Что такое физическая величина, единица физической величины, средство измерения, измерительный прибор, мера, измерительный преобразовател

Размер величины. Значение величины        

 Размер физической величины – количественная определенность физической величины, присущая конкретному материальному объекту, системе, явлению или процессу.  
        Иногда возражают против широкого применения слова «размер», утверждая, что оно относится только к длине. Однако заметим, что каждое тело обладает определенной массой, вследствие чего тела можно различать по их массе, т.е. по размеру интересующей нас физической величины (массы). Рассматривая предметы А и В, можно, например, утверждать, что по длине или размеру длины они отличаются друг от друга (например, А > В). Более точная оценка может быть получена лишь после измерений длины этих предметов. 
Часто в словосочетании «размер величины» слово «размер» опускают или заменяют его на словосочетание «значение величины». 
        В машиностроении широко применяют термин «размер», подразумевая под ним значение физической величины - длины, свойственной какой-либо детали. Это значит, что для выражения одного понятия «значение физической величины» применяются два термина («размер» и «значение»), что не может способствовать упорядочению терминологии. Строго говоря, необходимо уточнить понятие «размер» в машиностроении так, чтобы оно не противоречило понятию «размер физической величины», принятому в метрологии. В ГОСТ 16263-70 дано четкое разъяснение по этому вопросу. 
        Количественная оценка конкретной физической величины, выраженная в виде некоторого числа единиц данной величины, называется «значением физической величины».  
        Отвлеченное число, входящее в «значение» величины, называется числовым значением. 
        Между размером и значением величины есть принципиальная разница. Размер величины существует реально, независимо от того, знаем мы его или нет. Выразить размер величины  можно при помощи любой из единиц данной величины, другими словами, при помощи числового значения. 
        Для числового значения характерно, что при применении другой единицы оно изменяется, тогда как физический размер величины остается неизменным. 
        Если обозначить измеряемую величину через x, единицу величины - через  [x1], а отношение их—через  q1,  то x = q1×[x1] . 
        Размер величины x не зависит от выбора единицы, чего нельзя сказать о числовом значении q , которое целиком определяется выбором единицы. Если для выражения размера величины  x  вместо единицы  [x1]  применить единицу [x2] , то  неизменившийся  размер  x  будет  выражен  другим  значением:   
x = q2×[x2] ,   где n2 ¹ n1. 
        Если в приведенных выражениях применять q = 1, то размеры единиц  
x1 = 1×[x1]   и  x2 = 1×[x2 ] . 
        Размеры разных единиц одной и той же величины различны. Так, размер килограмма отличается от размера фунта; размер метра—от размера фута и т. п.

                   Размерность физических величин 
        Размерность физических величин— это соотношение между единицами величин, входящих в уравнение, связывающее данную величину с другими величинами, через которые она выражается. 
        Размерность физической величины обозначается dim A (от лат. dimension – размерность). Допустим, что физическая величина А связана с X, Y уравнением  A = F(Х, Y). Тогда величины X, Y, А можно представить в виде 
Х = х×[Х];    Y = y×[Y];    A = а×[A], 
где А, X, Y - символы, обозначающие физическую величину; а, х, y - числовые значения величин (безразмерные); [A]; [X]; [Y] - соответствующие единицы данных физических величин. 
        Размерности значений физических величин и их единиц совпадают. Например: 
A = X/Y;                      dim (a) = dim (X/Y) = [Х]/[Y]. 
        Размерность — качественная характеристика физической величины, дающая представление о виде, природе величины, о соотношении ее с другими величинами, единицы которых принимаются за основные.

Измерительное преобразование        

 В некоторых случаях,  когда нельзя непосредственно  сравнить измеряемую величину  с воспроизводимой единицей физической  величины, используют измерительное  преобразование. Это такой вид  преобразования, при котором устанавливается  однозначное соответствие между  значениями двух величин (входной  и выходной). Зависимость между  этими величинами стремятся сделать  линейной. Диапазон преобразования  определяется множеством значений  входной величины, подвергаемой преобразованию.

Вид измерений       

 Вид измерений - часть области измерений, имеющая свои особенности и отличающаяся однородностью измеряемых величин. Например, в области электрических и магнитных измерений могут быть выделены как виды измерения электрического сопротивления, электродвижущей силы, электрического напряжения, магнитной индукции и др. 
       

