Главная страница

Методы и средства измерения физических величин. Методы и средства измерений физических величин


Скачать 203,24 Kb.
НазваниеМетоды и средства измерений физических величин
АнкорМетоды и средства измерения физических величин.pdf
Дата22.03.2020
Размер203,24 Kb.
Формат файлаpdf
Имя файлаМетоды и средства измерения физических величин.pdf
ТипМетодические указания
#20400

Подборка по базе: Нахождение и решение проблем компьютерных систем программными ср, Лекарственные средства, влияющие на адренергическую иннервацию-1, Способы и методы повышения несущей способности ледового покрова..

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
žКузбасский государственный технический университет им. Т. Ф. Горбачева¤
Кафедра металлорежущих станков и инструментов
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ
ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплинам žМетрология, стандартизация и сертификация¤,
žМетрология и сертификация¤ для студентов направлений 221400, 280700, 130400.65 очной формы обучения
Составитель Д. М. Дубинкин
Утверждены на заседании кафедры
Протокол № 2 от 20.10.2011
Рекомендованы к печати учебно-методической комиссией направления 221400
Протокол № 8 от 24.10.2011
Электронная копия находится в библиотеке КузГТУ
КЕМЕРОВО 2011

1
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Целью лабораторной работы является изучение физических величин, принципов и методов измерения физических величин,
а также получение знаний о средствах измерений.
2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точно- сти.
Метрология изучает:
– методы и средства для учета продукции по следующим показателям: длине, массе, объему, расходу и мощности;
– измерения физических величин (ФВ) и технических пара- метров, а также свойств и состава веществ;
– измерения для контроля и регулирования технологических процессов.
Выделяют несколько основных направлений метрологии:
– общая теория измерений;
– системы единиц ФВ;
– методы и средства измерений;
– методы определения точности измерений;
– основы обеспечения единства измерений, а также основы единообразия средств измерения;
– эталоны и образцовые средства измерений;
– методы передачи размеров единиц от образцов средств измерения и от эталонов рабочим средствам измерения.
Различают следующие объекты метрологии:
– единицы ФВ;
– средства измерений (СИ);
– методы и методики измерений.
Современная метрология включает три составляющие (рис. 1):
теоретическую (фундаментальную, научную), прикладную (практи- ческую) и законодательную метрологию.
Теоретическая метрология занимается вопросами фундамен- тальных исследований, созданием системы единиц измерений, фи- зических постоянных, разработкой новых методов измерения.

2
Рис. 1. Структурная схема метрологии
Прикладная метрология занимается вопросами практиче- ского применения в различных сферах деятельности результатов теоретических исследований в рамках метрологии и положений за- конодательной метрологии.
Законодательная метрология включает совокупность взаи- мообусловленных правил и норм, имеющих обязательную силу и находящихся под контролем государства, по применению единиц
ФВ, эталонов, методов и средств измерений, направленных на обеспечение единства измерений в интересах общества.
3. ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ
Физическая величина (ФВ) – одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общее в ка-
Метрология
Законодательная
Прикладная
Теоретическая
Методы, средства и спо- собы измерений
Теория единства измерений
1. Единицы ФВ
2. Эталоны
3. Теория пере- дач единиц ФВ
Теория точно- сти измерений
Определение погрешности измерений

3
чественном отношении для многих физических объектов, но в ко- личественном отношении индивидуальное для каждого из них.
Величина – это свойство чего-либо, что может быть выделе- но среди других свойств и оценено тем или иным способом, в том числе для количественного описания различных свойств процессов и физических тел. Величина не существует сама по себе, она имеет место лишь постольку, поскольку существует объект со свойства- ми, выраженными данной величиной.
Величины можно разделить на реальные и идеальные. Идеаль- ные величины главным образом относятся к математике и являются обобщением (моделью) конкретных реальных понятий. Реальные величины делятся, в свою очередь, на физические и нефизические.
ФВ в общем случае может быть определена как величина, свойст- венная материальным объектам (процессам, явлениям). К нефизиче- ским следует отнести величины, присущие общественным (нефизи- ческим) наукам – философии, социологии, экономике и т. д.
ФВ целесообразно разделить на измеряемые и оцениваемые.
Измеряемые ФВ могут быть выражены количественно в виде опре- деленного числа установленных единиц измерения. Возможность введения и использования последних является важным отличи- тельным признаком измеряемых ФВ. ФВ, для которых по тем или иным причинам не может быть введена единица измерения, могут быть только оценены. Величины оценивают при помощи шкал.
Нефизические величины, для которых единица измерения в принципе не может быть введена, могут быть только оценены.
Применение краткой формы термина žвеличина¤ вместо термина žФВ¤ допустимо только в том случае, когда из контекста ясно, что речь идет именно о ФВ, а не о математической.
Не следует применять термин žвеличина¤ для выражения только количественной стороны рассматриваемого свойства. На- пример, нельзя говорить или писать žвеличина массы¤, žвеличи- на площади¤, žвеличина силы тока¤ и т. д., т. к. эти характери- стики (масса, площадь, сила тока) сами являются величинами.
В этих случаях следует применять термины žразмер величины¤ или žзначение величины¤.
Измеряемая ФВ – ФВ, подлежащая измерению, измеряемая или измеренная в соответствии с основной целью измерительной задачи.

