Коловский Ю В. Метрология, стандартизации и технические измерения

Подождите немного. Документ загружается.

6. Общность процедур получения измерительной информации и особен-

ности ее использования для целей измерения, контроля, испытаний, ди-

агностирования, управления.

7. Понятие метрологического обеспечения производства и его место в

деятельности радиоинженера-конструктора-технолога, бакалавра.

Лекция 2.

Тема 2. Метрология: основные понятия, системы единиц физических

величин, обеспечение единства измерений.

План лекции:

 Измеряемая величина, измерительная информация, измерение –

исходные понятия метрологии.

 Уравнение измерения.

 Понятие истинного и действительного, измеренного значения

измеряемой физической величины.

 Погрешность измерения.

 Формы выражения погрешности измерения.

 Проблема обеспечения единства измерений.

Измерение является важнейшим понятием в метрологии. Это организо-

ванное действие человека, выполняемое для количественного познания

свойств физического объекта с помощью определения опытным путем значе-

ния какой-либо физической величины [1].

Существует несколько видов измерений. При их классификации обыч-

но исходят из характера зависимости измеряемой величины от времени, вида

уравнения измерений, условий, определяющих

точность результата измере-

ний, и способов выражения этих результатов.

Измерения различают по способу получения информации, характеру

изменений измеряемой величины в процессе измерений, количеству измери-

тельной информации, отношению к основным единицам.

По способу получения информации измерения разделяют на прямые,

косвенные, совокупные и совместные.

Прямые измерения ─ это непосредственное сравнение физической ве-

личины с ее мерой. Например, при определении длины предмета линейкой

происходит сравнение искомой величины (количественного выражения зна-

чения длины) с мерой, т. е. линейкой.

Косвенные измерения отличаются от прямых тем, что искомое значе-

ние величины устанавливают по результатам прямых измерений таких вели-

чин, которые связаны с искомой определенной зависимостью. Так, если

из-

мерить силу тока амперметром, а напряжение ─ вольтметром, то по извест-

ной функциональной взаимосвязи всех трех величин можно рассчитать мощ-

ность электрической цепи.

Совокупные измерения сопряжены с решением системы уравнений, со-

ставляемых по результатам одновременных измерений нескольких однород-

ных величин. Решение системы уравнений дает возможность вычислить ис-

комую величину.

Совместные измерения ─ это измерения двух или более неоднородных

физических величин для определения зависимости между ними.

Совокупные и совместные измерения часто применяют в измерениях

различных параметров и характеристик в области электротехники.

По характеру изменения измеряемой величины в процессе измерений

бывают статистические, динамические и статические измерения.

Статистические измерения связаны с определением характеристик слу-

чайных процессов, звуковых сигналов, уровня шумов и т. д. Статические из-

мерения имеют место тогда, когда измеряемая величина практически посто-

янна.

Динамические измерения связаны с такими величинами, которые в

процессе

измерений претерпевают те или иные изменения. Статические и

динамические измерения в идеальном виде на практике редки.

По условиям, определяющим точность результата, измерения делятся

на три класса:

1. Измерения максимально возможной точности, достижимой при су-

ществующем уровне техники.

К ним относят в первую очередь эталонные измерения, связанные с

максимально возможной точностью воспроизведения

установленных единиц

физических величин, а также, измерения физических констант, прежде всего

универсальных (абсолютное значение ускорения свободного падения, гиро-

магнитное отношение протона и др.). К этому же классу относят и некоторые

специальные измерения, требующие высокой точности.

2. Контрольно-поверочные измерения, погрешность которых с опреде-

ленной вероятностью не должна превышать некоторого заданного значения

Это измерения, выполняемые территориальными органами Госстан-

дарта РФ и заводскими измерительными лабораториями, которые гаранти-

руют погрешность результата с определенной вероятностью, не превышаю-

щей некоторого, заранее заданного значения.

3. Технические измерения, в которых погрешность результата опреде-

ляется характеристиками средств измерений. Примерами технических изме-

рений являются измерения, выполняемые в процессе производства на маши

ностроительных предприятиях, на щитах распределительных устройств элек-

трических станций и др.

По способу выражения результатов различают абсолютные и относи-

тельные измерения.

Абсолютными называются измерения, которые основаны на прямых

измерениях одной или нескольких основных величин или на использовании

значений физических констант. Примером абсолютных измерений может

служить определение длины в метрах, силы электрического тока в амперах,

ускорения свободного падения в метрах на секунду в квадрате.

Относительными называют измерения отношения величины к одно-

именной величине

, играющей роль единицы, или измерения величины по от-

ношению к одноименной величине, принимаемой за исходную. В качестве

примера относительных измерений можно привести измерение относитель-

ной влажности воздуха, определяемой как отношение количества водяных

паров в 1 м3 воздуха к количеству водяных паров, которое насыщает 1 м3

воздуха при данной температуре.

Основными характеристиками измерений

являются: принцип измере-

ний, метод измерений, точность, правильность, достоверность и погреш-

ность.

Принцип измерений ─ физическое явление или совокупность физиче-

ских явлений, положенных в основу измерений. Например, измерение массы

тела при помощи взвешивания с использованием силы тяжести, пропорцио-

нальной массе, измерение температуры с использованием термоэлектриче-

ского эффекта.

Метод измерений ─ совокупность

приемов использования принципов и

средств измерений. Средствами измерений являются используемые техниче-

ские средства, имеющие нормированные метрологические свойства.

Точность измерений ─ это характеристика измерений, отражающая

близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Коли-

чественно точность можно выразить величиной, обратной модулю относи-

тельной погрешности:

1







(1.1)

Например, если погрешность измерений равна

10%10





, то точность

равна



Правильность измерений определяют как качество измерения, отра-

жающее близость к нулю систематических погрешностей результатов (т. е.

