Кривенков А.В. Управление качеством

Подождите немного. Документ загружается.

В метрологии, как и в физике, физическая величина трактуется как

свойство физического объекта (системы), общее в качественном отношении

многим объектам, но в количественном отношении индивидуальное для

каждого объекта, т.е. как свойство, которое может быть для одного объекта в то

или иное число раз больше или меньше, чем для другого (например

, длина,

масса, плотность, температура, сила, скорость и др.). Каждый объект обладает

определённой длиной, массой и т.д., для него понятие величины становится

конкретным. Измерять можно только конкретные величины. Для того чтобы

объективно оценивать физическую величину, нужно выбрать единицу (для

некоторых величин - шкалу).

Единица – это физическая величина (конкретная), числовое значение

которой

по условию принято равным 1. Шкалой величин называется принятая

по соглашению последовательность значений одноимённых величин

различного размера (например, температурная шкала, шкала твёрдости по

Бринеллю и др.). С развитием науки перешли от случайного выбора единиц

отдельных величин к построению системы систем единиц. В метрологии в

настоящее время рассматриваются теоретические аспекты связей между

физическими

величинами и принципы построения систем единиц, а также

конкретные системы единиц (совокупность основных и производных единиц

физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами

для заданной системы физических величин).

Для достижения единства измерений (независимо от времени, места и

средств измерений) должна производиться правильная градуировка

периодическая проверка всех применяемых средств измерений.

Для этого

необходимы эталоны единиц и пары образцовых средств измерений.

Метрология изучает способы воспроизведения единиц с помощью эталонов и

пути повышения их точности, а также методы передачи размеров единиц

(методы поверки).

Одна из главных задач метрологии – обеспечение единства измерений

физических величин – может быть решена при соблюдении двух условий,

которые можно

назвать основополагающими: выражение результатов

измерений в единых узаконенных единицах; установление допустимых ошибок

(погрешностей) результатов измерений и предметов, за которые они не должны

выходить при заданной вероятности.

Погрешностью называют отклонение результата измерений от

действительного (истинного) значения измеряемой величины. При этом следует

иметь в виду, что истинное значение физической величины считается

неизвестным

и применяется в теоретических исследованиях; действительное

значение физической величины устанавливается экспериментальным путём в

предположении, что результат эксперимента (измерения) в максимальной

степени приближается к истинному значению. Погрешности измерений

приводятся обычно в технической документации на средства измерений или в

нормативных документах.

181

Единство измерений, однако, не может быть обеспечено лишь

совпадением погрешностей. Требуется ещё и достоверность измерений, которая

говорит о том, что погрешность не выходит за пределы отклонений, заданных в

соответствии с поставленной целью измерений. Есть ещё и понятие точности

измерений, которое характеризует степень приближения погрешности

измерений к нулю, т.е. к истинному

значению измеряемой величины.

Для нахождения погрешностей измерений широко используется аппарат

теории вероятностей и математической статистики, а иногда и другие разделы

математики.

Обобщает все эти положения современное определение понятия единство

измерений – состояние измерений, при котором их результаты выражены в

указанных единицах, а погрешности известны с заданной вероятностью и не

выходят за

установленные пределы.

Мероприятия по реальному обеспечению единства измерений в

большинстве стран мира устанавливаются законами и входят в функции

законодательной метрологии. Для проведения в жизнь этих мероприятий в этих

странах организуются метрологические службы.

Законодательная метрология – это раздел метрологии, включающий

комплексы взаимосвязанных и взаимообусловленных общих правил, а также

другие вопросы, нуждающиеся в регламентации

и контроле со стороны

государства, направленные на обеспечение единства измерений и единообразия

средств измерений. К области законодательной метрологии относятся

испытания и утверждение типа средств измерений и их поверка, калибровка,

сертификация средств измерений, государственный метрологический контроль

и надзор за средствами измерений.

Метрологические правила и нормы законодательной метрологии

гармонизованы с рекомендациями и

документами соответствующих

международных организаций. Тем самым законодательная метрология

способствует взаимопониманию в международном метрологическом

сотрудничестве.

