ЛЕКЦИЯ_ПРОД_ССМ. Лекция продолжение
 Скачать 453.77 Kb.
|
«Метрология, стандартизация и сертификация»Понятие метрологии как науки об измерениях. Метрология - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Метрология имеет большое значение для прогресса в области конструирования, производства, естественных и технических наук, так как повышение точности измерений - один из наиболее эффективных путей познания природы человеком, открытий и практического применения достижений точных наук. Значительное повышение точности измерений неоднократно являлось основной предпосылкой фундаментальных научных открытий. Так, повышение точности измерения плотности воды в 1932 г. привело к открытию тяжелого изотопа водорода - дейтерия, определившего бурное развитие атомной энергетики. Благодаря гениальному осмыслению результатов экспериментальных исследований по интерференции света, выполненных с высокой точностью и опровергавшим существовавшее до того мнение о взаимном движении источника и приемника света, А. Эйнштейн создал свою всемирно известную теорию относительности. Основоположник мировой метрологии Д.И.Менделеев говорил, что наука начинается там, где начинают измерять. Велико значение метрологии для всех отраслей промышленности, для решения задач по повышению эффективности производства и качества продукции. Приведем лишь несколько примеров, характеризующих практическую роль измерений для страны: доля затрат на измерительную технику составляет около 15 % всех затрат на оборудование в машиностроении и приблизительно 25 % в радиоэлектронике; ежедневно в стране выполняется значительное число различных измерений, исчисляемых миллиардами, трудятся по профессии, связанной с измерениями, значительное число специалистов. Современное развитие конструкторской мысли и технологий всех отраслей производства свидетельствуют об органической связи их с метрологией. Для обеспечения научно-технического прогресса метрология должна опережать в своем развитии другие области науки и техники, ибо для каждой из них точные измерения являются одним из основных путей их совершенствования. Прежде чем рассматривать различные методы, обеспечивающие единство измерений, необходимо определить основные понятия и категории. Поэтому в метрологии очень важно правильно использовать термины, необходимо определить, что именно подразумевается под тем или иным названием. Главные задачи метрологии по обеспечению единства измерений и способов достижения требуемых точностей непосредственно связаны с проблемами взаимозаменяемости как одного из важнейших показателей качества современных изделий. В большинстве стран мира меры по обеспечению единства и требуемой точности измерений установлены законодательно, и в Российской Федерации в 1993 г. был принят закон "Об обеспечении единства измерений". Законодательная метрология ставит главной задачей разработку комплекса взаимосвязанных и взаимообусловленных общих правил, требований и норм, а также других вопросов, нуждающихся в регламентации и контроле со стороны государства, направленных на обеспечение единства измерений, прогрессивных методов, способов и средств измерений и их точностей. В Российской Федерации основные требования законодательной метрологии сведены в Государственные стандарты 8-го класса. Современная метрология включает в себя три составляющих: 1. Законодательное. 2. Фундаментальное. 3. Практическое. Законодательная метрология – раздел метрологии включающие комплексы взаимосвязанных общих правил, а также другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и контроля со стороны государства направленные на обеспечении единства измерений и единообразия средств измерений. Вопросами фундаментальной метрологии (исследовательская метрология), созданием систем единиц измерения, физических постоянных разработкой новых методов измерений занимается теоретическая метрология. Вопросами практической метрологии в различных сферах деятельности в результате теоретических исследований занимается прикладная метрология. Задачи метрологии: Обеспечение единства измерений Определение основных направлений, развитие метрологического обеспечения производства. Организация и проведение анализа состояние и измерений. Разработка и реализация программ метрологического обеспечения. Развитие и укрепление метрологической службы. Объекты метрологии: Средства измерений, эталон, методики выполнения измерений и физические, и не физические (производственные величины). История возникновения и развития метрологии. Исторически важные этапы в развитии метрологии: 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; 