Величина, физические измерения

Для определения следующего материала - характеристики измеряемой величины или параметра, необходимо определиться с термином «величина». Здесь так же есть спорность в определении. По ГОСТ 16263-70 термина – «величина» без дополнительного прилагательного нет, есть физическая величина, но об этом чуть ниже. В соответствии со статьей в журнале «Законодательная метрология» N 4 за 1998 год, с 52-54, автора М.Н.Селиванова «О понятии «величина» в метрологии», термин «величина» широко распространен, он как бы «оскомина» на зубах каждого метролога. Строго говоря, «величина» - определения родового понятия нет как в отечественной метрологической литературе и в НД, так и в международных метрологических словарях. Однако в Законе Российской Федерации «Об обеспечении единства измерений» фигурирует понятие «единица величины», а не «единица физической величины» как по стандарту, следовательно, законодательно Госстандарт РФ, как автор закона, ставит в качестве первичного термин «величина», а затем ее определение по принадлежности. Таким образом, среди множества величин могут быть выделены величины материального мира и величины идеальных моделей реальности. Классификация величин приведена в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Классификация величин

Автор статьи предлагает термин «измеримая величина», т.е. величина, которая в принципе измерима (имеется единица измерения, величинами, что имеет существенное значение, если она материализована при помощи эталона и хранима средством измерения).

Действительно, ведь в метрологии является именно измеримость величины главным, а не то, как ее называть! Он предлагает пересмотреть

ГОСТ 16263-70, РМГ 29 - 99 и сменить термин физическая величина как первичный на термин измеримая величина, но это уже практика будущего. Он также предлагает ввести в практику понятие «оцениваемая величина» - для тех величин, для которых еще не удалось создать единицу и воспроизвести ее в эталоне. Это даст возможность провести четкие границы между измеримыми и оцениваемыми величинами в науке «метрология», а также в прикладных частях – «Методы и средства измерений, испытаний и контроля»!

Теперь можно сравнить:

1) по ГОСТ 16263-70 - Физическая величина - свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам (физическим системам, их состояниям и происходящих в них процессам), но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта, с тремя примечаниями - их приводить здесь не надо, поэтому адресуем Вас к вышеуказанному стандарту;

2) по предложению автора статьи - Измеримая величина - величина, для которой созданы условия измеримости: - возможность выделения среди других величин; - возможность установления единицы измерений; - возможность материализации единицы измерений - ее воспроизведение и хранение при помощи эталонов и других средств измерений; возможность сохранения неизменным размера единицы (в пределах установленной погрешности) как минимум на срок, необходимый для одного измерения.

Примечания

1 Генеральной конференцией мер и весов принята и установлена международным стандартом ИСО МС 31 система физических величин (СИ). Она состоит из основных и производных величин, при этом каждая производная величина входит в указанную систему посредством уравнения связи между величинами.

2 Физические величины, как правило, являются измеримыми величинами. Когда для физической величины нет единицы измерения, ее количественная оценка может быть получена по условной шкале (шкалам).

3 Оцениваемая величина - величина (для которой еще не созданы условия измеримости), количественную оценку которой получают по условной шкале (шкалам) или каким-либо правилам.

В соответствии с РМГ 29-99, физическая величина – одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.

Классификация измерений по диапазонам значений измеряемых величин в общем виде не может быть приведена в отдельности от области и вида измерений, а вытекает из типа средств измерений по его собственному стандарту и в составе этого типа есть подразделение по диапазонам значений измеряемых величин. Например, штангенинструмент - тип СИ из линейно-угловых измерений, а в его составе различные штангенциркули с диапазоном измерений - (от О до 125 мм. - ШЦ1, от 0 до 160 мм. – ШЦ11 и т.д.). В процессе измерений всегда присутствует фактор времени, и постоянство измеряемой величины в зависимости от времени (постоянная или переменная величина). Простые измерения зависят от времени незначительно - только то время, которое необходимо затратить на производство замеров и регистрацию результатов наблюдения при измерении. Сложные измерения переменных величин зависят от времени в одномерном и многомерном состоянии. Что это значит? Это означает следующее:

- есть переменный процесс измеряемой величины стационарный, т.е. не изменяющий своих параметров переменности в течение длительного времени (переменный электрический ток частотой 50 Гц с девиацией частоты в пределах ± 0,5 %);

- есть переменный процесс измеряемой величины нестационарный, т.е. случайные события в виде частотных колебаний, не имеющих стационарных признаков в течение времени, с математическим ожиданием, представляющим собой также неизвестную переменную функцию. Такие измерения производятся с помощью математической статистики по теории случайных нестационарных процессов. Это касается определения областей применения по специфике измерительной задачи и именно в таких случаях без строгого подхода о постановке задачи обойтись нельзя!

