой. Размерности величин определяют на основе соответствующих уравнений физики.

Физическая величина является размерной, если в ее размер­ность входит хотя бы одна из основных величин, возведенная в степень, не равную нулю. Большинство физических величин являются размерными. Однако имеются безразмерные (относи­тельные) величины, представляющие собой отношение данной физической величины к одноименной, применяемой в качестве исходной (опорной). Безразмерными величинами являются, на­пример, коэффициент трансформации, затухание и т. д.

Физические величины в зависимости от множества размеров, которые они могут иметь при изменении в ограниченном диапазо­не, подразделяют на непрерывные (аналоговые) и квантованные (дискретные) по размеру (уровню).

Аналоговая величина может иметь в заданном диапазоне бесконечное множество размеров. Таким является подавляющее число физических величин (напряжение, сила тока, температура, длина и т. д.). Квантованная величина имеет в заданном диапа­зоне только счетное множество размеров. Примером такой вели­чины может быть малый электрический заряд, размер которого определяется числом входящих в него зарядов электронов. Раз­меры квантованной величины могут соответствовать только определенным уровням — уровням квантования. Разность двух со­седних уровней квантования называют ступенью квантования (квантом).

Значение аналоговой величины определяют путем измерения с неизбежной погрешностью. Квантованная величина может быть определена путем счета ее квантов, если они постоянны.

Физические величины могут выть постоянными или перемен­ными во времени. При измерении постоянной во времени величи­ны достаточно определить одно ее мгновенное значение. Перемен­ные во времени величины могут иметь квазидетерминированный или случайный характер изменения.

Квазидетерминированная физическая величина — величина, для которой известен вид зависимости от времени, но неизвестен измеряемый параметр этой зависимости. Случайная физическая величина — величина, размер которой изменяется во времени случайным образом. Как частный случай переменных во времени величин можно выделить дискретные во времени величины, т. е. величины, размеры которых отличны от нуля только в опреде­ленные моменты времени.

Физические величины делят на активные и пассивные. Актив­ные величины (например, механическая сила, ЭДС источника электрического тока) способны без вспомогательных источников энергии создавать сигналы измерительной информации (см. да­лее). Пассивные величины (например, масса, электрическое со­противление, индуктивность) сами не могут создавать сигналы измерительной информации. Для этого их нужно активизировать с помощью вспомогательных источников энергии, например при измерении сопротивления резистора через него должен проте­кать ток. В зависимости от объектов исследования говорят об электрических, магнитных или неэлектрических величинах.

Физическую величину, которой по определению присвоено числовое значение, равное единице, называют единицей физиче­ской величины. Размер единицы физической величины может быть любым. Однако измерения должны выполняться вобщепри­нятых единицах. Общность единиц в международном масштабе устанавливают международными соглашениями. Единицы физических величин, согласно которому в нашей стране введена к обяза­тельному применению международная система единиц (СИ).

При изучении объекта исследования необходимо выделить для измерений физические величины, учитывая цель измерении, которая сводится к изучению или оценке каких-либо свойств объекта. Поскольку реальные объекты обладают бесконечным множеством свойств, то для получения результатов измерений, адекватных цели измерений, выделяют в качестве измеряемых величин определенные свойства объектов, существенные при выбранной цели, т. е. выбирают модель объекта.

Измерение и егоосновные операции, уравнение измерения.