1 Лекция 1. Лекция введение основные понятия и термины метрологии. Воспроизведение физических величин и единство измерений
 Скачать 1.26 Mb.
|
|
ЛЕКЦИЯ 1. ВВЕДЕНИЕ ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ МЕТРОЛОГИИ. ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН И ЕДИНСТВО ИЗМЕРЕНИЙ. МЕТРОЛОГИЯ ВВЕДЕНИЕ Метрология — наука об измерениях, а измерения — один из важнейших путей познания Примерно 15% затрат общественного труда расходуется на проведение изме- рений. По оценкам экспертов, от 3 до 9% валового национального продукта пе- редовых индустриальных стран приходится на измерения и связанные с ними операции. В зависимости от цели различают три раздела метрологии: теоретический, законодательный и прикладной. В теоретической (фундаментальной) метрологии разрабатываются фундаментальные основы этой науки. Предметом законодательной метрологии является установление обязательных технических и юридических требований по применению единиц физических ве- личин, эталонов, методов и средств измерений, направленных на обеспечение единства и необходимой точности измерений. Практическая (прикладная) метрология освещает вопросы практического применения разработок теоретической и положений законодательной метроло- гии. Современная метрология опирается на физический эксперимент с измере- ниями высокой точности (измерение – определение числового значения фи- зической величины с использованием специальных технических средств). Она использует достижения физики, химии и других естественных наук, но вместе с тем устанавливает свои специфические законы и правила, позволяю- щие находить количественные выражения свойств объектов материального ми- ра. Общая теория измерений окончательно ещѐ не сложилась. В неѐ входят све- дения и обобщения, полученные в результате анализа и изучения измерений и их элементов: физических величин, их единиц, средств и методов измерений, получаемых результатов измерений. 1 Метрология изучает способы воспроизведения единиц с помощью этало- нов и пути повышения их точности, а также методы передачи размеров единиц (методы поверки). Большой раздел метрологии посвящѐн методам нахождения оценок по- грешностей измерений, для чего используется аппарат теории вероятностей и математической статистики, а иногда и других разделов математики. Законодательная метрология рассматривает вопросы, связанные с до- стижением единства измерений и единообразия средств измерений, которые нуждаются в регламентации и контроле со стороны государства. Практическая (прикладная) метрология освещает вопросы практического применения разработок теоретической и положений законодательной метроло- гии. В конце 19 и начале 20 веков (вследствие увеличения роли метрологии в развитии науки, техники и промышленности) в ряде стран ещѐ были созданы специальные Метрологические институты: - Государственный физико-технический институт в Германии (1887); - Главная палата мер и весов в России (1893) (ныне Всесоюзный научно- исследовательский институт метрологии им. Д. И. Менделеева); - Национальная физическая лаборатория в Великобритании (1899); - Национальное бюро стандартов в США (1901) и др. В 20 в. был создан ряд Международных метрологических организаций, призванных вырабатывать и принимать единые для всех стран-участниц реко- мендации и постановления по рассматриваемым метрологическим вопросам. Для проведения в жизнь всех необходимых для этого мероприятий в стра- нах организуются метрологические службы. В России имеется государственная метрологическая служба. Метрологическая служба – сеть общегосударственных и ведомствен- ных метрологических органов, обеспечивающая единство измерений и еди- нообразие средств измерений в стране. Стандартизация изучает вопросы разработки и применения таких правил и норм, которые отражают действие объективных -технико- экономических законов. Стандартизация, имеет непосредственное отношение к совершенствованию управления производством, повышению качества всех видов товаров и услуг. Большое значение для регулирования механизмов рыночной экономки при- обрела сертификация. Для многих видов продукции и процессов она стала обязательной. 2 Сертификация рассматривается как официальное подтверждение со- ответствия стандартам и во многом определяет, конкурентоспособность продукции. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ МЕТРОЛОГИИ. ВОСПРОИЗВЕ- ДЕНИЕ ЕДИНИЦ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН И ЕДИНСТВО ИЗМЕРЕНИЙ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЕЛИЧИНЫ И ШКАЛЫ Из определения метрологии следует, что основным понятием еѐ и ее производных – стандартизации и сертификации, является единица измерения физической величины (для некоторых величин – шкала).В дальнейшем будем говорить «физическая единица», или просто – единица. Единица измерения - это физическая величина (конкретная), числовое значение которой по условию принято равным 1. Шкалой величины называется принятая по соглашению последова- тельность значений одноимѐнных величин различного размера (напр., тем- пературная шкала, шкала твѐрдости по Бринеллю). В метрологии, как и в физике, величина трактуется, как общее свойство в качественном и в количественном отношении для многих объектов (си- стем), а также как индивидуальное свойство для каждого объекта. Т. е. как свой- ство, которое может быть для одного объекта в то или иное число раз больше или меньше, чем для другого (напр., длина, масса, плотность, температура, сила, скорость). Величины можно разделить на два вида: реальные и идеальные (рис. 1.1). 