основы метрологии. 1. 1 Основные понятия в области метрологии
 Скачать 442.37 Kb.
|
1.4 Объекты измерений и их характеристики1.4.1 Измеряемые величины.Предметом познания в современном представлении являются объекты и явления окружающего нас мира, которые характеризуются совокупностью различных свойств. Например, если считать объектом пространство, то его свойством будет протяженность. Протяженность может характеризоваться различными способами. Общепринятой характеристикой пространственной протяженности является длинна. Протяженность – это сложное свойство, и она может характеризоваться не только длинной. Пространство многомерно, и в качестве его характеристик можно использовать, например протяженность по нескольким направлениям или другие характеристики: угол, площадь, объем. Любые события и не могут произойти мгновенно, а следовательно, имеют некоторую протяженность (длительность). Общепринятой характеристикой длительности события является время. Любое физическое тело обладает свойством инерции – способностью сохранять состояние покоя или равномерного движения при отсутствии внешних воздействий. Мерой инерции является масса. Причем свойство инерции присуще всем физическим телам, но проявляется это свойство для каждого тела по своему, то есть каждое тело имеет свою массу. Физическая величина – это общепринятая или установленная законодательным путем характеристика физического объекта (физической системы, явления или процесса), общая в качественном отношении для множества физических объектов, а в количественном отношения индивидуальная для каждого из них. Таким образом, физическими величинами являются: длинна, время, масса, термодинамическая температура, сила, давление, электрическое сопротивление и т.д. Наряду с физическими величинами к измеряемым величинам относится целый комплекс нефизических величин. Переход к количественным методам исследований на основании измерительной информации в таких областях человеческой деятельности как медицина, биология, спорт, искусство, социология стал отличительной чертой современности. Привычным стало измерение качества исполнения художественных произведений (конкурсы исполнителей, художников) мастерства спортсменов, уровня знаний студентов. Все мы стали свидетелями конкурсов красоты. Применительно к инженерной деятельности существенное место среди нефизических измеряемых величин занимают показатели качества. Качество продукции – это степень, с которой совокупность собственных характеристик изделия выполняет предъявляемые ему требования (в соответствии со стандартом ИСО9000 версии 2000 года). Количественными характеристиками качества являются показатели качества. В соответствии с РД 50-64-84, можно выделить 11 основных групп показателей качества: Показатели назначения. Характеризуют свойства продукции, определяющие основные функции, для выполнения которых она предназначена, и обуславливает область ее применения. Показатели надежности. Характеризуют свойства безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости. Показатели экономического использования сырья, материалов, топлива, энергии и трудовых ресурсов. Характеризуют свойства, отражающие техническое совершенство продукции по количеству нужных для ее работы материалов и энергии. Эргономические показатели. Характеризуют качество взаимодействия человека и изделия. Учитывают комплекс гигиенических и антропометрических, физиологических и психологических свойств человека, проявляющихся в производственных и бытовых процессах. Эстетические показатели. Характеризуют информационную выразительность, рациональность формы, целостность композиции и совершенство производственного исполнения, Показатели технологичности. Характеризуют свойства продукции, определяющие ее приспособленность к достижению минимальных затрат при ее производстве, эксплуатации и восстановлении. Показатели транспортабельности. Характеризуют приспособленность продукции к перемещению в пространстве. Показатели стандартизации и унификации. Характеризуют насыщенность продукции стандартными, унифицированными и оригинальными составными частями, а также уровень унификации с другими изделиями. Патентно-правовые показатели. Характеризуют степень обновления технических решений, их патентную защиту, а также возможность беспрепятственной реализации продукции в стране или за рубежом. Экологические показатели. Характеризуют уровень вредных воздействий на окружающую среду, возникающих при эксплуатации или потреблении продукции. Показатели безопасности. Характеризуют безопасность обслуживающего персонала при использовании продукции. К числу показателей качества также относится обобщенный показатель эффективности использования продукции. Это интегральный показатель качества, определяют как, соотношение суммарного полезного эффекта от эксплуатации или потребления продукции и суммарных затрат на ее создание эксплуатацию и потребление. Внутри каждого вида показателей можно выделить группы и отдельные показатели качества. Это еще раз доказывает, что качество, как и физические объекты (например, пространство) многомерно. 