Метрология. Понятия метрологии_. Метрон означает мера, а логос учение или наука. Таким образом, дословно метрология это наука о мерах, что и было справедливо на заре становления единиц измерения и соответствующих им мер, хранящих в себе размер этих единиц измерения.
 Скачать 0.64 Mb.
|
|
Основные понятия метрологии В переводе с греческого метрон означает мера, а логос – учение или наука. Таким образом, дословно метрология – это наука о мерах, что и было справедливо на заре становления единиц измерения и соответствующих им мер, хранящих в себе размер этих единиц измерения. Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Метрология состоит из трёх самостоятельных и взаимодополняющих разделов – теоретического, прикладного и законодательного. Теоретическая метрология занимается фундаментальными вопросами теории измерений, разработкой новых методов измерений, созданием систем единиц измерений и физических постоянных. Прикладная метрология изучает вопросы практического применения результатов разработок теоретической и законодательной метрологии в различных сферах деятельности. Законодательная метрология устанавливает обязательные правовые, технические и юридические требования по применению единиц величин, эталонов, стандартных образцов, методов и средств измерений, направленные на обеспечение единства и точности измерений в интересах общества. Предметом метрологии является получение количественной информации о свойствах объектов и процессов с заданной точностью и достоверностью. Главными задачами метрологии являются - обеспечение единства измерений (ОЕИ); - унификация единиц величин и признание их законности - разработка систем воспроизведения единиц величин и передача их размеров рабочим средствам измерений. Основное понятие метрологии – измерение. Измерение – это совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины. В простейшем случае, прикладывая линейку с делениями к какой-либо детали, по сути, сравнивают ее размер с единицей, хранимой линейкой, и, произведя отсчет, получают значение величины (длины, высоты, толщины и других параметров детали. С помощью измерительного прибора сравнивают размер величины, преобразованной в перемещение указателя, с единицей, хранимой шкалой этого прибора, и проводят отсчет. Приведенное определение понятия измерение удовлетворяет общему уравнению измерений, что имеет существенное значение в деле упорядочения системы понятий в метрологии. В нем учтена техническая сторона совокупность операций, раскрыта метрологическая суть измерений сравнение с единицей) и показан гносеологический аспект (получение значения величины. От термина измерение происходит термин измерять, которым широко пользуются на практике. Все же нередко применяются такие термины, как мерить, «обмерять», замерять, промерять, не вписывающиеся в систему метрологических терминов. Их применять не следует Не следует также применять такие выражения, как измерение значения (например, мгновенного значения напряжения или среднего квадратического значения, так как значение величины – это уже результат измерений. В определение метрологии входит понятие единство измерений, которое определяется как состояние измерений, характеризующееся тем, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам единиц, воспроизводимым первичными эталонами, а погрешности результатов измерений известны и с заданной вероятностью не выходят за установленные пределы В приведенном определении единства измерений следует отметить два принципиальных момента. Во-первых, результаты измерений должны быть выражены в узаконенных единицах, те. в тех единицах, размер которых принят в установленном порядке. Так, в большинстве стран мира законодательно принята к применению система единиц СИ, в которой единицей длины является метр, массы – килограмм, силы тока – ампер и т.д., либо кратные или дольные от этих единиц. И, во-вторых, погрешность результата измерений не выходит с заданной вероятностью за указанные пределы. Это означает, что результат измерения физической величины, выполненного водно время ив одном месте, не должен противоречить результату измерения этой же самой величины, выполненного в другом месте ив другое время, в рамках указанной погрешности результатов измерений. Проблема обеспечения единства измерений имеет возраст, сопоставимый с возрастом человечества. Как только человек стал продавать или обменивать результаты своего труда, сразу возник вопрос эквивалента этого труда или единицы измерения. В тех условиях первыми величинами, которые надо было измерять, были длина, площадь, объем, масса, и первыми средствами обеспечения единства измерений были объекты, которые имеются в распоряжении человека. Так, появились первые меры длины, базирующиеся на размерах частей человеческого тела. На Руси это были вершок, пядь, локоть, аршин, сажень, косая сажень. В западных странах – дюйм, фут и т.п. Поскольку размеры частей тела у разных людей разные, то проблема равных условий для всех участников торговли (или вопрос об обеспечении единства измерений) стояли достаточно остро. Следующим шагом были законодательные акты правителей, обязывавшие торговцев соблюдать единство измерений с помощью, например, двух зарубок на стене рыночной площади, устанавливавших размер эталонной меры длины. Затем стали появляться государственные службы, хранившие установленные в государстве меры, с которыми торговцы были обязаны сравнивать имевшиеся у них меры. С развитием математики, физики, средств производства, с совершенствованием средств измерений на месте этих служб выросли современные метрологические лаборатории и центры. По мере развития техники и науки человечеству приходилось сталкиваться с новыми свойствами физических объектов, которые нужно было как-то характеризовать, оценивать количественно и использовать в повседневной практике. Например, при решении задачи Архимеда было введено новое понятие – плотность вещества, а также найдено решение задачи измерения объема предметов сложной формы. Появились и другие физические величины температура, твердость, цвет, сила тока, потенциал, разность потенциалов и т.