1. Метрология. Виды измерений. Физические величины. Средства измерений

1.

МЕТРОЛОГИЯ
Виды измерений. Физические
величины. Средства измерений.

2.

Метрология как наука охватывает круг проблем, связанных с
измерениями. В дословном переводе с древнегреческого
«metron» - мера, «logos» - речь, слово, учение или наука.
Метрология - это наука об измерениях, методах и средствах
обеспечения их единства и способах достижения требуемой
точности.
Предметом метрологии является извлечение количественной
информации о свойствах объектов и процессов с требуемой
(заданной) точностью и достоверностью.

3.

4.

Свойство — философская категория, выражающая такую
сторону объекта (явления процесса), которая обусловливает его
различие или общность с другими объектами (явлениями,
процессами) и обнаруживается в его отношениях к ним.
Свойство — категория качественная. Для количественного
описания Различных свойств процессов и физических тел
вводится понятие величины.
Величина — это свойство чего-либо, что может быть выделено
среди других свойств и оценено тем или иным способом, в том
числе и количественно.

5.

Под физической величиной понимается свойство, общее в
качественном отношении для многих физических объектов
(физических систем), их состояний и происходящих в них
процессов, но в количественном отношении индивидуальное
для каждого объекта.

6.

7.

По видам явлений ФВ делятся на следующие группы:
• вещественные, т. е. описывающие физические и физикохимические свойства веществ, материалов и изделий из них. К
этой группе относятся масса, плотность, электрическое
сопротивление, емкость, индуктивность и др.;
• энергетические, т. е. величины, описывающие энергетические
характеристики
процессов
преобразования,
передачи
и
использования энергии. К ним относятся ток, напряжение,
мощность, энергия;
• характеризующие протекание процессов во времени. К этой
группе относятся различного рода спектральные характеристики,
корреляционные функции и др.

8.

По принадлежности к различным группам физических
процессов ФВ делятся на пространственно-временные,
механические, тепловые, электрические и магнитные,
акустические, световые, физико-химические, ионизирующих
излучений, атомной и ядерной Физики.
По степени условной независимости от других величин ФВ
делятся на основные, производные и дополнительные.
По наличию размерности ФВ делятся на размерные, т. е.
имеющие размерность, и безразмерные.

9.

Основные физические величины:
длина (/),
масса (m),
время (t),
термодинамическая температура (θ),
количество вещества (q),
сила света (j),
сила тока (i)
Дополнительные физические величины:
• плоский угол;
• телесный угол.

10.

Процедура сравнения неизвестного размера с известным и выражение
первого через второй по шкале отношений математически записывается в
следующем виде:
[Q] - это ФВ фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение,
равное единице и применяемое для количественного выражения однородных ФВ.
Значение физической величины Q — это оценка ее размера в виде некоторого числа
принятых для нее единиц.
Числовое значение физической величины х — отвлеченное число, выражающее
отношение значения величины к соответствующей единице данной ФВ.
Уравнение называется основным уравнением измерения.

11.

12.

Измерение - это нахождение значения физической величины опытным
путем с помощью технических средств.
• измерять можно свойства реально существующих объектов познания,
т.е. физические величины;
• измерение требует проведения опытов, т.е. теоретические
рассуждения или расчеты не могут заменить измерения;
• для проведения опытов требуются особые технические средства средства измерения (СИ);
• результатом измерения является значение физической величины.

13.

Шкалы измерений
Разнообразные
проявления
(количественные
или
качественные) любого свойства образуют множества,
отображения элементов которых образуют шкалы измерения
этих свойств.
Шкала физической величины — это упорядоченная
совокупность значений физической величины, служащая
исходной основой для измерений данной величины.

14.

1. Шкалы наименований характеризуются оценкой (отношением)
эквивалентности различных качественных проявлений свойства. Эти
шкалы не имеют нуля и единицы измерений, в них отсутствуют
отношения сопоставления типа «больше – меньше».
Пример шкалы наименований: шкалы цветов, представляемые в виде
атласов цветов;

15.

2. Шкалы порядка описывают свойства величин, упорядоченные по
возрастанию или убыванию оцениваемого свойства, т.е. позволяют
установить
отношение
больше-меньше
между
величинами,
характеризующими это свойство. В этих шкалах может в ряде случаев
иметься нуль (нулевая отметка), но принципиальным для них является
отсутствие единицы измерения.

