Физическая величина

1Физическая величина — одно из свойств физического объекта, общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.

2Шкалой измерений называют упорядоченную совокупность значений физ величины, принятую по соглашению на основании результатов точных измерений.

3Средством измерений (СИ) называют техническое средство (или их комплекс), используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики.

4Эталоны являются высокоточными СИ, а поэтому используются для проведения метрологических измерений в качестве средств передачи информации о размере единицы. Размер единицы передаётся «сверху вниз», от более точных СИ к менее точным «по цепочке»: первичный эталон - вторичный эталон - рабочий эталон 0-го разряда - рабочий эталон 1-го разряда... - рабочее средство измерений.                                                                                                                                                                 Передача размера осуществляется в процессе поверки СИ. Целью поверки является установление пригодности СИ к применению.

5Первым постулатом теории измерений  является постулат А: в рамках принятой модели объекта исследования существует определенная физическая величина и ее истинное значение. из постулата А вытекает следствие А1: для данной физической величины объекта измерения существует множество измеряемых величин (и соответственно их истинных значений).                    Вторым постулатом В: истинное значение измеряемой величины постоянно. Данный аспект отражается в следствии В1: для измерения переменной физической величины необходимо определить ее постоянный параметр – измеряемую величину.                                                 Принципиальный характер понятия «пороговое несоответствие» устанавливается постулатом С: существует несоответствие измеряемой величины исследуемому свойству объекта (пороговое несоответствие измеряемой величины). Отсюда вытекает важное следствие С1: истинное значение измеряемой величины отыскать невозможно.

Основное уравнение измерений имеет вид:                                                                                               где:Q — измеряемая физическая величина;                                                                                                                            q — её числовое представление в принятых единицах измерения физической величины Q;                           v — принятая единица измерения физической величины Q.

6Прямые измерения – это непосредственное сравнение физической величины с ее мерой. Косвенные измерения – отличаются от прямых тем, что искомое значение величины устанавливают по результатам прямых измерений таких величин, которые связаны с искомой определенной зависимостью.                                                                                                                              Совокупные измерения – сопряжены с решением системы уравнений, составляемых по результатам одновременных измерений нескольких однородных величин.                                    Совместные измерения – это измерения двух или более неоднородных физических величин для определения зависимости между ними.                                                                                                      Статистические измерения связаны с определением характеристик случайных процессов, звуковых сигналов, уровня шумов и т. д.                                                                                                   Динамические измерения связаны с такими величинами, которые в процессе измерений претерпевают те или иные изменения. Статические и динамические измерения в идеальном виде на практике редки.                          

По количеству измерительной информации различают  однократные и многократные измерения. Однократные измерения – это одно измерение одной величины, т. е. число измерений равно числу измеряемых величин.                                                                                                                                   Многократные измерения характеризуются превышением числа измерений количества измеряемых величин.

7По используемому  методу измерения – совокупности  приемов использования принципов  и средств измерений различают:метод  непосредственной оценки;метод сравнения с мерой;метод противопоставления;метод дифференциальный;метод нулевой;метод замещения;метод совпадений.

8Измерения  производят с помощью средств  измерений — технических средств,  имеющих нормированные метрологические  характеристики.                                                                                            По функциональному назначению средства измерений делят на следующие группы: меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные информационные системы и измерительные установки.

9Погрешность измерения — оценка отклонения измеренного значения величины от её истинного значения. Погрешность измерения является характеристикой (мерой) точности измерения.

Классификация погрешностей .                                                                                                                                                      По форме представления:                                                                                                                                                    Абсолютная погрешность — является оценкой абсолютной ошибки измерения.

Относительная погрешность — погрешность измерения, выраженная отношением абсолютной погрешности  измерения к действительному  или измеренному значению измеряемой величины (РМГ 29-99):      Относительная погрешность является безразмерной величиной, либо измеряется в процентах.

Приведённая погрешность — погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности  средства измерений к условно  принятому значению величины, постоянному во всем диапазоне измерений или в части диапазона. Вычисляется по формуле , где — нормирующее значение, которое зависит от типа шкалы измерительного прибора и определяется по его градуировке:

если шкала  прибора односторонняя, то есть нижний предел измерений равен нулю, то                          определяется равным верхнему пределу измерений;                                                                                  если шкала прибора двухсторонняя, то нормирующее значение равно ширине диапазона измерений прибора.                                                                                                                                               Приведённая погрешность является безразмерной величиной, либо измеряется в процентах.

