Физические величины и их единицы. Понятие о системе физических величин

        

Кратные и дольные  единицы

         Размеры единиц системы СИ  часто бывают неудобны – или  слишком велики или очень малы. Поэтому пользуются кратными и дольными единицами, т.е. единицами, в подходящее целое число раз большими или меньшими единицы данной системы.

         Наиболее прогрессивным способом  образования кратных и дольных  единиц является принятая в  метрической системе мер десятичная кратность между большими и меньшими единицами. Десятичные кратные и дольные единицы от единиц СИ образуются путем присоединения приставок, взятых из латинского, греческого и датского языков.

         Кратная единица – это единица физической величины, в целое число раз превышающая системную или внесистемную единицу.

         Дольная единица – это единица физической величины, значение которой в целое число раз меньше системной или внесистемной единицы.

         Для образования наименований  десятичных кратных и дольных единиц используются соответствующие пиставки     

Множители и  приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц в  системе СИ

Множи-тель	При-ставка	Обозначение		Множи-тель	При-ставка	Обозначение
		Русское	Между-народное			Русское	Между-народное
1021	зепта	З	Z	10-1	Деци	д	d
1018	Экса	Э	Е	10-2	Санти	с	c
1015	Пета	П	Р	10-3	Милли	м	m
1012	Тера	Т	Т	10-6	Микро	мк	μ
109	Гига	Г	G	10-9	Нано	н	n
106	Мега	М	М	10-12	Пико	п	р
103	Кило	к	к	10-15	Фемто	ф	f
102	Гекто	г	h	10-18	Атто	а	а
101	Дека	да	da	10-21	Зето	з	z

  

 Обозначение единиц  применяются только с числовыми  значениями (в тексте следует  записывать полное название единицы,  например: «измерение напряжения  в вольтах», а «измеренное напряжение  – 25 В»); между числовым значением и обозначением необходим пробел; обозначения единиц, наименования которых образованы по фамилиям ученых, должны записываться с заглавной буквы, например ампер – А; фарад – Ф (часто используют не регламентируемый термин – фарада); вольт – В (для сравнения: метр – м, килограмм – кг); при указании значений величин с предельными отклонениями обозначения единиц следует приводить после каждого значения, например, 25 А ± 1 А, или же заключать числовые значения в скобки, а обозначения единиц ставить после них: (5±1) В; при перечислении нескольких измеряемых значений обозначение единицы ставят после последней цифры: 4, 6, 8 Ом. Более полный перечень правил написания и обозначения единиц приведен в справочниках по системе СИ.

 

Погрешности измерений

         Всякий процесс измерения независимо от условий, в которых его проводят, сопряжен с погрешностями, которые искажают представление о действительном значении измеряемой величины.

         Источниками появления погрешностей  при измерениях могут быть  различные факторы, основными из которых является несовершенство конструкции средств измерений или принципиальной схемы метода измерения, неточность изготовления средств измерений, несоблюдение внешних условий при измерениях и т.д.

         Погрешность результата измерения – число, указывающее возможные границы неопределенности полученного значения измеряемой величины.

         Погрешность средства измерения – разность между показанием средства измерения и действительным значением (истинным) измеряемой физической величины. Она характеризует точность результатов измерений, проводимых данным средством измерения.

        

         По характеру проявления различают:

         - случайные погрешности – составляющая погрешность измерения, изменяющаяся случайным образом по знаку и значению в серии повторных измерений одного и того же размера физической величины.

         Случайные погрешности определяются  совокупностью причин трудно  поддающихся анализу.

        Присутствие случайных погрешностей  легко обнаруживается при повторных измерениях в виде некоторого разброса полученных результатов. Главная их черта – непредсказуемость. Они описываются единственно возможным разработанным способом – методами математической статистики и теории вероятности с определенными ограничениями.

         С учетом указанных ограничений  процесс проявления случайных  погрешностей (как средств, так и результатов измерения) за вычетом  систематических и прогрессирующих погрешностей может быть рассмотрен как стационарный случайный процесс.

          - систематическая погрешность - составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно меняющаяся при повторных измерениях одной и той же физической величины.

         В группу систематических погрешностей  можно отнести: инструментальные погрешности; погрешности из-за неправильной установки измерительного устройства; погрешности, возникающие вследствие внешних влияний; погрешности метода измерения (теоретические погрешности); субъективные погрешности.

         Погрешности метода измерения являются следствием упрощений или допущений, применения эмпирических формул и зависимостей. Примером таких измерений является измерение твердости металлов различными методами (Роквелла, Бринелля, Викерса и др.). В каждом из этих методов твердость измеряется в своих условных единицах, а перевод результатов из одной шкалы в другую производится приближенно.

         - прогрессирующая погрешность (дрейфовая) – погрешность, непредсказуемо изменяющаяся во времени с медленным характером проявления. Она может быть вызвана старением тех или иных деталей аппаратуры.