3 Рис.1.1. Классификация величин Идеальные величины главным образом относятся к математике и являются обобщением (моделью) конкретных реальных понятий. Реальные величины делятся, в свою очередь, на физические и нефизиче- ские. Физическая величина (ФВ) в общем случае может быть определена как вели- чина, свойственная материальным объектам (процессам, явлениям), изучаемым в естественных (физика, химия) и технических науках. К нефизическим относятся величины, присущие общественным (нефизиче- ским) наукам - философии, социологии, экономике и т.д. Рекомендации по межгосударственной стандартизации (РМГ 29-99) трак- туют физическую величину, как одно из свойств физического объекта, в каче- ственном отношении общее для многих физических объектов, а в количе- ственном — индивидуальное для каждого из них. Индивидуальность в количественном отношении понимают в том смыс- ле, что свойство может быть для одного объекта в определенное число раз: больше или меньше, чем для другого. Таким образом, физические величины — это измеренные свойства физиче- ских объектов и процессов, с помощью которых они могут быть изучены. Физические величины подразделяются на измеряемые и оцениваемые. 4 Измеряемые ФВ могут быть выражены количественно в виде определѐнного числа установленных единиц измерения. Возможность введения и использова- ния последних является важным отличительным признаком измеряемых ФВ. Физические величины, для которых по тем или иным причинам не может быть введена единица измерения, могут быть только оценены. Величины оце- нивают при помощи шкал. Шкала величины— упорядоченная последовательность ее значений, приня- тая по соглашению на основании результатов точных измерений. Нефизические величины, для которых единица измерения в принципе не мо- жет быть введена, могут быть только оценены. Стоит отметить, что оценивание нефизических величин не входит в задачи теоретической метрологии. Физические величины классифицируются (рис.1.2) По видам явлений ФВ делятся на следующие группы: - вещественные, т.е. описывающие физические и физико-химические свой- ства веществ, материалов и изделий из них. К этой группе относятся масса, плотность, электрическое сопротивление, емкость, индуктивность и др. Иногда указанные ФВ называют пассивными. Для их измерения необходимо использовать вспомогательный источник энергии, с помощью которого фор- мируется сигнал измерительной информации. При этом пассивные ФВ пре- образуются в активные, которые и измеряются - энергетические, т. е. величины, описывающие энергетические характери- стики процессов преобразования, передачи и использования энергии. К ним относятся ток, напряжение, мощность, энергия. Эти величины называют ак- тивными. Они могут быть преобразованы в сигналы измерительной информа- ции без использования вспомогательных источников энергии; - характеризующие протекание процессов во времени. К этой группе отно- сятся различного рода спектральные характеристики, корреляционные функции и др. По принадлежности к различным группам физических процессов ФВ делятся на пространственно-временные, механические, тепловые, электрические и маг- нитные, акустические, световые, физико-химические, ионизирующих излуче- ний, атомной и ядерной физики. 5 По степени условной независимости от других величин данной группы ФВ делятся на основные (условно независимые), производные (условно зависимые) и дополнительные. В настоящее время в системе СИ используется семь физических величин, выбранных в качестве основных: длина, время, масса, температура, сила электрического тока, сила света и количество вещества. К дополнительным физическим величинам относятся плоский и телесный углы. По наличию размерности ФВ делятся на размерные величины, т. е. имеющие размерность, и безразмерные. ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ Энергетические (активные) Вещественные (пассивные) Характеризующие процессы Про- стран- ствен- но- времен мен- ные Ме- хани ниче че- ские Теп- ло- вые Элек- триче- ские и маг- нитные Аку- сти- че- ские Све- то- вые Иони- зиру- ющих излу- чений Атом- ной и ядер- ной физи- ки Фи- зико- хими миче че- ские Основные Производные Дополнительные Размерные Безразмерные Рис. 1.2. Классификация физических величин 6 Измерение— познавательный процесс, заключающийся в сравнении путем физического эксперимента данной ФВ с известной ФВ, принятой за единицу измерения. В практической деятельности необходимо проводить измерения различных ве- личин, характеризующих свойства тел, веществ, явлений и процессов. Некоторые свойства проявляются только качественно, другие — количественно. Разнообразные проявления (количественные или качественные) любого свойства образуют множества, отображения элементов которых на упорядо- ченное множество чисел или в более общем случае условных Знаков образуют шкалы измерения этих свойств. Шкала измерений количественного свойства является шкалой ФВ. Шкала физической величины— это упорядоченная последовательность зна- чений ФВ, принятая по соглашению на основании результатов точных измерений. Термины и определения теории шкал измерений изложены в метрологиче- ской инструкции МИ 2365—96. | В соответствии с логической структурой проявления свойств различают пять основных типов шкал измерений. 