По причине  возникновения:

Инструментальные / приборные погрешности — погрешности, которые определяются погрешностями  применяемых средств измерений  и вызываются несовершенством принципа действия, неточностью градуировки шкалы, ненаглядностью прибора.

Методические  погрешности — погрешности, обусловленные  несовершенством метода, а также  упрощениями, положенными в основу методики.

Субъективные / операторные / личные погрешности  — погрешности, обусловленные степенью внимательности, сосредоточенности, подготовленности и другими качествами оператора.

По характеру  проявления[править]

Случайная погрешность — составляющая погрешности  измерения, изменяющаяся случайным  образом в серии повторных  измерений одной и той же величины, проведенных в одних и тех же условиях.                                                                                                                                                                                               Систематическая погрешность — погрешность, изменяющаяся во времени по определённому закону (частным случаем является постоянная погрешность, не изменяющаяся с течением времени). Систематические погрешности могут быть связаны с ошибками приборов (неправильная шкала, калибровка и т. п.), неучтёнными экспериментатором.                        Систематическую ошибку нельзя устранить повторными измерениями. Её устраняют либо с помощью поправок или «улучшением» эксперимента.                                                                  Прогрессирующая (дрейфовая) погрешность — непредсказуемая погрешность, медленно меняющаяся во времени. Она представляет собой нестационарный случайный процесс.                               Грубая погрешность (промах) — погрешность, возникшая вследствие недосмотра экспериментатора или неисправности аппаратуры (например, если экспериментатор неправильно прочёл номер деления на шкале прибора или если произошло замыкание в электрической цепи).

По способу  измерения:

Погрешность прямых измерений - вычисляется по формуле

где : ; — стандартная ошибка среднего (выборочное СКО, деленное на корень из количества измерений ), а — квантиль распределения Стьюдента для числа степеней свободы   и уровня значимости ;  — абсолютная погрешность средства измерения (обычно это число равное половине цены деления измерительного прибора).

Погрешность косвенных воспроизводимых  измерений — погрешность вычисляемой (не измеряемой непосредственно) величины:                                                                                                                   Если , ,где   — непосредственно измеряемые независимые величины, имеющие погрешность , тогда:                                                       Погрешность косвенных невоспроизводимых измерений - вычисляется по принципу прямой погрешности, но вместо   ставится значение полученное в процессе расчётов.

10Обычно  измерения являются однократными. При обычных условиях их точности  вполне достаточно.                                                                                                                                                                       Результат однократного измерения представляется в следующем виде:Qi = Yi + ?i ,                                       где Yi– значение i-го показания;?i– поправка.                                                                                               Погрешность результата однократного измерения определяется при утверждении метода проведения измерений.                                                                                                                                                       В процессе обработки результатов измерений используются различные виды закона распределения (нормальный закон распределения, равномерный закон распределения, корреляционный закон распределения) измеряемой величины (в данном случае она рассматривается как случайная).

11Прямое измерение — измерение, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно.

12Многократное измерение — измерение физической величины одного и того же размера, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений, то есть состоящее из ряда однократных измерений

13Методика получения результатов при проведении многократных прямых измерений установлена ГОСТ 8.207—76 «ГСИ. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдения. Основные положения». Перед рассмотрением методики напомним, что ГОСТ 8.207 разработан и утвержден в период действия ныне отмененных ГОСТ 16263 на термины и определения в области метрологии, ГОСТ ов серии «П.», устанавливающих правила математической статистики при определении закона распределения, и отсутствия каких бы то ни было представлений о неопределенности результатов измерений.

14Погрешности средств измерений и измерительных каналов средств автоматизации могут быть выражены двумя различными способами: с помощью точечных оценок и с помощью интервальных. К точечным оценкам относится математическое ожидание погрешности и среднеквадратическое отклонение. В качестве интервальной оценки используют интервал погрешности, который охватывает все возможные значения погрешности измерений с вероятностью . Эта вероятность называется доверительной или надежностью оценки погрешности.

