Радиоизмерения. Метрология и радиоизмерения
 Скачать 3.68 Mb.
|
|
Первый этап стихийной метрологической деятельности. Охва- тывает почти весь ХIХ в. Этот период характерен централизацией метро- логической деятельности и началом широкого участия русских ученых в работе международных метрологических организаций. Так, указом «О системе Российских мер и весов» (1835 г.) были утверждены эталоны длины и массы – платиновая сажень, равная семи английским футам, и платиновый фунт, практически совпадавший по весу с бронзовым золо- ченым фунтом 1747 г. В 1842 г. на территории Петропавловской крепости в специально по- строенном «несгораемом» здании открывается первое централизованное метрологическое и поверочное учреждение России – Депо образцовых мер Раздел 1. Теоретические основы метрологии 10 и весов, куда и помещаются на хранение созданные эталоны, их копии, а также образцы различных иностранных мер. В настоящее время эти об- разцы хранятся в музее Д.И. Менделеева в г. Санкт-Петербурге. В Депо не только хранились эталоны и их копии, но и изготавлива- лись образцовые меры для местных органов, а также проводилась поверка и сличение образцовых мер с иностранными. Эта деятельность регламенти- ровалась документом «Положение о мерах и весах» (1842 г.), заложившим основы государственного подхода к обеспечению единства измерений. Как и многие другие науки, метрология в своем развитии не избежа- ла описательного периода. Он завершился в нашей стране капитальным трудом Ф.И. Петрушевcкого «Общая метрология», вышедшим в 1849 г. и удостоенным Императорской Академией наук 1 Демидовской премии. Подписание метрической конвенции 20 мая 1875 г. Для русских ученых того времени характерно глубокое понимание роли и места метрологии в науке и жизни. В 1869 г. петербургские ака- демики Б.С. Якоби, Г.И. Вильд и О.В. Струве направили в Парижскую академию наук доклад, в котором предлагалось с целью обеспечения единства измерений в международном масштабе изготовить новые меж- дународные прототипы метра и килограмма и распределить их однотип- ные копии между заинтересованными государствами. Это предложение было принято. В результате последующей работы ученых разных стран была подго- товлена и 20 мая 1875 г. подписана Метрическая конвенция. Она стала ос- новой международного научного сотрудничества, способствовала унифи- кации мер и расширению метрологической деятельности в национальном и международном масштабах. В соответствии с конвенцией Россия полу- чила платино-иридиевые эталоны единицы массы № 12 и № 26 и эталоны единицы длины № 11 и № 28, которые были доставлены в новое здание Депо обазцовых мер и весов (ныне это дом 19 на Московском проспекте в г. Санкт-Петербурге). Второй (менделеевский) этап развития отечественной метрологии. В 1892 г. управляющим Депо был назначен Д.И. Менделеев (1834–1907 гг.), который так много сделал для отечественной метрологии, что период с 1892 по 1917 гг. называют менделеевским этапом развития метрологии. Для него характерно следующее: научное становление метрологии, перевод ее в число точных есте- ственно-научных дисциплин, возвышение до уровня «главного орудия по- знания» по образному выражению Д.И. Менделеева; 1 По регламенту она называлась Императорская Академия Наук и Художеств, однако использовались ее различные сокращения: Императорская Академия наук, Академия наук Санкт-Петербурга, Санкт-Петербургская Академия наук и др. Глава 1. Основы обеспечения единства измерений 11 осознание народно-хозяйственного значения метрологии, начало глубоко продуманного и планомерного включения метрологической дея- тельности в хозяйственный механизм страны. В 1893 г. Д.И. Менделеев преобразует Депо образцовых мер и весов в Главную палату мер и весов. В Англии аналогичная организация (Метрологическое отделение Национальной физической лаборатории) была создана в 1900 г., а в США – в 1901 г. (Национальное бюро стандартов). Под руководством Д.И. Менделеева была проведена работа по сли- чению русской системы эталонов (аршин, сажень, фунт) с английскими и метрическими эталонами мер и весов. Была сделана попытка перейти на метрическую систему мер (метр, килограмм), но удалось добиться лишь ее факультативного применения. Метрическая система мер как обязательная была официально при- знана лишь после Октябрьской революции 1917 г. Декрет Совнаркома «О введении Международной метрической системы мер и весов» был при- нят 14 сентября 1918 г. Практически же это удалось сделать лишь через 9 лет – в 1927 г. Для внедрения Международной метрической системы были созданы Палаты мер и весов во всех союзных республиках СССР и во многих крупных городах страны. В дальнейшем Палаты мер и весов были преобразованы в Метрологи- ческие институты. Головным стал Всесоюзный научно-исследовательский институт метрологии (ВНИИМ) им. Д.