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

Измерение. Измеряемые величины

Определения метрологии и  метрологического обеспечения начинаются с основного понятия - измерение. Пожалуй, ни одно определение в области  метрологии не вызывает столько споров, как определение этого понятия. Профессором М. Ф. Маликовым было дано следующее определение: «Измерение - познавательный процесс, заключающийся  в сравнении путем физического  эксперимента данной величины с известной  величиной, принятой за единицу сравнения». Недостатком этого определения  является то, что оно предполагает сравнение измеряемой величины с  ее единицей, что имеет место только при прямых измерениях с использованием метода сравнения с мерой. В частности, это определение не согласуется  с косвенными измерениями. К.П.Широковым  дано более общее определение: «Измерение - нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных  технических средств». Это определение, включенное  в ГОСТ 16263-70, четко определяет границы самого понятия и содержит указания на все важнейшие его элементы. К тому же лаконичность этого определения является его достоинством. Предложения о включении в формулировку определения элементов терминологии кибернетики и теории информации не опровергают стандартизированную формулировку, но усложняют ее понимание и запоминание. Следует отметить, что в нахождение значения физической величины (далее - величины) включается и математическая обработка результатов измерения, в частности введение поправок и статистическая обработка результатов наблюдений (если это требуется).  
Значение величины, найденное путем его измерения, называется результатом измерения. Значение величины, полученное при отдельном измерении, называется результатом наблюдения (точнее - измерения). Наблюдением при измерении является экспериментальная операция, выполняемая в процессе измерений, в результате которой получают одно значение из группы значений величины, подлежащих совместной обработке для получения результата измерения. 
В определение понятия метрологического обеспечения входит термин «единство измерений», под которым понимается такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах, размеры которых соответствуют единицам, воспроизводимым эталонами, погрешности результатов измерения известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы. 
Этот термин позволяет обеспечить сопоставимость измерений, выполненных в разное время, разными средствами и методами. Единство измерений обеспечивается единообразием средств измерений и правильностью методик их выполнения. При этом под единообразием средств измерений понимается такое их состояние, при котором они градуированы в узаконенных единицах и их метрологические свойства соответствуют установленным нормам. 
Показателями качества измерений  являются погрешность (точность), правильность, сходимость и воспроизводимость измерений. 
Погрешность измерения - отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. 
Точность измерений - их качество, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины.  
Правильность измерений - их качество, отражающее близость к нулю систематических погрешностей в их результатах. 
Сходимость измерений - их качество, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в одинаковых условиях. 
Воспроизводимость измерений - их  качество, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в различных условиях (в разное время, в различных местах, разными методами и средствами). Ниже будут рассмотрены более подробно все важнейшие элементы, необходимые для осуществления процесса измерений и обеспечения единства измерений. 
Объектом измерения является физическая величина, характеризующая одно из свойств физического объекта.  
Физическая величина, подлежащая измерению, измеряемая или измеренная в соответствии с основной целью измерительной задачи, называется измеряемой физической величиной или просто измеряемой величиной. 
        Измеряемые величины - это величины непосредственно воспринимаемые средствами измерений.  Их можно классифицировать с помощью различных признаков, основными из которых являются: природа величины, вид отражаемой стороны эмпирических объектов, метризуемость и изменяемость [8]. 
        По природе измеряемые величины разделяются на 11 классов: электрические, магнитные, электромагнитные, механические, акустические, тепловые, оптические, химические, радиоактивные, пространственные и временные. Каждый класс включает конечное множество конкретных величин. 
        По   виду   отражаемой   стороны эмпирических объектов каждый класс измеряемых величин разделяется на два подкласса: энергетические и вещественные величины. К энергетическим величинам относятся, например, сила электрического тока, электрическое напряжение, напряженность электрического поля, напряженность магнитного поля, механическая сила, давление и т.п. Метрологическая общность энергетических величин заключается в использовании при их измерении энергии объектов исследования. Вещественными величинами являются различные свойства веществ и материалов, а также параметры физических тел и объектов, например удельное электрическое сопротивление, диэлектрическая проницаемость, магнитная проницаемость, магнитное сопротивление, акустическое сопротивление и т.п. Метрологическая общность вещественных величин состоит в использовании при их измерении измерительных преобразований и других приемов косвенных измерений. 
        По признаку метризуемости измеряемые величины разделяются на непосредственно и косвенно метризуемые величины. К непосредственно метризуемым величинам относится около двух десятков физических величин, остальные являются косвенно метризуемыми величинами. Непосредственно метризуемые величины измеряются наиболее просто и с высокой точностью. Измерение косвенно метризуемых величин осуществляется с использованием различных функциональных связей и с преобразованием их в непосредственно метризуемые величины. 
        По признаку изменяемости выделяют состояния и изменения величин. Состояние величины в общем случае характеризуется размером величины, нахождение значения которого и является задачей измерения.  
        Изменение величины может происходить в пределах какого-либо диапазона размеров и во времени. В зависимости от числа размеров по диапазону различают непрерывные и квантованные по размеру изменения величин. При непрерывном  по   размеру изменении величины имеется бесконечное число размеров по диапазону. При квантованном  по   размеру  изменении величины в данном диапазоне проявляется конечное число размеров величины. 
        Изменение величины во времени может быть непрерывным и дискретным (прерывным во времени). При   непрерывном   изменении   величины   во   времени значения размеров величины определены на данном отрезке времени при бесконечно большом числе моментов времени. При дискретном  изменении   величины значения размеров величины отличны от нуля только в определенные моменты или интервалы времени. На рис. 1.1 и 1.2 показаны четыре характерные разновидности изменения величин. 
   