1. Шкала наименований (шкала классификации). Такие шкалы используются для классификации эмпирических объектов, свой- ства которых проявляются только в отношении эквивалентности. Эти свойства нельзя считать физическими величинами, поэтому шкалы такого вида не яв- ляются шкалами ФВ. Это самый простой тип шкал, основанный на приписыва- нии качественным свойствам объектов чисел, играющих роль имен. Примером шкал наименований являются широко распространенные атласы цветов, предназначенные для идентификации цвета. 2.Шкала порядка (шкала рангов). Если свойство данного эмпирического объекта проявляет себя в отношении эк- вивалентности и порядка по возрастанию или убыванию количественного про- явления свойства, то для него может быть построена шкала порядка. Она являет- ся монотонно возрастающей или убывающей и позволяет установить отношение больше/меньше между величинами, характеризующими указанное свойство. В шкалах порядка существует или не существует нуль, но принципиально нельзя ввести единицы измерения, так как для них не установлено отношение пропор- циональности и соответственно нет возможности судить, во сколько раз боль- ше или меньше конкретные проявления свойства. 7 В случаях, когда уровень познания явления не позволяет точно установить отношения, существующие между величинами данной характеристики, либо применение шкалы удобно и достаточно для практики, используют условные (эмпирические) шкалы порядка. Условная шкала — это шкала ФВ, исходные значения которой выражены в условных единицах. Например, шкала вязкости Энглера, 12-балльная шкала Бофорта для измерения силы морского ветра. Широкое распространение получили шкалы порядка с нанесенными на них реперными точками. К таким шкалам, например, относится шкала Мооса для определения твердости минералов, которая содержит 10 опорных (реперных) минералов с различными условными числами твердости: тальк — 1; гипс — 2; кальций — 3; флюорит — 4; апатит — 5; ортоклаз — 6; кварц — 7; топаз — 8; корунд — 9; алмаз — 10. Отнесение минерала к той или иной градации твердости осуществляется на основании эксперимента, который состоит в том, что испытуемый материал царапается опорным. Если после царапанья испытуемого минерала кварцем (7) на нем остается след, а после ортоклаза (6) — не остается, то твердость испы- туемого материала составляет более 6, но менее 7. Более точного ответа в этом случае дать невозможно. В условных шкалах одинаковым интервалам между размерами данной ве- личины не соответствуют одинаковые размерности чисел, отображающих раз- меры. С помощью этих чисел можно найти вероятности, моды, медианы, кван- тили, однако их нельзя использовать для суммирования, умножения и других математических операций. Определение значения величин при помощи шкал порядка нельзя считать измерением, так как на этих шкалах не могут быть введены единицы измерения. Операцию по приписыванию числа требуемой величине следует считать оцениванием. Оценивание по шкалам порядка является неоднозначным и весьма условным. 2. Шкала интервалов (шкала разностей). Эти шкалы являются дальнейшим развитием шкал порядка и применяются для объектов, свойства которых удовлетворяют отношениям эквивалентности, порядка и аддитивности. Шкала интервалов состоит из одинаковых интервалов, имеет единицу из- мерения и произвольно выбранное начало — нулевую точку. 8 К таким шкалам относится летосчисление по различным календарям, в ко- торых за начало отсчета Принято либо сотворение мира, либо Рождество Хри- стово и т.д. 1 Температурные шкалы Цельсия, Фаренгейта, Реомюра также яв- ляются шкалами интервалов. 4. Шкала отношений. Эти шкалы описывают свойства эмпирических объектов, которые удовлетво- ряют отношениям эквивалентности, порядка и аддитивности (шкалы второго ро- да — аддитивные), а в ряде случаев и пропорциональности (шкалы первого рода — пропорциональные). Их примерами являются шкала массы (второго рода), термодинамической тем- пературы (первого рода). В шкалах отношений существует однозначный естественный критерий нуле- вого количественного проявления свойства и единица измерений. С формаль- ной точки зрения шкала отношений является шкалой интервалов с естествен- ным началом отсчета. К значениям, полученным по этой шкале, применимы все арифметические действия, что имеет важное значение при измерении ФВ. 5. Абсолютные шкалы. Под абсолютными понимают шкалы, обладающие всеми признаками шкал отношений, но дополнительно имеющие естественное однозначное определе- ние единицы измерения и не зависящие от принятой системы единиц изме- рения. Такие шкалы соответствуют относительным величинам: коэффициенту уси- ления, ослабления и др. Для образования многих производных единиц в системе СИ используются безразмерные и счетные единицы абсолютных шкал. Отметим, что шкалы наименований и порядка называют не- метрическими (концептуальными), а шкалы интервалов и отношений — метрическими (материальными). Абсолютные и метрические шкалы относятся к разряду линейных. Практическая реализация шкал измерений осуществляется путем стандарти- зации как самих шкал и единиц измерений, так и, в необходимых случаях, спо- собов и условий их однозначного воспроизведения. 