Лекции метрология. Антонюк Евгений Михайлович
 Скачать 1.31 Mb.
|
|
Антонюк Евгений Михайлович д.т.н., профессор, заместитель заведующего кафедрой ИИСТ по учебной работе Основы метрологии, стандартизации и сертификации 1.1. Метрология Метрология — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. В практической жизни человек сталкивается с измерениями каждый день. С незапамятных времен измеряют такие величины как длина, время и масса. Измерения имеют первостепенное значение для торговли, учета материальных ресурсов, планирования, для обеспечения качества продукции, совершенствования технологий, медицины. Метрология играет важную роль для прогресса технологий и должна развиваться темпами, опережающими другие области науки и техники, так как для каждой из них точные измерения являются одним из основных путей совершенствования. Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов с заданной точностью и достоверностью. Средством метрологии является совокупность измерений и метрологических стандартов, обеспечивающих требуемую точность. 1.1. Метрология Метрология состоит из трех разделов : Теоретическая метрология — раздел метрологии, предметом которого является разработка фундаментальных основ метрологии. Законодательная метрология — раздел метрологии, предметом которого является установление обязательных технических и юридических требований по применению единиц физических величин, эталонов, методов и средств измерений, направленных на обеспечение единства и необходимости точности измерений в интересах общества. Практическая (прикладная) метрология — раздел метрологии, предметом которого являются вопросы практического применения разработок теоретической метрологии и положений законодательной метрологии. 1.2. Основные задачи метрологии К основным задачам метрологии согласно РМГ 29-99 относят: установление единиц физических величин, государственных эталонов и образцовых средств измерений; - разработку теории, методов и средств измерений и контроля; - обеспечение единства измерений; - разработку методов оценки погрешностей, состояния средств - измерения и контроля; - разработку методов передачи размеров единиц от эталонов или - образцовых средств измерений рабочим средствам измерений. 1.3. История развития метрологии 1835 год - указ "О системе Российских мер и весов" - утверждены эталоны длины и массы - платиновая сажень и платиновый фут; XVIII век — установление эталона метра (эталон хранится во Франции, в Музее мер и весов; в настоящее время является в большей степени историческим экспонатом, нежели научным инструментом); 1832 год — создание Карлом Гауссом абсолютных систем единиц; 1835 год - указ "О системе Российских мер и весов" - утверждены эталоны длины и массы - платиновая сажень и платиновый фут; 1875 год — подписание международной Метрической конвенции ; 1893 год — Учреждение по инициативе Д.И. Менделеева Главной палаты мер и весов в Санкт-Петербурге; 1918 год — декрет Совета Народных Комиссаров "О введении Международной метрической системы мер и весов"; 1960 год — разработка и установление Международной системы единиц (СИ); XX век — метрологические исследования отдельных стран координируются Международными метрологическими организациями. 1.4. Метрологические организации Вопросы стандартизации в области метрологии решают созданные согласно Метрической конвенции Международное бюро мер и весов и Международный комитет мер и весов. Раз в четыре года в штаб-квартире Бюро проходят Генеральные конференции по мерам и весам, на которых принимаются решения направленные на улучшение и распространенние международной системы единиц, а также рассматриваются другие вопросы, связанные с деятельностью МКМВ и МБМВ. Участниками Генеральных конференция являются представители всех стран-участниц метрической конвенции и наблюдатели от ассоциированных членов. Международное бюро мер и весов — организация, отвечающая за обеспечение существования единой системы измерений во всех странах- участницах Метрической конвенции. Для этого осуществляется сравнение национальных эталонов единиц измерения и проводятся исследования в области метрологии, направленные на увеличение точности измерений. Штаб-квартира Бюро находится во Франции недалеко от Парижа. 1.4. Метрологические организации В Российской Федерации главными административными органами являются Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии и наследник Главной палаты мер и весов ВНИИМ им. Менделеева, который является сегодня одним из крупнейших мировых центров научной и практической метрологии, головной организацией страны по фундаментальным исследованиям в метрологии, Главным центром государственных эталонов России. Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии является федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по оказанию государственных услуг, управлению государственным имуществом в сфере технического регулирования и метрологии. ВНИИМ подчинен Федеральному агентству по техническому регулированию и метрологии. В июле 1994 г. Постановлением Правительства РФ ВНИИМ присвоен статус Государственного научного центра РФ. Как Государственный научный центр РФ ВНИИМ подчинен Министерству образования и науки и входит в Ассоциацию государственных научных центров. 1.5. Основные законы и документы В России следующие документы и нормативные акты являются основными в области метрологии: - Метрическая конвенция; - Закон «Об обеспечении единства измерений». №4871-1 от 27 апреля 1993 г. (в ред. ФЗ от 10.01.2003 N 15-ФЗ); - РМГ 29-99 . Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения. Также вы можете посмотреть более подробный список в html-версии. Рекомендации РМГ 29-99 содержат основные термины и определения в области метрологии. Термины, установленные РМГ 29-99, рекомендуется применять во всех видах документации, научно-технической, учебной и справочной литературе по метрологии, входящих в сферу работ по стандартизации и (или) использующих результаты этих работ. 