Горбоконенко В.Д., Шикина В.Е. Метрология в вопросах и ответах

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 2. Единицы физических величин

Окончание таблицы 2.1

1 2 3 4

4 5,3 – 7,4 Умеренный Колеблются тонкие ветви деревьев.

Ветер поднимает пыль и клочья

бумаги

5 7,5 – 9,8 Свежий Колеблются большие сучья. На воде

поднимаются волны

6 9,9 – 12,4 Сильный Колышутся большие ветви. Гудят

телеграфные провода

7 12,5 – 15,2 Крепкий Качаются небольшие стволы

деревьев. На море поднимаются

пенящиеся волны

8 15,3 – 18,2 Очень крепкий Ломаются ветви деревьев. Трудно

идти против ветра

9 18,3 – 21,5 Шторм Небольшие разрушения. Срываются

дымовые трубы и черепица

10 21,6 – 25,1 Сильный шторм Значительные разрушения. Деревья

вырываются с корнем

11 25,2 – 29,0 Жестокий

шторм

Большие разрушения

12 – 17 более 29,0 Ураган Производит опустошительные

действия

Эмпирическая сейсмическая шкала

Таблица 2.2

Балл Название

землетрясения

Краткая характеристика землетрясения

1 2 3

1 Незаметное Отмечается только сейсмическими приборами

2 Очень слабое Ощущается отдельными людьми, находящимися в

состоянии полного покоя

3 Слабое Ощущается лишь небольшой частью населения

4 Умеренное Распознается по легкому дребезжанию и колебанию

предметов, посуды и оконных стекол, скрипу

дверей и стен

5 Довольно сильное Общее сотрясение зданий, колебания мебели.

Трещины в оконных стеклах и штукатурке

6 Сильное Ощущается всеми. Картины падают со стен.

Откалываются куски штукатурки. Легкое

повреждение зданий

7 Очень сильное Трещины в стенах каменных домов.

Антисейсмические, а также деревянные постройки

остаются невредимыми

8 Разрушительное Трещины на крутых склонах и на сырой почве.

Памятники сдвигаются с места или

опрокидываются. Дома сильно повреждаются

9 Опустошительное Сильное повреждение и разрушение каменных

домов

Глава 2. Единицы физических величин

Окончание таблицы 2.2

1 2 3

10 Уничтожающее Крупные трещины в почве. Оползни и обвалы.

Разрушение каменных построек. Искривление

железнодорожных рельсов

11 Катастрофа Широкие трещины в земле. Многочисленные

оползни и обвалы. Каменные дома совершенно

разрушаются

12 Сильная

катастрофа

Изменения в почве достигают огромных размеров.

Многочисленные трещины, обвалы, оползни.

Возникновение водопадов, подпруд на озерах,

отклонение течения рек. Ни одно сооружение не

выдерживает

Шкала землетрясений Ч. Рихтера

Шкала, предложенная в 1935 г. Ч. Рихтером, представляет собой

относительную логарифмическую шкалу магнитуд, относящуюся по

классификационным признакам к шкалам порядка. При этом под

магнитудой понимается условная величина, характеризующая

энергию упругих колебаний, вызываемых землетрясениями

(взрывами). В этой шкале сила данного землетрясения сопоставляется

с землетрясением стандартного масштаба при одинаковых условиях

наблюдений.

Шкала строится

по определению Ч. Рихтера:

)(lg)(lg)](/)(lg[

ДАДАДАДАM

−

, (2.13)

где M – магнитуда; Д – расстояние от эпицентра; А – максимальная

амплитуда, зарегистрированная (записанная) сейсмографом Вуда-

Андерсена; А

– максимальная амплитуда, зарегистрированная

сейсмографом для стандартного землетрясения.

К стандартному относится землетрясение, имеющее магнитуду

M = 0, при котором максимальная амплитуда записи на сейсмографе

Вуда-Андерсена равна 1 мкм при Д = 100 км.

Сейсмограф Вуда-Андерсена представляет собой вертикально

установленный цилиндр, соединенный вдоль образующей с тонкой

проволокой, смонтированной на раме, жестко связанной с почвой.

состоянии покоя равновесие цилиндра поддерживается вследствие

жесткости проволоки на кручение. Резкое колебание почвы приводит

к закручиванию проволоки. Регистрация величины закручивания

производится с помощью зеркала, которое отбрасывает

сфокусированный луч света на фотобумагу, движущуюся с

постоянной скоростью.

Магнитуда M в зависимости от энергии E очага землетрясения

определяется по формуле

MэргE 5,18,11)(lg

. (2.14)

Как известно, 1⋅10

эрг = 1Дж.

