Теоретические основы и методические указания к выполнению самостоятельной работы по курсу физические основы измерений

Подождите немного. Документ загружается.

Федеральное агентство по образованию

Волгоградский государственный технический университет

Кафедра «Технология машиностроения»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ВЫПОЛНЕНИЮ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ПО КУРСУ

«ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗМЕРЕНИЙ»

ВОЛГОГРАД 2006

Предисловие

Дисциплина «Физические основы измерений» предполагает

изучение основных положений метрологии по обеспечению единства

измерений, инструментальных погрешностей средств измерений, методах

их оценивания и нормирования, принципах выбора точностных

характеристик средств измерений.

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДИСЦИПЛИНЫ

ГЛАВА 1 Обеспечение единства измерений

1.1 Измеряемые величины

Традиционно объектом измерений (и объектом изучения в данном

курсе) являются ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ. Кроме них на практике

довольно широко используются НЕФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ, которые

также должны количественно оцениваться (например, уровень знаний,

количественная оценка качества изделия, характеристики вкуса, запаха,

психофизического состояния объекта и т.д.). Этого требует современный

подход к управлению качеством.

Таким образом

, в настоящее время термин «измерение» стал

использоваться в новых для метрологии сферах – экономике, медицине,

информатике, управлении качеством продукции и пр.

Отличительная особенность в количественной оценке этих понятий

заключается в том, что физические величины ИЗМЕРЯЮТСЯ, т.е. имеют

единицу измерения, материализованную при помощи эталона;

нефизические – ОЦЕНИВАЮТСЯ или ВЫЧИСЛЯЮТСЯ, т.к. для

них еще

не удалось создать единицу величины и воспроизвести ее. По этому

признаку все величины можно разделить на измеряемые и не измеряемые

(т.е. оцениваемые).

1.2 Нормативная база дисциплины

Целый ряд теоретических и практических положений дисциплины

нуждается в регламентации и контроле со стороны государства, основная

цель которых – обеспечение единства измерений в стране и мире. Эта

область деятельности находит отражение в законодательной метрологии,

конкретные положения которой регламентируются нормативными

документами (НД) в области измерений.

Комплекс таких нормативных документов в стране составляет

ГОСУДАРСТВЕННУЮ СИСТЕМУ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕДИНСТВА

ИЗМЕРЕНИЙ (ГСИ).

Этот комплекс можно представить в виде иерархической пирамиды:

1. Закон РФ «Об обеспечении единства измерений».

2. Государственные стандарты России – ГОСТ Р,

межгосударственные стандарты (бывшие стандарты СССР и новые

стран

СНГ) - ГОСТ системы ГСИ. Большая часть стандартов, связанных с ГСИ,

образует межотраслевую систему стандартов, имеющих символ 8, т.е.

стандарты, входящие в эту систему начинаются с нее (например, ГОСТ

8.207 – 76 «Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы

обработки результатов наблюдений»).

3. Правила России – ПР (например, ПР 50.2.006 – 94 «Поверка

средств измерений. Организация и порядок

проведения»)

4. Рекомендации – МИ (например, МИ 2277 – 93 «ГСИ. Система

сертификации средств измерений. Основные положения и порядок

проведения работ»).

В целом ГСИ насчитывает более 2400 НД, 75% от всей

нормативной базы составляют МИ. Их широкое распространение

объясняется возможностью разработки в более короткие сроки и при

меньшей стоимости, чем стандартов (в 3-4 и 2-3 раза соответственно).

Основными

объектами регламентации в ГСИ являются:

- общие правила и нормы по метрологии – около 160 НД;

- государственные поверочные схемы – около 18 НД;

- методики поверки СИ – более 1850 НД;

- методики выполнения измерений (МВИ) – более 180 НД.

Надо отметить, что отечественная база ГСИ – очень велика. В

ближайшее десятилетие по прогнозам будет производиться перевод

обязательных документов, имеющих общетехнический или методический

характер в ранг рекомендаций. В первую очередь это касается НД на

методики поверки (кроме НД, применяемых в сфере государственного

метрологического контроля и надзора).

1.3 Физические величины

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА – это свойство общее в качественном

отношении многим физическим объектам (или системам, или их

состояниям), но в количественном отношении индивидуальное для

каждого объекта.

Таким образом, из определения следует, что физическая величина

имеет качественную и количественную оценку.

Формализованным отражением КАЧЕСТВЕННОГО различия

измеряемых физических величин является их РАЗМЕРНОСТЬ. Согласно

определению ИСО размерность

обозначается символом dim:

dim l = L, dim m = M, dim t = T

Размерность производных физических величин выражается с

помощью степенного многочлена:

Dim x = L x M x T,

где L, M, T – размерности основных физических величин;

x - показатели размерности.

Каждый показатель размерности может быть положительным или

отрицательным, целым или дробным, а также нулем. Если все показатели

размерности равны нулю, то величина называется безразмерной. Она

может быть относительной, определяемой как отношение

одноименных

величин (относительная диэлектрическая проницаемость),

логарифмической, определяемой как логарифм относительной величины

(логарифм отношения мощностей).

КОЛИЧЕСТВЕННОЙ характеристикой измеряемой величины

служит ее РАЗМЕР. Получение информации о размере является

содержанием любого измерения.