И. Менделеева. Становление и развитие отечественной метрологии непосредственно вытекало из направленной деятельности Главной Палаты – ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, других метрологических институтов. Метрологиче- ская наука развивалась, наполняясь из поколения в поколение трудами ученых, профессионально ориентированных на метрологию. В 1930–1932 гг., в порядке выполнения международных обяза- тельств, А. К. Колосов ввел новое определение электродвижущей силы ос- новной группы нормальных элементов Вестона при помощи серебряного вольтаметра. Аналогичные работы были проведены и в других странах, причем они привели к значительному уменьшению расхождений между значения- ми международного вольта в разных странах. Эти работы, а также работы по измерению международных ома и ампера в абсолютных единицах, про- водившиеся в некоторых национальных метрологических лабораториях, позволили третьей сессии Консультативного Комитета по электричеству (ККЭ) (1933 г.) принять решение о переходе к абсолютным практическим единицам с 1935 г. Раздел 1. Теоретические основы метрологии 12 В последующем ККЭ будет играть одну из ведущих ролей в связи с совершенствованием электрических и магнитных единиц. В послевоенные годы это работы по новому определению и воспроизведению ампера, фун- даментальных физических констант (ФФК) и воспроизведению электриче- ских и магнитных величин. Эти работы были выполнены Б.М. Яновским, Н.В. Студенцовым, Г.К. Яголой. Методика расчета и согласования ФФК – С.В. Горбацевич, К.А. Краснов, B.C. Тунинский, В.Я. Шифрин, В.Н. Хорев. Серьезные работы в области метрологии температурных измерений относятся к 1920-м гг., когда была создана термометрическая лаборатория. В 1925 г. создана лаборатория высоких температур, а в начале 1930-х гг. – лаборатория низких температур. Активный вклад ВНИИМ в развитие ме- ждународной шкалы температур начался после Великой Отечественной войны. При подготовке новой шкалы МПТШ-68 во ВНИИМ были получе- ны важные результаты с помощью газового термометра в интервале тем- ператур 232–1 064 °С (И.И. Киренков, А.Н. Гордое, К.С. Израилов, У.В. Дейков – Конультативный комитет по термометрии (ККТ), 1962 г.). Эти результаты измерения термодинамических температур были учтены при принятии шкалы МПТШ-68. Наряду с этими классическими работами во ВНИИМ были предло- жены и реализованы такие новые методы измерения термодинамических температур, как акустический и шумовой термометры (А.Д. Бродский, П.П. Кремлевский, А.В. Саватеев – ККТ, 1962 г.). Эти методы и в настоя- щее время являются одними из основных для уточнения термодинамиче- ских температур. В 1950-е гг. во ВНИИМ был создан высокотемпературный платино- вый термометр сопротивления (ВТС) и впервые предложено интерполяци- онное уравнение для построения шкалы выше 630 °С (Г.М. Кондратьев, Б.И. Пилипчук – ККТ, 1954 г.). Высокотемпературный платиновый термо- метр сопротивления конструкции ВНИИМ и сегодня признан самым ста- бильным термометром. ВНИИМ был одним из первых в части исследования новых репер- ных точек шкалы: плавления галлия и затвердевания индия. Тем самым он внес вклад в создание новой шкалы МТШ-90, в которой эти реперные точ- ки были приняты в качестве основных. ВНИИМ участвовал в междуна- родных исследованиях шкал МПТШ-68 и МТШ-90, результаты которых были представлены в докладах рабочих групп (документы ККТ-87/38, ККТ-87/37). В настоящее время институт участвует в международных ра- ботах по совершенствованию МТШ-90 и методов ее реализации. В частно- сти, в рамках ККТ проведены исследования по определению номинальных статических характеристик термопар. Результат работы – принятие нового стандарта Международной электрической комиссией (МЭК) № 584-1 Глава 1. Основы обеспечения единства измерений 13 1995 г. В рамках деятельности Рабочей группы № 1 ККТ ВНИИМом под- готовлен ряд документов, регламентирующих методику реализации шкалы МТШ-90 и методику проведения ключевых сличений. Кроме того, был разработан принципиально новый термометр, позволяющий сличать шка- лы, построенные контактным и бесконтактным методами. Исследования с помощью такого термометра ведутся в национальных метрологических