Конспект. Метрология, стандартизация и сертификация. Конспект лекций. Лекция 1 Общие вопросы стандартизации, метрологии и сертификации
 Скачать 0.83 Mb.
|
|
Контрольные вопросы. 1. Что является объектом измерения в метрологии? 2. Какие характеристики имеют физические величины? 3. Что является качественной характеристикой измеряемой физической величины? 4. Что является количественной характеристикой измеряемой физической величины? 5. Как получить значение физической величины? ЛЕКЦИЯ № 2 Системы единиц физических величин Объектом измерений являются физические величины, которые принято делить на основные и производные. Основные величины не зависимы друг от друга, но они могут служить основой для установления связей с другими физическими величинами, которые называют производными от них, например, E = mc 2 – основная единица – масса – m, а энергия – производная единица. Основным величинам соответствуют основные единицы измерений, а производным – производные единицы измерений. Производные единицы бывают когерентными и некогерентными. Когерентной называется производная единица ФВ, связанная с другими единицами системы уравнением, в котором числовой множитель принят равным единице. Например, единицу скорости образуют с помощью уравнения, определяющего скорость прямолинейного и равномерного движения точки: V = L/t, где L – длина пройденного пути; t – время движения. Подстановка вместо L и t их единиц в системе СИ дает V = 1 м/с. Следовательно, единица скорости является когерентной. Совокупность основных и производных единиц называется системой единиц физических величин. Первой системой единиц считается метрическая система, где за основную единицу длины был принят метр, за единицу веса * (в то время не было различий между понятиями вес и масса) – все 1 см 3 химически чистой воды при t около +4°С – грамм (позже - килограмм). В 1799 г. были изготовлены первые прототипы (эталоны) метра и килограмма. Кроме этих двух единиц – единицы площади (ар – площадь квадрата со стороной 10 м), объема (стер, равный объему куба с ребром 10 м), вместимости (литр, равный объему куба с ребром 0,1 м). Таким образом, в метрической системе еще не было четкого подразделения единиц величин на основные и производные. Понятие системы единиц, как совокупности основных и производных, впервые предложено немецким ученым К.Ф. Гауссом в 1832 г. В качестве основных в этой системе были приняты: единицы длины – миллиметр, единица массы – миллиграмм, единица времени – секунда. Эту систему единиц назвали абсолютной. В 1881 г. была принята система единиц физических величин СГС, 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 системы СГС состояло в трудностях пересчета многих единиц в другие системы для определения их соотношений. В начале ХХ в. итальянский ученый Джорджи предложил МКСА (в русской транскрипции) – широко распространившуюся в мире. Основные единицы этой системы: метр, килограмм, секунда, ампер (единица силы тока), а производные: единица силы – ньютон, 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 измерения. Известно, что Великобритания, США, Канада основной единицей массы считают фунт (409 г), причем его размер в системе «Британских имперских мер» и «Старых винчестерских мер» различен. Наиболее широко распространена во всем мире Международная система единиц СИ. Рассмотрим ее сущность. Международная система единиц физических величин Генеральная конференция по мерам и весам (ГКМВ) в 1954 г. определила шесть основных единиц физических величин для их использования в международных отношениях: метр, килограмм, секунда, ампер, градус Кельвина и свеча. ХI 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 – система СИ. В последующие годы Генеральная конференция приняла ряд дополнений и изменений, в результате чего в системе стало семь основных единиц (количество вещества) дополнительные и производные единицы физических величин (см. таблицу 1.1), а также 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 периодов излучения, соответствующих переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения со стороны внешних полей; − 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 1 м 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 (до 1967 г единица именовалась градус Кельвина) часть термодинамической температуры тройной точки воды. Допускается также применение шкалы Цельсия; − Единица количества вещества – моль – количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится в углероде – 12 массой 0,0012 кг; − Единица силы света – кандела – сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540∙10 12 Гц, энергетическая сила, излучения которого в этом направлении составляет 1/683 Вт·ср -1 (ватт на стерадиан – единица (производная) энергетической силы света. Стерадиан (ср) – единица измерения телесного (пространственного) угла). Приведенные 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, представить 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 и 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. Стерадиан – это единица измерения