4
Размер ФВ – количественная определенность ФВ, прису- щая конкретному материальному объекту, системе, явлению или процессу.
Значение ФВ – выражение размера ФВ в виде некоторого числа принятых для нее единиц.
Значение величины не следует смешивать с размером. Размер
ФВ данного объекта существует реально и не зависимо от того, знаем мы его или нет, выражаем его в каких-либо единицах или нет. Значение же ФВ появляется только после того, как размер ве- личины данного объекта выражен с помощью какой-либо единицы.
Числовое значение ФВ – отвлеченное число, входящее в значение величины.
Истинное значение ФВ – значение ФВ, которое идеальным образом характеризует в качественном и количественном отно- шении соответствующую ФВ.
Истинное значение ФВ может быть соотнесено с понятием абсолютной истины. Оно может быть получено только в результате бесконечного процесса измерений с бесконечным совершенствова- нием методов и средств измерений (СИ). Для каждого уровня раз- вития измерительной техники мы можем знать только действи- тельное значение ФВ, которое применяется вместо истинного зна- чения ФВ. Понятие истинного значения физической величины не- обходимо как теоретическая основа развития теории измерений, в частности, при раскрытии понятия žпогрешность измерений¤.
Действительное значение ФВ – значение ФВ, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значе- нию, что в поставленной измерительной задаче может быть исполь- зовано вместо него. За действительное значение ФВ обычно прини- мают среднее арифметическое из ряда значений величины, полу- ченных при равноточных измерениях, или арифметическое среднее взвешенное при неравноточных измерениях.
Физический параметр – ФВ, рассматриваемая при измере- нии данной ФВ как вспомогательная. При оценивании качества продукции нередко применяют выражение измеряемые параметры.
Здесь под параметрами, как правило, подразумевают ФВ, обычно наилучшим образом отражающие качество изделий или процессов.
Влияющая ФВ – ФВ, оказывающая влияние на размер из- меряемой величины, измерение которой не предусмотрено дан-

5
ным средством измерений (СИ), но оказывающая влияние на ре- зультаты измерений ФВ, для которой предназначено СИ.
Система ФВ – совокупность ФВ, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины принимают за неза- висимые, а другие определяют как функции независимых величин.
В названии системы величин применяют символы величин, принятых за основные. Так система величин механики, в которой в качестве основных приняты длина (L), масса (М) и время (T), называется системой LMT.
Система основных величин, соответствующая Международной системе единиц (SI), обозначается символами LMTIΘNJ, обозна- чающими соответственно символы основных величин – длины (L), массы (М), времени (T), силы электрического тока (I), температуры
(Θ), количества вещества (N) и силы света (J).
Основная ФВ – ФВ, входящая в систему и условно принятая в качестве независимой от других величин этой системы.
Производная ФВ – ФВ, входящая в систему и определяемая через основные величины этой системы.
Размерность ФВ – выражение в форме степенного одночле- на, составленного из произведений символов основных ФВ в раз- личных степенях и отражающее связь данной ФВ с ФВ, принятыми в данной системе величин за основные с коэффициентом пропор- циональности, равным 1.
Степени символов основных величин, входящих в одночлен, в зависимости от связи рассматриваемой ФВ с основными, могут быть целыми, дробными, положительными и отрицательными.
Понятие размерность распространяется и на основные величины.
Размерность основной величины в отношении самой себя равна единице, то есть формула размерности основной величины сов- падает с ее символом.
В соответствии со стандартом ISO 31/0 размерность величин следует обозначать знаком dim. Например, размерность скорости dim ν = LТ
-1
Показатель размерности ФВ – показатель степени, в кото- рую возведена размерность основной ФВ, входящая в размерность производной ФВ. Показатель размерности основной ФВ в отноше- нии самой себя равен единице.