16.

3. Шкалы интервалов (разностей) описывают свойства величин не
только с помощью отношений эквивалентности и порядка, но также и с
применением отношений суммирования и пропорциональности
интервалов (разностей) между количественными проявлениями свойства.
Шкалы интервалов могут иметь условно выбранное начало - нулевую
точку.
Примеры шкалы интервалов: летоисчисление по различным календарям,
в которых за начало отсчета принято либо сотворение мира, либо
Рождество Христово; температурные шкалы Цельсия, Фаренгейта,
Реомюра.

17.

4. Шкалы отношений описывают свойства величин, для множества
количественных проявлений которых применимы логические отношения
эквивалентности, порядка и пропорциональности, а для некоторых шкал
также отношение суммирования. В шкалах отношений существует
естественный нуль и по согласованию устанавливается единица измерения.
Примеры шкалы отношений: шкалы массы и термодинамической
температуры;
5. Абсолютные шкалы кроме всех признаков шкал отношений обладают
дополнительным признаком: в них присутствует однозначное определение
единицы измерения. Такие шкалы присущи таким относительным
единицам, как коэффициенты усиления, ослабления, полезного действия и
т.д. Ряду абсолютных шкал, например, коэффициентов полезного действия,
присущи границы, заключенные между нулем и единицей;

18.

Размер физической величины - это количественное содержание
в данном объекте свойства, соответствующего понятию
«физическая величина».
Значение физической величины получают в результате ее
измерения или вычисления в соответствии с основным
уравнением измерения
Размер единиц ФВ устанавливается законодательно путем
закрепления определения метрологическими органами
государства.

19.

dim l=L, dim m=M, dim t=T
Размерность величины представляет собой произведение обозначений
основных величин, возведенных в соответствующие степени,
являющиеся ее качественной характеристикой:
α
β
γ
ε
η
λ
a
dim Q=L М Т І θ J N
где L, М, Т, I – условные обозначения основных величин данной
системы; α, β, γ, η – целые или дробные, положительные или
отрицательные вещественные числа. Показатель степени, в которую
возведена размерность основной величины, называют показателем
размерности. Если все показатели размерности равны нулю, то такую
величину называют безразмерной.

20.

Основные и дополнительные единицы физических величин системы СИ
Величина
Наименование
Размер ность
Единица
Рекомен дуемое
обозначение
Наиме нование
Обозначение
русское
между народное
м
кг
с
m
kg
s
Длина
Масса
Время
Сила электрического тока
Термодинамическая
температура
Количество
вещества
Сила света
L
М
T
Основные
1
метр
m
килограмм
t
секунда
I
I
ампер
А
А
Q
Т
кельвин
К
К
N
n,v
моль
моль
mol
кд
cd
Плоский угол
Телесный угол
—
—
рад
ср
rad
sr
J
J
кандела
Дополнительные
—
радиан
—
стерадиан

21.

Единицы ФВ делятся на системные и внесистемные. Системная
единица - единица ФВ, входящая в одну из принятых систем.
Внесистемная единица - это единица ФВ, не входящая ни в одну из
принятых систем единиц. Внесистемные единицы по отношению к
единицам СИ разделяют на четыре вида:
1. Допускаемые наравне с единицами СИ, например: единицы массы тонна; плоского угла - градус, минута, секунда; объема - литр и др.
Наименование величины Наименование
Масса
Время
Единица
Обозначение
Соотношение с единицей СИ
тонна
т
103 кг
атомная
единица массы
а. е. м.
1,66057·10–27 кг (приблизительно)
минута
мин
60 с
час
ч
3600 с
сутки
сут
86 400 с...

22.

2. Допускаемые к применению в специальных областях, например:
астрономическая единица, парсек, световой год - единицы длины в
астрономии; диоптрия - единица оптической силы в оптике; электронвольт - единица энергии в физике и т. д.;
3. Временно допускаемые к применению наравне с единицами СИ,
например: морская миля - в морской навигации; карат - единица массы в
ювелирном деле и др. Эти единицы должны изыматься из употребления
в соответствии с международными соглашениями;
4. изъятые из употребления, например: миллиметр ртутного столба —
единица давления; лошадиная сила — единица мощности и некоторые
другие.