1875 год — подписание международной Метрической конвенции; 1960 год — разработка и установление Международной системы единиц (СИ); XX век — метрологические исследования отдельных стран координируются Международными метрологическими организациями. Вехиотечественной истории метрологии: присоединение к Метрической конвенции; 1893 год — создание Д. И. Менделеевым Главной палаты мер и весов (современное название: «Научно-исследовательский институт метрологии им. Менделеева»). Метрология как наука и область практической деятельности возникла в древние времена. Основой системы мер в древнерусской практике послужили древнеегипетские единицы измерений, а они, в свою очередь были заимствованы в древней Греции и Риме. Естественно, что каждая система мер отличалась своими особенностями, связанными не только с эпохой, но и с национальным менталитетом. Наименования единиц и их размеры соответствовали возможности осуществления измерений "подручными" способами, не прибегая к специальным устройствам. Так, на Руси основными единицами длины были пядь и локоть, причем пядь служила основной древнерусской мерой длины и означала расстояние между концами большого и указательного пальца взрослого человека. Позднее, когда появилась другая единица — аршин — пядь (1/4 аршина) постепенно вышла из употребления. Мера локоть пришла к нам из Вавилона и означала расстояние от сгиба локтя до конца среднего пальца руки (иногда — сжатого кулака или большого пальца). С XVIII в. в России стали применяться дюйм, заимствованный из Англии (назывался он "палец"), а также английский фут. Особой русской мерой была сажень, равная трем локтям (около 152 см) и косая сажень (около 248 см). Указом Петра I русские меры длины были согласованы с английскими, и это по существу — первая ступень гармонизации российской метрологии с европейской. Метрическая система мер введена во Франции в 1840 г. Большую значимость ее принятия в России подчеркнул Д.И. Менделеев, предсказав большую роль всеобщего распространения метрической системы как средства содействия "будущему желанному сближению народов". С развитием науки и техники требовались новые измерения и новые единицы измерения, что стимулировало в свою очередь совершенствование фундаментальной и прикладной метрологии. Первоначально прототип единиц измерения искали в природе, исследуя макрообъекты и их движение. Так, секундой стали считать часть периода обращения Земли вокруг оси. Постепенно поиски переместились на атомный и внутриатомный уровень. В результате уточнялись "старые" единицы (меры) и появились новые. Так, в 1983 г. было принято новое определение метра: это длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды. Это стало возможным после того, как скорость света в вакууме (299792458 м/с) метрологи приняли в качестве физической константы. Интересно отметить, что теперь с точки зрения метрологических правил метр зависит от секунды. В 1988 г. на международном уровне были приняты новые константы в области измерений электрических единиц и величин, а в 1989 г. принята новая Международная практическая температурная шкала МТШ-90. На этих нескольких примерах видно, что метрология как наука динамично развивается, что, естественно, способствует совершенствованию практики измерений во всех других научных и прикладных областях. Бурное развитие науки, техники и технологии в ХХ веке потребовало развития метрологии как науки. В СССР метрология развивалась в качестве государственной дисциплины, т.к. нужда в повышении точности и воспроизводимости измерений росла по мере индустриализации и роста оборонно-промышленного комплекса. Зарубежная метрология также отталкивалась от требований практики, но эти требования исходили в основном от частных фирм. Косвенным следствием такого подхода оказалось государственное регулирование различных понятий, относящихся к метрологии, то есть ГОСТированиевсего, что необходимо стандартизовать. За рубежом эту задачу взяли на себя негосударственные организации, напримерASTM. В силу этого различия в метрологии СССР и постсоветских республик государственные стандарты ( эталоны ) признаются главенствующими, в отличие от конкурентной западной среды, где частная фирма может не пользоваться плохо зарекомендовавшим себя стандартом или прибором и договориться со своими партнёрами о другом варианте удостоверения воспроизводимости измерений. Объекты метрологии. Измерения как основной объект метрологии связаны как с физическими величинами, так и с величинами, относящимися к другим наукам (математике, психологии, медицине, общественным наукам и др.). Далее будут рассматриваться понятия, относящиеся к физическим величинам. Физическая величина.