1 Лекция 1. Лекция введение основные понятия и термины метрологии. Воспроизведение физических величин и единство измерений
 Скачать 1.26 Mb.
|
|
тематических выражениях (формулах) для производных единиц нет мно- жителей, отличных от безразмерной единицы. Международная система СИ единиц образована по принятой в физике методике построения систем единиц. 11 Эта методика, впервые примененная в 1832 г. немецким ученым К. Гаус- сом, заключается в том, что за основу системы принимают несколько независи- мых друг от друга основных единиц, из которых в качестве производных выво- дят единицы остальных физических величин. 15 декабря 1832 г. Карл Гаусс представил Геттингенскому научному об- ществу свою работу «Напряжение земной магнитной силы, приведенное к ос- новной мере» (перевод с немецкого). В этой работе Гаусс не только изложил ме- тод определения напряженности поля земного магнетизма в различных точках земного шара, но и установил методику построения системы единиц, содержа- щей электрические величины. Гаусс обратил внимание на то, что единицы электрического тока и заряда можно определить, используя лишь механические величины (длины, массы и времени). Эта же ситуация имеет место и с тепловыми величи- нами (см. далее определение градуса). Фактически, Гаусс продемонстрировал оправданность механических моделей для описания различных физических эффектов. К. Гаусс по предложенной им методике построил систему единиц, где за основу принял единицы длины, массы и времени, и назвал ее абсолютной системой (основными единицами Гаусс выбрал миллиметр, миллиграмм и секунду). Следует иметь в виду, что наименование «абсолютная» система является условным и какие-либо правила, по которым тот или иной комплекс единиц вы- бирается в качестве основных, нельзя обосновать теоретически. Критериями при выборе основных единиц могут быть лишь эффек- тивность и целесообразность использования данной системы. Для прак- тических же целей измерения в качестве основных единиц следует выби- рать такие, которые можно воспроизвести с наибольшей точностью. 12 МЕЖДУНАРОДНАЯ СИСТЕМА ЕДИНИЦ СИ Учитывая необходимость охвата Международной системой единиц всех областей науки и техники, в ней в качестве основных выбраны семь единиц. В механике такими являются единицы длины, массы и времени. В электричестве добавляется единица силы электрического тока. В теплоте — единица термодинамической температуры. В оптике — единица силы света. В молекулярной физике, термодинамике и химии — единица количества вещества. Из семи основных единиц и двух дополнительных в качестве производных выводят единицы для измерений физических величин во всех областях науки и техники. ОСНОВНЫЕ ВЕЛИЧИНЫ И ЕДИНИЦЫ В СИСТЕМЕСИ Длина l — величина, характеризующая протяженность, удаленность и пе- ремещение тел или их частей вдоль заданной линии; dim 2 l — L, единица — метр ( m, м) 3 . Метр есть длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1/299 792 458 с. Масса m — величина, определяющая инертные и гравитационные свой- ства материальных объектов; dim от = М, единица — килограмм (kg; кг). Килограмм равен массе международного прототипа килограмма. Время t — величина, характеризующая последовательную смену явлений и состояний материи, характеризующая длительность их бытия; dim t = Т, еди- ница — секунда (s; с). Секунда равна 9 192631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. 2 dim — сокращение от английского слова dimension, что означает в переводе на русский язык «размерность». 3 В скобках даются международное и русское обозначения единицы. 13 Сила электрического тока I — скалярная величина, равная производной по времени от электрического заряда, переносимого носителями заряда сквозь рас- сматриваемую поверхность; dim I=I, единица — ампер (А, А). Ампер равен силе неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2∙10 -7 H. Термодинамическая температура Т — температура, отсчитываемая по термодинамической шкале температур от абсолютного нуля; dim T = Q, едини- ца — кельвин (К; К). Кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Примечания: 1Кроме температуры Кельвина (обозначение Т) допускается применять также температуру Цельсия (обозначение t), определяемую выражением t = T— T 0 , где T 0 = 273,15 К по определению. Температура Кельвина выражается в Кельвинах, температура Цельсия — в градусах Цельсия (обозначение междуна- родное и русское °С). По размеру градус Цельсия равен Кельвину (1 °С=1 К). 2. Интервал или разность температур Кельвина выражается в Кельвинах. Интервал или разность температур Цельсия допускается выражать как в Кельвинах, так и в градусах Цельсия. Количество вещества п — величина, равная числу структурных элемен- тов, содержащихся в теле (системе тел); dim n = N, единица — моль (mol; моль). Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг. При применении моля структурные элементы должны быть спе- цифицированы и могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами и другими частицами или специфицированными группами частиц. Сила света I 4 — величина, равная отношению светового потока, распро- страняющегося от источника излучения в рассматриваемом направлении внутри малого телесного угла к этому телесному углу; dim I= I единица— кандела (cd; кд). 4 Единство световых измерений обеспечивается в соответствии с ГОСТ 8.023—74. 14 Кандела равна силе света в заданном направлении источника, испус- кающего монохроматическое излучение частотой 540÷1012 Гц, сила излуче- ния которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср. 5 ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ЕДИНИЦЫ Плоский угол α — геометрическая фигура, образованная двумя лучами (сторонами угла), выходящими из одной точки. Размерности плоский угол не имеет, единица— радиан (rad; рад). Радиан равен углу между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу. Телесный угол Ω— часть пространства, заключенного внутри одной по- лости конической поверхности с замкнутой направляющей. Размерности телес- ный угол не имеет, единица — стерадиан (sr; cp). Стерадиан равен телесному углу с вершиной в центре сферы, выреза- ющему на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со сторо- ной, равной радиусу сферы. ПРОИЗВОДНЫЕ ЕДИНИЦЫ подробно рассматриваются на практи- ческих занятиях. 5 Новое определение единицы силы света — канделы принято на XVI ГКМВ в октябре 1979 г. Оно позволяет воспроизводить канделу без создания черного тела, что соответственно дает воз- можность повысить точность ее воспроизведения. 15 ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ЕДИНИЦ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН И ПЕРЕДАЧА ИХ РАЗМЕРОВ Воспроизведение единицы физической величины — это совокупность опера- ций по материализации единицы ФВ с наивысшей точностью посредством гос- ударственного эталона или исходного образцового СИ. Различают воспроизве- дение основной и произ? водной единиц. Воспроизведение основной единицы — это воспроизведение единицы путем создания фиксированной по размеру ФВ в соответствии с определением едини- цы. Оно осуществляется с помощью государственных первичных эталонов. Например, единица массы — 1 килограмм (точно) воспроизведена в виде плати- ноиридиевой гири, хранимой в Международном бюро мер и весов в качестве международного эталона килограмма. Розданные другим странам эталоны име- ют номинальное значение 1 кг. На основании последних международных сли- чений (1979) платиноиридиевая гиря, входящая в состав государственного эта- лона РФ, имеет массу 1,00000об87кг. Воспроизведение производной единицы — это определение значения ФВ в указанных единицах на основании косвенных измерений других величин, функ- ционально связанных с измеряемой. Так, воспроизведение единицы силы — нью- тона — осуществляется на основании известного уравнения механики F= mg, где т — масса; g — ускорение свободного падения. Передача размера единицы — это приведение размера единицы, хранимой поверяемым средством измерений, к размеру единицы 1 , воспроизводимой или хранимой эталоном, осуществляемое при проверке или калибровке. Размер единицы передается "сверху вниз" — от более точных СИ к менее точным. Хранение единицы— совокупность операций, обеспечивающих неизменность во времени размера единицы, присущего данному СИ. Хранение эталона еди- ницы ФВ предполагает проведение взаимосвязанных операций, позволяющих поддерживать метрологические характеристики эталона в установленных пре- делах. При хранении первичного эталона выполняются регулярные его иссле- дования, включая сличения с национальными эталонами других стран с целью повышения точности воспроизведения единицы и совершенствования методов передачи ее размера. ЭТАЛОНЫ ЕДИНИЦ СИСТЕМЫ СИ Эталон — средство измерений (или комплекс СИ), предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы и передачи ее размера нижестоя- щим по поверочной схеме СИ и утвержденное в качестве эталона в установлен- ном порядке. Классификация* назначение и общие требования к созданию, хранению и применению эталонов устанавливает ГОСТ 8.057—80. Перечень эталонов не повторяет перечня ФВ. Для ряда единиц эталоны не создаются из-за того, что нет возможности непосредственно сравнивать соот- ветствующие ФВ, например, нет эталона площади. Не создаются эталоны и в том случае, когда единица ФВ 16 ЛЕКЦИЯ 2. ОСНОВЫ ТЕХНИКИ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ОСНОВЫ ТЕХНИКИ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ВИДЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ Одной из основных задач метрологии является разработка методов и средств измерения физических величин, методов оценки точности измерений, обеспечения единства измерений, установки эталонов и образцовых средств из- мерения, передачи параметров образцовых средств рабочим средствам измере- ний. Измерением называют определение числового значения физической ве- личины с использованием специальных технических средств. Фундамент измерений составляет Международная система физических ве- личин (СИ), принятая в СССР с 1963 г. С точки зрения общих методов измерений в метрологии различают прямые, косвенные, совокупные и совместные измерения. Прямыми измерениями называются измерения, при которых искомую величину Х находят непосредственно из опытных данных. Измерения, при которых искомую измеряемую величину определяют вычислениями по результатам прямых измерений величин, связанных с ис- комой величиной известной функциональной зависимостью, называют кос- венными измерениями. Примерами косвенных измерений могут служить определения: объема те- ла по прямым измерениям его геометрических размеров; расхода вещества, про- текающего в трубопроводе, по перепаду давления на дроссельном устройстве, установленном на пути потока; температуры с помощью термопары по э.д.с., возникающей в ее цепи при нагреве спая двух материалов, из которых термопара составлена. Совокупными измерениями называются такие, при которых искомые значения величин находят с помощью решения системы уравнений, получа- емых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. Совместными измерениями называются производимые одновременно измерения двух или нескольких не одноименных величин для нахождения за- висимости между ними. 17 Примером совместных измерений может быть измерение зависимости ха- рактеристики геликсной пружины глубинного манометра при различной темпе- ратуре окружающей среды. Это измерение выполняется для определения коэф- фициента температурной поправки. По способу выражения результатов измерений различают абсолютные и относительные измерения. Абсолютными называются измерения, основанные на прямых измере- ниях одного или нескольких значений основных величин или на использова- нии значений физических констант. Примером абсолютных измерений могут быть измерения длины в метрах, давления в паскалях, температуры в градусах. Относительными называются измерения отношения величины к одно- именной величине, играющей роль единицы, или измерения величины по от- ношению к одноименной величине, принимаемой за исходную. Примером от- носительных измерений может служить измерение относительной влажности воздуха, определяемой как отношение количества водяных паров в 1 м 3 воздуха к количеству водяных паров, которое насыщает 1 м 3 воздуха при данной темпе- ратуре. ИЗМЕРЕНИЕ ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ ПРИНЦИПОМ И МЕТОДОМ. Под принципом измерений подразумевают совокупность физических явлений, на которых основаны измерения. Например, измерение температуры с использованием термоэлектрического эффекта, измерение расхода жидкостей или газов в трубопроводе по перепаду давления в дроссельном устройстве. Методы измерения представляют собой совокупность приемов, прин- ципов и средств измерения. В современной метрологии различают следующие основные методы. Метод непосредственной оценки заключается в определении значения измеряемой величины непосредственно по отсчетному устройству измери- тельного прибора. Этот метод характеризуется прямым преобразованием зна- чения измеряемой величины в выходное значение величины, показываемое или записываемое прибором. Примерами этого метода могут служить измерения давления пружинным манометром, силы электрического тока амперметром. 18 Метод сравнения основан на сравнении измеряемого значения величины со значением величины, воспроизведенной мерой. Метод сравнения включает в себя следующие методы. Дифференциальный метод, заключающийся в таком сравнении с мерой, при котором на измерительный прибор воздействует разность между изме- ряемой величиной и известной величиной, воспроизводимой мерой. В каче- стве примера можно привести измерения, выполняемые при поверке мер длины сравнением с образцовой мерой на компараторе (прибор для сравнения измеря- емых величин). Нулевой (компенсационный) метод, заключающийся в сравнении с ме- рой, при котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводится до нуля. В качестве примера этого метода можно приве- сти измерения электрического сопротивления мостом с полным его уравнове- шиванием. Метод замещения основан на сравнении с мерой, когда измеряемую ве- личину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой. Например, взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов. Метод совпадений также основан на сравнении с мерой; причем раз- ность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических отме- ток. Примером может служить измерение длины штангенциркулем с нониусом. При измерении наблюдают совпадение отметок на шкалах штангенциркуля и нониуса. Вторым примером применения этого метода может быть измерение ча- стоты вращения стробоскопом. При этом наблюдают совпадение положения ка- кой-либо метки на вращающемся диске в моменты вспышек известной частоты. КАЧЕСТВО ИЗМЕРЕНИЙ ПРИНЯТО ХАРАКТЕРИЗОВАТЬ ПО- ГРЕШНОСТЯМИ. Погрешность — оценка отклонения результата измерения от истин- ного значения измеряемой величины. На рис.1 приведена классификация погрешностей измерительных устройств по ряду признаков. |