институтах Италии и Франции. Результаты исследований представлены в документах ККТ 1994, 2000 гг. ВНИИМ принимает активное участие в работах Консультативных Комитетов по определению метра, электричества, массы, единиц величин, в Международных организациях МОЗМ 1 , ИСО 2 , ИМЕКО 3 и др. ВНИИМ стал родоначальником не только 13 отечественных метроло- гических институтов, но и базой создания межрегиональной Метрологиче- ской Академии. Принцип международной консолидации усилий, направ- ленных на решение научных и практических проблем современной метро- логии, ныне находит свое выражение в ее деятельности, в широком участии в ней крупнейших ученых и государственных деятелей разных стран. История развития отечественной метрологии, таким образом, под- тверждает ее высокое место среди мировых научных исследований как ба- зы их постоянного развития. 1.3. Понятие об измерении Измерение является одной из самых древнейших операций в процес- се познания человеком окружающего материального мира. Вся история цивилизации представляет собой непрерывный процесс становления и раз- вития измерений, совершенствования средств методов и измерений, по- вышения их точности и единообразия мер. В процессе своего развития человечество прошло путь от измерений на основе органов чувств и частей человеческого тела до научных основ измерений и использования для этих целей сложнейших физических про- цессов и технических устройств. В настоящее время измерениями охваты- ваются все физические свойства материи практически независимо от диа- пазона изменения этих свойств. С развитием человечества измерения приобретали все большее зна- чение в экономике, науке, технике, в производственной деятельности. Многие науки стали называться точными благодаря тому, что они могут 1 МОЗМ – Международная организация законодательной метрологии. 2 ИСО – Международная организация по стандартизации. 3 ИМЕКО – Международная конференция по измерительной технике и приборостроению. Раздел 1. Теоретические основы метрологии 14 устанавливать с помощью измерений количественные соотношения между явлениями природы. По существу, весь прогресс науки и техники нераз- рывно связан с возрастанием роли и совершенствованием искусства изме- рений. Д.И. Менделеев говорил, что «наука начинается с тех пор, как на- чинают измерять. Точная наука немыслима без меры». Не меньшее значение имеют измерения в технике, производственной деятельности, при учете материальных ценностей, при обеспечении безо- пасных условий труда и здоровья человека, в сохранении окружающей среды. Современный научно-технический прогресс невозможен без широ- кого использования средств измерений и проведения многочисленных из- мерений. В нашей стране проводится более десятка миллиардов измерений в день, свыше 4 млн человек считают измерение своей профессией. Доля за- трат на измерения составляет (10–15) % всех затрат общественного труда, достигая в электронике и точном машиностроении (50–70) %. В стране ис- пользуется около миллиарда средств измерений. При создании современных электронных систем (ЭВМ, интегральных схем и т. п.) до (60–80) % затрат приходится на измерения параметров материалов, компонентов и готовых изделий. Все это свидетельствует о том, что невозможно переоценить роль измерений в жизни современного общества. Хотя человек проводит измерения с незапамятных времен и интуи- тивно этот термин представляется понятным, точно и правильно опреде- лить его не просто. Этот факт подтверждает, например, дискуссия по во- просам понятия и определения измерения, прошедшая не так давно на страницах журнала «Измерительная техника». Рассмотрим различные оп- ределения понятия «измерение», взятые из литературы и нормативных до- кументов разных лет. 1. Измерением называется познавательный процесс, заключающийся в сравнении путем физического эксперимента данной величины с некото- рым ее значением, принятым за единицу сравнения (М.Ф. Маликов, Осно- вы метрологии, 1949 г.). 2. Нахождение значения физической величины опытным путем с по- мощью специальных технических средств (ГОСТ 16263–70 по терминам и определениям метрологии, ныне не действующий). 3. Совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее еди- ницей и получение значения этой величины (Рекомендации по межгосу- дарственной стандартизации РМГ 29-2013 ГСИ. Метрология. Основные термины и определения, 2013 г.). Глава 1. Основы обеспечения единства измерений 15 4. Совокупность операций, имеющих целью определить значение величины (Международный словарь по терминам в метрологии, 1994 г.). Из приведенных определений понятия «измерение» наиболее предпочтительным, включающим в себя в той или иной мере все другие приведенные определения, следует считать определение, приведенное в РМГ 29-2013. В нем учтена техническая сторона измерения как сово- купность операций по применению технического средства, показана мет- рологическая суть измерения как процесса сравнения с размером единицы (мерой) и представлена познавательная сторона измерения как процесса получения значения величины. Приведенные выше определения измерения могут быть выражены уравнением, которое в метрологии называется основным уравнением из- мерений: Q = q [Q], (1.1) где Q – измеряемая величина; q – числовое значение величины; [Q] – единица величины. Правая часть уравнения (1.1) представляет собой результат измере- ния. Строго говоря, для получения результата измерения требуется не одна известная величина, а их упорядоченная совокупность, т. е. шкала физиче- ской величины. Таким образом, измерение представляет собой сравнение измеряе- мой физической величины со шкалой однородной (одноименной) величи- ны с целью выражения измеряемой величины в узаконенных единицах. Пример. Измерение электрического напряжения с помощью магни- тоэлектрического вольтметра аналогично взвешиванию на пружинных ве- сах. Нагрузке пружины соответствует момент электрических сил, стремя- щихся повернуть рамку с током, упругости пружины отвечает противодей- ствующий момент. Для выражения измеряемого напряжения в узаконенных единицах необходимо установить связь между известными напряжениями и уравновешивающими противодействующими моментами. 1.4. Связь измерений с познанием окружающего объективного мира Измерение – сложное понятие, для анализа которого необходимо рассмотреть основные структурные элементы, а именно: цель измерения, объект исследования и его модель, априорную информацию, измеряемую величину, средство измерений, результат и погрешность измерения (см. рис. 1.1). Рис . 1.1. Структурные элементы и составляющие погрешности измерения Что измерить? Как измерить? Чем измерить? Как обработать? Алгоритм обработки резу льтатов измерения Резу льтат измерения и оценки погрешности измерения Вычисли- тельные средства обр III. Обработка результато в измерения I. Планирование изме р ения Анализ резу льта- тов изме- рения Модель резу льтата измерения Модель средства измерения Метод измерения Модель объекта Модель физической величины Измеряемая величин а Метрологиче- ские характе- ристики II. Выполнение измерения Модель резу льтата измерения сб Средства измерения инстр Метод измерения мет Объект исследован ия ои Измеряемая величин а Условия измерения доп Кто измеряет? Цель измерения Априорная информация Глава 1. Основы обеспечения единства измерений 17 Цель измерения определяется совокупностью требований к измере- нию, которые обусловлены содержанием того этапа исследовательской или конструкторской деятельности, в рамках и интересах которого прово- дят измерение. Уместно еще раз подчеркнуть, что измерение никогда не является самоцелью. Поэтому цель измерения является «внешней» по от- ношению к измерению и формируется на указанном выше этапе деятель- ности. Цель измерения конкретизирует объект исследования (измерения), выделяет на нем представляющую интерес физическую величину и опре- деляет требуемую точность измерений. Объект исследования (измерения) – реальный физический объект, элемент природной или технологической среды. Он обладает многими особенностями (свойствами), находится в многосторонних и сложных свя- зях с другими объектами. Человек не в состоянии представить себе (воспринять) объект цели- ком, во всем многообразии его свойств и во всех взаимосвязях. Поэтому взаимодействие человека с объектом – исследование или преобразование – возможно лишь на основе модели объекта. Модель объекта – теоретико-физическая и математическая конст- рукция, которая отражает свойства объекта, существенные для данной за- дачи, в частности измерительной. Модель строится в соответствии с целью измерения до его выполнения на основе априорной информации об объек- те и условиях измерения. В приведенном определении моделью объекта служит электрический ток в идеальном проводнике с гармонически изменяющейся силой. В ходе исследований модель может изменяться и уточняться. Иногда формирова- ние сложной модели проводится в несколько этапов: сначала выбирается общая структура модели, а затем уточняются ее основные параметры. |