таких погрешностей, которые остаются постоянными или закономерно изме-

няются при повторных измерениях одной и той же величины). Правильность

измерений зависит, в частности, от того, насколько действительный размер

единицы, в которой выполнено измерение, отличается от ее

истинного раз-

мера (по определению), т. е. от того, в какой степени были правильны (вер-

ны) средства измерений, использованные для данного вида измерений.

Важнейшей характеристикой качества измерений является их досто-

верность. Она характеризует доверие к результатам измерений и делит их на

две категории: достоверные и недостоверные, в зависимости от того,

из-

вестны или неизвестны вероятностные характеристики их отклонений от ис-

тинных значений соответствующих величин. Результаты измерений, досто-

верность которых неизвестна, не представляют ценности и в ряде случаев мо-

гут служить источником дезинформации.

Наличие погрешности ограничивает достоверность измерений, т. е.

вносит ограничение в число достоверных значащих цифр числового значения

измеряемой величины и

определяет точность измерений.

По количеству измерительной информации различают однократные и

многократные измерения.

Однократные измерения -─ это одно измерение одной величины, т. е.

число измерений равно числу измеряемых величин. Практическое примене-

ние такого вида измерений всегда сопряжено с большими погрешностями,

поэтому следует проводить не менее трех однократных измерений и нахо-

дить

конечный результат как среднее арифметическое значение.

Многократные измерения характеризуются превышением числа изме-

рений количества измеряемых величин. Обычно минимальное число измере-

ний в данном случае больше. Преимущество многократных измерений ─ в

значительном снижении влияния случайных факторов на погрешность изме-

рения.

Вопросы к лекции:

1. Измеряемая величина, измерительная информация, измерение – исход-

ные понятия метрологии.

2. Уравнение измерения.

3. Понятие истинного и действительного, измеренного значения измеряе-

мой физической величины.

4. Погрешность измерения.

5. Формы выражения погрешности измерения.

6. Проблема обеспечения единства измерений.

Лекция 3.

Тема 2. Метрология: основные понятия, системы единиц физических

величин, обеспечение единства измерений.

План лекции:

 Единица физической величины.

 Проблема преобразования единиц физических величин.

 Система единиц.

 Международная система единиц физических величин.

 Принципы и средства воспроизведения единиц физических вели-

чин.

Литература к лекции:

Системы единиц физических величин.

Понятие о физической величине ─ одно из наиболее общих в физике и

метрологии. Под физической величиной понимается свойство, общее в каче-

ственном отношении для многих физических объектов (физических систем,

их состояний и происходящих в них процессов), но в количественном отно-

шении индивидуальное для каждого объекта. Так,

все тела обладают массой

и температурой, но для каждого из них эти параметры различны. То же самое

можно сказать и о других величинах ─ электрическом токе, вязкости жидко-

стей или потоке излучения.

Для того чтобы можно было установить различия в количественном

содержании свойств в каждом объекте, отображаемых физической величи-

ной, ввели

понятие размера физической величины.

Исторически первой системой единиц физических величин была при-

нятая в 1791 г. Национальным собранием Франции метрическая система мер.

Она не являлась еще системой единиц в современном понимании, а включала

в себя единицы длин, площадей, объемов, вместимостей и веса, в основу ко-

торых были положены метр и килограмм.

В 1832 г. немецкий математик К. Гаусс предложил методику построе-

ния системы единиц как совокупности основных и производных. Он создал

систему единиц, в которой за основу были приняты три произвольные, неза-

висимые друг от друга единицы ─ длина, массы и время. Все остальные еди-

ницы можно было определить с помощью этих трех

. Такую систему единиц,

связанных определенным образом с тремя основными, Гаусс назвал абсо-

лютной системой. За основные единицы он принял миллиметр, миллиграмм и

секунду.

В дальнейшем с развитием науки и техники появился ряд систем еди-

ниц физических величин, построенных по принципу, предложенному Гаус-

сом, базирующихся на метрической системе мер, но отличающихся

друг от

друга основными единицами [2].

Международная система единиц физических величин

Генеральная конференция по мерам и весам (ГКМВ) в 1954

г.определила шесть основных единиц физических величин для использования

в международных отношениях: метр, килограмм, секунда, ампер, градус

Кельвина и свеча.

В 1960 г. XI Генеральная конференция по мерам и весам утвердила

Международную систему единиц, обозначаемую SI (от начальных букв

французского названия Systeme International d Unites), на русском языке СИ.

последующие годы Генеральная конференция приняла ряд дополнений и

изменений, в результате чего в системе стало семь основных единиц, а также

дополнительные и производные единицы физических величин, и разработала

следующие определения основных единиц:

единица длины ─ метр ─ длина пути, которую проходит свет в вакууме

за 1/299792458 долю секунды;

единица массы ─

килограмм ─ масса, равная массе международного

прототипа килограмма;

единица времени ─ секунда ─ продолжительность 9192631770 перио-

дов излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями сверх-

тонкой структуры основного состояния атома цезия-133 при отсутствии воз-

мущения со стороны внешних полей;

единица силы электрического тока ─ ампер ─ сила неизменяющегося

тока, который при прохождении по

двум параллельным проводникам беско-

нечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на рас-

стоянии 1 м один от другого в вакууме, создал бы между этими проводника-

ми силу, равную 2·10-7 Н на каждый метр длины;

единица термодинамической температуры ─ кельвин ─ 1/273,161 часть

термодинамической температуры тройной точки воды. Допускается также

применение шкалы

Цельсия;

единица количества вещества ─ моль -─ количество вещества системы,

содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится

в нуклиде углерода-12 массой 0,012 кг;

единица силы света ─ кандела ─ сила света в заданном направлении

источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·1012