Глава 2. Единицы физических величин

Наиболее сильные зарегистрированные землетрясения имеют

M = 8,5, при которых энергия очага землетрясения составляет

3,6⋅10

Дж.

При определении балла землетрясения необходимо знать не

только значение магнитуды, но и глубину очага землетрясения. Таким

образом, шкала землетрясений Рихтера доступна для применения

(практического) специалистам сейсмических лабораторий (станций),

оснащенных специализированным оборудованием.

В настоящее время в мировой практике оценки разрушающей

силы землетрясений наибольшее распространение получила шкала

Рихтера.

Теперь остановимся на

содержании ряда условных шкал

твердости.

По условной шкале Бринелля (HB)

твердость (число твердости)

измеряют, вдавливая стальной закаленный шарик (диаметром 10 мм,

5 мм, 2,5 мм) в испытуемый образец, с помощью отношения усилия

(нагрузки) F на шарик k площади S отпечатка, остающегося на

образце:

)(

dDDD

SFHB

−−

, (2.15)

где D – диаметр шарика, мм; d – диаметр отпечатка, мм; F – нагрузка

на шарик, измеряемая в ньютонах (Н).

По условной шкале Виккерса (HV)

число твердости

определяют, вдавливая в испытуемый образец алмазный наконечник,

имеющий форму четырехгранной пирамиды (с углом при вершине

136°), с приложением усилия F от 49 Н (5 кгс) до 980 Н (100 кгс) в

течение времени выдержки 10 с, 15 с, 20 с. После приложения усилия

с помощью микроскопа измеряется длина диагоналей на отпечатке d

. Число твердости по Виккерсу определяется по формуле

/854,1 dFHV ⋅=

, (2.16)

где d = (d

)/2.

При измерении твердости по Роквеллу (HR)

стандартный

наконечник (стальной шарик или алмазный конус) вдавливается с

помощью прессов Роквелла в испытуемый образец под действием

двух усилий: предварительного F

и общего F, причем F=F

Пресс Роквелла имеет три шкалы (A, B, C). Измерение твердости по

шкалам A и C производится путем вдавливания в образец алмазного

наконечника (конус с углом 120°). При измерении по шкале A

= 98 Н (10 кгс), F

= 1372 Н (140 кгс), F

= 1470 Н (150 кгс). Для

сравнительно мягких материалов используется шкала B. При этом

используется стальной шарик диаметром 1,588 мм под действием

нагрузок F

= 98 Н, F

= 882 Н (90 кгс), F

= 980 Н (100 кгс). Твердость

по Роквеллу обозначают в зависимости от применяемой шкалы HRA,

Глава 2. Единицы физических величин

HRB, HRC с указанием числа твердости, которое определяется в

случае шкал A и C по формуле

002,0/)(100

hhHR

−

, (2.17)

в случае шкалы B

002,0/)(130

hhHRB

−

, (2.18)

где h

– глубина внедрения наконечника в образец под действием

предварительного усилия, h – глубина внедрения наконечника в

образец под действием общего усилия, измеренного после снятия

нагрузки F

, с оставлением предварительной нагрузки.

В России имеется специальный эталон воспроизведения

твердости по шкалам HRC и HRC

(шкала Супер-Роквелла). Для

пересчета шкал HRC и HRC

существуют специальные таблицы.

В настоящее время требования к твердости рекомендуется указывать

числа по шкале HRC

ГЛАВА 3

ПРИНЦИПЫ

И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ

ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

3.1. Термины и определения

Измерение физической величины – совокупность операций по

применению технического средства, хранящего единицу физической

величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или

неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение

значения этой величины.

¾ 1. Приведенное определение понятия «измерение» удовлетворяет

общему уравнению измерений, что имеет существенное значение в деле

упорядочения системы понятий в метрологии. В нем учтена техническая

сторона (совокупность операций), раскрыта метрологическая суть измерений

(сравнение с единицей) и показан гносеологический аспект (получение значения

величины).

2. От термина «измерение» происходит термин «измерять», которым

широко пользуются

на практике. Все же нередко применяются такие термины,

как «мерить», «обмерять», «замерять», «промерять», не вписывающиеся в

систему метрологических терминов. Их применять не следует. Не следует также

применять такие выражения, как «измерение значения» (например, мгновенного

значения напряжения или его среднего квадратического значения), так как

значение величины – это уже результат измерений.

