Планирование измерительного эксперимента

   При прямых измерениях экспериментальным операциям подвергают измеряемую величину, которую сравнивают с мерой непосредственно или же с помощью измерительных приборов, градуированных в требуемых единицах.

   Примерами прямых служат измерения длины тела линейкой, массы при помощи весов  и др. Прямые измерения широко применяются в машиностроении, а также при контроле технологических процессов (измерение давления, температуры и др.).

   Косвенные - это измерения, при которых искомую величину определяют на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям, т.е. измеряют не собственно определяемую величину, а другие, функционально с ней связанные. Значение измеряемой величины находят путем вычисления по формуле , где - искомое значение косвенно измеряемой величины; - функциональная зависимость, которая заранее известна, - значения величин, измеренных прямым способом.

   Примеры косвенных измерений: определение  объема тела по прямым измерениям его  геометрических размеров, нахождение удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения.

   Косвенные измерения широко распространены в  тех случаях, когда искомую величину невозможно или слишком сложно измерить непосредственно или когда прямое измерение дает менее точный результат. Роль их особенно велика при измерении величин, недоступных непосредственному экспериментальному сравнению, например размеров астрономического или внутриатомного порядка.

   Совокупные - это производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомую определяют решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.

   Примером  совокупных измерений является определение  массы отдельных гирь набора (калибровка по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь).

   Совместные - это производимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимостей между ними.

   В качестве примера можно назвать измерение электрического сопротивления при 20⁰С и температурных коэффициентов измерительного резистора по данным прямых измерений его сопротивления при различных температурах.

   По  условиям, определяющим точность результата, измерения делятся на три класса:

   1. Измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровне техники.

   К ним относятся в первую очередь  эталонные измерения, связанные  с максимально возможной точностью  воспроизведения установленных  единиц физических величин, и, кроме того, измерения физических констант, прежде всего универсальных (например, абсолютного значения ускорения свободного падения, гиромагнитного отношения протона и др.).

   К этому же классу относятся и некоторые  специальные измерения, требующие высокой точности.

   2. Контрольно-поверочные измерения, погрешность которых с определенной вероятностью не должна превышать некоторого заданного значения.

   К ним относятся измерения, выполняемые  лабораториями государственного надзора  за внедрением и соблюдением стандартов и состоянием измерительной техники и заводскими измерительными лабораториями, которые гарантируют погрешность результата с определенной вероятностью, не превышающей некоторого, заранее заданного значения.

   3. Технические измерения, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерений.

   Примерами технических измерений являются измерения, выполняемые в процессе производства на машиностроительных предприятиях, на щитах распределительных устройств  электрических станций и др.

   По  способу выражения результатов  измерений различают абсолютные и относительные измерения.

   Абсолютными называются измерения, которые основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин или на использовании значений физических констант.

   Примером  абсолютных измерений может служить  определение длины в метрах, силы электрического тока в амперах, ускорения  свободного падения в метрах на секунду  в квадрате.

   Относительными называются измерения отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

   В качестве примера относительных  измерений можно привести измерение  относительной влажности воздуха, определяемой как отношение количества водяных паров в 1 м³ воздуха к количеству водяных паров, которое насыщает 1 м³ воздуха при данной температуре.

   Основными характеристиками измерений являются: принцип измерений, метод измерений, погрешность, точность, правильность и  достоверность.

   Принцип измерений - физическое явление или совокупность физических явлений, положенных в основу измерений.

     Метод измерений - совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Средствами измерений являются используемые технические средства, имеющие нормированные метрологические свойства.

   Погрешность измерений - разность между полученным при измерении X' и истинным Q значениями измеряемой величины:

   Погрешность вызывается несовершенством методов  и средств измерений, непостоянством условий наблюдения, а также недостаточным  опытом наблюдателя или особенностями  его органов чувств.

   Точность  измерений - это характеристика измерений, отражающая близость их результатов к истинному значению измеряемой величины.

   Количественно точность можно выразить величиной, обратной модулю относительной погрешности:

   Например, если погрешность измерений равна  , то точность равна .

   Правильность  измерения определяется как качество измерения, отражающее близость к нулю систематических погрешностей результатов (т.е. таких погрешностей, которые остаются постоянными или закономерно изменяются при повторных измерениях одной и той же величины).