         Прогрессирующая погрешность может  быть скорректирована путем введения поправки лишь в данный момент времени, а далее непредсказуемо изменяется вновь. Изменение этих погрешностей во времени представляет собой нестационарный случайный процесс, таким образом чрезвычайно сложно описать поведение данного вида погрешности.

         В зависимости от места возникновения погрешности делят на:

        - инструментальные (аппаратурные) погрешности – погрешности, причина которых заключается в свойствах применяемых средств измерений.

         Средствам измерений, имеющим  шкалу, присущи погрешности возникающие  в неточности нанесенных отметок  шкалы (погрешности градуировки). Инструментальные погрешности могут появляться вследствие износа средств измерений. Величина износа зависит от интенсивности использования средства измерения. Инструментальная погрешность принадлежит данному средству измерения и она может быть определена  при его испытаниях и занесена в паспорт.

         - методическая погрешность – погрешность, связанная не с самим прибором, а с методом проведения измерения. Методическая погрешность обусловлена:

1. Отличием принятой модели измерения от модели, адекватно описывающей физические свойства объекта;
2. Влиянием формул, по которым производится вычисление результатов измерения;
3. Факторами применения (реализации) МВИ, если они стандартизированы.

         Все погрешности, обусловленные  отклонением реализуемых аппаратурных  преобразований от идеальных  относятся к инструментальным.

         К методическим погрешностям  относятся все погрешности, которые  могут быть определены и количественно  оценены с помощью математической  модели измерительной процедуры.

         - субъективная (личная) погрешность. Индивидуальные свойства,  которые обусловлены особенностями его организма или укоренившимися неправильными навыками, приводят к субъективным систематическим погрешностям.

         Субъективная (личная) погрешность  обуславливается погрешностью отсчета  оператором показаний по шкале средства измерения. Она также вызывается состоянием оператора, опытом работы, квалификацией, эргономическими характеристиками средств измерений.

Эргономика – комплекс, система:

«Человек ---- изделие ----среда использования»

т.е. комплекс гигиенических, антропометрических, психологических свойств, которыми определяется удобство исполнителя при реализации рабочего действия.

         По влиянию внешних условий различают основную и дополнительную погрешность.

         - основная погрешность – погрешность средства измерения, присутствующая при нормальных условиях измерения. При этом учитывается совокупность влияющих величин – температура, влажность, давление, при которых нормируется погрешность средств измерений.

         Основная погрешность фиксируется в паспорте средства измерения.

         - дополнительная погрешность изменения показаний средств измерений возникает вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин, т.е. вследствие отклонения условий эксплуатации прибора от нормальных.

         Погрешность прибора в реальных условиях его эксплуатации называется эксплуатационной и складывается из его основной погрешности и всех дополнительных погрешностей.

         В зависимости от влияния характера изменения измеряемых величин различают статические и динамические погрешности.

         - статическая погрешность – погрешность средства измерения при измерении неизменной во времени измерения физической величины. Статическая погрешность присуща как средствам измерения, так и методам измерения.

         - динамическая погрешность - погрешность средства измерения, которая   возникает дополнительно при измерении переменной физической величины  и она обусловлена несоответствием его реакции на скорость изменения измеряемого сигнала, т.е. данная погрешность отсутствует, когда скорость изменения измеряемой величины равна нулю, и повышается при отклонении этой скорости от нуля.

 

Систематические погрешности, их классификация

         В практике измерения при оценке  систематических погрешностей должно  учитываться влияние следующих основных факторов:

1. Объект измерения. Чем конкретнее построена математическая модель объекта измерения, тем точнее результаты измерения;
2. Субъект измерения. Систематические погрешности могут быть снижены путем повышения квалификации персонала, соблюдения требований эргономики (взаимодействие рабочего места и самого человека);
3. Метод и средство измерений. Систематическая погрешность может появиться в результате искаженной априорной информации об объекте измерения;
4. Условия измерения. Для недопущения систематической погрешности обязательно условие обеспечение стабильности внешних условий.

Систематические погрешности  принято разделять на два вида:

1. По характеру изменения  во времени:

1.1 постоянные - остаются  неизменными в течении всей  серии измерений;

1.2 переменные – изменяющиеся  в процессе измерения;

1.2.1 периодические погрешности;

1.2.2 монотоноизменяющиеся;

1.2.3 изменяющиеся по  сложному закону.

2. По причинам возникновения

2.1 личные (субъективные);

2.2 методические (МВИ);

2.3 инструментальные (СИ).

Способы  устранения систематических погрешностей

         Результаты наблюдений, полученные  при наличии систематических  погрешностей,  называют неисправленными. При измерениях стремятся максимально исключить влияние систематической погрешности.

         Постоянная систематическая погрешность  не может быть найдена методами  совместной обработки результатов  измерений, но она не искажает  показатели точности измерения, характеризующую случайную погрешность. Таким образом, при многократных измерениях постоянная систематическая погрешность не устраняется. Она может быть обнаружена лишь путем сравнения результатов измерений с другими полученными более точными средствами измерений или специальными приемами проведения процесса измерения.