1 Уже в первые века становления христианства предпринимались попытки перебросить хронологический мост между современностью и священными событиями, описанными в Библии. В результате проведѐнных подсчѐтов возникло около 200 различных вариантов эры "от сотворения мира", или "от Адама". Согласно таковым, период времени от сотворения мира до Рождества Христова насчитывал от 3483 до 6984 лет. Наибольшее распростране- ние приобрели три так называемые мировые эры: александрийская (исходная точка - 5501 (фактически 5493) год до Р. Х.), антиохийская (5969 год до Р. Х.) и более поздняя византийская (5508 год до Р. Х.). Петр I решил сравнять Российское летоисчисление с европейским, и предписал вместо 1 января 7208 г. " от сотворения мира" считать 1 января 1700 г. "от рождества господа бога и спаса нашего Иисуса Христа". Декретом Совета Народных Комиссаров от 26 января 1918 г. после 31 января шло уже не 1 февраля, а сразу 14-е. 9 СИСТЕМА ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН В науке, технике и повседневной жизни человек имеет дело с разнообразны- ми свойствами окружающих нас физических объектов. Эти свойства отражают процессы взаимодействия объектов между собой. Их описание производится посредством физических величин. Для того чтобы можно было установить для каждого объекта различия в коли- чественном содержании свойства, отображаемого физической величиной, в метрологии введены понятия ее размера и значения. Размер физической величины — это количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию "физическая величина". Напри- мер, каждое тело обладает определенной массой, следствие чего тела можно раз- личать по их массе, т. е. по размеру интересующей нас ФВ. Значение физической величины получают в результате ее измерения или вы- числения в соответствии с основным уравнением измерения Q= q[Q], связыва- ющим между собой значение ФВ Q, числовое значение q и выбранную для изме- рения единицу [Q]. В зависимости от размера единицы будет меняться числовое значение ФВ, тогда как размер ее будет оставаться неизменным. Размер единиц ФВ устанавливается законодательно путем закрепления определения метрологическими органами государства, Важной характеристикой ФВ является ее размерность. Размерностью называют символическое (буквенное) обозначение за- висимости производных величин (или единиц) от основных dim Q (di- mension) — выражение в форме степенного многочлена, отражающее связь данной величины с основными ФВ. Коэффициент пропорциональности принят равным единице. Физическая величина X выражается через длину L, массу М и время Т (являющихся основными величинами в системе единиц типа LMT) уравнением связи между величинами r q p T M L X dim Показатель степени, в которую возведена размерность основной величи- ны, называют показателем размерности. Если все показатели размерности равны нулю, то такую величину называют безразмерной. Размерность ФВ является более общей характеристикой, чем представляющее ее уравнение связи, поскольку одна и та же раз" мерность может быть присуща величинам, имеющим 10 разную качественную природу и различающимся по форме определяющего уравнения. Например, работа силы F Ha расстоянии L описывается уравнением А х = FL. Кинетическая энергия тела массой т, движущегося со скоростью v, равна А 2 = mv 2 / 2 . Размерности этих качественно различных величин одинаковы. Над размерностями можно производить действия умножения, деления, возве- дения в степень и извлечение корня. Понятие размерности широко использует- ся: • для перевода единиц из одной системы в другую; для проверки правильности сложных расчетных формул, полученных в ре- зультате теоретического вывода; • при выяснении зависимости между величинами; • в теории физического подобия. Совокупность ФВ, образованная в соответствии с принятыми принци- пами, когда одни величины принимаются за независимые, а другие являются их функциями, называется системой физических величин. Обоснованно, но произвольным образом выбираются несколько ФВ, называе- мые основными. Остальные величины, называемые производными, выражаются через основные на основе известных уравнений связи между ними. Примерами производных величин могут служить: плотность вещества, определяемая как масса вещества, заключенного в единице объема; ускорение — изменение скоро- сти за единицу времени и др. Совокупность основных и производных единиц ФВ, образованная в соответ- ствии с принятыми принципами, называется системой единиц физических ве- личин. Единица основной ФВ является основной единицей данной системы. Кроме основных единиц существуют производные единицы, которые мультипликативно выражаются через основные. То есть, только при помо- щи математических операций умножения, деления и возведения в степень. Одну и ту же физическую величину можно измерять в каких угодно еди- ницах, поэтому систем единиц, в принципе, может быть сколь угодно много. Однако из этого бесконечного множества можно выделить классы так называе- мых когерентных (согласованных) систем. Система единиц называется когерентной (согласованной), если в ма- |