   Важнейшей характеристикой качества измерений  является их достоверность; она характеризует доверие к результатам измерений и делит их на две категории: достоверные и недостоверные, в зависимости от того, известны или неизвестны вероятностные характеристики их отклонений от истинных значений соответствующих величин.

   Результаты  измерений, достоверность которых  неизвестна, не представляют ценности и в ряде случаев могут служить источником дезинформации.

   Наличие погрешности ограничивает достоверность  измерений, т.е. вносит ограничение  в число достоверных значащих цифр числового значения измеряемой величины и определяет точность измерений.

      / §5./ Основы метрологии . 

Вопросы для самопроверки: 

1. Дать определение  измерению?
2. Аспекты измерения?
3. Где используются результаты измерений?
4. Какое имеет значение точность измерения?
5. Что такое измерительная цель?

 
 
 
 
 
 
 

Лекция 3

Тема 3. Физические свойства  величины (1час). 

    Физическая величина – это  свойство, общее в качественном  отношении многим физическим  объектам (физическим системам, их  состояниям и происходящим в  них процессам), но в количественном  отношении индивидуальное для  каждого объекта, т.е. чтобы определить физическую величину, ее надо измерить.

   Измерение – это нахождение значения физической величины опытным путем, как правило, с помощью специальных технических  устройств.

   Являясь одним из способов познания природы, измерения содействуют научным открытиям  и их внедрению в практику. Изучение явлений природы, отыскание законов, которым эти явления подчинены, связаны с измерениями и сводятся в конечном итоге к определению количественных соотношений, через которые вскрываются  и качественные стороны изучаемых предметов.                      

   Существуют  понятия «действительное значение физической величины», «истинное значений физической величины» и «погрешность результата измерений».

   Истинное  значение физической величины – значение, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта измерений. 
 
 

   Несовершенство  средств и методов измерений, недостаточная тщательность проведения измерений и обработки их результатов,

воздействие внешних дестабилизирующих факторов, дороговизна, трудоемкость и длительность измерений не позволяют получить при измерении истинного значения физической величины. В большинстве случаев достаточно знать действительное значение физической величины – значение физической величины найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению,  что для данных целей может быть использовано вместо него.

   Для практики достаточно знать погрешность  результата измерений – алгебраическую разность между полученным  при измерении и действительным значениями физической величины.

   В настоящее время мировое признание  получила Международная система  единиц (СИ) – наиболее совершенная  на сегодняшний день форма метрической  системы мер. Правильность применения единиц этой системы – одно из основных условий обеспечения единства измерений.

   Существует  английская «система» единиц физических величин:

   Единицы длины

   1 ярд = 3 фута            1 миля = 5280 футов

   1 фут = 12 дюймов     1 миля = 1760 ярдов

   Единицы объема для жидкостей  1 галлон =4 кварты   1 галлон = 231 куб. дюйм

   Единицы веса и массы  1 фунт = 16 унций                                                                                                            1 тонна = 2000 фунтов

   Но  она имеет свои недостатки: набор  единиц не обладает признаками системы, в которой должны быть основные величины и производные от них в соотношениях, подобных нашей десятичной системе  счисления, удобной в обращении  и пересчетах. При использовании десятичной системы переход от одной единицы к другой, однородной ей, осуществляется простым переносом запятой в числовом значении результата измерений.

   В международной системе СИ метр является одной из основных единиц величин. Обязателен ли был выбор основной единицы длины – метра? На чем отразится в первую очередь выбор другой единицы в качестве основной, например, аршина, дюйма, мили и т.д.?

   Выбор основных единиц произволен, он устанавливается  соглашением из соображений рациональности с обеспечением минимального числа основных единиц, которое позволило бы образовать максимальное число производных единиц. От выбора основной единицы в первую очередь зависят размеры производных единиц. Так, в нашем случае производная единица - единица

   площади, определяемая как площадь квадрата, длина каждой стороны которого равна выбранной основной единице длины, стала бы квадратным аршином, квадратным дюймом, квадратной милей. 

      / §6/ Основы метрологии . 

Вопросы для самопроверки: 

1. Дайте определение ФВ?
2. Классификация отдельных групп ФВ?
3. Что такое эквивалентные, экстенсивные, интенсивные ФВ?
4. Что такое единица, значение, числовое значение ФВ ?
5. Как вы понимаете суть измерения, прямого измерения?