6
Размерная ФВ – ФВ, в размерности которой хотя бы одна из основных ФВ возведена в степень, не равную нулю. Например, сила (F) в системе LMTIΘNJ является размерной величиной.
Безразмерная ФВ – ФВ, в размерность, которой основные ФВ входят в степени равной нулю. ФВ в одной системе величин может быть размерной, а в другой системе безразмерной. Например, элек- трическая постоянная в электростатической системе является без- размерной величиной, а в системе величин СИ имеет размерность.
Уравнение связи между величинами – уравнение, отра- жающее связь между величинами, обусловленную законами при- роды, в котором под буквенными символами понимают ФВ.
Уравнение связи между величинами в конкретной измерительной задаче часто называют уравнением измерений.
Род ФВ – качественная определенность ФВ. Например: длина и диаметр детали – однородные величины; длина и масса детали – неоднородные величины.
Аддитивная ФВ – ФВ, разные значения которой могут быть суммированы, умножены на числовой коэффициент, разделены друг на друга. К аддитивным величинам относятся длина, масса, сила, давление, время, скорость и др.
Неаддитивная ФВ – ФВ, для которой суммирование, ум- ножение на числовой коэффициент или деление друг на друга ее значений не имеет физического смысла (например, термодина- мическая температура, твердость материала).
4. ЕДИНИЦЫ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Единица измерения ФВ – ФВ фиксированного размера, ко- торой условно присвоено числовое значение, равное 1, и приме- няемая для количественного выражения однородных с ней ФВ.
На практике широко применяется понятие узаконенные единицы – система единиц и (или) отдельные единицы, установ- ленные для применения в стране в соответствии с законодатель- ными актами.
Система единиц ФВ – совокупность основных и производ- ных единиц, образованная в соответствии с принципами для за- данной системы физических величин.

7
Основная единица ФВ – единица основной ФВ в данной системе единиц.
Производная единица системы единиц ФВ – единица про- изводной ФВ системы единиц, образованная в соответствии с уравнением, связывающим ее с основными единицами или с ос- новными и уже определенными производными. Например: 1 м / с –
единица скорости, образованная из основных единиц SI – метра и секунды; 1 Н – единица силы, образованная из основных единиц
SI – килограмма, метра и секунды.
ГОСТ 8.417 устанавливает семь основных ФВ (табл. 1) с помощью которых создается все многообразие производных
ФВ и обеспечивается описание любых свойств физических объ- ектов и явлений.
Таблица 1
Важнейшие единицы международной системы (SI)
Величина
Единица
Обозначение
Наименование
Размер- ность
Наименование между- народное русское
Основные единицы
Длина
L
метр
m
м
Масса
М
килограмм
kg
кг
Время
Т
секунда
s
с
Сила электриче- ского тока
I
ампер
А
А
Термодинамиче- ская температура
Θ
кельвин
K
К
Количество вещества
N
моль
mol
моль
Сила света
J
кандела
сd
кд
Некоторые производные единицы
Площадь
L
2
квадратный метр
m
2
м
2
Объем
L
3
кубический метр
m
3
м
3
Скорость
L Т
-1
метр на секунду
m / s
м / с

8
Метр – длина пути, проходимого светом в вакууме за ин- тервал времени 1/299 792 458 с.
Килограмм – единица массы, равная массе международного прототипа килограмма.
Секунда – время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровня- ми основного состояния атома цезия-133, при отсутствии возму- щения со стороны внешних полей.
Ампер – сила не изменяющегося тока, который при прохож- дении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого поперечного сечения, расположенным в вакуу- ме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы на каждом участ- ке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2·10
-7
Н.
Кельвин – единица термодинамической температуры, равная
1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды.
Моль – количество вещества, содержащее столько же струк- турных элементов, сколько содержится атомов в углероде 12 массой 0,012 кг. Структурные элементы могут быть атомами, мо- лекулами, ионами и другими частицами.
Кандела – сила света в заданном направлении источника, испус- кающего монохроматическое излучение частотой 540·10 12
Гц, энер- гетическая сила света в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.
Существуют следующие производные единицы системы единиц ФВ:
– образованные из основных единиц (например, единица площади – квадратный метр);
– имеющие специальные наименования и обозначения (на- пример, единица частоты – герц).
При построении системы ФВ подбирается такая последова- тельность определяющих уравнений, в которой каждое после- дующее уравнение содержит только одну новую производную величину, что позволяет выразить эту величину через совокуп- ность ранее определенных величин, а, в конечном счете, через основные величины системы величин.
Чтобы найти размерность производной ФВ в некоторой сис- теме величин, надо в правую часть определяющего уравнения этой величины вместо обозначений величин подставить их раз- мерности (см. табл. 1). Так, например, поставив в определяющее

