Общее представление об измерениях и измерении физической величины

Предмет и задача курса

Пусть мы имеем сколь угодно сложный объект. Вот он:

Зададимся целью получить о его свойствах достоверную информацию. Что такое «достоверная» информация? Это такая информация, которая является несомненно верной для человека, её, эту информацию, воспринимающего. То есть информация может являться достоверной или недостоверной не «вообще», а только для человека получающего эту информацию. В нашем предмете, метрологии, вероятность достоверности информации обычно составляет что-то около 0.9973 и вплоть до 0.999. Итак, имеем:

Получение достоверной информации о свойствах объекта

Целью задались, теперь: как же добиться этой самой цели? Сначала нужно подумать, что мы уже знаем об объекте и его свойствах, то есть выяснить априорную информацию об объекте исследования. А также необходимо определиться, какие свойства мы хотим узнать и измерить. Ведь свойства разные бывают, например: статические единичные свойства, далее – динамические характеристики (параметры) объекта, и комплексные параметры.

Таким образом:

Получение достоверной информации о свойствах объекта

Постановка измерительных экспериментов

Теоретическая база метрологии:

1) Электротехника

2) Электроника

3) ВСМ / Вероятностно-статистические методы

4) Теория планирования эксперимента

Определение

Метрология (в переводе с греческого – «наука о мерах») – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их (измерений) единства, а также способов достижения требуемой точности измерений. Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов с заданной точностью и достоверностью. Средством метрологии является совокупность измерений и метрологических стандартов, обеспечивающих требуемую точность.

Под словосочетанием «единство измерений» понимают такую технологию организации и проведения измерений, при которой результаты измерений выражаются в узаконенных единицах, а погрешности известны с заданной вероятностью (погрешность не выходит за установленные рамки). То есть, здесь нет и быть не может никакой «неопределённости»: заранее известны единицы измерения величины, и сама величина (число) должна укладываться в определённые рамки (читай – в погрешность).

Определение

Стандартизация – установление и применение правил с целью упорядоченья деятельности в определенной области на пользу и при участии всех заинтересованных сторон, в частности - для достижения максимальной экономии при соблюдении условий безопасности и эксплуатации.

Объектами стандартизации являются все изделия, нормы, правила, методы, обозначения, термины и т.п., имеющие перспективу многократного применения в науке, технике, связи, культуре и других аспектах человеческой деятельности. Последнее десятилетие имело место распространение стандартизации на управленческую и организационно-управленческую области деятельности.

В зависимости от формы руководства стандартизации, различают три вида стандартов:

государственные (проводятся государственными органами по единым правилам стандартизации)

национальные (проводятся в масштабах страны, но без участия государства). Сюда относятся, например, отраслевые стандарты.

международные (проводятся специально созданными международными организациями с целью облегчения процесса торговли, научных, технических и других видов связей). Одна из таких организаций, например, ISO – International Organization for Standardization (в дословном переводе – «международная организация по стандартизации»).

Определение

Стандарт – нормативно-технический документ, устанавливающий комплекс норм, условий и требований к объекту стандартизации и утвержденный компетентными органами.

Методические основы стандартизации строятся на системе предпочтительных чисел и параметрических рядов. Существуют параметрические стандарты, устанавливающие ряды параметров и размеров, разрешенных на различные образцы хозяйства.

Пример:

Сопротивление типа МЛТ

Разрешенные значения сопротивлений для него, резистора, это, например, 1.2 кОм, 1.5 кОм, а вот, сопротивление 1.24 кОм – неразрешенное число, то есть это значение сопротивление не предусмотрено параметрическим рядом чисел для данного изделия.

Определение

Параметрические ряды – совокупность числовых значений параметров, построенная на определённом диапазоне, на основании принятой системы градации.

Ряды, в основном, создаются на базе арифметических и геометрических прогрессий. Предпочтительной является геометрическая прогрессия.

Обобщённой метрологической характеристикой средства измерений является класс точности (см. Лекцию 13-14), определяемый пределами допускаемых погрешностей и другими свойствами средства измерений, влияющими на точность получаемых результатов.

КТ обозначаются числом, а выбираются они из геометрической прогрессии:

1; 1,5; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6^x 10 ^-ⁿ, где n = 0, 1, 2, ….

Основные методы стандартизации:

1) Симплификация (ограничение)

2) Типизация

3) Унификация

4) Агрегатирование

Определение

Симплификация заключается в отборе и рациональном ограничении номенклатуры объектов, разрешенных на применение в данной отрасли, на данном предприятии или на некотором объекте до числа, достаточного для удовлетворения существующих, в данное время, потребностей.