Под этим определением подразумевается свойство, общее в качественном отношении многим объектам, но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта. Или, следуя Леонарду Эйлеру, «величиной называется все, что способно увеличиваться или уменьшаться, или то, к чему можно нечто прибавить или отчего можно отнять». Вообще понятие «величина» многовидовое, т. е. относящееся не только к физическим величинам, являющимся объектами измерения. К величинам можно отнести количество денег, идей и т. п., т. к. к этим категориям применимо определение величины. По этой причине в стандартах (ГОСТ-3951-47 и ГОСТ-16263-70) приводится только понятие «физической величины», т. е. величины, характеризующей свойства физических объектов. В измерительной технике прилагательное «физическая» обычно опускается. Единица физической величины- физическая величина, которой по определению придано значение, равное единице. Ссылаясь еще раз на Леонарда Эйлера: «Невозможно определить или измерить одну величину иначе, как приняв в качестве известной другую величину этого же рода и указав соотношение, в котором она находится к ней». Другими словами, для того чтобы охарактеризовать какую-либо физическую величину, нужно произвольно выбрать в качестве единицы измерения какую-либо другую величину того же рода. Мера- носитель размера единицы физической величины, т. е. средство измерения, предназначенное для воспроизведения физической величины данного размера. Типичными примерами мер являются гири, рулетки, линейки. В других видах измерений меры могут иметь вид призмы, вещества с известными свойствами и т. д. При рассмотрении отдельных видов измерения мы будем специально останавливаться на проблеме создания мер. Понятие системы единиц. Внесистемные единицы. Естественные системы единиц. Система единиц- совокупность основных и производных единиц, относящаяся к некоторой системе величин и образованная в соответствии с принятыми принципами. Система единиц строится на основе физических теорий, отражающих существующую в природе взаимосвязь физических величин. При определении единиц системы подбирается такая последовательность физических соотношений, в которой каждое следующее выражение содержит только одну новую физическую величину. Это позволяет определить единицу физической величины через совокупность ранее определенных единиц, а в конечном счете — через основные (независимые) единицы системы (см.Единицы физических величин). В первых Системах единиц в качестве основных были выбраны единицы длины и массы, например в Великобритании фут и английский фунт, в России — аршин и русский фунт. В эти системы входили кратные и дольные единицы, имевшие собственные наименования (ярд и дюйм — в первой системе, сажень, вершок, фут и другие — во второй), благодаря чему образовалась сложная совокупность производных единиц. Неудобства в сфере торговли и промышленного производства, связанные с различием национальных систем единиц, натолкнули на идею разработки метрической системы мер (18 век, Франция), послужившей основой для международной унификации единиц длины (метр) и массы (килограмм), а также важнейших производных единиц (площади, объема, плотности). В 19 веке К. Гаусс и В.Э. Вебер предложили Систему единиц для электрических и магнитных величин, названную Гауссом абсолютной. В ней в качестве основных единиц были приняты миллиметр, миллиграмм и секунда, а производные единицы образовывались по уравнениям связи между величинами в простейшем их виде, то есть с числовыми коэффициентами, равными единице (такие системы позднее получили название когерентных). Во 2-й половине 19 века Британская ассоциация по развитию наук приняла две системы единиц: СГСЭ (электростатическую) и СГСМ (электромагнитную). Этим было положено начало образованию и других Систем единиц, в частности симметричной системы СГС (которую называют также системой Гаусса), технической системы (м, кгс, сек; см. МКГСС система единиц),МТС системы единици другие. В 1901 году итальянский физик Дж. Джорджи предложил Систему единиц, основанную на метре, килограмме, секунде и одной электрической единице (позднее был выбран ампер; см.