9
уравнение скорости равномерного движения ν = ds / dt вместо ds
размерность длины L и вместо dt размерность времени Т, полу- чим: dim ν = L / T = LT
-1
Подставив в определяющее уравнение ускорения a = / dt
вместо dt размерность времени Т и вместо найденную выше размерность скорости получим: dim a = LT
-1
/ T = LT
-2
Зная размерность ускорения по определяющему уравнению силы F = , получим: dim F = M · LT
-2
=LMT
-2
Зная размерность силы, можно найти размерность работы, затем размерность мощности и т.д.
Системная единица ФВ – единица ФВ, входящая в приня- тую систему единиц. Основные, производные, кратные и дольные единицы SI являются системными. Например: 1 м; 1 м/с; 1 км; 1 нм.
Внесистемная единица ФВ – единица ФВ, не входящая в принятую систему единиц (например, миллиметр ртутного столба – мм рт. ст., бар – bar). Внесистемные единицы (по отно- шению к единицам SI) разделяются на четыре группы:
– допускаемые наравне с единицами SI;
– допускаемые к применению в специальных областях;
– временно допускаемые;
– устаревшие (недопускаемые).
Когерентная производная единица ФВ – производная единица ФВ, связанная с другими единицами системы единиц уравнением, в котором числовой коэффициент принят равным 1.
Когерентная система единиц ФВ – система единиц ФВ, со- стоящая из основных единиц и когерентных производных единиц.
Кратные и дольные единицы от системных единиц не входят в когерентную систему.
Кратная единица ФВ – единица ФВ, в целое число раз большая системной или внесистемной единицы. Например: еди- ница длины 1 км = 10 3
м, т. е. кратная метру; единица частоты
1 МГц (мегагерц) = 10 6
Гц, кратная герцу; единица активности ра- дионуклидов 1 МБк (мегабеккерель) = 10 6
Бк, кратная беккерелю.
Дольная единица ФВ – единица ФВ, в целое число раз меньшая системной или внесистемной единицы. Например: еди- ница длины 1 нм (нанометр) = 10
-9
м; единица времени
1 мкс = 10
-6
с являются дольными соответственно от метра и се- кунды.

10
5. ШКАЛЫ ИЗМЕРЕНИЙ: ТИПЫ, ПРИНЦИПЫ
ПОСТРОЕНИЯ
На практике необходимо проводить измерения различных
ФВ, характеризующих свойства веществ, тел, явлений и процес- сов. Некоторые свойства проявляются только количественно, другие – качественно. Количественные или качественные прояв- ления любого свойства отражаются множествами, которые обра- зуют шкалы измерения этих свойств. Шкала измерений количе- ственного свойства является шкалой ФВ.
Шкала ФВ – упорядоченная последовательность значений
ФВ, принятая на основании результатов точных измерений.
В соответствии с логической структурой проявления свойств шкалы измерений делятся на пять основных типов: наименований, порядка, интервалов, отношений и абсолютные шкалы.
Шкала наименований (шкала классификации) основана на приписывании объекту цифр (знаков), играющих роль про- стых имен: это приписывание служит для нумерации предметов только с целью их идентификации или для нумерации классов, причем, такой нумерации, что каждому из элементов соответст- вующего класса приписывается одна и та же цифра. Такое припи- сывание цифр выполняет на практике ту же функцию, что и на- именование. Поэтому с цифрами, используемыми только как специфические имена, нельзя производить никаких арифметиче- ских действий. Поскольку данные шкалы характеризуются толь- ко отношениями эквивалентности, то в них отсутствует понятие нуля, žбольше¤ или žменьше¤ и единицы измерения. Примером шкал наименований являются атласы цветов, предназначенные для идентификации цвета.
Шкала порядка (шкала рангов) предполагает упорядоче- ние объектов относительно какого-то определенного свойства, то есть расположение их в порядке убывания или возрастания дан- ного свойства. Полученный при этом упорядоченный ряд назы- вают ранжированным рядом, а саму процедуру ранжированием.
По шкале порядка сравниваются между собой однородные объекты, у которых значения интересующих свойств неизвестны.
Поэтому ранжированный ряд может дать ответ на вопросы типа –
žчто больше (меньше)¤ или, žчто лучше (хуже)¤. Более подроб-

11
ную информацию – на сколько больше или меньше, во сколько раз лучше или хуже, шкала порядка дать не может.
Результаты оценивания по шкале порядка не могут подвер- гаться никаким арифметическим действиям. Однако небольшое, усовершенствование шкалы порядка позволило применить ее для числового оценивания величин в тех случаях, когда отсутствует единица величины. Для этого, расположив объекты в порядке возрастания (убывания) того или иного свойства, некоторые точ- ки ранжированного ряда фиксируют в качестве отправных (ре- перных). Совокупность реперных точек образует некую žлестни- цу¤ – шкалу возможных проявлений соответствующего свойства.
Реперным точкам могут быть поставлены в соответствие цифры, называемые баллами и, таким образом, появляется возможность оценивания, žизмерения¤ данного свойства в баллах, по нату- ральной шкале.
Основным недостатком натуральных шкал является полное отсутствие уверенности в том, что интервалы между выбранными реперными точками являются равновеликими. Введенные число- вые обозначения не могут быть использованы для выполнения математических операций.
Определение значения величин при помощи шкал порядка относится к операции оценивания, а не измерения, ввиду отсут- ствия единицы измерения. Оценивание по шкалам порядка явля- ется неоднозначным и весьма условным.
Шкала интервалов (шкала разностей). Эти шкалы явля- ются дальнейшим развитием шкал порядка. Для их построения вначале устанавливают единицу ФВ. На шкале интервалов откла- дывается разность значений ФВ, сами же значения остаются не- известными.
Данная шкала состоит из одинаковых интервалов и произ- вольно выбрано начало – нулевая точка.
Примерами шкал интервалов являются шкалы температур:
Цельсия, Фаренгейта, Реомюра.
На температурной шкале Цельсия за начало отсчета разно- сти температур принята температура таяния льда. С ней сравни- ваются все другие температуры. Для удобства пользования шка- лой интервал между температурой таяния льда и температурой кипения воды разделен на 100 равных интервалов – градусов.