3.1.2. Виды измерений физических величин

Измерения классифицируются: по способу получения информации; по

характеру изменений измеряемой величины в процессе измерений; по

количеству измерительной информации; по отношению к косвенным единицам.

По способу получения информации измерения подразделяются на

прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямые измерения – это непосредственное сравнение физической

величины с её мерой. Например, при определении длины предмета линейкой

происходит сравнение искомой величины (количественного выражения

значения длины) с мерой, т.е. линейкой.

182

Косвенные измерения отличаются от прямых тем, что искомое значение

величины устанавливают по результатам прямых измерений таких величин,

которые связаны с искомой определённой зависимостью. Так, если измерить

силу тока амперметром, а напряжение вольтметром, то по известной

функциональной взаимосвязи всех трёх названных величин можно рассчитать

мощность электрической цепи.

Совокупные измерения сопряжены с решением

системы уравнений,

составленной по результатам одновременных измерений нескольких

однородных величин. Решение системы уравнений даёт возможность

вычислить искомую 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

случайных процессов, звуковых сигналов, уровня шумов и т.д. .

Динамические измерения связаны с такими величинами, которые в

процессе измерений претерпевают те или иные изменения (изменениям во

времени).

Статические измерения имеют место тогда, когда

измеряемая величина

практически постоянна. Например, измерение длины детали при нормальной

температуре.

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 применение такого

вида измерений всегда сопряжено с большими погрешностями, поэтому

следует проводить не менее

трёх однократных измерений и находить конечный

результат как среднее арифметическое значение. Например, измерение

конкретного момента времени по часам.

Многократные измерения характеризуются превышением числа

измерений количества измеряемых величин. Обычно минимальное число

измерений в данном случае больше трёх, следующих друг за другом.

По отношению к основным единицам измерения делят на абсолютные и

относительные

Абсолютными измерениями называют такие, при которых используются

прямое измерение одной (иногда нескольких) основной величины и физическая

константа. Так, в известной формуле Эйнштейна Е=mc

масса (m) – основная

физическая величина, которая может быть измерена прямым путём

(взвешиванием), а скорость света (c) – физическая константа.

Относительные измерения базируются на установлении отношения

измеряемой величины к однородной, применяемой в качестве единицы.

183

Естественно, что искомое значение зависит от используемой единицы

измерений.

С измерениями связаны такие понятия, как “шкала измерений”, “принцип

измерений” и “метод измерений”.

Шкала измерений – это упорядоченная совокупность значений

физической величины, которая служит основой для её измерения. Например, в

шкале Цельсия за начало отсчёта принята температура таяния льда, а в качестве

основного

интервала (опорной точки) – температура кипения воды. Одна сотая

часть этого интервала является единицей температуры (градус Цельсия). Таким

образом, по шкале Цельсия разность между температурой кипения воды и

таяния льда составляет 100°С.

В метрологической практике известно несколько разновидностей шкал:

шкала наименований, шкала порядка; шкала интервалов, шкала отношений и

др.

Шкала наименований

– это своего рода качественная, а не

количественная шкала, она не содержит нуля и единиц измерения. Примером

может служить атлас цветов (шкала цветов, процесс измерения заключается в

визуальном сравнении окрашенного предмета с образцом).

Шкала порядка характеризует значение измеряемой величины в баллах

(шкала силы ветра, твёрдости физических тел и т.п.).

Шкала

интервалов (разностей) имеет условные нулевые значения, а

интервалы устанавливаются по согласованию. Такими шкалами являются:

шкала времени, шкала длины и др.

Шкала отношений имеет естественное нулевое значение, а единица

измерений устанавливается по согласованию. Например, шкала массы,

начинаясь от нуля, может быть градуирована по-разному в зависимости от

требуемой точности.

Принцип измерений:

физическое явление или эффект, положенное в

основу измерений. Например, применение эффекта Джозефсона для измерения

электрического напряжения (протекание тока через тонкий слой диэлектрика,

разделяющего два сверхпроводника); применение эффекта Пельтье для

измерения поглощённой энергии ионизирующих излучений (выделение или

поглощение тепла при прохождении электрического тока через контакты двух

различных проводников); применение эффекта Допплера для

измерения

скорости (имеет место при любом волновом процессе распространения

энергии); использование силы тяжести при изменении массы взвешиванием.