д. Физическая величина (ФВ) – это одно из свойств физического объекта физической системы, явления или процесса, общее в качественном отношении для многих физических объектов, нов количественном отношении индивидуальное для каждого из них. В настоящее время в науке классифицировано около 2000 физических величин, и все они в той или иной степени должны быть определены количественно. Это и есть задача метрологии. Отсюда еще одно определение метрология – это наука о получении количественной информации опытным путем. Размер физической величины – это количественная определенность физической величины, присущая конкретному материальному объекту, системе, явлению или процессу. Значение физической величины – это выражение размера физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Например, значение длины – 10 м значение скорости – 60 мс и т.д. Числовое значение физической величины – это отвлеченное число, входящее в значение величины. Например, значение длины – 10 м, числовое значение длины – 10; значение скорости – 60 мс, числовое значение скорости – 60. Таким образом, целью измерения является нахождение размера физической величины, а в результате измерения получают значение физической величины Истинное значение физической величины – это значение физической величины, которое идеальным образом характеризует в качественном и количественном отношении соответствующую физическую величину. Истинное значение физической величины может быть соотнесено с понятием абсолютной истины. Оно может быть получено только в результате бесконечного процесса измерений с бесконечным совершенствованием методов и средств измерений. Действительное значение физической величины – это значение физической величины, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него. Система физических величин – это совокупность физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины принимают за независимые, а другие определяют как функции независимых величин. В названии системы величин применяют символы величин, принятых за основные. Так, система величин механики, в которой в качестве основных приняты длина L, масса Ми время Т, должна называться системой LMT. Система основных величин, соответствующая Международной системе единиц (СИ, должна обозначаться символами LMTIθNJ, обозначающими соответственно символы основных величин длины – L, массы – М, времени – Т, силы электрического тока – I, температуры – θ, количества вещества – N, силы света – J. Основная физическая величина – это физическая величина, входящая в систему величин и условно принятая в качестве независимой от других величин этой системы (табл. 1.1). Производная физическая величина – это физическая величина, входящая в систему величин и определяемая через основные величины этой системы. Примеры производных величин механики системы LMT: - скорость v поступательного движения, определяемая (по модулю) уравнением v = dl / dt, где l – путь, t – время - сила F, приложенная к материальной точке, определяемая (по модулю) уравнением F = ma, где m – масса точки, a – ускорение, вызванное действием силы F. Размерность физической величины – это выражение в форме степенного одночлена, составленного из произведений символов основных физических величин в различных степенях и отражающее связь данной физической величины с физическими величинами, принятыми в данной системе величин за основные с коэффициентом пропорциональности, равным 1. Степени символов основных величин, входящих в одночлен, в зависимости от связи рассматриваемой физической величины с основными, могут быть целыми, дробными, положительными, отрицательными. Понятие размерность распространяется и на основные величины. Размерность основной величины в отношении самой себя равна единице, те. формула размерности основной величины совпадает с ее символом. В соответствии с международным стандартом ИСО 31/0, размерность величин следует обозначать знаком dim. В системе величин LMT размерность величины Х будет dim Х = L l M m T t , где L, M, T – символы величин, принятых за основные (соответственно длины, массы, времени. Показатель размерности физической величины – это показатель степени, в которую возведена размерность основной физической величины, входящая в размерность производной физической величины. Показатели степени l, m, t называют показателями размерности производной физической величины х. Показатель размерности основной физической величины в отношении самой себя равен единице. Размерная физическая величина – это физическая величина, в размерности которой хотя бы одна из основных физических величин возведена в степень, неравную нулю. Например, сила F в системе LMTIθNJ является размерной величиной F = ma, где m – масса a – ускорение, dim F = LMT –2 . Безразмерная физическая величина – это физическая величина, в размерность которой основные физические величины входят в степени, равной нулю. Например, чувствительность S средства измерения (СИ) определяется по формуле S = ∆L/∆X, где ∆ L – изменение показания СИ ∆ X – изменение измеряемой величины. dim S = Lº. Таблица 1.1 Основные физические величины и их единицы Физическая величина Единица физической величины Наименование Размерность Наименование Обозначение Длина Масса Время Сила электрического тока Термодинамическая температура Сила света Количество вещества L М Т I θ J N метр килограмм секунда ампер кельвин кандела моль m kg s А К см кг с А К кд моль Развитие науки и техники, рост международных связей настоятельно требовали единообразия систем единиц в международном масштабе. И вот, в октябре 1960 г. собирается Генеральная конференция по мерами весам (ГКМВ), на которую прибывают представители 32 стран. Международная комиссия, возглавляемая советским профессором Г.