15Качество измерений зависит от правильности выбора средств измерений. При этом учитывается ряд факторов:измеряемая физическая величина;метод измерения, реализуемый в среде измерений;диапазон и погрешность СИ;условия проведения измерений;допускаемая погрешность измерений;стоимость средства измерений;простота их эксплуатации;ресурсы средств измерений;потери из-за погрешностей измерений (брак I и II рода).                               Основными характеристиками средств измерений являются их погрешности. Их рассматривают в первую очередь.                                                                                                                                                                                 Три основные принципа выбора точности средств измерений:                                                                     Экономический подход – учитывает почти все показатели. При этом необходимо иметь в виду:  повышение точности измерений позволяет точнее регулировать производственный процесс; более точные измерения позволяют сократить допуск на изделия;

16Метрологическая  служба — это совокупность  субъектов деятельности и видов  работ, направленных на обеспечение  единства измерений.                                                                                                            В настоящее время метрологическая служба России состоит из Государственной метрологической службы, руководство которой осуществляется Ростехрегулированием, а также из метрологических служб органов государственного управления и юридических лиц.                                                  Государственная метрологическая служба выполняет работы по обеспечению единства измерений в стране на межрегиональном и межотраслевом уровне и осуществляющая государственный метрологический контроль и надзор.                                                                  Государственная метрологическая служба включает государственные научные метрологические центры (ГНМЦ) и территориальные органы, расположенные в субъектах Российской Федерации, (республиках, автономных областях, автономных округах, областях, городах Москве и Санкт-Петербурге).

17Предмет метрологии как науки об измерениях составляют следующие задачи:                                        общая теория измерений;                                                                                                                                             единицы физических величин и их системы;                                                                                                                методы и средства измерений;                                                                                                                                       методы определения точности измерений;                                                                                                                          основы обеспечения единства измерений;                                                                                                       эталоны единиц физических величин;                                                                                                                   методы передачи размеров единиц от эталонов к рабочим средствам измерений.                     Метрология состоит из следующих основных разделов:                                                                       теоретическая (фундаментальная) метрология, предметом которой является разработка фундаментальных основ метрологии, таких, например, как общая теория измерений и теория погрешностей, теория единиц физических величин и их систем, теория шкал и поверочных схем и др.;                                                                                                                                                                          законодательная метрология, которая представляет собой   совокупность обязательных для применения метрологических правил и норм по обеспечению единства измерений, которые функционируют в ранге правовых положений и находятся под контролем государства;             практическая (прикладная) метрология, которая решает вопросы практического применения разработок теоретической метрологии и положений законодательной метрологии, в частности, вопросы поверки и калибровки средств измерений.

18 Законодательная база ГСИ представлена Конституцией РФ, ФЗ ОЕИ, ФЗ (ст. 6, 7), а также Гражданским кодексом РФ (ст. 465, п. 1), с помощью которых реализуется законодательный принцип управления.                                                                                                                                           Важнейшее значение в совершенствовании ГСИ играет ФЗ ОЕИ, который устанавливает правовые основы ОЕИ в России, регулирует отношения государственных органов управления РФ с юридическими и физическими лицами по вопросам изготовления, выпуска, эксплуатации, ремонта, продажи и импорта средств измерений. Закон направлен на защиту интересов и прав граждан и государства от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений. Нормативная база ГСИ - комплекс НДов, устанавливающих метрологические нормы, правила и характеристики по ОЕИ, имеющие обязательную силу на территории РФ.                                                 Основу нормативной базы ГСП составляет согласно ст. 20 ФЗ ОЕИ Федеральный информационный фонд по ОЕИ. Он образуется нормативными правовыми актами РФ, НДами, информационными базами данных, международными документами, международными договорами РФ в области ОЕИ, сведениями об аттестованных методиках (методах) измерений, единым перечнем измерений, относящихся к сфере государственного регулирования ОЕИ, сведениями государственных эталонах единиц величин, а также об утвержденных типах стандартных образцов и результатах поверки средств измерений. Ведение этого фонда организует федеральный орган исполнительной власти, осуществляющий функции по оказанию государственных услуг в области ОЕИ.                                                                                                                                                                                         НДы по ОЕИ - государственные стандарты, применяемые в установленном порядке межгосударственные стандарты, правила, положения, инструкции и рекомендации.

19Единство  измерений — состояние измерений,  при котором их результаты  выражены в допущенных к применению в Российской Федерации единицах величин, а показатели точности измерений не выходят за установленные границы. Данное определение дано в ФЕДЕРАЛЬНОМ ЗАКОНЕ от 26.06.2008 N 102-ФЗ "ОБ ОБЕСПЕЧЕНИИ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ" (принят ГД ФС РФ 11.06.2008).                                                                                                                                                                   Единство измерений необходимо для того, чтобы можно было сопоставить результаты измерений, выполненных в разных местах и в разное время, с использованием разных методов и средств измерений.                                                                                                                                                  Определение понятия «единство измерений» довольно емкое. Оно охватывает важнейшие задачи метрологии: унификацию единиц, разработку систем воспроизведения единиц и передачи их размеров рабочим средствам измерений с установленной точностью, проведение измерений с погрешностью, не превышающей установленные пределы и др. Единство измерений должно выдерживаться при любой точности измерений, необходимой владельцу процесса.                   Правовые основы обеспечения единства измерений в Российской Федерации регламентированы Законом РФ «Об обеспечении единства измерений».