1.4.2 Качественные и количественные характеристики измеряемых величин.Изучение физических объектов, явлений и закономерностей связано с обязательным измерением самых различных физических величин, которые можно разделить на две группы: величины, характеризующие свойства и состояние объектов (масса объем, давление, температура, электрическое сопротивление и др.) и величины, характеризующие процессы и явления, изменяющиеся во времени (скорость, ускорение, работа и т.п.). Для того чтобы можно было установить различия в количественном содержании в каждом данном объекте свойства, отображаемого физической величиной, вводится понятие размер физической величины. Размер физической величины – это понятие, отражающее количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию физическая величина. Размер физической величины не следует путать со значением величины, под которым понимают оценку физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Число, входящее в значение физической величины, называется числовым значением. Например, 12кг – значение массы тела. Размер величины – это объективная реальность. При измерении размер величины выражают в виде ее числового значения. Если размер величины есть нечто постоянное и не зависящее от способа измерения, то ее числовое значение может меняться. Так, например, расстояние между городами Москва и Орел может быть выражено различным числом километров, миль, верст и др. Процесс измерения математически можно выразить формулой:  (1.1)где Q – измеряемая величина; q – числовое значение; [Q] – единица физической величины. Единица физической величины – это физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение равное единице. Единицы одной и той же величины могут быть различными. Например, длину можно измерять в метрах, футах, дюймах, верстах, милях, ярдах и т.д. таким образом, числовое значение величины зависит от размера принятой единицы. Между физическими величинами существуют определенные зависимости, закономерные связи, которые могут быть выражены в виде математических формул. Эта возможность обуславливается наличием объективно существующих взаимосвязей между свойствами объектов. Выявляя эти взаимосвязи и переводя их на математический язык, получают формулы. Однородные величины допускают над собой в общем случае все виды алгебраических действий. Например, можно складывать сопротивления двух резисторов, вычитать их, делить, возводить в степень. При этом не следует забывать о физическом смысле выполняемых действий. Разнородные величины можно умножать и делить друг на друга, учитывая физический смысл этих действий. Например, произведение ассы тела на его ускорение определяет силу, вызывающую это ускорение. Произведение тока в цепи на ее сопротивление определяет электрическое напряжение, вызывающее этот ток. В общем случае физическая величина Q может быть представлена через другие величины A, B, C … уравнением вида:  (1.2)где k – коэффициент пропорциональности; , , , … – показатели степени. Показатели степени могут быть целыми или дробными. Значение k определяется характером связи величин, входящих в уравнение. Так, если в формуле (1.2) под A, B, C понимать обобщающие символы величин, входящих в уравнение, то k зависит от выбора единиц измерения. Например, крутящий момент выраженный в кгс·см определяющийся формулой  , где N – мощность (в лошадиных силах); ω – частота (об/мин).В уравнения между величинами входят универсальные постоянные и физические константы. Они отличаются от коэффициентов пропорциональности тем, что характеризуют какие-то определенные свойства объектов (например, площадь круга в формулу, которой входит число π). Коэффициенты же появляются в формулах лишь из-за несогласованности единиц измерения величин или характеризуют свойства симметрии физических законов. Поскольку физические величины связанны между собой определенными зависимостями, они образуют некоторую совокупность, которая называется системой физических величин. Система физических величин – совокупность физических величин связанных между собой зависимостью. Для удобства и однозначности условно считается, что в системе величин есть группа величин независимых друг от друга. Такие величины называются основными. Основная физическая величина – это физическая величина, входящая в систему и условно принятая в качестве независимой от других величин этой системы. Производная физическая величина – это физическая величина, входящая в систему и определяемая через основные величины. Например, основными физическими величинами механики являются: длинна, масса и время. Производными – скорость, сила и импульс. Каждая физическая величина в системе единиц имеет свою размерность – выражение, отражающее связь величины с основными величинами системы, в котором коэффициент пропорциональности принят равным единице. Размерность, по сути дела, является формализованным отражением качественного различия измеряемых величин. Размерность обозначается символом dim. Размерность основных физических величин обозначается соответствующими заглавными буквами, например: длина – L; масса – M; время – T. Для определения размерности производных величин руководствуются следующими правилами: Размерности правой и левой частей уравнения не могут не совпадать, так как сравнивать можно только одинаковые свойства; алгебра размерностей мультипликативная, то есть состоит из умножения, деления и возведения в степень. Из этого правила вытекают три следствия: размерность произведения нескольких величин равна произведению размерностей этих величин:  ;  ;размерность частного при делении одной величины на другую равна отношению их размерностей:  ;  ;Размерность любой величины возведенной в некоторую степень равна ее размерности возведенной в ту же степень:  ;  .Теория размерностей повсеместно применяется для оперативной проверки правильности сложных формул. Если размерности правой и левой частей уравнения не совпадают, то есть не выполняется условие (1.1), то в формуле присутствует ошибка. Формальное применение алгебры размерностей иногда позволяет определить неизвестную зависимость между величинами. Пример: На основании результатов наблюдения установлено, что центростремительная сила, прижимающая тело к опоре при его движении по окружности, зависит от его скорости v, массы m и радиуса r кривизны окружности. Каков вид этой зависимости?0  но  ;  ;  ;  ;следовательно  ,следовательно  ;  ;  , следовательно: α = 1, β = 2, γ = -1,следовательно  .Аналогично системе физических величин формируется система единиц физических величин, или сокращенно система единиц – совокупность основных и производных единиц, относящихся к некоторой системе величин, и образованная в соответствии принятыми принципами. Основная единица – единица основной физической величины, выбранная произвольно при построении системы единиц. Производная единица – единица производной физической величины, образуемая по определяющему эту единицу уравнению из других единиц данной системы. Кратные единицы – единицы, составляющие целое число основных или производных единиц (кГц, МОм, ГПа). Дольные единицы – единицы в целое число раз меньшие основной или производной единицы (мкФ, мм, мА). Правила написания обозначений единиц величин регламентированы ГОСТ 8.417-81. Следует отметить, что правила выбора единицы в качестве основной не могут быть теоретически обоснованны. Единственным аргументом в пользу выбора может служить лишь эффективность и целесообразность использования данной системы. Для практических целей измерения в качестве основных величин и единиц следует выбирать такие, которые могут быть воспроизведены с наибольшей точностью. В механике это длина, масса, и время; в электродинамике и фотометрии – тоже самое плюс сила электрического тока и сила света. Некоторая произвольность в выборе основных величин основных единиц привела исторически к образованию большого числа систем единиц физических величин. Не останавливаясь на подробном описании преимуществ и недостатков отдельных систем, ограничимся их перечислением: система СГС – основные единицы: сантиметр, грамм, секунда. система МКГСС – метр, килограмм сила, секунда; система МТС – метр, тонна, секунда; система СГСМ – сантиметр, грамм, секунда, магнитная проницаемость (безразмерная величина); система МКСА – метр, килограмм, секунда, ампер. Наряду с системами единиц существуют ряд единиц, не входящих ни в одну из систем – так называемые внесистемные единицы. Их возникновение вызвано удобством измерения и восприятия тех или иных величин. Примеры: световой год, парсек, гектар, литр, карат, атмосфера, мм. рт. ст., квт*час, тонна. 1.4.3 Международная система единиц СИ.