угла – угла с вершиной в центре сферы, вырезающий на поверхности площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы. Во всех системах единиц плоский φ и телесный Ω углы вводятся посредством уравнений: φ = l/R, Ω = S/R 2 где l – длина дуги, вырезаемой центральным плоским углом j на окружности радиуса R; S – площадь, вырезаемая центральным телесным углом на шаре с радиусом R. В соответствии с этими определениями у обоих углов нет размерности в любой системе единиц: [φ] = L/L; [Ω] = L 2 /L 2 После принятия Международной системы единиц ГКМВ (Генеральная конференция) практически все крупнейшие международные организации включили ее в свои рекомендации по метрологии и призвали все страны-члены этих организаций принять их. В нашей стране система СИ действует с 1 января 1982 г. в соответствии с п. 3.10 ГОСТ 8.417-81. Она возникла не на пустом месте и является логическим развитием предшествовавшими ей систем единиц: СГС, МКГСА и др. Достоинства международной системы единиц являются: − Универсальность, т.е. охват всех областей науки и техники; − Упрощение записи формул в физике, химии, а также в технических науках в связи с отсутствием переводных коэффициентов; − Единая система образования кратных и дольных единиц, имеющих собственные наименования; − Лучшее взаимопонимание при развитии научно-технических и экономических связей между различными странами. На сегодняшний день система СИ действительно стала международной, но вместе с тем применяются и внесистемные единицы. Единицы ФВ делятся на системные и внесистемные. Системная единица – единица ФВ, входящая в одну из принятых систем. Все основные, производные, кратные и дольные единицы являются системными. Внесистемная единица – это единица ФВ, не входящая ни в одну из принятых систем единиц (таблица 1.2). Внесистемные единицы по отношению к единицам СИ разделяют на четыре вида. 1. Допускаемые наравне с единицами СИ, например, единица массы – тонна; единицы плоского угла – градус, минута, секунда; единица объема – литр и др. (площадь – гектар, энергия – электрон-вольт, полная мощность – вольтампер); 2. Допускаемые к применению в специальных областях, к которым относятся: в астрономии – единица длины – астрономическая единица (а.е. = 1∙1,45∙10 11 м), световой год (9,4605∙10 15 м), парсек (3,0857∙10 16 м); в оптике единица энергии – электрон-вольт (1,6∙10 -19 Дж); в оптике – единица оптической силы – диоптрия (1м -1 ); в физике – единица энергии – электрон-вольт (1,6·10 - 19 Дж); 3. Временно допускаемые к применению наравне с единицами СИ, например, в морской навигации – морская миля, единица массы в ювелирном деле – карат и др. Эти единицы должны изыматься из употребления в соответствии с международными соглашениями; 4. Изъятые из употребления, к ним относятся: единица давления – миллиметр ртутного столба, единица мощности – лошадиная сила и др. Различают кратные и дольные единицы ФВ. Кратная единица – это единица ФВ, в целое число раз больше системной или внесистемной единицы. Например, единица длины – километр равна 10 3 м, т.е. кратный метру. Дольная единица – единица ФВ, в целое число раз меньше системной или внесистемной единицы. Приставки для образования кратных и дольных единиц СИ приведены в следующей таблице 1.3. Множители и приставки для образования десятичных, кратных и дольных единиц и их наименований Таблица 1.3. Множите ль Пристав ка Обозначение приставки Множите ль Пристав ка Обозначение приставки международн ое русско е международн ое русско е 10 18 экса E Э 10 -1 деци d д 10 15 пета P П 10 -2 санти c с 10 12 тера T Т 10 -3 милли m м 10 9 гига G Г 10 -6 микро µ мк 10 6 мега M М 10 -9 нано n н 10 3 кило k к 10 -12 пико p п 10 2 гекто h г 10 -15 фемто f ф 10 1 дека da да 10 -18 атто a а Основные и дополнительные единицы физических величин системы СИ Таблица 1.1. № п/п Физическая величина Единица измерения Наименование Размерность Рекомендуемое обозначение Наименование Обозначение русское международное Основные 1 Длина L l метр м m 2 Масса M m килограмм кг kg 3 Время T t секунда с s 4 Сила электрического тока I I ампер А A 5 Термодинамическая температура θ T кельвин К K 6 Количество вещества N N,υ моль мол mol 7 Сила света J J канделла кд cd Дополнительные 8 Плоский угол – – радиан рад rad 9 Телесный угол – – стерадиан ср sr Внесистемные единицы, допускаемые к применению наравне с единицами СИ Таблица 1.2. Наименование величины Единица Наименование Обозначение Соотношение с единицей СИ Масса тонна т 10 3 кг атомная единица массы а.е.м. 1,66057 ·10 -27 кг (приблизительно) Время минута мин 60 с час ч 3600 с сутки сут 86400 с Плоский угол градус ... º (π/180) рад = 1,745329...·10 -2 рад минута ... ׳ (π/10800) рад = 2,908882...·10 -4 рад секунда ... ׳׳ (π/658000) рад = 4,848137...·10 -6 рад град град (π/200) рад Объем, вместительность литр л 10 -3 м 3 Длина астрономическая единица а.е. 1,45598·10 11 м (приблизительно) световой год св.