Метод измерений: приём или совокупность приёмов сравнения

измеряемой физической величины с её единицей в соответствии с

реализованным принципом измерений (метод измерений обычно обусловлен

устройством средств измерений).

Различают: методы непосредственной оценки измерений, при которых

значение величины определяют непосредственно по показывающему средству

измерений; методы сравнения с мерой, в которых измеряемые величины

184

сравниваются с величинами, воспроизводимой меры; нулевой метод измерений,

в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры

на прибор сравнения доводят до нуля; метод измерений замещением, в котором

измеряемую величину заменяют мерой с известным значением величины;

метод измерений с дополнением, в котором значение измеряемой величины

дополняется мерой этой же величины с

таким расчётом, чтобы на прибор

сравнения воздействовала их сумма, равная заранее задуманному значению;

дифференциальный метод измерений, при котором измеряемая величина

сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение

незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, при котором

измеряется разность между этими двумя величинами; контактный метод

измерений (измерение диаметра вала измерительной скобой или

проходным и

непроходным калибром); бесконтактный метод измерений, основанный на том,

что чувствительный элемент средства измерений не приводится в контакт с

объектом измерения (например, измерение расстояния до объекта

радиолокатором, температуры в печи).

Методика выполнения измерений – установленная совокупность

операций и правил при измерении, выполнение которых обеспечивает

получение необходимых результатов измерений с гарантированной точностью

в соответствии с принятым методом.

3.1.3. Физические величины как объекты измерений

Физическая величина – одно из свойств физического объекта

(физической системы, явления или процесса), общее в качественном

отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении

индивидуальное для каждого из них.

Измеряемая физическая величина – количественная физическая величина,

подлежащая измерению, измеряемая или измеренная в соответствии с основной

целью измерительной задачи.

Размер физической величины –

количественная определённость

физической величины, присущая конкретному материальному объекту,

системе, явлению или процессу.

Значение физической величины – выражение размера физической

величины в виде некоторого числа принятых для неё единиц.

Истинное значение физической величины – значение, которое идеальным

образом характеризовало бы в качественном и количественном отношении

соответствующую физическую величину.

Действительное значение физической величины – значение физической

величины, полученное экспериментальным путём и настолько близкое к

истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть

использовано вместо него.

185

Физический параметр – физическая величина, рассматриваемая, при

измерении данной физической величины как вспомогательная. Например, при

измерении электрического напряжения переменного тока частоту тока

рассматривают как параметр напряжения.

Система единиц физических величин – совокупность основных и

производных физических величин, образованная в соответствии с принятыми

принципами, когда одни величины принимаются за независимые, а другие

являются функциями

независимых величин.

Основная физическая величина – физическая величина, входящая в

систему величин и условно принятая в качестве независимой от других величин

этой системы.

Основные величины независимые друг от друга, но они могут служить

основой для установления связей с другими физическими величинами, которые

называют производными от них. Вспомним формулу Эйнштейна, в которую

входит основная единица – масса, а энергия – это производная единица.

Основным величинам соответствуют основные единицы измерений, а

производным – производные.

Производная физическая величина - физическая величина, входящая в

систему и определяемая через основные величины этой системы.

Каждая физическая величина имеет определённую размерность.

Размерность физической величины – выражение в форме степенного

одночлена, составленного из произведений символов

основных физических

величин в различных степенях, и отражающее связь данной физической

величины с физическими величинами, принятыми в данной системе величин за

основные и с коэффициентом пропорциональности равным 1.

Показатель размерности физической величины – показатель степени, в

которую возведена размерность основной физической величины, входящая в

размерность производной физической величины.

Размерностная физическая величина - физическая

величина, в

размерности которой хотя бы одна из основных физических величин возведена

с степень не равную нулю. Безразмерностная физическая величина -

физическая величина, в размерность которой основные физические величины

входят в степени равной нулю.

Шкала физической величины – упорядоченная совокупность значений

физической величины, служащая исходной основой для измерений данной

величины.