20Этало́н (англ.  measurement standard, etalon, фр. étalon) — средство измерений (или комплекс средств измерений), обеспечивающее воспроизведение и (или) хранение единицы, а также передачу её размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений и утверждённое в качестве эталона в установленном порядке.

Виды эталонов:                                                                                                                                                           Первичный эталон — это эталон, воспроизводящий единицу физической величины с наивысшей точностью, возможной в данной области измерений на современном уровне научно-технических достижений. Первичный эталон может быть национальным (государственным) и международным.                                                                                                                                                     Вторичный эталон — эталон, получающий размер единицы непосредственно от первичного эталона данной единицы.                                                                                                                                          Эталон сравнения — эталон, применяемый для сличений эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличены друг с другом.                                                      Исходный эталон — эталон, обладающий наивысшими метрологическими свойствами (в данной лаборатории, организации, на предприятии), от которого передают размер единицы подчинённым эталонам и имеющимся средствам измерений.                                                                    Рабочий эталон — эталон, предназначенный для передачи размера единицы рабочим средствам измерений.                                                                                                                                                    Государственный первичный эталон — первичный эталон, признанный решением уполномоченного на то государственного органа в качестве исходного на территории государства.     Международный эталон — эталон, принятый по международному соглашению в качестве международной основы для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами.                                                                                                                                           

Наиболее  известные эталоны .                                                                                                                                                                 Эталоны длины и массы, хранящиеся в Международном бюро мер и весов в Севре. Первый из них — «архивный метр» — на сегодня имеет лишь исторический интерес. Второй — эталон килограмма — сохраняет функцию международного эталона массы. 

21Образцовые средства измерений, меры, измерительные приборы и измерительные преобразователи, служащие для поверки по ним др. средств измерений и аттестованные в качестве образцовых. О. с. и. подразделяются на разряды: 1-й, 2-й и т.д. О. с. и. 1-го разряда аттестуются по эталону или, при его отсутствии, путём косвенных измерений по О. с. и. других физических величин. О. с. и. 2-го разряда аттестуются по О. с. и. 1-го разряда и т.д. В конечном счёте назначением О. с. и. является обеспечение поверки всех применяемых в стране рабочих средств измерений.

22Поверочная схема для средств  измерений — нормативный документ, устанавливающий соподчинение средств  измерений, участвующих в передаче  размера единицы от эталона  рабочим средствам измерений  (с указанием методов и погрешности  при передаче). Различают государственные и локальные поверочные схемы, ранее существовали также ведомственные ПВ.   Государственная поверочная схема распространяется на все средства измерений данной физической величины, применяемые в стране, например, на средства измерений электрического напряжения в определённом диапазоне частот. Устанавливая многоступенчатый порядок передачи размера единицы ФВ от государственного эталона, требования к средствам и методам поверки, государственная поверочная схема представляет собой структуру метрологического обеспечения определённого вида измерений в стране. Эти схемы разрабатываются главными центрами эталонов и оформляются одним ГОСТом ГСИ.                                                                          Локальные поверочные схемы распространяются на средства измерений, подлежащие поверке в данном метрологическом подразделении на предприятии, имеющем право поверки средств измерений и оформляются в виде стандарта предприятия. Ведомственные и локальные поверочные схемы не должны противоречить государственным и должны учитывать их требования применительно к специфике конкретного предприятия.                                                      Ведомственная поверочная схема разрабатывается органом ведомственной метрологической службы, согласовывается с главным центром эталонов – разработчиком государственной поверочной схемы средств измерений данной ФВ и распространяется только на средства измерений, подлежащие внутриведомственной поверке.

23ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЙ  НАДЗОР И КОНТРОЛЬ                                                                            Сферы распространения государственного метрологического надзора и контроля .                               Сферами распространения государственного метрологического надзора и контроля являются:                  а) охрана жизни и здоровья, ветеринация; б) охрана окружающей среды; в) защита прав потребителя; г) обеспечение безопасности труда; д) государственный учет материальных запасов; е) взаимные расчеты между покупателем и продавцом, в том числе услуги с применением игровых автоматов и устройств; ж) обеспечение обороны государства; з) геодезические и гидрометереологические работы; и) банковские, налоговые, таможенные и почтовые услуги; к) испытания продукции в целях определения соответствия обязатиельным требованиям нормативных документов; л) обязательная сертификация продукции, работ и услуг; м) измерения, проводимые по поручению судов, прокуратуры, государственного арбитража, государственных органов; н) регистрация национальных и международных спортивных рекордов.