МКСА система единиц). Система включала получившие распространение на практике единицы: ампер, вольт, ом, ватт, джоуль, фараду, генри. Эта идея была положена в основу принятой в 1960 году 11-й Генеральной конференцией по мерам и весамМеждународной системы единиц (СИ). Система имеет семь основных единиц: метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль, кандела. Создание СИ открыло перспективу всеобщей унификации единиц и имело следствием принятие многими странами решения о переходе к этой системе или о ее преимущественном применении. Наряду с практическими Системами единиц в физике пользуются системами, в основу которых положены универсальные физические постоянные, например скорость распространения света в вакууме, заряд электрона, постоянная Планка и другие. Внесистемные единицы, единицы физических величин, не входящие ни в одну из систем единиц. Внесистемные единицы выбирались в отдельных областях измерений вне связи с построением систем единиц. Внесистемные единицы можно разделить на независимые (определяемые без помощи других единиц) и произвольно выбранные, но определяемые через другие единицы. К первым относятся, например, градус Цельсия, определяемый как 0,01 промежутка между температурами кипения воды и таяния льда при нормальном атмосферном давлении, полный угол (оборот) и другие. Ко вторым относятся, например, единица мощности — лошадиная сила (735,499 вт), единицы давления — техническая атмосфера (1 кгс/см2), миллиметр ртутного столба (133,322 н/м2), бар (105н/м2) и другие. В принципе применение внесистемных единиц нежелательно, так как неизбежные пересчеты требуют затрат времени и увеличивают вероятность ошибок. Естественные системы единиц, системы единиц, в которых за основные единицы приняты фундаментальные физические постоянные — такие, например, как гравитационная постоянная G, скорость света в вакууме с, постоянная Планка h, постоянная Больцмана k, число Авогадро NA, заряд электрона e, масса покоя электрона meи другие. Размер основных единиц в Естественных системах единиц определяется явлениями природы; этим естественные системы принципиально отличаются от других систем единиц, в которых выбор единиц обусловлен требованиями практики измерений. По идее М. Планка, впервые (1906) предложившего Естественные системы единиц с основными единицами h, c, G, k, она была бы независима от земных условий и пригодна для любых времен и мест Вселенной. Предложен целый ряд других Естественных систем единиц (Г. Льюиса, Д. Хартри, А. Руарка, П. Дирака, А. Грески и др.). Для Естественных систем единиц характерны чрезвычайно малые размеры единиц длины, массы и времени (например, в системе Планка — соответственно 4,03*10-35м, 5,42*10-8кг и 1,34*10-43сек) и, наоборот, громадные размеры единицы температуры (3,63*1032С). Вследствие этого Естественные системы единиц неудобны для практических измерений; кроме того, точность воспроизведения единиц на несколько порядков ниже, чем основных единиц Международной системы (СИ), так как ограничивается точностью знания физических констант. Однако в теоретической физике применение Естественных систем единиц позволяет иногда упростить уравнения и дает некоторые другие преимущества (например, система Хартри позволяет упростить запись уравнений квантовой механики). Единицы физических величин. Единицы физических величин - конкретные физические величины, которым по определению присвоены числовые значения, равные 1. Многие Единицы физических величин воспроизводятся мерами, применяемыми для измерений (например, метр, килограмм). На ранних стадиях развития материальной культуры (в рабовладельческом и феодальном обществах) существовали единицы для небольшого круга физических величин — длины, массы, времени, площади, объема. Единицы физических величин выбирались вне связи друг с другом, и притом различные в разных странах и географических районах. Так возникло большое количество часто одинаковых по названию, но различных по размеру единиц — локтей, футов, фунтов. По мере расширения торговых связей между народами и развития науки и техники количество Единиц физических величин увеличивалось и все более ощущалась потребность в унификации единиц и в создании систем единиц. О Единицах физических величин и их системах стали заключать специальные международные соглашения. В 18 веке во Франции была предложена метрическая система мер, получившая в дальнейшем международное признание. На ее основе был построен целый ряд метрических систем единиц. В настоящее время происходит дальнейшее упорядочение Единиц физических величин на базеМеждународной системы единиц (СИ). Единицы физических величин делятся на системные, то есть входящие в какую-либо систему единиц, и внесистемные единицы (например, мм рт. ст., лошадиная сила, электрон-вольт). Системные Единицы физических величин подразделяются на основные, выбираемые произвольно (метр, килограмм, секунда и др.), и производные, образуемые по уравнениям связи между величинами (метр в секунду, килограмм на кубический метр, ньютон, джоуль, ватт и т.