 
        Проявления размеров  величины по диапазону и во  времени могут быть неслучайными (детерминированными) и случайными. Детерминированное изменение величины характеризуется тем, что закон его известен. Случайное изменение величины происходит случайным образом. 
        Детерминированные непрерывные и дискретные изменения величин подразделяются на периодические   и непериодические. Непрерывные периодические и непериодические изменения величин далее подразделяются по виду описывающих их функций. Указанные изменения величин характеризуются обобщенными параметрами и диапазонами их значений. 
        Для периодически изменяющейся величины x(t) любой формы с периодом Т важными параметрами являются амплитудное xm, среднее  
   и  действующее   значения,  а также 
частота изменения величин. Непериодическое изменение величины характеризуется максимальным значением, скоростью нарастания и скоростью спада. 
        Дискретные периодические и непериодические изменения величин подразделяются по форме импульса и характеризуются обобщенными параметрами (мгновенным, амплитудным, средним значениями, а также длительностью импульса, временем нарастания (спада) импульса, частотой следования) и диапазонами их значений. 
        Случайные непрерывные и дискретные изменения величин разделяются на стационарные и нестационарные. При стационарном изменении величин, в отличие от нестационарного, закон распределения отдельных проявлений размеров не зависит от времени. 
        Случайные изменения величин описываются различными функциями (функцией распределения вероятностей, функцией плотности распределения вероятностей, автокорреляционной функцией, спектральной плотностью и другими), каждая из которых может определяться вероятностями и количеством реализации, а также диапазонами их значений. 
        Независимо от того, воспринимается состояние или изменение величины измеряемой величиной, в любом конкретном случае может быть определено мгновенное   значение размера величины. При измерении состояния величины, т.е. не изменяющейся во времени величины или весьма медленно меняющейся, процесс измерения может осуществляться в течение длительного времени и к средствам измерения не предъявляется особых требований по быстродействию. 
        Измерение параметров изменений величин требует повышенного быстродействия средств измерений. При этом помимо мгновенного значения размера величины в качестве измеряемой величины может выступать любой из указанных выше параметров изменений величин. 
        Различают истинное и действительное значения размера величины. Истинное   значение   размера  величины есть значение размера величины, которое идеальным образом отражает количественную сторону соответствующего свойства объекта. Экспериментально определить его можно только в случае измерения количеств дискретных элементов каких-либо совокупностей, когда погрешность измерения практически может отсутствовать. Получить путем измерения истинное значение размера непрерывного изменения величины невозможно, так как в этом случае погрешности измерения неизбежны. Поэтому на практике часто вместо истинного пользуются действительным значением. 
        Действительное   значение   размера величина - это значение, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному, что может быть использовано вместо него. Определяют его с помощью образцовых средств измерения, погрешностями которых по сравнению с используемыми при измерении средствами можно пренебречь.