3. В тех случаях, когда невозможно выполнить измерение (не выделена

величина как физическая и не определена единица измерений этой величины)

практикуется оценивание таких величин по условным шкалам.

В простейшем случае, прикладывая линейку с делениями к какой-либо

детали, по сути сравнивают ее размер с единицей, хранимой линейкой, и,

произведя отсчет, получают значение величины (длины, высоты, толщины и

Глава 3. Принципы и методы измерения физических величин

других параметров детали). С помощью измерительного прибора сравнивают

размер величины, преобразованной в перемещение указателя, с единицей,

хранимой шкалой этого прибора, и проводят отсчет.

Равноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины,

выполненных одинаковыми по точности средствами измерений в

одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью.

¾ Прежде чем обрабатывать ряд измерений, необходимо убедиться в том,

что все измерения этого ряда являются равноточными.

Неравноточные измерения – ряд измерений какой-либо

величины, выполненных различающимися по точности средствами

измерений и (или) в разных условиях.

¾ Ряд неравноточных измерений обрабатывают с учетом веса отдельных

измерений, входящих в ряд.

Однократное измерение – измерение, выполненное один раз.

¾ Во многих случаях на практике выполняются именно однократные

измерения. Например, измерение конкретного момента времени по часам обычно

производится один раз.

Многократное 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.

Статическое измерение – измерение физической величины,

принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за

неизменную на протяжении времени измерения.

¾ Измерение длины детали при нормальной температуре. Измерение

размеров земельного участка.

Динамическое измерение – измерение изменяющейся по размеру

физической величины.

¾ 1. Терминоэлемент «динамическое» относится к измеряемой величине.

2. Строго говоря, все физические величины подвержены тем или иным

изменениям во времени. В этом убеждает применение все более и более

чувствительных средств измерений, которые дают возможность обнаруживать

изменение величин, ранее считавшихся постоянными, поэтому разделение

измерений на динамические и статические является условным.

Абсолютное измерение – измерение, основанное на прямых

измерениях одной или нескольких основных величин и (или)

использовании значений физических констант.

¾ Понятие абсолютное измерение применяется как противоположное

понятию относительное измерение и рассматривается как измерение величины в

Глава 3. Принципы и методы измерения физических величин

ее единицах. В таком понимании это понятие находит все большее и большее

применение.

Измерение силы F = mg основано на измерении основной величины – массы

m и использовании физической постоянной g (в точке измерения массы).

Относительное измерение – измерение отношения величины к

одноименной величине, играющей роль единицы, или измерение

изменения величины по отношению к одноименной величине,

принимаемой за исходную.

¾ Измерение активности радионуклида в источнике по отношению к

активности радионуклида в однотипном источнике, аттестованном в качестве

эталонной меры активности.

Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение

величины получают непосредственно.

¾ Термин прямое измерение возник как противоположный термину

косвенное измерение. Строго говоря, измерение всегда прямое и

рассматривается как сравнение величины с ее единицей. В этом случае лучше

применять термин прямой метод измерений.

Измерение длины детали микрометром; измерение силы тока амперметром;

измерение массы на весах.

Косвенное измерение – определение искомого значения

физической величины на основании результатов прямых измерений

других физических величин, функционально связанных с искомой

величиной.

¾ Во многих случаях вместо термина косвенное измерение применяют

термин косвенный метод измерений.

Определение плотности D тела цилиндрической формы по результатам

прямых измерений массы m, высоты h и диаметра цилиндра d, связанных с

плотностью уравнением

25,0

= .

Совокупные измерения – производимые одновременно

измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые

значения величин определяют путем решения системы уравнений,

получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях.

¾ Для определения значений искомых величин число уравнений должно

быть не меньше числа величин.

Значение массы отдельных гирь набора определяют по известному

значению массы одной из гирь и по результатам измерений (сравнений) масс

различных сочетаний гирь.

Совместные измерения – производимые одновременно

измерения двух или нескольких неодноименных величин для

определения зависимости между ними.

Глава 3. Принципы и методы измерения физических величин

Наблюдение при измерении – операции, проводимые при

измерении и имеющие целью своевременно и правильно произвести

отсчет.

¾ Не следует заменять термин измерение термином наблюдение.

Измерительный сигнал – сигнал, содержащий количественную

информацию об измеряемой физической величине.

Измерительная информация – информация о значениях

физических величин.

Измерительная задача – задача, заключающаяся в определении

значения физической величины путем ее измерения с требуемой

точностью в данных условиях измерений.

Объект измерения – тело (физическая система, процесс,

явление и т.д.), которое характеризуется

одной или несколькими

измеряемыми физическими величинами.