Методы и средства измерений       

 Под понятием метод измерения подразумевается совокупность процессов использования принципов и средств измерений. 
        Принцип измерений - это совокупность физических явлений, на которых основаны измерения. Например, измерение температуры с использованием термоэлектрического эффекта; измерение расхода газа по перепаду давления в сужающем устройстве. 
        Конкретные методы измерений определяются видом измеряемых величин, их размерами, требуемой точностью результата, быстротой процесса измерения, условиями, при которых проводятся измерения, и рядом других признаков. 
        Каждую физическую величину можно измерить несколькими методами, которые могут отличаться друг от друга особенностями как технического, так и методического характера. В отношении технических особенностей можно сказать, что существует множество методов измерения и по мере развития науки и техники число их все увеличивается. С методической стороны все методы измерений поддаются систематизации и обобщению по общим характерным признакам. Рассмотрение и изучение этих признаков не только помогает правильному выбору метода и его сопоставлению с другими, но и существенно облегчает разработку новых методов измерения. 
        Для прямых измерений, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных, можно выделить несколько основных методов: метод непосредственной оценки, дифференциальный метод, нулевой метод, метод совпадений и метод замещений. 
        При косвенных измерениях, при которых искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям, широко применяется измерительное преобразование измеряемой величины в процессе измерений. 
        Средства измерений - это технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические свойства. От средств измерений непосредственно зависит правильное определение значения измеряемой величины в процессе измерения. В число средств измерений входят меры, измерительные приборы, измерительные установки, измерительные системы и измерительные преобразователи; к ним относятся также измерительные принадлежности, которые, однако, не могут применяться самостоятельно, а служат для расширения диапазона измерений, повышения точности измерений, передачи результатов измерений на расстояние и обеспечения техники безопасности в процессе измерения. К средствам измерения не следует относить устройства, служащие для создания заданных условий измерений (различные регулирующие устройства, реостаты, термостаты, барокамеры и т. п.).

Меры

Мера    -   средство    измерений,   предназначенное   для   воспроизведения 
физической величины заданного размера. 
        Некоторые меры являются телами определенной формы, изготовленными с необходимой тщательностью. Например, концевые меры длины, гири, измерительные колбы. Другие меры представляют совокупность многих деталей с определенной взаимосвязью (нормальный элемент, измерительный конденсатор, генератор стандартных сигналов), но не это является характерным для мер и их роли в измерениях. Вспомним любой процесс измерения. Относительно редко сравнивают измеряемую величину с мерой, значение которой равно единице. На рычажных весах сравнивают массу взвешиваемого тела с массой гирь 0,1; 0,2; 0,5; 1; 2; 5 кг. Следовательно, любая из этих гирь или их комбинация в процессе измерения может стать исходной для определения измеряемой массы. Таким образом, мера воспроизводит величины, значения которых связаны с принятой единицей этой величины определенным, известным соотношением. Мера - это, как правило, основа измерений [4].

    Эталоны единиц физических величин. Образцовые средства 
измерений 
        Эталон единицы физической величины — средство измерений (или комплекс средств измерений), предназначенное для воспроизведения и хранения единицы данной величины (в некоторых случаях только для воспроизведения или только для хранения единицы). Назначение эталона единицы физической величины - передача ее размера ниже стоящим по точности средствам измерений в общегосударственном или в международном масштабе. 
        Эталон единицы физической величины выполняется по особой спецификации и официально утверждается в установленном порядке. При конкретном применении термина слова «единицы физической величины» заменяют ее наименованием: эталон килограмма, эталон ампера и т.п. Опускать слова «единицы физической величины» или наименование единицы в целях сокращения следует очень осторожно. 
        В технике, науке и даже в художественной литературе слово «эталон» употребляется в более широком смысле. Под эталоном понимают образец наивысшего достижения в чем-либо, образец, по которому следует равняться. В метрологии и измерительной технике слово «эталон» следует применять только в том смысле, о котором сказано выше. Неправильно называть наиболее точные средства измерений, применяемые на предприятиях для поверок, эталонами, эталонными средствами измерений. Для них установлены и широко применяются наименования «образцовые средства измерений». 
        Сам по себе термин «образцовое средство измерений» допускает двоечтение. Он может быть ошибочно понят как лучшее средство измерений и на основании такого толкования может быть применен для измерений в то время, как основное правило метрологии говорит о том, что образцовые меры и образцовые измерительные приборы, предназначенные для поверки, недопустимо применять для измерений, так как это грозит нарушением единства мер и измерений.

        Точность измерений 
        Термин «точность измерения» применяется очень широко, однако пока нет общепринятого способа выражать точность измерения количественно. В ГОСТ 16263—70 сказано: «Количественно точность может быть выражена обратной величиной модуля относительной погрешности. Например, если погрешность измерений равна 10-2 % = 10-4, то точность равна 104.  Такой способ количественного выражения точности был предложен давно, однако он широко не распространился.  
        Под точностью измерения понимают степень приближения результатов измерений к истинному значению измеряемой величины. Однако выражения вроде «точность измерения равна 0,1 %» или «результат измерения верен с точностью до 0,001» неправильны. Термин же «точность» применим лишь для сравнения результатов или относительной характеристики методов измерений, например, точность измерения длины с помощью микрометра больше, чем при измерении с помощью штангенциркуля.