Условная шкала физической

величины – шкала, исходные значения

которой выражены в условных единицах. Например, шкала твёрдости минерала

Мооса, шкалы твёрдости металлов (Бринеля, Виккерса, Роквелла и др.).

Род физической величины – качественная определённость физической

величины. Например, длина и диаметр детали – однородные величины; длина и

масса детали – неоднородные величины.

Аддитивная физическая величина - физическая величина, разные

значения которой

могут быть суммированы, умножены на числовой

186

коэффициент, разделены друг на друга. Например, к аддитивным величинам

относятся длина, масса, сила, давление, время, скорость и др.

Неаддитивная физическая величина - физическая величина, для которой

суммирование, умножение на числовой коэффициент или деление друг на

друга её значений не имеет физического смысла.

3.1.4. Международная система единиц физических величин

Понятие системы единиц как совокупности основных и производных

впервые предложено немецким учёным К.Ф. Гауссом в 1832 г. В качестве

основных в этой системе были приняты: единица длины – миллиметр, единица

массы – миллиграмм, единица времени – секунда. Эту систему единиц

называют абсолютной.

В 1881 г. была принята система единиц физических величин, основными

единицами которой были

: сантиметр – единица длины, грамм – единица массы,

секунда – единица времени. Производными единицами системы считались

единица силы – килограмм-сила и единица работы – эрг. Неудобство этой

системы состояло в трудностях пересчёта многих единиц в другие системы для

определения их соотношения.

В начале XX в. итальянский учёный – Джорджи предложил ещё одну

систему единиц, получившую название

МКСА (в русской транскрипции) и

довольно широко распространившуюся в мире. Основные единицы этой

системы: метр, килограмм, секунда, ампер (единица силы тока), а

производные: единица силы – ньютон, а единица энергии – джоуль, единица

мощности – ватт.

Были и другие предложения, что указывает на стремление к единству

измерений в международном аспекте. В то же время

даже сейчас некоторые

страны не отошли от исторически сложившихся у них единиц измерений.

Известно, что Великобритания, США, Канада, и др. страны основной единицей

массы считают фунт.

Генеральная конференция по мерам и весам (ГКМВ) в 1954г. определила

шесть основных единиц физических величин для использования в

международных отношениях: метр, килограмм, секунда, ампер,

градус

Кельвина и свеча. XI Генеральная конференция по мерам и весам в 1960 г.

утвердила Международную систему единиц, обозначаемую SI (от начальных

букв французского названия Systeme International d’Unites), на русском языке –

СИ. В последующие годы ГКМВ приняла ряд дополнений и изменений, в

результате чего в системе стало семь основных единиц, дополнены и

производные единицы физических величин (табл

. 3.1.), а также разработала

следующие определения основных единиц:

единица длины – метр – длина пути, которую проходит свет в вакууме за

1/299792458 долю секунды;

187

единица времени – секунда – продолжительность 919263770 периодов

излучения, которое соответствует переходу между двумя сверхтонкими

уровнями основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения со

стороны внешних полей;

единица массы – килограмм – масса, равная массе международного

прототипа килограмма;

единица силы электрического тока – ампер – сила неизменяющегося тока,

который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной

длины и

ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии

1м один от другого в вакууме, создал бы между этими проводниками силу,

равную 2⋅10

-7

Н на каждый метр длины;

единица термодинамической температуры – кельвин – 1/273,16 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 – силы света в заданном направлении

источника,

испускающего монохроматическое излучение частотой 540⋅10

Гц,

энергетическая сила которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср (Ватт

на стерадиан – единица (производная) энергетической силы света).

Приведённые определения довольно сложны и требуют достаточного

уровня знаний, прежде всего в физике. Но они дают представление о

природном, естественном происхождении принятых единиц, а толкование их

усложнялось по мере развития науки и благодаря новым высоким достижениям

теоретической и практической физики, механики, математики и других

фундаментальных областей знаний. Это дало возможность, с

одной стороны,

представлять основные единицы как достоверные и точные, а с другой стороны

– как объяснимые и как бы понятные для всех стран мира, что является

главным условием для того, чтобы система единиц стала международной.