12
Шкала Цельсия распространяется как в сторону положительных, так и отрицательных интервалов. Когда говорят, что температура воздуха равна 25»С, это означает, что она на 25 градусов выше температуры, принятой за нулевую отметку шкалы (выше нуля).
На температурной шкале Фаренгейта тот же интервал раз- бит на 180 градусов. Следовательно, градус Фаренгейта по раз- меру меньше, чем градус Цельсия. Кроме того, начало отсчета интервалов на шкале сдвинуто на 32 градуса в сторону низких температур.
Деление шкалы интервалов на равные части – градации –
устанавливает единицу ФВ, что позволяет не только выразить ре- зультат измерения в числовой мере, но и оценить погрешность измерения.
Результаты измерений по шкале интервалов можно склады- вать друг с другом и вычитать друг из друга, то есть определять, на сколько одно значение ФВ больше или меньше другого.
Шкала отношений описывает свойства эмпирических объ- ектов. Она представляет собой интервальную шкалу с естествен- ным началом. Если, например, за начало температурной шкалы принять абсолютный нуль (более низкой температуры в природе быть не может), то по такой шкале уже можно отсчитывать абсо- лютное значение температуры и определять не только, на сколько температура одного тела больше температуры другого, но и во сколько раз больше или меньше. Примером шкалы отношений является: шкала термодинамической температуры и шкала масс.
В общем случае, при сравнении между собой двух ФВ, распо- ложенные в порядке возрастания или убывания, образуют шкалу отношений. Она охватывает интервал значений от 0 до ∞ и, в отли- чие от шкалы интервалов, не содержит отрицательных значений.
Шкала отношений является самой совершенной, наиболее информативной. Результаты измерений по шкале отношений мож- но складывать между собой, вычитать, перемножать или делить.
Абсолютные шкалы. Под абсолютными шкалами понима- ют шкалы, обладающие всеми признаками шкал отношений, но дополнительно имеющие естественные однозначно определен- ные единицы измерения и не зависящие от принятой системы единиц измерений. Такие шкалы соответствуют относительным величинам: коэффициенту усиления, ослабления и т.д.

13
В случаях, когда уровень познания явления не позволяет точно установить отношения, существующие между величинами данной характеристики, либо применение шкалы удобно и доста- точно для практики, используют условные (эмпирические) шкалы порядка.
Условная шкала – это шкала ФВ, исходные значения кото- рой выражены в условных единицах. Например, шкала вязкости
Энглера, 12-балльная шкала Бофорта для измерения силы мор- ского ветра.
Нередко условные шкалы называют неметрическими шка- лами. Шкала твердости минералов Мооса, шкалы твердости ме- таллов (Бринелля, Виккерса, Роквелла и др.).
Широкое распространение получили шкалы порядка с нане- сенными на них реперными точками. К таким шкалам, например, относится шкала Мооса для определения твердости минералов, которая содержит 10 опорных (реперных) минералов с различны- ми 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), а после ортоклаза (6) – не остается, то твердость испытуемого материала составляет более 6, но менее 7. Более точного ответа в этом случае дать невозможно.
В условных шкалах одинаковым интервалам между разме- рами данной величины не соответствуют одинаковые размерно- сти чисел, отображающих размеры. С помощью этих чисел мож- но найти вероятности, моды, медианы, квантили, однако их нель- зя использовать для суммирования, умножения и других матема- тических операций.
6. ПРИНЦИПЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ
ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Измерение физической величины – совокупность опера- ций по применению технического средства, хранящего единицу

14
ФВ, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или не- явном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины.
От термина žизмерение¤ происходит термин žизмерять¤, ко- торым широко пользуются на практике. Также применяются такие термины, как žмерить¤, žобмерять¤, žзамерять¤, žпромерять¤, не вписывающиеся в систему метрологических терминов, их приме- нять не следует. Не следует также применять такие выражения, как
žизмерение значения¤ (например, мгновенного значения напряже- ния или его среднего квадратического значения), т. к. значение ве- личины – это уже результат измерений.
В тех случаях, когда невозможно выполнить измерение (не выделена величина как физическая и не определена единица из- мерений этой величины) практикуется оценивание таких величин по условным шкалам.
В простейшем случае, прикладывая линейку с делениями к какой-либо детали, по сути сравнивают ее размер с единицей, хранимой линейкой, и, произведя отсчет, получают значение ве- личины (длины, высоты, толщины и других параметров детали).
С помощью измерительного прибора сравнивают размер величи- ны, преобразованной в перемещение указателя, с единицей, хра- нимой шкалой этого прибора, и проводят отсчет.
Равноточные измерения – ряд измерений какой-либо ве- личины, выполненных одинаковыми по точности СИ в одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью. Прежде чем об- рабатывать ряд измерений, необходимо убедиться в том, что все измерения этого ряда являются равноточными.
Неравноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных различающимися по точности СИ
и (или) в разных условиях. Ряд неравноточных измерений обра- батывают с учетом веса отдельных измерений, входящих в ряд.
Однократное измерение – измерение, выполненное один раз. Например, измерение конкретного момента времени по ча- сам обычно производится один раз.
Многократное измерение – измерение ФВ одного и того же размера, результат которого получен из нескольких следую- щих друг за другом измерений, т. е. состоящее из ряда однократ- ных измерений.