      Погрешность измерений 
        Под погрешностью измерения понимается алгебраическая разность между полученным при измерении значением измеряемой величины и значением, выражающим истинный размер этой величины. Практически мы всегда заменяем значение, соответствующее истинному размеру измеряемой величины (сокращенно истинное значение измеряемой величины), значением, наиболее близким к истинному. По крайней мере, настолько близким, насколько это может удовлетворить нас в каждом данном конкретном случае. Таким образом, результат измерения дает нам только приближенное значение измеряемой величины. И оценить степень этого приближения мы можем тоже только приближенно. Можно ли погрешность измерения назвать ошибкой измерения? Видимо, нет, так как мы не умеем измерять лучше, точнее. Ошибкой измерения можно назвать ошибку, допущенную экспериментатором и обнаруженную при контрольных измерениях. В этих случаях мы говорим, что экспериментатор ошибся. 
        Выше было сказано, что на практике истинное значение измеряемой величины мы заменяем более близким к нему значением, более точным, чем полученное при измерении. Это значение, более близкое к истинному, мы называем «действительным» значением измеряемой величины.  
        Действительное значение измеряемой величины - это значение, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него. Оно необходимо нам для оценки погрешности измерения, определение которой приобретает теперь несколько другой характер. Погрешность результата измерения - это алгебраическая разность между полученным при измерении и действительным значением измеряемой величины. Это уже реальная величина, доступная для определения. 
        Погрешность результата измерения может быть выражена в единицах измеряемой величины или в долях (или в процентах) ее значения. Погрешности измерения, выраженные в долях или в процентах от значения измеряемой величины, называют относительными. В отличие от них погрешности, выраженные в единицах измеряемой величины, называют абсолютными.

Метрология зародилась в  глубокой древности и по словообразованию означает учение о мерах. В первом русском труде по метрологии (Ф.И.Петрушевский. Общая метрология) приводятся именно ее описательные функции: «Метрология есть описание всякого рода мер по их наименованиям, подразделениям и взаимному отношению». В дальнейшем, в зависимости от усложнения задач, стоящих перед метрологами, происходят изменения в определении понятия «метрология». Так, М.Ф. Маликов приводит уже более широкое, но двоякое определение понятия: «Метрология есть учение об единицах и эталонах» и «Метрология есть учение об измерениях, приводимых к эталонам». Второе определение свидетельствует о том, что сделан переход от описательных задач непосредственно к измерениям с использованием эталонов. С введением в действие ГОСТ 16263-70 было закреплено определение понятия «Метрология». В этом определении сделан еще больший шаг в сторону практического приложения - обеспечения единства измерений в стране.  
Измеряемыми величинами, с которыми имеет дело метрология в настоящее время, являются физические величины, т.е. величины, входящие в уравнения опытных наук (физики, химии и др.). Метрология проникает во все науки и дисциплины, имеющие дело с измерениями, и является для них единой наукой. К основным понятиям, которыми оперирует метрология, можно отнести следующие: физическая величина, единица физической величины, передача размера единицы физической величины, средства измерений физической величины, эталон, образцовое средство измерений, рабочее средство измерений, измерение физической величины, метод измерений, результат измерений, погрешность измерений, метрологическая служба, метрологическое обеспечение и др. 
Метрология подразделяется на законодательную метрологию -  раздел метрологии, включающий комплексы взаимосвязанных и взаимообусловленных общих правил, требований и норм, а также другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и контроле со стороны государства, направленные на обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений [2]; теоретическую метрологию – раздел метрологии, посвященный изучению ее теоретических основ; практическую метрологию – раздел метрологии, посвященный изучению вопросов практического применения в различных сферах деятельности результатов теоретических исследований в рамках метрологии и положений законодательной метрологии.  
Метрология является научной основой измерительной техники – всех технических средств, с помощью которых выполняется измерение, и техники проведения измерений.

Основные понятия  и определения       

 Метрология является  одной из областей науки и  её роль за последние десятилетия  чрезвычайно возросла. Метрология  проникла и завоевала (или завоевывает)  себе позиции во всех областях  жизни и деятельности человечества. В силу этого обстоятельства  метрологическая терминология тесно  соприкасается с терминологией  каждой из «специальных сфер».  
        В нашей стране действует стандарт на терминологию ГОСТ 16263—70 «Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Термины и определения» и закон об обеспечении единства измерений, вводящий новые понятия и определения и уточняющий ранее действующие. 
          Далее в разделе рассматриваются некоторые основные понятия и относящиеся к ним термины и определения, нашедшие широкое применение и выходящее за рамки метрологии. Поэтому их рассмотрение нельзя отнести к какому-либо разделу метрологии. С другой стороны, многие из этих терминов именно в силу их широкого распространения получают искаженное толкование, неправильно применяются или заменяются неправильными терминами. Не установив единства понимания и толкования таких общих терминов, практически невозможно излагать ни одного раздела метрологии.