1.6. Сайты по теме Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии — www.gost.ru ; Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева — www.vniim.ru ; Международное бюро мер и весов — www.bipm.org ; 2. Терминология метрологии В метрологии используются следующие основные понятия и определения: 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 — физическая величина, подлежащая измерению, измеряемая или измеренная в соответствии с основной целью измерительной задачи; единица измерения физической величины — физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное 1, применяемая для количественного выражения однородных с ней физических величин; система единиц физических величин — совокупность основных и произвольных единиц физических величин, образованная в соответствии с принципами для заданной системы физических величин; размер физической величины — количественная определенность физической величины, присущая конкретному материальному объекту, системе, явлению или процессу. Предполагается, что размер физической величины существует объективно (вне зависимости от того измеряем мы эту величину или нет); 2. Терминология метрологии значение физической величины — выражение размера физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Конкретное значение физической величины является результатом ее измерения; истинное значение физической величины — значение физической величины, которое идеальным образом характеризует в качественном и количественном отношении соответствующую физическую величину; действительное значение физической величины — значение физической величины, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него. Например, при поверке некоторого (испытуемого) вольтметра его показания сравнивают с показаниями более точного (образцового) вольтметра. В этом случае показания образцового вольтметра принимают за действительное значение напряжения; 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 (установление значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств); 2. Терминология метрологии результат измерения физической величины — значение величины, полученное путем ее измерения – установленное значение величины, характеризующей свойство физического объекта, представляемое действительным числом с принятой размерностью (размерность определяется выбранной единицей измерений); точность измерений — одна из характеристик измерения, отражающая близость к нулю погрешности результата измерения; мера точности — погрешность результата измерения — отклонение результата измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины (истинное значение величины неизвестно, его применяют только в теоретических исследованиях, на практике используют действительное значение); средство измерений — техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени; мера физической величины — средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью; 2. Терминология метрологии метрологическая характеристика средства измерений — характеристика одного из свойств средства измерений, влияющая на результат измерений и на его погрешность; метрологическое обеспечение измерений — деятельность, направленная на создание эталонных средств измерений, а также разработку и применение метрологических правил и норм, обеспечивающих требуемое качество измерений; метрологическая аттестация средства измерений — признание метрологической службой узаконенным для применения средства измерений единичного производства (или ввозимого единичными экземплярами из-за границы) на основании тщательных исследований его свойств; поверка средств измерений — установление органом государственной метрологической службы (или другими официально уполномоченным органом, организацией) пригодности средства измерений к применению на основании экспериментально определяемых метрологических характеристик и подтверждения их соответствия установленным обязательным требованиям. 3.1. Физические величины С помощью измерений мы познаем объекты и процессы окружающего мира, которые характеризуются своими свойствами. Свойства, для которых могут быть установлены и воспроизведены градации определенного размера называют физическими величинами. 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. Качественная сторона понятия физическая величина определяет род величины (длина, масса), а количественная ее «размер» (длина, масса конкретного объекта). Размер физической величины существует объективно независимо от того знаем мы его или нет. Различают семь основных физических величин , которые характеризуют фундаментальные свойства материального мира: - длина; - масса; - время; - сила электрического тока; - термодинамическая температура; - количество вещества; - сила света. 3.1. Физические величины С помощью этих и двух дополнительных величин — плоского и телесного углов, — введенных исключительно для удобства, образуют производные физические величины и обеспечивают описание свойств физических объектов, явлений и процессов. Величины делятся на реальные и идеальные . Идеальные величины являются моделью реальных понятий и используются в основном в математике. Физические величины свойственны реальным объектам, явлениям и процессам. Реальные величины делятся на физические и нефизические. Нефизические величины используются в нефизических науках — экономике, философии, социологии и т.