Многообразие отдельные единиц (силу, например, можно было выразить в кг, фунтах и др.) и систем единиц создавало большие трудности во всемирном обмене научными и экономическими достижениями. Поэтому еще в 19 веке отмечалась необходимость в создании единой международной системы, которая бы включала в себя и единицы измерений величин, используемых во всех разделах физики. Однако, соглашение о введении такой системы было принято только в 1960 году. Международная система единиц – это правильно построенная и взаимосвязанная совокупность физических величин. Она была принята в октябре 1960 года на 11 генеральной конференции по мерам и весам. Сокращенное название системы – SI. В русской транскрипции – СИ. (система интернациональная). В СССР в 1961 году был введен в действие ГОСТ 9867-61, которым устанавливается предпочтительное применение этой системы во всех областях науки, техники, и преподавания. В настоящие время действующим является ГОСТ 8.417-81 «ГСИ. Единицы физических величин». Этот стандарт устанавливает единицы физических величин, применяемые в СССР, их наименования, обозначения и правила применения. Он разработан в полном соответствии с системой СИ и с СТ СЭВ 1052-78. Система Си состоит из семи основных единиц, двух дополнительных и ряда производных. Кроме единиц СИ допускается применение дольных и кратных единиц, получаемых умножением исходных величин на 10n, где n = 18, 15, 12, … -12, -15, -18. Наименование кратных и дольных единиц образуется присоединением соответствующих десятичных приставок: экса (Э) = 1018; пета (П) = 1015; тера (Т) = 1012; гига (Г) = 109; мега (М) = 106; кило (к) = 103; гекто (г) = 102; дека (да) = 10; деци (д) = 10–1; санти (с) = 10–2; мили (м) = 10–3; микро (мк) = 10–6; нано (н) = 10–9; пико (п) = 10–12; фемто (ф) = 10–15; атто (а) = 10–18; ГОСТ 8.417-81 разрешает использовать кроме указанных единиц ряд внесистемных единиц, а также единицы, временно разрешенные к применению до принятия соответствующих международных решений. К первой группе относятся: тонна, сутки, час, минута, год, литр, световой год, вольт-ампер. Ко второй группе относятся: морская миля, карат, узел, об*мин. 1.4.4 Основные единицы СИ.Единица длинны – метр (м) Метр равен 1650763,73 длин волн в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2p10 и 5d5 атома криптона-86. В международном бюро мер и весов и в крупных национальных метрологических лабораториях созданы установки для воспроизведения метра в длинах световых волн. Единица массы – килограмм (кг). Масса – мера инерции тел и их гравитационных свойств. Килограмм равен массе международного прототипа килограмма. Государственный первичный эталон килограмма СИ предназначен для воспроизведения, хранения и передачи единицы массы рабочим эталонам. В состав эталона входят: Копия международного прототипа килограмма – платино-иридиевый прототип №12, представляющий собой гирю в виде цилиндра диаметром и высотой 39мм. Равноплечие призменные весы №1 на 1 кг с дистанционным управлением фирмы Рупхерт (1895 года) и №2 изготовленные во ВНИИМе в 1966г. Один раз, в 10 лет государственный эталон сравнивают с эталоном-копией. За 90 лет масса государственного эталона увеличилась на 0,02мг из-за пыли, адсорбции и коррозии. Сейчас масса является единственной величиной единица, которой определяется через вещественный эталон. Такое определение имеет ряд недостатков – изменение массы эталона с течением времени, невоспроизводимость эталона. Ведутся поисковые работы по выражению единицы массы через естественные константы, например через массу протона. Планируется также разработка эталона через определенное число атомов кремния Si-28. для решения этой задачи, прежде всего, должна быть повышена точность измерения числа Авогадро. Единица измерения времени – секунда (с). Время является одним из центральных понятий нашего мировоззрения, одним из важнейших факторов в жизни и деятельности людей. Его измеряют с помощью стабильных периодических процессов – годового вращения Земли вокруг Солнца, суточного – вращения Земли вокруг своей оси, различных колебательных процессов. Определение единицы времени – секунды несколько раз менялось в соответствии с развитием науки и требований к точности измерения. Сейчас существует следующее определение: Секунда – равна 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия 133. В настоящее время создан лучевой эталон времени, частоты и длинны, используемый службой времени и частоты. Радиосигналы позволяют передавать единицу времени, поэтому она широко доступна. Погрешность эталона секунды 1·10-19с. Единица силы электрического тока – ампер (А) Ампер равен силе не изменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным и прямолинейным проводникам бесконечной длинны и ничтожно малой площади поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 метра друг от друга, вызвал бы на каждом участке проводника длинной 1 метр силу взаимодействия, равную 2·10-7Н. Погрешность эталона ампера 4·10-6А. Эту единицу воспроизводят с помощью так называемых токовых весов, которые приняты в качестве эталона ампера. Планируется использовать в качестве основной единицы 1 вольт, так как погрешность его воспроизведения равна 5·10-8В. Единица термодинамической температуры – Кельвин (К) Температура – это величина, характеризующая степень нагретости тела. Со времени изобретения Галилеем Термометра измерение температуры основано на применении т ого или иного термометрического вещества, изменяющего свой объем или давление при изменении температуры. Все известные температурные шкалы (Фаренгейта, Цельсия, Кельвина) основаны на каких-либо реперных точках, которым приписываются различные числовые значения. Кельвин и независимо от него Менделеев высказали соображения о целесообразности построения шкалы температур по одной реперной точке, в качестве которой была взята «тройная точка воды», являющаяся точкой равновесия воды в твердой, жидкой и газообразной фазах. Она в настоящее время может быть воспроизведена в специальных сосудах с погрешностью не более 0,0001 градуса Цельсия. Нижней границей температурного интервала служит точка абсолютного нуля. Если этот интервал разбить на 273,16 частей, то получиться единица измерения называемая Кельвином. Кельвин – это 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Для обозначения температуры, выраженной в Кельвинах, принят символ Т, а в градусах Цельсия t. Переход производится по формуле: T = t + 273,16. Градус Цельсия равен одному Кельвину (обе единицы имеют право на использование). Единица силы света – кандела (кд) Сила света –это величина, характеризующая свечение источника в некотором направлении, равна отношению светового потока к малому телесному углу, в котором он распространяется. Кандела равна силе света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·1012Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 (Вт/ср) (Ватт на стерадиан). Погрешность воспроизведения единицы эталоном 1·10-3кд. Единица количества вещества – моль. Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде С12 массой 0,012кг. При применении моля структурные элементы должны быть специфицированы и могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами или специфицированными группами частиц. Дополнительные единицы СИ Международная система включает в себя две дополнительные единицы – для измерения плоского и телесного углов. Они не могут быть основными, так как являются безразмерными величинами. Присвоение углу самостоятельной размерности привело бы к необходимости изменений уравнений механики, относящихся к вращательному и криволинейному движению. Вместе с тем они не являются производными, так как не зависят от выбора основных единиц. Поэтому указанные единицы включены в СИ в качестве дополнительных, необходимых для образования некоторых производных единиц – угловой скорости, углового ускорения и т.п. Единица плоского угла – радиан (рад) Радиан равен углу между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу. Государственный первичный эталон радиана состоит из 36-гранной призмы и эталонной угломерной автоколлимационной установки с ценой деления отсчетных устройств 0,01’’. Воспроизведение единицы плоского угла осуществляется методом калибровки, исходя из того, что сумма всех центральных углов многогранной призмы равна 2π рад. Единица телесного угла – стерадиан (ср) Стерадиан равен телесному углу с вершиной в центре сферы, вырезающему на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы. Измеряют телесный угол путем определения плоских углов при вершине конуса. Телесному углу 1ср соответствует плоский угол 65032’. Для пересчета пользуются формулой:  (1.2)где Ω – телесный угол в ср; α – плоский угол при вершине в градусах. Телесному углу π соответствует плоский угол 1200, а телесному углу 2π – плоский угол 1800. Обычно углы измеряют все-таки в градусах – это удобнее. Преимущества СИ Она является универсальной, то есть охватывает все области измерений. С её внедрением можно отказаться от всех других систем единиц. Она является когерентной, то есть системой, в которой производные единицы всех величин получаются с помощью уравнений с числовыми коэффициентами, равными безразмерной единице (система является связанной и согласованной). Единицы в системе унифицированы (вместо ряда единиц энергии и работы: килограм-сила-метр, эрг, калория, киловатт-час, электрон-вольт и др. – одна единица для измерения работы и всех видов энергии – джоуль). Осуществляется четкие разграничение единиц массы и силы (кг и Н). Недостатки СИ Не все единицы имеют удобный для практического использования размер: единица давления Па – очень маленькая величина; единица электрической емкости Ф – очень большая величина. Неудобство измерения углов в радианах (градусы воспринимаются легче) Многие производные величины не имеют пока собственных названий. Таким образом, принятие СИ является очередным и очень важным шагом в развитии метрологии, шагом вперед в совершенствовании систем единиц физических величин. |