К моделям измеряемых свойств объектов и явлений измеряемых величин относятся понятия скаляр, вектор, тензор, детерминированный или случайный процессы изменения величин при их измерении в зависимости от времени.

Методы измерений

Методы измерений подразделяются на:

- методы непосредственной оценки;

- методы сравнения.

Методы сравнения подразделяются на:

а) методы непосредственного сравнения с мерой;

б) методы опосредованного сравнения с мерой.

Методы непосредственного сравнения с мерой – методы измерения в которых измеряемую величину сравнивают непосредственно с величиной, воспроизводимой мерой, а опосредованного сравнения с мерой – методы измерения в которых измеряемую величину сравнивают через косвенную величину, воспроизводимую мерой с последующим пересчетом значений с соответствующей зависимостью непосредственной величины с косвенной.

В свою очередь методы непосредственного сравнения с мерой, а также и методы опосредованного сравнения с мерой, подразделяется на:

1) дифференциальный метод сравнения с мерой;

2) нулевой метод сравнения с мерой;

3) метод замещения при сравнении с мерой;

4) метод совпадения при сравнении с мерой;

5) метод противопоставления при сравнении с мерой.

Каждый метод измерения имеет обобщенную структурную схему при прямом преобразовании и наличии компенсации, с использованием меры и без нее, имеет определенные условия применения или должен иметь их, должен иметь возможность оценки на точность. Обобщенная схема простого процесса измерения представлена на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 - Обобщенная схема простого процесса измерения

Для организации процесса измерений инженер или простой рабочий должен обладать необходимым элементарным запасом знаний о том, как это делается! Для этого необходимо уметь организовать выбор метода измерения! Выбор метода измерений определяется принятой моделью объекта измерения (ОИ) и доступными или имеющимися в своем распоряжении средствами измерений (СИ). Таким образом, метод измерений - прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с мерой, т.е. с ее единицей (или шкалой) в соответствии с реализованным принципом измерений. При выборе метода измерений необходимо добиться того, чтобы погрешность метода измерений, т.е. составляющая систематической погрешности измерений, обусловленная несовершенством принятых модели и методов измерений (иначе, теоретическая погрешность), не сказывалась заметно на результирующей погрешности измерения, т.е. не превышала 30 % от нее. Перечисленные выше методы измерений требуют разных затрат денежных средств и времени на выполнение наблюдений при измерениях. Поэтому необходимо учитывать требования точности и временные зависимости измеряемых величин. Измерения измеряемых параметров модели в течение времени измерения (выполнение цикла наблюдений), как правило, не должно превышать 10 % от заданной погрешности измерения. Если возможны альтернативы, учитывают и экономические соображения: ненужное завышение точности модели и метода измерения приводит к необоснованным затратам, тоже относится и к выбору СИ. Из этого вытекает, что выбор метода и СИ практически происходит одновременно. Выбор СИ и вспомогательных устройств. Выбор СИ определяется измеряемой величиной, принятым методом измерений и требуемой точностью результата измерений (нормами точности из ОИ, при этом учитывать также диапазон измеряемой величины и СИ, условия измерений, эксплуатационные качества СИ, их стоимость).

Основное внимание уделяют погрешностям СИ. При этом добиваются выполнения условия /5/

(5.1)

где D_S - предельные погрешности;

D_мод - модели измерений;

D_м - метода измерений;

D_си - средства измерений; Она состоит из ряда составляющих по МХ самого СИ, главная и которых является предельно допустимой погрешностью СИ.

D_о - оператора;

D _усл - дополнительные погрешности, обусловленные воздействием влияющих факторов условий измерений;

DД – предельно допускаемая погрешность результатов измерений.

МХ – метрологические характеристики СИ, состоящие из составляющих – смотри ГОСТ на тип любого СИ.

Критерий - D_å выбора СИ достаточно надежен, но дает завышенную на от 20 до 30 % оценку суммарной погрешности измерения. Если такой запас по точности не допустим, суммирование составляющих D_å следует произвести по формулам, приведенным в статистической методике, которую мы будем рассматривать позже. Образцовые средства измерений (ОСИ), термин по старому, а теперь - эталонные средства измерений (ЭСИ), для проведения метрологической аттестации или поверки выбирают в соответствии с указаниями в НД на поверочные схемы и (или) методики поверки (аттестации). После выбора метода и СИ определяется необходимость разработки методики выполнения измерений (МВИ) или применения уже утвержденной, или применения простой инструкции по эксплуатации на СИ.