15
Статическое измерение – измерение ФВ, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизмен- ную на протяжении времени измерения. Статические измерения имеют место тогда, когда измеряемая величина практически по- стоянна. Например: измерение длины детали при нормальной температуре; измерение размеров земельного участка.
Динамическое измерение – измерение изменяющейся по размеру ФВ. Динамические измерения связаны с ФВ, которые в процессе измерений претерпевают те или иные изменения во времени. Это подтверждает применение более чувствительных
СИ, которые дают возможность обнаруживать изменение величин, ранее считавшихся постоянными, поэтому разделение измерений на динамические и статические является условным.
Абсолютное измерение – измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) ис- пользовании значений физических констант. Понятие абсолют- ное измерение применяется как противоположное понятию отно- сительное измерение и рассматривается как измерение величины в ее единицах. Например, измерение силы F = m · g основано на измерении основной величины – массы m и использовании физи- ческой постоянной g (в точке измерения массы).
Относительное измерение – измерение отношения величи- ны к одноименной величине, играющей роль единицы, или изме- рение изменения величины по отношению к одноименной вели- чине, принимаемой за исходную. Например, измерение активно- сти радионуклида в источнике по отношению к активности ра- дионуклида в однотипном источнике, аттестованном в качестве эталонной меры активности.
Прямое измерение – измерение, при котором искомое зна- чение величины получают непосредственно, т. е. состоящие в не- посредственном сравнении ФВ с ее мерой. Например, измерение длины детали микрометром; измерение силы тока амперметром; измерение массы на весах.
Термин прямое измерение возник как противоположный термину косвенное измерение. Строго говоря, измерение всегда прямое и рассматривается как сравнение величины с ее единицей.
В этом случае лучше применять термин прямой метод измерений.
Косвенное измерение – определение искомого значения

16
ФВ на основании результатов прямых измерений других ФВ, функционально связанных с искомой величиной. Во многих слу- чаях вместо термина косвенное измерение применяют термин косвенный метод измерений. Например, определение плотности
D тела цилиндрической формы по результатам прямых измере- ний массы m, высоты h и диаметра цилиндра d, связанных с плотностью уравнением
h
d
m
D
2 25
,
0


(1)
Совокупные измерения – производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых иско- мые значения величин определяют путем решения системы урав- нений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях. Для определения значений искомых величин число уравнений должно быть не меньше числа величин. Например, значение массы отдельных гирь набора определяют по известно- му значению массы одной из гирь и по результатам измерений
(сравнений) масс различных сочетаний гирь.
Совместные измерения – производимые одновременно из- мерения двух или нескольких не одноименных величин для опре- деления зависимости между ними.
Наблюдение при измерении – операции, проводимые при измерении и имеющие целью своевременно и правильно произ- вести отсчет. Не следует заменять термин измерение термином наблюдение.
Измерительный сигнал – сигнал, содержащий количест- венную информацию об измеряемой ФВ.
Измерительная информация – информация о значениях ФВ.
Измерительная задача – задача, заключающаяся в опреде- лении значения ФВ путем ее измерения с требуемой точностью в данных условиях измерений.
Объект измерения – тело (физическая система, процесс, яв- ление и т.д.), которое характеризуется одной или несколькими из- меряемыми ФВ. Например, коленчатый вал, у которого измеряют диаметр; технологический процесс, во время которого измеряют температуру; спутник Земли, координаты которого измеряются.
Область измерений – совокупность измерений ФВ, свойствен-