23.

Различают кратные и дольные единицы ФВ.
Кратная единица - это единица ФВ, в целое число раз
превышающая системную или внесистемную единицу.
Например, единица длины километр — равна 103 м, т. е. кратна
метру.
Дольная единица - единица ФВ, значение которой в целое
число раз меньше системной или внесистемной единицы.
Например, единица длины — миллиметр равна 10–3 м, т. е.
является дольной.

24.

25.

Основные единицы SI:
• метр (м) - единица длины, равная пути, проходимому в вакууме
светом за 1/299792458 долю секунды;
• килограмм (кг) - единица массы, равная массе международного
прототипа килограмма;
• секунда (с) - единица времени, равная 9192631770 периодам
излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими
уровнями основного состояния атома цезия 133;
• ампер (А) - единица силы тока, равная силе неизменяющегося тока,
который, проходя по двум параллельным прямолинейным
проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади
кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на
расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы на каждом участке
проводника в 1 м силу взаимодействия, равную 2*10-7 Н;

26.

Основные единицы SI:
• кельвин (К) - единица термодинамической температуры, равная
1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды;
• кандела (кд) - единица силы света, равная силе света в заданном
направлении источника, испускающего монохроматическое излучение
частотой 540*1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом
направлении составляет 1/683 Вт/ср;
• моль (моль) - единица количества вещества, равная количеству
вещества, содержащего столько же структурных элементов (атомов,
молекул и других частиц), сколько атомов содержится в 0,012 кг
углерода-12.

27.

Дополнительные единицы SI:
• радиан (рад) — единица плоского угла, равная
внутреннему углу между двумя радиусами
окружности, длина дуги между которыми, равна
радиусу;
• стерадиан (ср) - единица телесного угла, равная
телесному углу с вершиной в центре сферы,
вырезающему на поверхности этой сферы
площадь, равную площади квадрата со
стороной, равной радиусу сферы.

28.

Прямыми называют измерения, заключающиеся в экспериментальном
сравнении измеряемой величины с мерой этой величины или в отсчете
показания СИ, непосредственно допускающего значение измеряемой
величины. Примером прямых измерений могут быть измерения длины
линейкой, времени - при помощи часов, массы - гирь, температуры термометром.
Косвенными называют измерения, результаты которых определяют на
основании прямых измерений величин, связанных с измеряемой
величиной известной зависимостью. Например, объем прямоугольного
параллелепипеда можно определить по результатам прямых измерений
длины в трех взаимно перпендикулярных направлениях и т.п.

29.

Совокупными называют измерения, в которых значения величин находят
по данным повторных измерений одной или нескольких одноименных
величин при различных их сочетаниях. Результаты совокупных
измерений находят путем решений системы уравнений, составляемых по
результатам нескольких прямых измерений. Например, совокупными
являются измерения, при которых массы отдельных гирь набора находят
по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений
масс различных сочетаний гирь.
Совместными называют проводимые одновременно (прямые или
косвенные) измерения двух или нескольких неодноименных величин.
Целью совместных измерений по существу является нахождение
функциональной
зависимости
между
величинами.
Например,
зависимость длины тела от температуры, сопротивления от давления.

30.

Методы прямых измерений:
Метод непосредственной оценки дает значение измеряемой величины
непосредственно, без каких-либо дополнительных действий со стороны
лица, проводящего измерения, и без вычислений, кроме умножения его
показаний на постоянную измерительного прибора или цену деления.
Средства измерения (СИ), служащие для измерения методом непосредственной оценки, являются показывающие приборы: манометры,
барометры, расходомеры, жидкостные термометры и др.

31.

Методы прямых измерений:
Нулевой метод заключается в том, что
измеряемую величину сравнивают с
величиной, значение которой известно.
Последнюю выбирают таким образом,
чтобы разность между измеряемой и
известной величинами равнялась нулю.
Совпадение значений этих величин
отмечают при помощи нулевого указателя
(нуль-индикатора). Характерный пример
нулевого метода измерения - взвешивание
грузов
на
рычажных
весах
(как
равноплечих, так и неравноплечих).

32.