Пример:

Завод занимается производством кастрюль. Разве он все возможные кастрюли производит, всех размеров? Разумеется, нет. Существует менеджер, который ездит по магазинам и выясняет, какие кастрюли продаются лучше и завод станет производить только кастрюли тех размеров, которые распродаются лучше остальных. А те кастрюли, что он производит, опять-таки имеют строго фиксированный диаметр, и не полусантиметром больше.

Определение

Типизация заключается в рациональном сокращении видов объекта путём ввода некоторых типовых видов объекта, принимаемых за основу (базу) при создании других объектов, аналогичных или близких по назначению.

Пример:

Всем известная типизация квартир по размеру. Выделяют четыре основных типа жилых квартир: первый - однокомнатные, второй - двухкомнатные, третий - трёхкомнатные и, на конец, четвёртый - четырёхкомнатные и более квартиры.

Определение

Унификация – сокращение (до минимального, но достаточного) числа типов, видов, размеров объектов одинакового назначения. Характерным признаком является единообразие в конструкторском оформлении, в функциональной законченности и так далее.

Пример:

Унификация телевизионных приёмников — концепция, при которой несколько телевизионных заводов выпускают телевизоры одной и той же модели по одинаковым или близким схемам, что обеспечивает совместимость узлов унифицированного телевизора, выпущенного любым из заводов, с однотипным телевизором любого другого участвующего в программе завода.

Определение

Агрегатирование – метод, позволяющий на основе применения ограниченного количества унифицированных деталей и узлов, создавать, путём их различного комбинирования, новые изделия.

Пример:

Существует такая система как АСЭТ – агрегатная система электроизмерительной техники. Сюда входит набор стандартных усилителей, коммутаторов, и т.д. У них одинаковое питание, присутствует информационная совместимость и подходящие друг к другу разъёмы. То есть из этих деталей радиолюбитель может собрать измерительный прибор, словно из конструктора.

Определение

Квалим е трия – наука об оценке качества изделий. То есть изделие не просто оценивается, как «хорошее / плохое» или «работающее / неработающее», а оценка производится числом.

Определение

Сертификация – деятельность по подтверждению качества продукции.

Установлено три варианта свидетельствования о соответствии качества изделия:

i. Заявление о соответствии

Это заявление поставщика, под его полную ответственность, вне рамок сертификационной системы, что продукция, услуга (по-европейски) или технология соответствует определенному стандарту или другому нормативному документу.

ii. Аттестация соответствия

Заявление испытательной лаборатории третьей стороны (независимой стороны), что определенный образец продукции находится в соответствии с определенными стандартами или другими документами, устанавливающими требования к продукции. Находится вне рамок сертификационной комиссии.

iii. Сертификат соответствия

Гарантия третьей стороны того, что с определенной достоверностью продукция, технология, услуга соответствует стандартам и другим требования, установленным законодательством.

Сертификация соответствия проводится в рамках системы сертификации, которая может проходить на трёх уровнях:

Ø Национальная

Ø Региональная

Ø Международная

Система сертификации базируется на испытании, т.е. на измерениях и измерительном контроле.

Рассмотрим типовую структуру системы сертификации, наглядно показывающую взаимодействие сертификационных органов, службы стандартизации и метрологической службы.

5 Испытательная лаборатория

Как видно из схемы сертификационный орган, от которого зависит, «выдать или не выдать» сертификат соответствия предприятию-изготовителю, сотрудничает напрямую с измерительной лабораторией (что, несомненно, хорошо, из-за отсутствия возможного давления на СО со стороны предприятия). Органы надзора, в свою очередь, следят за работой испытательной лаборатории и предприятием-изготовителем (они, вообще, за всеми предприятиями следят). А служба стандартизации и метрологическая служба сотрудничают как с органами надзора, так и с испытательной лабораторией.

1 Служба стандартизации

2 Сертификационный орган

3 Метрологическая служба

4 Организация надзора

6 Орган надзора

В РФ руководство работами по сертификации возложено на государственный стандарт РФ. Основными функциями органа сертификации являются:

ü Разработка порядка проведения сертификации

ü Аттестация и аккредитование испытательных лабораторий

ü Допуск предприятий к сертификации

ü Выдача сертификатов соответствия или лицензий на право маркировки продукции знаком соответствия

ü Рассмотрение споров о качестве сертификационной продукции

Определение

Лицензия – разрешение, выдаваемое органом государственной метрологической службы на закреплённой за ним территории, юридическому или физическому лицу на осуществление им деятельности по изготовлению, продаже или прокату измерительных средств.