17
ных какой-либо области науки или техники и выделяющихся своей спецификой. Выделяют ряд областей измерений: механические, маг- нитные, акустические, измерения ионизирующих излучений и др.
Вид измерений – часть области измерений, имеющая свои особенности и отличающаяся однородностью измеряемых вели- чин. Например, в области электрических и магнитных измерений могут быть выделены как виды измерений: измерения электриче- ского сопротивления, электродвижущей силы, электрического напряжения, магнитной индукции и др.
Измерения различают:
– по способу получения информации измерения (прямые, косвенные, совокупные и совместные измерения);
– по характеру изменения измеряемой величины в процессе измерений (динамические и статические измерения);
– по количеству измерительной информации (однократные и многократные измерения);
– по способу определения значения измеряемой величины
(абсолютные и относительные измерения);
– по условиям, определяющим точность результата измере- ния (измерения максимально возможной точности, контрольно- поверочные измерения и технические измерения);
– по условиям измерения (равноточные и неравноточные измерения);
– по связи с объектом измерения (контактный и бесконтакт- ный метод измерения).
Различают следующие методы прямых измерений: метод не- посредственной оценки; метод сравнения с мерой; нулевой ме- тод; метод измерений замещением; дифференциальный метод; метод противопоставления; метод совпадений.
Измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровне техники. К ним относятся в первую оче- редь эталонные измерения, связанные с максимально возможной точностью воспроизведения установленных единиц ФВ, и измере- ния физических констант, прежде всего универсальных (например, абсолютного значения ускорения свободного падения и др.).
Контрольно-поверочные измерения, погрешность кото- рых с определенной вероятностью не должна превышать некото- рое заданное значение. К ним относятся измерения, выполняемые

18
лабораториями государственного надзора за внедрением и со- блюдением стандартов и состоянием измерительной техники и заводскими измерительными лабораториями с погрешностью заранее заданного значения.
Технические измерения, в которых погрешность результа- та определяется характеристиками СИ. Например, измерения, выполняемые в процессе производства на машиностроительных предприятиях, на щитах распределительных устройств электри- ческих станций и др.
Подвид измерений – часть вида измерений, выделяющаяся особенностями измерений однородной величины (по диапазону, по размеру величины и др.). Например, при измерении длины вы- деляют измерения больших длин (в десятках, сотнях, тысячах ки- лометров) или измерения сверхмалых длин – толщин пленок.
Принцип измерений – физическое явление или эффект, по- ложенное в основу измерений. Например: применение эффекта
Джозефсона для измерения электрического напряжения; приме- нение эффекта Пельтье для измерения поглощенной энергии ио- низирующих излучений; применение эффекта Доплера для изме- рения скорости; использование силы тяжести при измерении мас- сы взвешиванием.
Метод измерений – прием или совокупность приемов срав- нения измеряемой ФВ с ее единицей в соответствии с реализо- ванным принципом измерений. Метод измерений обычно обу- словлен устройством СИ.
Метод непосредственной оценки – метод измерений, в ко- тором значение величины определяют непосредственно по пока- зывающему СИ. Например, измерение давления пружинным ма- нометром, массы – на весах.
Метод сравнения с мерой – метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Например: измерение массы на рычажных весах с уравно- вешиванием гирями (мерами массы с известным значением); из- мерение напряжения постоянного тока на компенсаторе сравнени- ем с известной э.д.с. нормального элемента.
Нулевой метод – метод сравнения с мерой, в котором ре- зультирующий эффект воздействия измеряемой величины и ме- ры на прибор сравнения доводят до нуля. Например, измерения

19
электрического сопротивления мостом с полным его уравнове- шиванием.
Метод измерений замещением – метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины. Например, взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку ве- сов (метод Борда).
Дифференциальный метод – метод измерений, при кото- ром измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, и при котором измеряется раз- ность между этими двумя величинами. Метод позволяет полу- чить результат высокой точности при использовании относитель- но грубых СИ. Например, измерения, выполняемые при поверке мер длины сравнением с эталонной мерой на компараторе.
Метод противопоставления – метод сравнения, при кото- ром измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения. Например, оп- ределение массы на равноплечих весах с помещением измеряе- мой массы и уравновешивающих ее гирь на двух чашках весов.
Метод совпадений – метод сравнения с мерой, в котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизво- димой мерой, измеряют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов.
Контактный метод измерений – метод измерений, осно- ванный на том, что чувствительный элемент прибора приводится в контакт с объектом измерения. Например: измерение диаметра вала измерительной скобой или контроль проходным и непро- ходным калибрами; измерение температуры тела термометром.
Бесконтактный метод измерений – метод измерений, ос- нованный на том, что чувствительный элемент СИ не приводится в контакт с объектом измерения. Например: измерение темпера- туры в доменной печи пирометром; измерение расстояния до объекта радиолокатором.
Методика выполнения измерений – установленная сово- купность операций и правил при измерении, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с гарантирован- ной точностью в соответствии с принятым методом. Обычно ме-

