Раздел 1. Основы метрологии. Основы метрологии Тема Метрология. Основные термины и определения. Ок 5, ок 6, ок 7
Скачать 42.81 Kb.
|
Раздел 1. Основы метрологии Тема 1.1. Метрология. Основные термины и определения. ОК 5, ОК 6, ОК 7. Метрология. Направления и практическое назначение. Метрология как область практической деятельности зародилась в древности. На всем пути развития человеческого общества измерения были основой отношений людей между собой, с окружающими предметами, природой. При этом вырабатывались единые представления о размерах, формах, свойствах предметов и явлений, а также правила и способы их сопоставления Наименования единиц измерения и их размеры появлялись в давние времена чаще всего в соответствии с возможностью применения единиц и их размеров без специальных устройств, т.е. создавались с ориентацией на те единицы, что были «под руками и ногами». В России в качестве единиц длины были «пядь», «локоть». В начале 1840 г. во Франции была введена метрическая система мер. Значимость метрической системы глубоко оценил Д.И. Менделеев. В 1867 г. с трибуны съезда русских естествоиспытателей он выступил с призывом содействовать подготовке метрической реформы в России. По его инициативе Петербургская академия наук предложила учредить международную организацию, которая обеспечивала бы единообразие средств измерений в международном масштабе. Это предложение получило одобрение, и в 1875 году на Дипломатической метрологической конференции, проведенной в Париже, в которой участвовали 17 государств (в том числе Россия), была принята Метрическая конвенция. По мере унификации единиц измерений во многих государствах вводились законодательные нормы, которые защищали покупателей от недобросовестности производителей и распространителей товаров и услуг. В России в XVI в. контролеры (целовальники) на рынках разыскивали и отбирали старые (неофициальные) меры. За пользование ими налагали большой штраф и даже заключали виновных в тюрьму. Еще больше усилился надзор за мерами в XVII веке. Им занимались таможни, «кружечные дворы». В Москве действовали Померная изба и Большая таможня. Померная изба проводила периодическую («как год минет») поверку мер и изымала неправильные («воровские») меры. В Наказе царя Федора Алексеевича Большой Московской таможне о сборе таможенных пошлин (1681 г.) говорилось, что за найденные у торговцев воровские меры определялась конфискация товаров и ссылка с семьей. Решительный и жесткий характер Петра I проявился в его Наказе «О сборе в Московской Большой таможне пошлин» (1698 г.): «за найденные непрямые, воровские весы лавки опечатать, товары отобрать и семьей сослать». Он же в Уставе воинских артикулов (1716 г.) писал: «Наказание за обмер и обвес — возвратить добро втрое, взимать штраф, подвергнуть телесному наказанию». В 1745 г. публикуется Указ сенатский о рассылке из камер-коллегии во все города заклейменных мер для хлеба и о взыскании штрафа с того, у кого окажутся неуказанные меры. В 1858 г. Елизавета Петровна повелела: «Сделать аршины железные верные и с обеох концов заклейменные так, чтобы ни урезать, ни упиловать невозможно было». Долгое время метрология была в основном описательной наукой о различных мерах и соотношениях между ними. Но в процессе развития общества роль измерений возрастала, и с конца прошлого века благодаря прогрессу физики метрология поднялась на качественно новый уровень. Большую роль в становлении метрологии в России сыграл Д.И. Менделеев, руководивший отечественной метрологией в период с 1892 по 1907 г. «Наука начинается... с тех пор, как начинают измерять», — в этом научном кредо великого ученого выражен, по существу, важнейший принцип развития науки, который не утратил актуальности и в современных условиях. Развитие естественных наук привело к появлению все новых и новых средств измерений (СИ), а они, в свою очередь, стимулировали развитие наук, становясь все более мощным средством исследования. Так, повышение точности измерений плотности воды привело в 1932 г. к открытию тяжелого изотопа водорода — дейтерия. Подобных примеров, которые подтверждают роль измерений как инструмента познания, — множество. Здесь уместно привести высказывание крупнейшего русского физика и электротехника Б.С. Якоби: «Искусство измерений является могущественным оружием, созданным человеческим разумом для проникновения в законы природы и подчинения ее сил нашему господству». Метрология в терминах Метрология - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Терминология, используемая в метрологии, приведена в Законе "Об обеспечении единства измерений": средство измерений - техническое устройство, предназначенное для измерений; единство измерений - состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах величин и погрешности измерений не выходят за установленные границы с заданной вероятностью; поверка средства измерений - совокупность операций, выполняемых органами государственной метрологической службы (другими уполномоченными на то органами, организациями) с целью определения и подтверждения соответствия средства измерений установленным техническим требованиям; калибровка средства измерений - совокупность операций, выполняемых с целью определения и подтверждения действительных значений метрологических характеристик и (или) пригодности к применению средства измерений, не подлежащего государственному метрологическому контролю и надзору; сертификат об утверждении типа средств измерений - документ, выдаваемый уполномоченным на то государственным органом, удостоверяющий, что данный