п. Физические величины разумно разделить на измеряемые и оцениваемые. Измеряемые физические величины могут быть выражены количественно в виде определенного числа установленных единиц измерения. Возможность введения и использования единиц измерения является отличительным признаком измеряемой физической величины. Если для физической величины нельзя ввести единицу измерения, то она относится к оцениваемым. Величины оценивают и измеряют при помощи шкал. Шкала величины — упорядоченная совокупность значений физической величины, служащая исходной основой для измерений данной величины. 3.1. Физические величины Величины Реальные Идеальные Физические Нефизические Измеряемые Оцениваемые Математические Рис. 3.1. Классификация величин 3.2. Классификация физических величин Физические величины делятся по видам явлений на следующие группы: Вещественные — описывают физические и физико-химические свойства веществ и материалов. Вещественные физические величины называют также пассивными потому, что для их измерения необходимо формировать сигнал измерительной информации при помощи вспомогательного источника энергии. Энергетические — описывают энергетические характеристики процессов преобразования, передачи и использования энергии. Энергетические физические величины называют активными. Характеризующие протекание процессов во времени — к этой группе относят различного рода спектральные характеристики корреляционные функции и другие. По принадлежности к различным группам физических процессов физические величины подразделяют на следующие: - пространственно-временные; - механические; - тепловые; - электрические и магнитные; - акустические; - световые; - физико-химические; - ионизирующих излучений; - атомной и ядерной физики. Также физические величины могут быть размерными и безразмерными. 3.2. Классификация физических величин Физические величины Энергетические (активные) Вещественные (пассивные) Характеризующие процессы Пространственно- временные Механические Тепловые Электрические и магнитные Акустические Световые Ионизирующих излучений Атомной и ядерной физики Физико- химические Основные Производные Дополнительные Размерные Безразмерные Рис. 3.2. Классификация физических величин 3.3. Основное уравнение измерения Значение физической величины Q — это оценка ее размера в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Числовое значение физической величины q – отвлеченное число, выражающее отношение значения величины к соответствующей единице данной физической величины. Единица физической величины [Q] — это физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное единице и применяемое для количественного выражения однородных физических величин. Измерение — познавательный процесс, заключающийся в сравнении путем физического эксперимента данной физической величины с известной физической величиной, принятой за единицу измерения. Уравнение Q=q[Q] называют основным уравнением измерения. Простейшее измерение заключается в сравнении физической величины Q с размерами выходной величины регулируемой многозначной меры q[Q]. 3.4. Размер физической величины Размер измеряемой величины является ее количественной характеристикой. Получение информации о размере физической величины является целью любого измерения. 3.5. Размерность физической величи ны Размерность является качественной характеристикой измеряемой физической величины, обозначается символом dim (от слова dimension – размер, англ.), например размерности основных физических величин обозначаются так: dim m = M, dim t = T. Размерность производной физической величины определяется математическим выражением, связывающим эту физическую величину с основными и показывающим во сколько раз изменится производная при изменении основных единиц. Если с изменением основной величины в n раз производная величина изменится в np раз, то говорят, что данная производная единица обладает размерностью p относительно основной единицы. (Например, размерность площади равна двум — м², а размерность объема — трем — м³ относительно основной единицы длины — м.). 3.5. Размерность физической величи ны Формула размерности производной единицы представляет собой одночлен, составленный из размерностей основных единиц, причем эти размерности (степени) могут быть положительными, отрицательными, целыми и дробными. Размерности обладают следующими свойствами : - если числовое значение величины А равно произведению величин B и С, то размерность А равна произведению размерностей В и С — [А]=[В]×[С]; - если числовое значение величины А равно отношению величин B и С, то размерность А равна отношению размерностей В и С — [А]=[В]/[С]; - если числовое значение величины А равно степени n числового значения величины B, то размерность А равна степени n размерности В — [А]=[В] n Эти свойства используются при преобразовании формул размерности. Понятие размерности широко используется : - для перевода единиц из одной системы измерений в другую; - для проверки правильности сложных расчетных формул; - при выяснении зависимости между величинами. 3.6. Шкалы В практической деятельности необходимо проводить измерения количественных и качественных свойств объектов, явлений и процессов. Разнообразные проявления (количественные или качественные) любого свойства образуют множества, отображения элементов которых образуют шкалы измерения этих свойств. Различают пять типов шкал: наименований, порядка, разностей (интервалов), отношений и абсолютные. Шкалы наименований и порядка называют неметрическими (концептуальными), а шкалы интервалов и отношений — метрическими (материальными). Абсолютные и метрические шкалы относятся к линейным. 