Измерение физических величин и технологических параметров

Общие положения и основные определения

Физическая величина (температура, давление, вязкость и др.) – 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 необходимо измерить. Термином «величина» часто пытаются выразить размер данной конкретной физической величины. Говорят величина давления, температуры, напряжения, мощности и т.д. Это неправильно: давление, температура, напряжение в правильном понимании являются величинами, а, следовательно, говорить о величине величины нельзя. Следует использовать вместо термина «величина» термин «значение»: значение температуры, давления, напряжения и т.д. Если необходимо количественно оценить физическую величину, используют термин «числовое значение», например, 150˚С, 100Па, 16,9А и др., где 150; 100; 16,9 – числовые значения температуры, давления, силы тока.

Измерение – это процесс получения информации, заключающийся в сравнении опытным путем с помощью специальных технических средств измерения и известных величин (или сигналов), выполнения необходимых логических операций и представление информации в числовой форме. Значение физической величины, найденное путем измерения, называют результатом измерения. Измерение осуществляется посредством наблюдения за измеряемой (исследуемой) величиной.

Наблюдение при измерении (наблюдение, замер) – экспериментальная операция, выполняемая в процессе измерений, в результате которой получают одно значение из группы значений величины, подлежащих совместной обработке для вычисления результата измерения.

Результат измерения – значение величины, полученное при отдельном наблюдении. Результат наблюдения представляется именованным числом (100˚С, 16 кг и т.д.).

Прямым измерением называют такое, результат которого находят непосредственно при помощи отсчета по шкале соответствующего измерительного прибора или сравнением с мерой: измерение длины линейкой, времени – секундомером, массы - весами, температуры – термометром, силы тока – амперметром и т.д.

Косвенным измерением называют такое, результат которого находят на основе прямых измерений одной или нескольких величин, связанных с измеряемой величиной известной зависимостью. Например, площадь поперечного сечения проволоки – измерив ее диаметр, плотность твердого тела правильной геометрической формы – найдя массу и объем; электрическое сопротивление проводника – измерив силу тока, идущего по проводнику, и напряжение на нем.

Совокупными называют такие одновременно проводимые измерения нескольких одноименных величин, при которых значения искомых величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях сочетаний этих величин или при изменении условий измерений.

Например, для нахождения ЭДС Е термопары, внутреннее сопротивление которой R , измеряют амперметром силу тока I при коротком замыкании внешнего участка цепи (R=0), а затем силу тока I при наличии внешнего участка цепи, сопротивление которого R. Далее, используя закон Ома, получают систему уравнений:

I = E /R

I = E /(R + R),

решая которую находят

E = R∙I ∙I / (I + I ).

Совместными называют производимые одновременно (прямые или косвенные) измерения двух или нескольких неодноименных величин с целью установления зависимости между ними (например, одновременные измерения силы тока, идущего через диод, и напряжения на нем с целью построения вольт-амперной характеристики диода). Ниже будут рассмотрены наиболее часто используемые в процессе проведения лабораторного эксперимента прямые и косвенные измерения и методы расчета их погрешностей.

Для измерения физических величин установлены единицы измерения, причем, по согласованию, установлены единицы только нескольких величин (масса длина, время, сила тока, температура, сила света, количество вещества. Остальные единицы получают на основании физических закономерностей, связывающих эти величины с основными; такие единицы называют производными. Совокупность основных и производных единиц измерения величин составляет систему единиц. В настоящее время рекомендуемой к использованию является Международная система единиц (SI).

Несовершенство средств измерения (измерительных приборов, мер) и органов чувств человека, а часто и природа самой измеряемой величины приводят к тому, что результат измерения обязательно содержит некоторую погрешностью, т.е. измерение дает не истинное, а лишь приближенное значение измеряемой величины.

На практике всегда стремятся выбрать такой метод (средств) измерения, чтобы погрешности результатов измерений были малы по сравнению с их значениями, иначе измерения теряют смысл или в лучшем случае их можно использовать лишь для установления наличия ожидаемого эффекта или определения порядка (но не значения) измеряемой величины.