год 9,4605·10 15 м (приблизительно) парсек пк 3,0857·10 16 м (приблизительно) Оптическая сила диоптрия дптр 1 м -1 Площадь гектар га 10 4 м 2 Энергия электрон-вольт эВ 1,60219·10 -19 Дж (приблизительно) Полная мощность вольт-ампер В·А Реактивная мощность вар вар Средства измерений Для практического измерения единицы величины применяются технические средства, которые имеют нормированные погрешности и называются средствами измерений (СИ). К СИ относятся: меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и системы, измерительные принадлежности. Мерой называется средство измерения, предназначенное для воспроизведения физических величин заданного размера. К данному виду средств измерений относятся гири, концевые меры длины, катушка сопротивления и т.п. На практике используют однозначные и многозначные меры, а также наборы и магазины мер. Однозначные меры воспроизводят величины только одного размера (гиря 1 кг). Многозначные меры воспроизводят несколько размеров физической величины. Например, миллиметровая линейка дает возможность выразить длину предмета в сантиметрах и в миллиметрах. Наборы и магазины представляют собой объединение (сочетание) однозначных или многозначных мер для получения возможности воспроизведения некоторых промежуточных или суммарных значений величины. Набор мер представляет собой комплект однородных мер разного размера, что дает возможность применять их в научных сочетаниях, например, набор лабораторных гирь. Магазин мер – сочетание мер, объединенных конструктивно в одно механическое целое, в котором предусмотрена возможность посредством разных или автоматизированных переключателей, связанных с отчетным устройством, соединить составляющие магазина мер в научном сочетании. К однозначным мерам относят стандартные образцы (СО). Существуют стандартные образцы состава и стандартные образцы свойств. СО состава вещества (материала) – стандартный образец с установленными значениями величин, характеризующих содержание определенных компонентов в веществе (материале). СО свойств вещества (материалов) – стандартный образец с установленными значениями величин, характеризующих физические, химические, биологические и другие свойства. Новые СО допускаются к использованию при условии прохождения ими метрологической аттестации. Указанная процедура – это признание этой меры, указанной для применения на основании исследования СО. Метрологическая аттестация проводится органами метрологической службы. Примером СО состава является СО состава углеродистой стали определенной марки. Примером СО свойства является шкала твердости Мооса, которая представляет собой набор 10 эталонных минералов для определения числа твердости по условной шкале. Каждый последующий минерал этой шкалы является более твердым, чем предыдущий. Эту шкалу используют для оценки относительной твердости стекла и керамики. Одна из главных функций СО состава и свойства – контроль методики выполнения измерений (МВИ) в порядке внутреннего контроля испытательных лабораторий и внешнего контроля. Измерительный преобразователь – это СИ, которое служит для преобразования сигнала измерительной информации в форму, удобную для обработки или хранения, а также передачи в показывающее устройство. Измерительные преобразователи либо входят в конструктивную схему измерительного прибора, либо применяются совместно с ним, но сигнал преобразования не поддается непосредственному восприятию наблюдателем. Например, преобразователь может быть необходим для передачи информации в память компьютера, для усиления напряжения и т.д. Преобразуемую величину называют входной величиной. Основной МХ измерительного преобразователя считается соотношение между входной и выходной величинами называемой функцией преобразования. Измерительные приборы – это средства измерений, которые позволяют получать измерительную информацию в форме, удобной для восприятия пользователем. Различаются измерительные приборы прямого действия и приборы сравнения. Приборы прямого действия отображают измеряемую величину на показывающем устройстве, имеющего соответствующую градуировку в единицах этой величины. Изменение рода физической величины при этом не происходит. К приборам прямого действия относят, например, амперметры, вольтметры, термометры и т.п. Приборы сравнения предназначаются для сравнения измеряемых величин с величинами, значения которых известны. Такие приборы широко используются в научных целях, а также и на практике, для измерения таких величин, как яркость источников излучения, давление сжатого воздуха и др. Измерительные установки и системы – это совокупность средств измерений, объединенных по функциональному признаку со вспомогательными устройствами, для измерения одной или нескольких физических величин объекта измерений. Обычно такие системы автоматизированы и обеспечивают ввод информации в систему, автоматизацию самого процесса измерения, обработку и отображение результатов измерений для восприятия их пользователем. Такие установки (системы) используются и для контроля (например, производственных процессов), что особенно актуально для метода статистического контроля. Измерительные принадлежности – это вспомогательные средства измерений величин. Они необходимы для вычленения поправок к результатам измерений, если требуется высокая степень точности. Например, термометр может быть вспомогательным средством, если показания прибора достоверны при строго регламентированной температуре; психрометр, если строго оговаривается влажность окружающей среды. По метрологическому назначению средства измерений делят на два вида: рабочие средства измерений и эталоны. Рабочие средства измерений (РСИ) применяют для определения параметров характеристик технических устройств, технологических процессов окружающей среды и др. РСИ могут быть лабораторными (для научных исследований), производственными (для обеспечения и контроля заданных характеристик технологических процессов), полевыми (для самолетов, автомобилей, судов и т.