Международная система СИ считается наиболее совершенной и

универсальной по сравнению с предшествовавшими ей. Кроме основных

единиц

, в системе СИ есть дополнительные единицы для измерения плоского

телесного углов – радиан и стерадиан соответственно, а также большое

количество производных единиц пространства и времени, механических

величин, электрических и магнитных величин, тепловых, световых и

акустических величин, а также ионизирующих излучений.

После принятия международной системы единиц ГКМВ практически все

крупнейшие международные организации

включили её в свои рекомендации по

метрологии и призвали все страны – члены этих организаций принять её. В

нашей стране система СИ официально была принята путём введения в 1963 г.

соответствующего государственного стандарта, причём следует учесть, что в то

188

время все государственные стандарты имели силу закона и были строго

обязательными для выполнения.

На сегодняшний день система СИ действительно стала международной,

но вместе с тем, применяются и внесистемные единицы (табл. 3.2.).

Таблица 3.1

Важнейшие единицы международной системы (СИ)

Величина Единица

Обозначение

Наименование

Обозна

чение

Наименование

русское

междун

ародное

Выражени

е через

дополни-

тельные

единицы

СИ

Основные единицы

Длина L метр м m

Масса M Килограмм кг kg

Время T Секунда с s

Сила электрического

тока

I ампер А A

Термодинамическая

температура

Кельвина

Кельвин к k

Сила света J Кандела кд cd

Количество вещества N

моль

∗

моль mol

Дополнительные единицы

Плоский угол – Радиан рад rad

Телесный угол – Стерадиан ср sr

Некоторые производные единицы

Площадь L

квадратный метр м

Объём, вместимость L

Кубический метр м

Скорость LT

-1

метр в секунду м/с m/s

Ускорение LT

-2

метр на секунду в

квадрате

м/с

m/s

Частота

периодического

процесса

-1

герц

Гц

Экспозиционная доза

(рентгеновского и

гаммаизлучения)

-1

кулон на

килограмм

Кл/кг

c/kg

-1

·sA

Мощность

поглощённой дозы

-3

грэй в секунду Гр/с Gy/s

·s

-3

∗ Произвольные единицы молярных величин могут быть образованы заменой единицы

массы – килограмма единицей количества вещества – молем.

189

Таблица 3.2

Внесистемные единицы, допускаемые к применению наравне с единицами СИ

Единица

Обозначение

Наименование

величины

Наименование

Между-

народные

русское

Соотношение с

единицей СИ

Масса тонна

атом. ед. массы

а. е. м.

≈1,66057·10

-27

Время* минута

час

сутки

min

мин.

ч.

сут.

60s

3600s

86400s

Плоский угол градус

минута

секунда

град**

- - -˚

- - - ´

- - - ´´

- - -

(доп.)

- - -˚

- - - ´

- - - ´´

град

π/180rad=1,745329·10

rad

π/10180rad=2,908882·1

-4

rad

π/64180rad=4,848137·1

-6

rad

π/200rad

Объём литр***

I л 10

-3

Длина Астрономическая

единица

световой год

парсек

a.e.

св.год.

пк

≈1,49598·10

≈9,4605·10

≈3,0857·10

Оптическая сила диоптрия – дптр 1·m

-1

Площадь гектар ha ra 10

Механическое

напряжение

ньютон на

кв. миллиметр

N/mm

Н/мм

1МРа

Энергия электрон-вольт eV эВ ≈1,60219·10

-19

Полная мощность вольт-ампер V·A В·А

Реактивная

мощность

вар var вар

* Допускается также применять другие единицы, получившие широкое

распространение, например, неделя, месяц, год, век и т.п.

** Допускается применять наименование “гон”.

*** Не рекомендуется применять при точных измерениях. Допускается обозначение L.

Примечание. Единицы времени (минуту, час, сутки), плоского угла, (градус, минуту,

секунду), астрономическую единицу, световой год, диоптрию и атомную единицу массы не

допускается применять с приставками

Внесистемные единицы разделяются на четыре группы:

− допускаемые наравне с единицами СИ;

− допускаемые к применению в специальных областях;

− временно допускаемые к применению;

− устаревшие (недопускаемые к применению).

190