 
Физическая величина. Единица физической величины       

 Физическая величина - это свойство, общее в качественном отношении многим объектам (системам, их состояниям и происходящим в них процессам), но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта. 
        Индивидуальность в количественном отношении следует понимать в том смысле, что свойство может быть для одного объекта в определенное число раз больше или меньше, чем для другого. 
        Как правило, термин «величина»  применяют в отношении свойств или их характеристик, которые можно оценить количественно, т. е. измерить. Существуют такие свойства и характеристики, которые  еще не научились оценивать количественно, но стремятся найти способ их количественной оценки, например запах, вкус и т. п. Пока не научимся их измерять, следует  называть их не величинами, а  свойствами. 
        В стандарте есть только термин «физическая величина», а слово «величина» дано как краткая форма основного термина, которую разрешается применять в случаях, исключающих возможность различного толкования. Другими словами, можно называть физическую величину кратко величиной, если и без прилагательного очевидно, что речь идет о физической величине. В дальнейшем тексте настоящей книги краткая форма термина «величина» применяется только в указанном смысле. 
        В метрологии слову «величина» придано терминологическое значение путем наложения ограничения в виде прилагательного «физическая». Словом «величина» часто пытаются выразить размер данной конкретной физической величины. Говорят: величина давления, величина скорости, величина напряжения. Это неправильно, так как давление, скорость, напряжение в правильном понимании этих слов являются величинами, и говорить о величине величины нельзя. В приведенных выше случаях применение слова «величина» является лишним. Действительно, зачем говорить о большой или малой «величине» давления, когда можно сказать:  большое или малое давление и т.п. 
        Физическая величина отображает свойства объектов, которые можно выражать количественно в принятых единицах. Всякое измерение реализует операцию сравнения однородных свойств физических величин по признаку "больше-меньше". В результате сравнения каждому размеру измеряемой величины приписывается положительное действительное число: 
х = q [х] ,                                                           (1.1)  
где q— числовое значение величины или результат сравнения; [х] - единица величины. 
        Единица физической величины — физическая величина, которой по определению придано значение, равное единице. Можно сказать также, что единица физической величины — такое ее значение, которое принимают за основание для сравнения с ним физических величин того же рода при их количественной оценке. 
        Уравнение (1.1) является основным уравнением измерения. Числовое значение q находят следующим образом 
q = х/ [х] , 
следовательно, оно зависит от принятой единицы измерения. 
       