20
тодика измерений регламентируется каким-либо нормативно- техническим документом.
Результат измерения ФВ – значение величины, полученное путем ее измерения.
Неисправленный результат измерения – значение вели- чины, полученное при измерении до введения в него поправок, учитывающих систематические погрешности.
Исправленный результат измерения – полученное при из- мерении значение величины и уточненное путем введения в него необходимых поправок на действие систематических погрешностей.
Ряд результатов измерений – значения одной и той же ве- личины, последовательно полученные из следующих друг за дру- гом измерений.
Нормальные условия измерений – условия измерения, ха- рактеризуемые совокупностью значений или областей значений влияющих величин, при которых изменением результата измере- ний пренебрегают вследствие малости. Нормальные условия из- мерений устанавливаются в нормативных документах на средства измерений конкретного типа или по их поверке (калибровке).
Нормальное значение влияющей величины – значение влияющей величины, установленное в качестве номинального.
При измерении многих величин нормируется нормальное значе- ние температуры 20 »С или 293 К, а в других случаях нормирует- ся 296 К (23 »С). На нормальное значение, к которому приводятся результаты многих измерений, выполненные в разных условиях, обычно рассчитана основная погрешность СИ.
Нормальная область значений влияющей величины
область значений влияющей величины, в пределах которой изме- нением результата измерений под ее воздействием можно пре- небречь в соответствии с установленными нормами точности.
Нормальная область значений температуры при поверке нор- мальных элементов класса точности 0,005 в термостате не долж- на изменяться более чем на ½0,05 »С от установленной темпера- туры 20 »С, то есть быть в диапазоне от 19,95 до 20,05 »С.
Рабочая область значений влияющей величины – область значений влияющей величины, в пределах которой нормируют дополнительную погрешность или изменение показаний СИ.
Рабочие условия измерений – условия измерений, при ко-

21
торых значения влияющих величин находятся в пределах рабо- чих областей. Например: для измерительного конденсатора нор- мируют дополнительную погрешность на отклонение температу- ры окружающего воздуха от нормальной; для амперметра норми- руют изменение показаний, вызванное отклонением частоты пе- ременного тока от 50 Гц (50 Гц в данном случае принимают за нормальное значение частоты).
Рабочее пространство – часть пространства (окружающего
СИ и объект измерений), в котором нормальная область значений влияющих величин находится в установленных пределах.
Предельные условия измерений – условия измерений, ха- рактеризуемые экстремальными значениями измеряемой и влияю- щих величин, которые СИ может выдержать без разрушений его метрологических характеристик.
8. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Изучить основные теоретические положения.
2. Оформить отчет. Отчет должен содержать: наименование и цель работы; описание основных теоретических положении; ответы на контрольные вопросы.
9. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что изучает и как подразделяется метрология?
2. Какие существуют направления и объекты измерения в метрологии?
3. Чем отличается величина от ФВ?
4. Что такое размер ФВ?
5. Какими бывают ФВ?
6. Что такое истинное и действительное значения ФВ?
7. Что такое измерение ФВ?
8. Что такое размерность ФВ?
9. Как определить размерность производной ФВ?
10. Чем отличаются основные ФВ от производных ФВ?
11. Какими бывают единицы ФВ?

22 12. Какие типы шкал существует?
13. Что такое шкала наименований?
14. Что такое шкала порядка, шкала интервалов?
15. Что такое шкала отношений, условная шкала?
16. Что такое однократные и многократные измерения?
17. Как различают прямые измерения?
18. Как различают измерения по способу получения ин- формации измерения?
19. Как различают измерения по количеству измерительной информации?
20. Как различают измерения по способу определения зна- чения измеряемой величины?
21. Как различают измерения по условиям, определяющим точность результата измерения?
22. Что такое статические и динамические измерения?
23. Что такое абсолютное и относительное измерение; пря- мое и косвенное измерение?
24. Что такое вид измерений?
25. Какие существуют методы измерений?
26. Что такое результат измерений?
27. Чем характеризуются условия измерения?
10. СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аристов, А. И. Метрология, стандартизация, сертифика- ция: учеб. для вузов / А. И. Аристов, Л. И. Карпов [и др.]. – М.:
Академия, 2008. – 384 с. – 16 экз.
2. Мороз, В. Г. Метрология, стандартизация, сертификация: учеб. пособие / В. Г. Мороз, Л. М. Духовный [и др.].– М.: МГИУ,
2007. – 520 с. – 20 экз.
3. Дубов, Г. М. Методы и средства измерений, испытаний и контроля : учеб. пособие / Г. М. Дубов, Д. М. Дубинкин. – Кеме- рово: ГОУ ВПО žКузбас. гос. техн. ун-т¤, 2011. – 224 с. – 47экз.
4. РМГ 29–99. Государственная система обеспечения един- ства измерений. Метрология. Основные термины и определения:
Взамен ГОСТ 16263–70; Введ. 01.01.2001. – Минск: Изд-во стан- дартов, 2000. – 46 с.

Составитель
Дубинкин Дмитрий Михайлович
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ
ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплинам žМетрология, стандартизация и сертификация¤,
žМетрология и сертификация¤ для студентов направлений 221400, 280700, 130400.65 очной формы обучения
Печатается в авторской редакции
Подписано в печать 15.11.2011. Формат 6084/16.
Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Уч.-изд. л. 1,2.
Тираж 35 экз. Заказ
КузГТУ. 650000, Кемерово, ул. Весенняя, 28.
Типография КузГТУ. 650000, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4А.


написать администратору сайта