3.6. Шкалы. Шкалы наименований Шкалы наименований — простейшие из шкал основаны на соотношении эквивалентности (равенства), используются для различения объектов. Примерами таких шкал являются классификация цвета по наименованиям (атласы цветов до 1000 наименований) и нумерация игроков спортивных команд, а также номера телефонов, паспортов и индивидуальные номера налогоплательщиков. Рис. 3.3. Паспорт гражданина РФ 3.6. Шкалы. Шкалы порядка Шкалы порядка — расположенные в порядке возрастания и убывания размеры измеряемой величины. Расстановка размеров в порядке их возрастания называется ранжированием. По шкале порядка сравнивают однородные объекты, значения интересующих свойств которых неизвестны. Шкала порядка не может дать информации на сколько или во сколько раз один объект больше или меньше, лучше или хуже другого. Эти шкалы возможно применять для числового оценивания величин в тех случаях, когда отсутствует единица величины. Для этого некоторые точки на шкале фиксируют в качестве опорных (реперных). Недостатком реперных шкал является неопределенность интервалов между реперными точками. Поэтому результаты оценивания нельзя складывать, перемножать, подвергать другим арифметическим действиям. Примерами таких шкал служат оценки студентов по баллам (неудовлетворительно, удовлетворительно, хорошо, отлично) и сила ветра по шкале Бофорта, упомянутая ранее. 3.6. Шкалы. Шкалы интервалов Шкалы разностей (интервалов) отличаются от шкал порядка тем, что по шкале интервалов можно судить еще и о том, на сколько объект больше или меньше другого. На шкале интервалов откладывается только разность значений физической величины, но само значении остается неизвестным. Шкала интервалов может содержать как положительные, так и отрицательные значения. Примером шкалы интервалов служат шкала температур Цельсия. Рис. 3.4. Термометр 3.6. Шкалы. Шкалы отношений Шкалы отношений — интервальная шкала, но естественным началом, может отражать не только на сколько один показатель больше или меньше другого, но и во сколько. Соответственно, к шкале интервалов применимы такие арифметические действия как сложение, вычитание, умножение и деление. Шкала отношений не содержит отрицательных значений. Примером шкалы отношений служит шкала измерительной линейки. Шкалы отношений описываются основным уравнением измерения. Шкала отношений является самой совершенной и информативной. Рис. 3.5. Измерительная линейка 3.6. Шкалы. Абсолютные шкалы Абсолютные шкалы обладают всеми признаками шкал отношений, но дополнительно имеют естественное однозначное значение единицы измерения. Такие шкалы соответствуют относительным величинам: коэффициенту усиления, ослабления и др. Для образования многих единиц в системе СИ используются безразмерные и счетные единицы абсолютных шкал. Среди этих шкал существуют шкалы со значениями от 0 до 1 (коэффициент полезного действия, отражения). 4. Системы физических величин и их единиц Развитие естественных и технических наук, необходимость обмена результатами привело к созданию систем единиц физических величин (ФВ). Система физических единиц строится на базе знаний о физических процессах, протекающих в природе – известных физических законах. Так, выбрав произвольно единицы измерения нескольких физических величин и зная физические законы, связывающие их с другими величинами можно получить единицы ФВ. Впервые понятие системы единиц физических величин ввел К.Гаусс. Согласно его методу сначала устанавливаются (выбираются) несколько произвольных величин, независящих от других. Единицы этих величин называются основными . Основные единицы выбираются таким образом, чтобы используя физические законы можно было получить другие - производные единицы. Полная совокупность основных и производных единиц образуют систему единиц ФВ. 4.1. Система единиц физических величин СИ Первоначально в разных странах были созданы свои системы единиц. В основном они строились на базе трех единиц физических величин: длина, масса, время и условно назывались механическими. Например, системы: метр, килограмм, секунда ( МКС ); сантиметр, грамм, секунда ( СГС ). Эти системы удобны в применении в механике, однако для электрических и магнитных величин встретились серьезные трудности. В течении некоторого времени применяли так называемую техническую систему единиц (длина, сила, время): метр, килограмм-сила, секунда ( МКГСС ). Такая система удобна для вычисления и вывода многих технических величин, но большим недостатком этой системы единиц является то, что единица массы в ней получилась числено равной 9,81 кг, что нарушает метрический принцип десятичности мер, а также то, что трудно согласуется с практическими электрическими единицами. В соответствии с потребностями отдельных отраслей науки технические системы единиц расширялись до четырех единиц. Так появились система тепловых единиц: метр, килограмм, секунда, градус температурной шкалы ( МКСГ ); система единиц для электрических и магнитных измерений: метр, килограмм, секунда, ампер ( МКСА ); система световых единиц: метр, килограмм, секунда, кандела ( МКСК ). 4.1. Система единиц физических величин СИ Наличие ряда систем создало неудобства при обмене результатами, при пересчете из одной системы единиц в другую, что привело к необходимости создания единой универсальной системы единиц, которая охватывала бы все отрасли науки и была бы принята в международном масштабе. В 1948 г. на IX Генеральной конференции по мерам и весам было рассмотрено предложение о принятии единой практической системы единиц. Международным комитетом мер и весов был произведен официальный опрос мнений научных кругов всех стран и на этой основе составлены рекомендации по установлению единой практической системы единиц. В 1960 г. XI Генеральная конференция по мерам и весам принимает международную систему и присваивает ей наименование “Международная система единиц” ( System International – SI , в русской транскрипции – СИ), в которой в качестве основных приняты единицы: метр, килограмм, секунда, Ампер, Кельвин, кандела. Позже в качестве основной в систему единиц была введена единица количества вещества – моль. Эта система за короткое время получила широкое международное признание. 4.1. Система единиц физических величин СИ В России действует |