Методы прямых измерений:
Суть дифференциального метода (разностный) заключается в том, что
измеряется разность между измеряемой величиной и величиной,
значение которой известно.
Разностный метод позволяет получать результаты с высокой точностью
даже при применении относительно грубых средств измерения разности.
Однако осуществление метода возможно только при условии
воспроизведения с большой точностью известной величины, значение
которой близко к значению измеряемой. Это во многих случаях
оказывается легче, чем изготовить СИ высокой точности.

33.

Методы прямых измерений:
При измерении физических величин применяют метод совпадения,
характеризующийся использованием совпадения отметок шкал или
периодических сигналов.
Пример: если приложить к линейке с миллиметровыми делениями
линейку с дюймовыми делениями и совместить их нулевые отметки, то
обнаружим совпадение отметок 254 мм и 10 дюймов и т.д. Отсюда:
1 дюйм = 25,4 мм.

34.

СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ:
Средство измерений – техническое средство (или их комплекс),
предназначенное
для
измерений,
имеющее
нормированные
метрологические характеристики, воспроизводящие и (или) хранящие
единицу или шкалу физической величины.
• меры;
• измерительные приборы;
• измерительные преобразователи.
Их часто объединяют в более или менее сложные комплексы:
• измерительные установки;
• измерительные системы.

35.

Мера - тело или устройство, служащее для воспроизведения
одного или нескольких значений физической величины заданного
размера.
Различают меры:
• однозначные, воспроизводящие физическую величину одного размера
(гиря, конденсатор постоянной емкости);
• многозначные, воспроизводящие ряд одноименных величин
различного размера (линейка с делениями, конденсатор переменной
емкости);
• наборы мер, совокупность мер, применяемых как отдельно, так и в
различных сочетаниях с целью воспроизведения ряда значений
физической величины в определенных пределах (наборы гирь,
плоскопараллельных
концевых
мер
длины,
измерительных
конденсаторов).

36.

Измерительным прибором называется СИ, предназначенное для
выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для
непосредственного восприятия наблюдателем.
В отличие от меры измерительный прибор не воспроизводит известное
значение величины, а измеряемая величина должна подводиться к нему
извне, воздействовать на него тем или иным способом.
Измерительный прибор, допускающий только отсчитывание показаний,
называется показывающим, измерительный прибор, в котором
предусмотрена регистрация показаний, - регистрирующим.

37.

Аналоговые приборы - это такие приборы, показание которых является
непрерывной функцией изменения измеряемой величины. К ним
относятся стрелочные приборы с отсчетным устройством, состоящим из
двух элементов: шкалы и указателя, связанного с подвижной частью
прибора.

38.

Цифровыми называют приборы (ЦИП), автоматически вырабатывающие
дискретные сигналы измерительной информации, показания которых
представляются в цифровой форме.
В качестве цифрового отсчетного устройства используется световое табло
(мозаичные и проекционные системы, многоэлементные цифровые
люминесцентные газоразрядные лампы)

39.

В последнее время получили применение аналогово-дискретные
измерительные приборы. В этих приборах используют квазианалоговые
отсчетные устройства, в которых роль указателя выполняет светящаяся
полоса или светящаяся точка, меняющая дискретно свою длину (полоса)
или положение (точка) относительно шкалы. Такие приборы сочетают в
себе достоинства аналоговых и цифровых приборов.

40.

Измерительный преобразователь - СИ, предназначенное для выработки
сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи,
дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не
поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.
Измерительный преобразователь, к которому подводится измеряемая
величина, называют первичным измерительным преобразователем.
Измерительный преобразователь, предназначенный для изменения
размера величины в заданное число раз, называют масштабным
измерительным преобразователем.

41.

Преобразуемая
величина
называется
входной,
а
результат
преобразовании - выходной величиной; соотношение между ними
задается номинальной статической функцией преобразования
(градуировочной характеристикой),
Пример: так, термопара является первичным измерительным
преобразователем, преобразующий температуру в термоЭДС, ее
градуировочной характеристикой является зависимость ЭДС от температуры.

42.

По виду входных и выходных величин измерительные преобразователи
подразделяют:
• на аналоговые, преобразующие одну аналоговую величину в другую;
• аналогово-цифровые преобразователи (АЦП), преобразующие
аналоговую величину в цифровой код;
• цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), преобразующие
цифровой код в аналоговую величину.