24ПОВЕРКА  СРЕДСТВ  ИЗМЕРЕНИЙ  -  совокупность  операций,  выполняемых   органами  государственной  метрологической   службы (другими  уполномоченными   на  то  органами, организациями)  с  целью  определения   и  подтверждения  соответствия  средства  измерений  установленным  техническим  требованиям.                                                                                                       КАЛИБРОВКА  СРЕДСТВ  ИЗМЕРЕНИЙ  -  совокупность  операций,  выполняемых  с  целью   определения   и   подтверждения  действительных  значений  метрологических  характеристик  и  (или)  пригодности  к  применению  средства  измерений, не  подлежащего  государственному  метрологическому  контролю  и  надзору.

25Утверждение типа средства  измерений – решение, выносимое органом государственной метрологической службы, свидетельствующее о соответствии средств измерений установленным требованиям и о пригодности его применения в сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора.                                                                                                                                                                                                                                                                                                             Утверждение типа СИ является видом государственного метрологического контроля и проводится в целях обеспечения единства измерений в стране. Все средства измерений, применяемые в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, подлежат обязательному утверждению. При утверждении типа средств измерений, устанавливаются показатели точности, а так же интервал и методика проведения поверки средств измерений данного типа. Решение об утверждении типа принимает Федеральное агенство по техническому регулированию и метрологии (Ростехрегулирование) на основании положительных результатов испытаний для целей утверждения типа.

26Стандартизация — это деятельность, направленная на разработку и установление требований, норм, правил и характеристик (обязательных для выполнения и рекомендуемых), обеспечивающая право потребителя на приобретение товаров надлежащего качества за приемлемую цену, а также право на безопасность и комфортность труда. Стандарт — это нормативный документ, разработанный на основе консенсуса, утвержденный признанным органом и направленный на достижение оптимальной степени упорядочения в определенной области. В стандарте устанавливают для всеобщего и многократного использования общие принципы, правила и характеристики, касающиеся содержания различных видов деятельности или их результатов. Стандарты разрабатывают на основе достижений науки, техники и передового опыта; они содержат показатели, которые гарантируют возможность повышения качества продукции (и экономичности ее производства), а также уровня ее взаимозаменяемости. Документ технических условий устанавливает технические требования к продукции, процессу или услуге.

27Общей целью стандартизации  является защита интересов потребителей  и государства по вопросам качества продукции,процессов и услуг. Стандартизация как деятельность обеспечивает решение следующих задач:                                                                                                                                                         1. Повышение уровня безопасности.                                                                                                                                     2. Обеспечение.                                                                                                                                                                                  3. Создание.                                                                                                                                                                                 4. Содействия проведению работ по унификации.                                                                                                     Основные принципы стандартизации в Российской Федерации, обеспечивающие достижение целей и задач ее развития.

28Органы и службы стандартизации  — организации, учреждения, объединения  и их подразделения, основной  деятельностью которых является  осуществление работ по стандартизации  или выполнение определенных функций по стандартизации.                                Организацию работ по стандартизации осуществляет национальный орган по стандартизации РФ. Функции национального органа по стандартизации возложены Правительством РФ на Ростехрегулирование, которое выполняет следующие работы:                                                                                    — утверждение национальных стандартов;                                                                                                        — принятие программ разработки национальных стандартов;                                                                             — организацию экспертизы проектов национальных стандартов;                                                                          — обеспечение соответствия национальной системы стандартизации интересам национальной экономики, состоянию материально-технической базы и научно-техническому прогрессу;                          — осуществление учета национальных стандартов, правил стандартизации, норм и рекомендаций в этой области и обеспечение их доступности заинтересованным лицам;                                                           —  создание технических комитетов по стандартизации и координацию их деятельности;                           — организацию опубликования национальных стандартов и их распространение;                                               — участие в соответствии с уставами международных организаций в разработке международных стандартов и обеспечение учета интересов Российской Федерации при их принятии;                                   —  утверждение изображения знака соответствия национальным стандартам;                                                —  представление Российской Федерации в международных организациях, осуществляющих деятельность в области стандартизации.