¾ Коленчатый вал, у которого измеряют диаметр; технологический

процесс, во время которого измеряют температуру; спутник Земли, координаты

которого измеряются. Это все объекты измерения.

Область измерений – совокупность измерений физических

величин, свойственных какой-либо области науки или техники и

выделяющихся своей спецификой.

¾ Выделяют ряд областей измерений: механические, магнитные,

акустические, измерения ионизирующих излучений и др.

Вид измерений – часть области измерений, имеющая свои

особенности и отличающаяся однородностью измеряемых величин.

¾ В области электрических и магнитных измерений могут быть выделены

как виды измерений: измерения электрического сопротивления,

электродвижущей силы, электрического напряжения, магнитной индукции и др.

Подвид измерений – часть вида измерений, выделяющаяся

особенностями измерений однородной величины (по диапазону, по

размеру величины и др.).

¾ При измерении длины выделяют измерения больших длин (в десятках,

сотнях, тысячах километров) или измерения сверхмалых длин – толщин пленок.

Принцип измерений – физическое явление или эффект,

положенное в основу измерений.

¾ 1. Применение эффекта Джозефсона для измерения электрического

напряжения.

Глава 3. Принципы и методы измерения физических величин

2. Применение эффекта Пельтье для измерения поглощенной энергии

ионизирующих излучений.

3. Применение эффекта Доплера для измерения скорости.

4. Использование силы тяжести при измерении массы взвешиванием.

Метод измерений – прием или совокупность приемов

сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в

соответствии с реализованным принципом измерений.

¾ Метод измерений обычно обусловлен устройством средств измерений.

Метод непосредственной оценки – метод измерений, в

котором значение величины определяют непосредственно по

показывающему средству измерений.

Метод сравнения с мерой – метод измерений, в котором

измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой

мерой.

¾ 1. Измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями

(мерами массы с известным значением).

2. Измерение напряжения постоянного тока на компенсаторе

сравнением с известной э.д.с. нормального элемента.

Нулевой метод – метод сравнения с мерой, в котором

результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры

на прибор сравнения доводят до нуля.

¾ Измерения электрического сопротивления мостом с полным его

уравновешиванием.

Метод измерений замещением – метод сравнения с мерой, в

котором измеряемую величину замещают мерой с известным

значением величины.

¾ Взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на

одну и ту же чашку весов (метод Борда).

Дифференциальный метод – метод измерений, при котором

измеряемая величина сравнивается с однородной величиной,

имеющей известное значение, незначительно отличающееся от

значения измеряемой величины, и при котором измеряется разность

между этими двумя величинами.

¾ Измерения, выполняемые при поверке мер длины сравнением с

эталонной мерой на компараторе.

Контактный метод измерений – метод измерений,

основанный на том, что чувствительный элемент прибора

приводится в контакт с объектом измерения.

Глава 3. Принципы и методы измерения физических величин

¾ 1. Измерение диаметра вала измерительной скобой или контроль

проходным и непроходным калибрами.

2. Измерение температуры тела термометром.

Бесконтактный метод измерений – метод измерений,

основанный на том, что чувствительный элемент средства измерений

не приводится в контакт с объектом измерения.

¾ Измерение температуры в доменной печи пирометром; измерение

расстояния до объекта радиолокатором.

Метод совпадений – метод сравнения с мерой, в котором

разность между измеряемой величиной и величиной,

воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадения отметок

шкал или периодических сигналов.

Методика выполнения измерений – установленная

совокупность операций и правил при измерении, выполнение которых

обеспечивает получение результатов измерений с гарантированной

точностью в соответствии с принятым методом.

¾ Обычно методика измерений регламентируется каким-либо нормативно-

техническим документом.

Результат измерения физической величины – значение

величины, полученное путем ее измерения.

Неисправленный результат измерения – значение величины,

полученное при измерении до введения в него поправок,

учитывающих систематические погрешности.

Исправленный результат измерения – полученное при

измерении значение величины и уточненное путем введения в него

необходимых поправок на действие систематических погрешностей.

Ряд результатов

измерений – значения одной и той же

величины, последовательно полученные из следующих друг за другом

измерений.

Среднее взвешенное значение величины – среднее значение

величины из ряда неравноточных измерений, определенное с учетом

веса каждого единичного измерения.

¾ Среднее взвешенное значение иногда называют средним весовым.

Вес результата измерений – положительное число (p),

служащее оценкой доверия к тому или иному отдельному результату

измерения, входящему в ряд неравноточных измерений.