п.). Каждый из этих видов рабочих средств отличается особыми показателями. Так, лабораторные средства измерений самые точные и чувствительные, а их показания характеризуются высокой стабильностью. Производственные обладают устойчивостью и воздействием различных факторов производственного процесса: температура, влажность, вибрации и т.п., что может сказаться на достоверности и точности показаний приборов. Полевые средства измеренийработают в условиях, постоянно изменяющихся в широких пределах внешних воздействий. Особым средством измерений является эталон. Эталоны являются высокоточными СИ, а поэтому используются для проведения метрологических измерений в качестве средств передачи информации о размере единицы. Размер единицы передается «сверху вниз», от более точных СИ к менее точным «по цепочке»: первичный эталон – вторичный эталон – рабочий эталон 0-ого разряда – рабочий эталон 1-ого разряда - ... – рабочие средства измерений. Передача размера осуществляется в процессе поверки СИ. Целью поверки является установление пригодности СИ к применению. Соподчинение СИ, участвующих в передаче размера единицы от эталона к РСИ, устанавливается в поверочных схемах СИ. Многообразие СИ обуславливается необходимостью применения специальных мер по обеспечению единства измерений. Одно из условий соблюдения единства измерений – установление для СИ определенных (нормированных) метрологических характеристик (МХ). Средство измерения (СИ) – это техническое средство, предназначенное для измерений, имеющих нормированные метрологические характеристики, воспроизводящих и (или) хранящих единицу ФВ, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности, в течение известного интервала времени). Под метрологическими характеристиками понимают такие характеристики СИ, которые позволяют судить об их пригодности для измерений в известном диапазоне с известной точностью. В отличие от СИ приборы или вещества, не имеющие нормированных МХ, называют индикаторами. По ГОСТ 8.009-84 ГСИ устанавливают перечень МХ, способы их нормирования и формы представления. МХ, определенные документами, считаются действительными. На практике наиболее распространены следующие МХ СИ: Диапазон измерений – область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые пределы погрешности СИ. Предел измерений – наибольшее или наименьшее значение диапазона измерения. Для мер – это номинальное значение воспроизводимой величины. Неравномерная шкала СИ Начальный участок шкалы сжат, поэтому производить отсчеты на нем неудобно. Тогда предел измерения по шкале составляет 50 ед., а диапазон – 10 ... 50 ед. Цена деления шкалы – это разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Приборы с равномерной шкалой имеют постоянную цену деления, а с неравномерной – переменную. В этом случае нормируется минимальная цена деления. Чувствительность – отклонение изменения сигнала ∆у на выходе СИ к вызвавшему это изменение ∆х сигнала на входе: S = ∆у/∆х Например, для стрелочного СИ – это отношение перемещения dl конца стрелки к вызвавшему его изменению dx измеряемой величины: S = dl/dx Чувствительность нельзя отождествлять с порогом чувствительности – наименьшее изменение измеряемой величины, которое вызывает заметное изменение выходного сигнала. Например, если порог чувствительности весов равен 10 мг, то это означает, что заметное перемещение стрелки весов достигает при таком малом изменении массы, как 10 мг. Величину, обратную чувствительности, называют постоянной прибора: С = 1/ S Как правило, выходным сигналом СИ является отсчет (показание) в единицах величины. В этом случае постоянная прибора С равна цене деления. Поэтому для СИ с неравномерной шкалой чувствительность – величина переменная. Основная МХ СИ – погрешность СИ – это разность между показаниями СИ и истинным (действительным) значениями ФВ. Все погрешности СИ в зависимости от внешних условий делятся на основные и дополнительные. Основная погрешность – это погрешность СИ при нормальных условиях эксплуатации. Как правило, нормальными условиями эксплуатации являются: температура 293 ± 5 К или 20 ± 5 °С, относительная влажность воздуха 65 ± 15 % при 20 °С, напряжение в сети питания 220 ± 10 % с частотой 50 Гц ± 1%, атмосферное давление от 97,4 до 104 кПа, отсутствие электрических и магнитных полей (наводок). |