п.). Для удобства выражения величин, во много раз больших или меньших Единиц физических величин, применяются кратные единицы и дольные единицы. В метрических системах единиц кратные и дольные Единицы физических величин (за исключением единиц времени и угла) образуются умножением системной единицы на 10n, где n — целое положительное или отрицательное число. Каждому из этих чисел соответствует одна из десятичных приставок, принятых для образования кратных и дольных единиц. Международная система единиц. Международная система единиц(Systeme International d'Unitees), система единиц физических величин, принятая 11-й Генеральной конференцией по мерам и весам (1960). Сокращенное обозначение системы — SI (в русской транскрипции — СИ). Международная система единиц разработана с целью замены сложной совокупности систем единиц и отдельных внесистемных единиц, сложившейся на основе метрической системы мер, и упрощения пользования единицами. Достоинствами Международной системы единиц являются ее универсальность (охватывает все отрасли науки и техники) и когерентность, т. е. согласованность производных единиц, которые образуются по уравнениям, не содержащим коэффициенты пропорциональности. Благодаря этому при расчетах, если выражать значения всех величин в единицах Международной системы единиц, в формулы не требуется вводить коэффициенты, зависящие от выбора единиц. Ниже в таблице приведены наименования и обозначения (международные и русские) основных, дополнительных и некоторых производных единиц Международной системы единиц Русские обозначения даны в соответствии с действующими ГОСТами; приведены также обозначения, предусматриваемые проектом нового ГОСТа "Единицы физических величин". Определение основных и дополнительных единиц и количеств, соотношения между ними даны в статьях об этих единицах. Первые три основные единицы (метр, килограмм, секунда) позволяют образовывать когерентные производные единицы для всех величин, имеющих механическую природу, остальные добавлены для образования производных единиц величин, не сводимых к механическим: ампер — для электрических и магнитных величин, кельвин — для тепловых, кандела — для световых и моль — для величин в области физической химии и молекулярной физики. Дополнительные, единицы радиан и стерадиан служат для образования производных единиц величин, зависящих от плоского или телесного углов. Для образования наименований десятичных кратных и дольных единиц служат специальные приставки СИ: деци (для образования единиц, равных 10-1 по отношению к исходной), санти (10-2), милли (10-3), микро (10-6), нано (10-9), пико (10-12), фемто (10-15), атто (10-18), дека (101), гекто (102), кило (103), мега (106), гига (109), тера (1012). Системы единиц: МКГСС, МКС, МКСА, МКСК, МТС, СГС. МКГСС система единиц(MkGS система), система единиц физических величин, основными единицами которой являются: метр, килограмм-сила, секунда. Вошла в практику в конце 19 века, была допущена в СССР ОСТом ВКС 6052(1933), ГОСТом 7664-55 и ГОСТом 7664-61 "Механические единицы". Выбор единицы силы в качестве одной из основных единиц обусловил широкое применение ряда единиц МКГСС системы единиц (главным образом единиц силы, давления, механического напряжения) в механике и технике. Эту систему часто называют технической системой единиц. За единицу массы в МКГСС системе единиц принята масса тела, приобретающего ускорение 1 м/сек2под действием приложенной к нему силы 1 кгс. Эту единицу иногда называют технической единицей массы (т.е.м.) или инертой. 1 т.е.м. = 9,81 кг. МКГСС система единиц имеет ряд существенных недостатков: несогласованность между механическими и практическими электрическими единицами, отсутствие эталона килограмма-силы, отказ от распространенной единицы массы — килограмма (кг) и как следствие (чтобы не применять т.е.м.) — образование величин с участием веса вместо массы (удельный вес, весовой расход и т. п.), что приводило иногда к смешению понятий массы и веса, использованию обозначения кг вместо кгс и т.п. Эти недостатки обусловили принятие международных рекомендаций об отказе от МКГСС системы единиц и о переходе кМеждународной системе единиц (СИ). МКС система единиц(MKS система), система единиц механических величин, основными единицами которой являются: метр, килограмм (единица массы), секунда. Была введена в СССР ГОСТом 7664-55 "Механические единицы", замененным ГОСТом 7664-61. Применяется также в акустике в соответствии с ГОСТом 8849-58 "Акустические единицы". МКС система единиц входит как часть вМеждународную систему единиц (СИ). |