Д. Бурдуном, представляет Генеральной конференции проект Международной системы единиц (Systeme International – SI), на русском языке – СИ. Система утверждается. С 1 января 1963 г. этой системой пользуются как предпочтительной во всех областях науки, техники, народного хозяйства, при преподавании в нашей стране. Новая система универсальна. В ней воедино связаны единицы механических, тепловых, электрических, магнитных, акустических, световых величин. Построена СИ на основе десятичного принципа кратные и дольные единицы образуются путем умножения или деления основных единиц на 10. Исключение сделано для единиц времени, для которых исторически традиционным осталось деление на 60 и 12. Но доли секунды уже подлежат делению на 10, 100 и т.д. В последующие годы Генеральная конференция приняла ряд дополнений и изменений, в результате чего в системе стало семь основных единиц, дополнительные и производные единицы физических величин. Термин дополнительная единица был введен в 1960 г. Дополнительными единицами являлись радиан и стерадиан. XIX Генеральной конференцией мер и весов это понятие было упразднено. Аддитивная физическая величина – это физическая величина, разные значения которой могут быть суммированы, умножены на числовой коэффициент, разделены друг на друга. К аддитивным величинам относятся длина, масса, сила, давление, скорость, время и др. Неаддитивная физическая величина – это физическая величина, для которой суммирование, умножение на числовой коэффициент или деление друг на друга ее значений не имеет физического смысла. Например, термодинамическая температура. Единица физической величины – это физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное единице, и применяемая для количественного выражения однородных с ней физических величин. Система единиц физических величин – это совокупность основных и производных единиц физических величин, образованная в соответствии с принципами для заданной системы физических величин. Например, международная система единиц (СИ, принятая в 1960 г. Когерентная производная единица физической величины – производная единица физической величины, связанная с другими единицами системы единиц уравнением, в котором числовой коэффициент принят равным 1. Когерентная система единиц физических величин – система, состоящая из основных единиц и когерентных производных единиц. Различают кратные и дольные единицы физических величин (табл. 1.2), системные и внесистемные единицы. Таблица 1.2 Множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц и их наименования Множитель Приставка Обозначение приставки Множитель Приставка Обозначение приставки международное русское международное русское 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 кило k к 10 -12 пико p п 10 2 гекто h г 10 -15 фемто f ф 10 декада 10 -18 атто a а Внесистемная единица физической величины – единица физической величины, не входящая в принятую систему единиц. Внесистемные единицы (по отношению к единицам СИ) разделяются на четыре группы I группа – допускаемые наравне с единицами СИ, например, единица массы – тонна плоского угла – градус, минута, секунда объема – литр времени – сутки, час площади – гектар и др II группа – допускаемые к применению в специальных областях, например, единицы длины в астрономии – астрономическая единица, парсек, световой год единица оптической силы в оптике – диоптрия единица энергии в физике – электрон-вольт и др III группа – временно допускаемые к применению наравне с единицами СИ, например, морская миля – в морской навигации карат – единица массы в ювелирном деле и др. Эти единицы должны изыматься из употребления в соответствии с международными соглашениями IV группа – устаревшие (недопускаемые к употреблению, изъятые из употребления, например, единица давления – миллиметр ртутного столба единица мощности – лошадиная сила. Задание на выполнение Нужно выполнить все задания, приведенные в таблице Вопросы и задачи к работе Таблица 1.3 № Задание №1 1. Энергия определяется по уравнению Е = с, где m – масса, с – скорость света. Определите размерность энергии Е. 2. Закончите определение Одно из свойств, общее в качественном отношении для многих физических объектов, нов количественном отношении индивидуальное для каждого из них, называется … №2 1. Давление определяется по уравнению p = F/S, где F = ma, m – масса, a ускорение, S площадь поверхности, воспринимающей усилие F. Определите размерность давления. 2. Аддитивной физической величиной является (укажите правильный вариант ответа 1) сила ветра 2) твердость материала 3) коэффициент линейного расширения 4) сила электрического тока. №3 1. Мощность определяется по уравнению P = Fl/t, где действующая сила F = ma, m масса, a ускорение, l – длина плеча приложения силы, t время приложения силы. Определите размерность мощности Р. 2. Международная система единиц физических величин обозначается … (вставьте обозначение. №4 1. Работа определяется по уравнению A = Fl, где сила F = ma, m – масса, a - ускорение, l – длина перемещения. Определите размерность работы А. 2. Какой раздел метрологии занимается фундаментальными вопросами теории измерений, разработкой новых методов измерений, созданием систем единиц измерений и физических постоянных №5 1. Электрическое напряжение определяется по уравнению U = P/I, где P = mal/t, m - масса, a - ускорение, l - длина, t - время, I - сила электрического тока. Определите размерность электрического напряжения. 2. Какой разделметрологии устанавливает обязательные правовые, технические и юридические требования по применению единиц величин №6 1. Скорость движения определяется отношением пройденного пути ко времени. Определите размерность скорости. 2. Какая физическая величина называется производной (Приведите пример. №7 1. Удельный объём определяется отношением объёма к массе. Определите размерность удельного объёма. 2. Дайте определение показателю размерности физической величины. №8 1. Плотность определяется отношением массы к объёму. Определить размерность плотности. 2. Какая физическая величина называется размерной №9 1. Плотность электрического тока определяется отношением силы тока к площади. Определите размерность плотности электрического тока. 2. Какая физическая величина называется основной (Приведите пример. |