Различие размеров физической величины у объектов может быть

установлено непосредственным сравнением этих объектов (больше –

меньше). Но, как правило, такой оценки размера бывает недостаточно. Еще

в древней

Греции поняли необходимость выявления количественного

соотношения между размерами каждой физической величины. Впервые

определенную логическую структуру между размерами каждой

физической величины, (т.е. абстрактную числовую модель физической

величины) теоретически обосновал Г. Гельмгольц. Такое абстрактное

числовое выражение размера физической величины характеризует ее

ЗНАЧЕНИЕ.

Различают следующие понятия: значение физической величины,

истинное значение физической величины

и действительное значение

физической величины.

ЗНАЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЙ ВЕЛИЧИНЫ – оценка физической

величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц.

ИСТИННОЕ ЗНАЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЙ ВЕЛИЧИНЫ – значение,

которое идеальным образом отражает в количественном и качественном

отношении соответствующее свойство объекта (из определения следует,

что на самом деле получить истинное значение невозможно, мы только

условно

принимаем какое-то значение за истинное).

ДЕЙСТВИТЕЛЬНОЕ ЗНАЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЙ ВЕЛИЧИНЫ –

значение, найденное экспериментальным путем и настолько

приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть

использовано вместо него.

Чаще всего в практических целях именно так и делают: определяют

с необходимой точностью действительное значение и принимают его за

истинное, но бывают случаи (научные исследования, специальные

метрологические задачи и т.д.), когда эти понятия должны быть разделены.

1.4 Единицы и системы единиц физических величин

Физическая величина, которой по определению присвоено числовое

значение, равное 1, называется ЕДИНИЦЕЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ВЕЛИЧИНЫ.

Единицы, образующие какую-нибудь систему, называются

СИСТЕМНЫМИ. Наличие в обращении несистемных единиц объясняется

тем, что некоторые из них удобны по своему размеру (тонна, ангстрем,

литр, карат, минута, час, сутки и др.), другие сохранились в силу традиций.

Впервые понятие

о системе единиц ввел Гаусс. Он установил, что

для определенной области измерений целесообразно произвольно выбрать

несколько единиц, независимых друг от друга, а остальные образовать от

них по определенному правилу. Так появились понятия «основные» и

«производные» единицы.

В качестве ОСНОВНЫХ выбраны те, которые характеризуют

фундаментальные свойства материального мира. Этих величин немного

Например, механика базируется на ТРЕХ основных величинах: ПУТЬ,

МАССА, ВРЕМЯ. Теплотехника – на четырех. Физика – на семи: ДЛИНА,

МАССА, ВРЕМЯ, ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ТЕМПЕРАТУРА,

КОЛИЧЕСТВО ВЕЩЕСТВА, СИЛА СВЕТА, СИЛА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО

ТОКА.

С помощью этих величин создается все многообразие производных

физических величин и обеспечивается описание любых свойств

физических объектов и явлений.

Совокупность основных и производных единиц, относящихся к

некоторой системе величин, образованная в соответствии с принятыми

принципами, называется СИСТЕМОЙ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН.

В настоящее время ЕДИНОЙ УНИВЕРСАЛЬНОЙ СИСТЕМОЙ

ЕДИНИЦ, которая охватывает все отрасли науки и техники в

международном масштабе, является система Systeme International –

международная система СИ.

Таблица 1.1 – Основные физические величины СИ

Наименование

Единица

измерения

Обозначение

русское

Обозначение

международное

Длина Метр l m

Масса Килограмм кг Kd

Время Секунда с S

Сила электрического тока Ампер А А

Термодинамическая температура Кельвин К К

Сила света Кандела Кg cd

Количество вещества Моль Моль mol

Дополнительные единицы СИ

Плоский угол Радиан Рад rad

Телесный угол Стерадиан Ср sr

1.5 Определения физических величин системы СИ

Эти единицы были приняты в решениях Генеральных конференций

по мерам и весам.

МЕТР – длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал

времени 1/299792458 S.

КИЛОГРАММ – единица массы, равная массе международного

прототипа килограмма.

СЕКУНДА – время, равное 9 192 631 770 периодам излучения,

соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями

основного состояния атом цезия-133.

АМПЕР – сила неизменяющегося тока, который при прохождении

по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины

и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения,

расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы

на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную

102

−

× .

КЕЛЬВИН – единица термодинамической температуры, равная

1/273, 16 части термодинамической температуры тройной точки воды.

КАНДЕЛА – сила света в данном направлении от источника,

испускающего монохроматическое излучение частотой

10540× Hz,

энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683

W/sr (телесного угла).

МОЛЬ – количество вещества системы, содержащей столько же

структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой

0,012 kg (структурные элементы – атомы, молекулы, ионы и др.).

РАДИАН – угол между двумя радиусами окружности, длина дуги

между которыми равна радиусу. В градусном выражении радиан равен

///0

8,441757

СТЕРАДИАН – телесный угол с вершиной в центре сферы,

вырезающий на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со

стороной, равной радиусу сферы.

Радиан и стерадиан применяют в основном в теоретических

построениях, на практике для этих целей используют число

1.6 Кратные и дольные единицы

Размеры физических величин на практике не всегда удобны: или

слишком велики, или очень малы. Поэтому пользуются кратными или

дольными единицами, образуемыми по принципу десятичной кратности и

дольности – умножением исходной единицы на число 10,возведенное в