тип средств измерений утвержден в порядке, предусмотренном действующим законодательством, и соответствует установленным требованиям; аккредитация на право поверки средств измерений - официальное признание уполномоченным на то государственным органом полномочий на выполнение поверочных работ; эталон единицы величины - средство измерений, предназначенное для воспроизведения и хранения единицы величины (или кратных либо дольных значений единицы величины) с целью передачи ее размера другим средствам измерений данной величины; государственный эталон единицы величины - эталон единицы величины, признанный решением уполномоченного на то государственного органа в качестве исходного на территории Российской Федерации; нормативные документы по обеспечению единства измерений - государственные стандарты, применяемые в установленном порядке международные (региональные) стандарты, правила, положения, инструкции и рекомендации; метрологический контроль и надзор - деятельность, осуществляемая органом государственной метрологической службы (государственный метрологический контроль и надзор) или метрологической службой юридического лица в целях проверки соблюдения установленных метрологических правил и норм; метрологическая служба - совокупность субъектов деятельности и видов работ, направленных на обеспечение единства измерений. Цели и задачи метрологиизмерение Задачи метрологии (ГОСТ 16263-70) – установление единиц физических величин, государственных эталонов и образцовых средств измерений, разработка теории, методов и средств измерений и контроля, обеспечение единства измерений и единообразных средств измерений, разработка методов оценки погрешностей, состояния средств измерения и контроля, а также передачи размеров единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочим средствам измерений. Цели метрологии: создание общей теории измерений; образование единиц физических величин и систем единиц; разработка и стандартизация методов и средств измерений, методов определения точности измерений, основ обеспечения единства измерений и единообразия средств измерений (так называемая «законодательная метрология»); создание эталонов и образцовых средств измерений, поверка мер и средств измерений. Характеристика объектов измерений. Понятие видов и методов измерений Физическая величина (краткая форма термина — «величина») применяется для описания материальных систем и объектов (явлений, процессов и т.п.), изучаемых в любых науках (физике, химии и др.). Существуют основные и производные величины. В качестве основных выбирают величины, которые характеризуют фундаментальные свойства материального мира. Механика базируется на трех основных величинах, теплотехника — на четырех, физика — на семи. ГОСТ 8.417 устанавливает семь основных физических величин — длина, масса, время, термодинамическая температура, количество вещества, сила света, сила электрического тока, с помощью которых создается все многообразие производных физических величин и обеспечивается описание любых свойств физических объектов и явлений. Формализованным отражением качественного различия измеряемых величин является их размерность. Согласно международному стандарту ИСО размерность обозначается символом dim. Размерность основных величин — длины, массы и времени — обозначается соответствующими заглавными буквами: dim l = L; dim m = М; dim t = Т. Измерения могут быть классифицированы: по характеристике точности равноточные (ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности СИ и в одних и тех же условиях); неравноточные (ряд измерений какой-либо величины, выполненных несколькими различными по точности СИ и (или) в нескольких разных условиях); по числу измерений в ряду измерений однократные; многократные; по отношению к изменению измеряемой величины статические (измерение неизменной во времени физической величины, например измерение длины детали при нормальной температуре или измерение размеров земельного участка); динамические (измерение изменяющейся по размеру физической величины, например измерение переменного напряжения электрического тока, измерение расстояния до уровня земли со снижающегося самолета); по выражению результата измерений абсолютные (измерение, основанное на прямых измерениях величин и (или) использовании значений физических констант, например, измерение силы основано на измерении основной величины массы и использовании физической постоянной — ускорения свободного падения); относительные (измерение отношения величины к одноименной величине, выполняющей роль единицы); по общим приемам получения результатов измерений: прямые (измерение, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно, например, измерение массы на весах, длины детали микрометром; косвенные (измерение, при котором искомое значение величины определяют на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной). Понятие о методах измерений. Метод измерений — прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Методы измерений классифицируют по нескольким признакам. По общим приемам получения результатов измерений различают: 1)прямой метод измерений; 2) косвенный метод измерений. Первый реализуется при прямом измерении, второй — при косвенном измерении. По условиям измерения различают: контактный; бесконтактный методы измерений. От средств измерений непосредственно зависит правильное определение значения измеряемой величины в процессе измерения. В число средств измерений входят: меры; измерительные приборы; измерительные установки; измерительные системы. К ним относятся также