Пример:

Поломался телевизор, для починки необходим амперметр. Не будем же мы его покупать, пойдём, да и возьмём в прокате. При нём, при амперметре, должен быть паспорт, которому можно верить, то есть это должен быть сертификат соответствия. Не будет паспорта, значит - нет смысла брать такой измерительный прибор – деньги за прокат отдашь, а ток он может измерить неправильно.

Общее представление об измерениях и измерении физической величины

Пускай имеется сколь угодно сложный объект. Вот он:

Физическая величина

(одна)

Физическая величина

(несколько)

Определение

Измерить физическую величину - это значит найти её значение опытным путём с помощью технических средств (физическую величину ищем в узаконенных единицах).

Наши узаконенная система единиц - это система СИ. Физики-теоретики могут пользоваться системой СГСМ («сантиметр-грамм-секунда магнитная»; в этой системе скорость, например, имеет размерность [сантиметр/секунда], сила измеряется в динах, это[(грамм ∙ сантиметр)/секунда²], давление – в динах делённых на сантиметр в квадрате; и так далее).

Определение

Физическая величина – это свойство, общее, присущее многим объектам и предметам, в качественном отношении, но в количественном - индивидуальное для каждого отдельно взятого объекта. 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 нём и о физической величине.

Физические величины бывают:

Ø Непрерывные (меняющиеся во времени постоянно)

Ø Дискретные (известные только на определённом интервале)

Ø Квазидетерминированные (величины, у которых известен закон распределения во времени, но не их параметры)

Ø Случайные (меняющиеся случайным образом)

Определение

Полученное значение измеренной величины называют результатом измерения.

I I =? 0 шкала прибора 5

Пусть I = 2.5 А

Если измерение производится один раз, то это называется наблюдение.

Если же измерение производится многократно, то это называется многократное измерение. Для достижения результата нужно применять методы математической статистики для большого числа измерений. Следует заметить, что при б о льшем количестве измерений уменьшается случайная составляющая погрешности; но о погрешностях позже (понятие погрешности – на следующей странице).

Разумеется, больше доверия будет много раз измеренному значению. Особенно если у этого значения получается ничтожный разброс (все значения, хоть и разные, но «крутятся» вокруг фиксированного числа; подробности о разбросе (или дисперсии) – лекция 16, параграф дисперсия).

Для того чтобы провести измерение мы должны иметь единицу измерения. Процесс заключается в сравнении измеряемой величины с единицей измерения:

где x – измеряемая величина, a – число, q – единица измеряемой величины.

Различают истинное и действующее значение измеряемой величины.

Определение

Истинное значение измеряемой величины – это реально существующее, вне зависимости от нашего желания или нежелания его измерять, значение. Оно истинным образом характеризует данную величину.

Пример:

I =? R_Н

В такой схеме мы никогда не сможем узнать значение силы тока. Сколько бы мы на провод не смотрели и не трогали, не сможем мы понять истинное значение I. Но ведь сила тока всё равно существует, вне зависимости от того можем мы его померить или нет.

Определение

Чтобы приблизится к истинному значению, существует действующее значение измеряемой величины, найденное опытным путём, которое настолько близко приближается к истинному значению, что мы можем считать его за таковое.

Пример:

А) Подключаем в схему АМПЕРМЕТР

I* =? Таким образом, искомый ток будет найден

R_A=0.1Ом R_Нтем точнее, чем менее будет сопротивление

выбранного нами амперметра.

Б) I* *=? В идеале оно (сопротивление амперметра),

R_A=0.01Ом R_H как известно, должно стремиться к нулю.

Определение

Под точностью измерений понимают качество измерений, отражающее близость результатов измерений к истинному значению измеряемой величины.

Погрешность

Погрешность – это есть, не что иное, как разность между полученным значением и истинным значением (читай: действующим).

Помимо физической величины есть такое понятие «физическое свойство», однако, хоть эти словосочетания и синонимы, не всякое физическое свойство является физической величиной.

Пример:

Форма, цвет, запах – есть физические свойства, но отнюдь не физические величины. Размер величины не измерить (у цвета нет численного выражения).

Для того чтобы качественно провести измерения, необходимо составить модель объекта.

Модель первая (пусть – простая)