Системы единиц физических величин

При проведении любых измерений  измеряемая величина сравнивается с  другой однородной с ней величиной, принятой за единицу. Для построения системы единиц выбирают произвольно  несколько физических величин. Они  называются основными. Величины, определяемые через основные, называются производными. Совокупность основных и производных величин называется системой физических величин. 
В общем виде связь между производной величиной  Z и основными может быть представлена следующим уравнением: 
Z = LaMbTgIeQhJl, 
где L, М, Т, I, Q, J — основные величины; a, b, g, e, h, l— показатели размерности. Эта формула называется формулой размерности. Система величин может состоять как из размерных, так и безразмерных величин. Размерной называется величина, в размерности которой хотя бы одна из основных величин возведена в степень, не равную нулю. Безразмерной называется величина, в размерность которой основные величины входят в степени, равной нулю. Безразмерная величина одной системы величин может быть размерной величиной в другой системе. Система физических величин используется для построения системы единиц физических величин. 
Единица физической величины представляет собой значение этой величины, принятое за основание для сравнения с ней значений величин того же рода при их количественной оценке. Ей по определению присвоено числовое значение, равное 1.  
        Единицы основных и производных величин называются соответственно основными и производными единицами, их совокупность называется системой единиц. Выбор единиц в пределах системы в какой-то мере произволен. Однако в качестве основных единиц выбирают такие, которые, во-первых, могут быть воспроизведены с наивысшей точностью, а во-вторых, удобны в практике измерений или их воспроизведения. Единицы величин, входящих в систему, называются системными. Кроме системных единиц, применяются и внесистемные единицы. Внесистемные единицы — это единицы, не входящие в систему. Они удобны для отдельных областей науки и техники или регионов и поэтому получили широкое распространение. К внесистемным единицам относятся: единица мощности — лошадиная сила, единица энергии - киловатт-час, единицы времени - час, сутки, единица температуры - градус Цельсия и многие другие. Они возникли в процессе развития техники измерений для удовлетворения практических потребностей или введены для удобства пользования ими при измерениях. С теми же целями применяются кратные и дольные единицы величин.  
        Кратной единицей называется такая, которая в целое число раз больше системной или внесистемной единицы: килогерц, мегаватт. Дольной единицей называется такая, которая в целое число раз меньше системной или внесистемной единицы: миллиампер, микровольт. Строго говоря, многие внесистемные единицы могут рассматриваться как кратные или дольные единицы. 
В науке и технике широко распространены также относительные и логарифмические величины и их единицы, которыми характеризуются усиление и ослабление электрических сигналов, коэффициенты модуляции, гармоник и т.д. Относительные величины могут выражаться в безразмерных относительных единицах, в процентах, в промилле. Логарифмическая величина представляет собой логарифм (в радиоэлектронике обычно десятичный) безразмерного отношения двух одноименных величин. Единицей логарифмической величины является бел (Б), определяемый соотношением: 
N = lg P1//P2 = 2lg F1/F2 ,                                   (1.2) 
где P1, P2 - одноименные энергетические величины (значения мощности, энергии, потока плотности мощности и т.п.); F1, F2 - одноименные силовые величины (напряжение, сила тока, напряженность электромагнитного поля и т.п.). 
Как правило, применяют дольную единицу от бела, называемую децибелом, равным 0,1 Б. В этом случае в формуле (1.2) после знаков равенства добавляется дополнительный множитель 10. Например, отношение напряжений   U1/U2 = 10   соответствует логарифмической единице 20 дБ. 
        Имеется тенденция к применению естественных систем единиц,         основанных на универсальных физических постоянных (константах), которые могли бы быть приняты в качестве основных единиц: скорость света, постоянная Больцмана, постоянная Планка, заряд электрона и т.п.. Преимуществом такой системы является постоянство основания системы и высокая стабильность констант. В некоторых эталонах такие постоянные уже используются: эталон единицы частоты и длины, эталон единицы постоянного напряжения. Но размеры единиц величин, основанных на константах, на современном уровне развития техники неудобны для практических измерений и не обеспечивают необходимой точности получения всех производных единиц. Однако такие достоинства естественной системы единиц, как неразрушаемость, неизменность во времени, независимость от местоположения стимулируют работы по изучению возможности их практического применения. 
        Впервые совокупность основных и производных единиц, образующих систему, предложил в 1832 г. К. Ф. Гаусс. В качестве основных единиц в этой системе приняты три произвольные единицы—длина, масса и время, соответственно равные миллиметру, миллиграмму и секунде. Позднее были предложены и другие системы единиц физических величин, базирующихся на метрической системе мер и различающихся основными единицами. Но все они, удовлетворяя одних специалистов, вызывали возражения других. Это требовало создания новой системы единиц. В какой-то мере удалось разрешить существовавшие противоречия после принятия в 1960 г. XI Генеральной конференцией по мерам и весам Международной системы единиц, названной сокращенно СИ (SI).  В России она вначале была принята как предпочтительная (1961 г.), а затем после введения в действие ГОСТ 8.417—81 «ГСИ. Единицы физических величин»  -  и как обязательная  во всех областях науки, техники, народного хозяйства, а также во всех учебных заведениях.  
        В качестве основных в Международной системе единиц (СИ) выбраны семь следующих единиц: метр, килограмм, секунда, ампер, Кельвин, кандела, моль. 
Международная система единиц включает в себя две дополнительные единицы - для измерения плоского и телесного углов. Эти единицы не могут быть введены в разряд основных, так как они определяются отношением двух величин. В то же время они не являются производными единицами, так как не зависят от выбора основных единиц. 
Радиан (рад) - угол между двумя радиусами окружности, дуга между которыми по длине равна радиусу.  
Стерадиан  (ср) - телесный угол, вершина которого расположена в центре сферы и который вырезает на поверхности . сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, по длине равной радиусу сферы. 
В соответствии с Законом об обеспечении единства измерений в Российской Федерации в установленном порядке допускаются к применению единицы величин Международной системы единиц, принятой Генеральной конференцией по мерам и весам, рекомендованные Международной организацией законодательной метрологии. 
Наименования, обозначения и правила написания единиц величин, а также правила их применения на территории Российской Федерации устанавливает правительство Российской Федерации, за исключением случаев, предусмотренных актами законодательства Российской Федерации. 
Правительством Российской Федерации могут быть допущены к применению наравне с единицами величин Международной системы единиц внесистемные единицы величин.

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.