измерительные преобразователи и вспомогательные средства измерений, которые не могут применяться для измерений самостоятельно, а служат для расширения диапазона, повышения точности, передачи результатов измерений на расстояние и обеспечения техники безопасности в процессе измерений. Мера – это средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Мера воспроизводит величины, значения которых связаны с принятой единицей этой величины определенным, известным соотношением. Мера – это основа измерений. Измерительный прибор - это средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Общим для всех измерительных приборов является наличие отсчетных устройств. Если последние выполняются в виде шкалы и указателя-стрелки, то показания прибора являются непрерывной функцией измеряемой величины, и такие приборы называют аналоговыми. Если измерительные приборы автоматически вырабатывают дискретные сигналы измерительной информации, а показания представлены в цифровой форме, то их называют цифровыми. Измерительный преобразователь – это средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки или хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Нужно различать измерительные преобразователи и преобразовательные элементы сложного прибора. Первые представляют собой средства измерений и имеют нормируемые метрологические свойства, вторые же не имеют самостоятельного метрологического значения. Измерительная установка – совокупность функционально и конструктивно объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенная для преобразования сигналов измерительной информации в форму, удобную для автоматической обработки, передачи, использования в автоматических системах управления и (или) доступную для непосредственного восприятия наблюдателем. Государственная метрологическая служба В соответствии с законом «Об обеспечении единства измерений» государственное управление деятельностью по обеспечению единства измерений в РФ осуществляет Госстандарт России. Государственная метрологическая служба (ГМС) находится в введении Госстандарта и включает: 1) подразделения центрального аппарата Госстандарта России, осуществляющие функции планирования, управления и контроля деятельностью по обеспечению единства измерений на межотраслевом уровне; 2) государственные научные метрологические центры (ГНМЦ); 3) органы ГМС на территориях республик и других субъектов в составе РФ. Государственные научные метрологические центры (ГНМЦ) несут ответственность за создание, совершенствование, хранение и применение государственных эталонов единиц величин, а также за разработку нормативных документов по обеспечению единства измерений. Органы Государственной метрологической службы, образованные по территориальному признаку, осуществляют государственный метрологический контроль и надзор на местах. В состав Государственной метрологической службы (ГМС) входят такие ГНМЦ, как: − Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы (ВНИИМС); − Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева (НПО ВНИИМ им. Д.И. Менделеева); − Всероссийский научно-исследовательский инсти-тут физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ); − Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений (ВНИИОФИ); − Сибирский государственный научно-исследовательский институт метрологии (СНИИМ), г. Новосибирск; − Уральский научно-исследовательский институт метрологии (УНИИМ), г. Екатеринбург. Главным центром Государственной метрологической службы ГМС является ВНИИМС. Важнейшими направлениями деятельности ВНИИМС как главного центра Государственной метрологической службы ГМС являются общее научно- методическое руководство и координация деятельности метрологических служб, а также разработка научно-методических, организационных, технико-экономических и правовых основ метрологического обеспечения народного хозяйства. Главными центрами эталонов являются: - ВНИИМ (специализация величины длины и массы, механические величины, теплофизические величины, ионизирующие излучения, давление, физико-химический состав и свойства веществ). Во ВНИИМ созданы и находятся государственные первичные эталоны всех основных единиц Международной системы, кроме единиц времени и частоты. Эталон единицы был первоначально представлен платиново-иридиевым штриховым метром № 28 – копией международного эталона. В 1895 г. после работ А. Майкельсона была признана возможность замены вещественного эталона естественным – длиной световой волны определенной спектральной линии какого-либо атома. Новое определение метра на основе оранжевой линии криптона 86 было принято позднее – только в 1960 г. на 11-й Генеральной конференции по мерам и весам. Начиная примерно с 1930 г. во ВНИИМС была начата работа по переходу на новое определение метра. Работы завершились в 1968 г. созданием нового государственного первичного эталона длины. Эталон единицы массы представлен платиново иридиевым килограммом № 12, полученным в 1889 г. от Международного бюро мер и весов в качестве копии международного эталона. В послевоенные годы во ВНИИМ были созданы первичный эталон единицы силы тока и эталон единицы силы света – канделы. Для воспроизведения единицы температуры – кельвина – был создан прецизионный гелиевый газовый термометр и определены температуры реперных точек: кипения кислорода, затвердевания кадмия, цинка, олова и золота. Кроме перечисленных основных эталонов Международной системы единиц во ВНИИМ созданы эталоны и эталонные установки для многих единиц различных физических величин. Из общего числа государственных эталонов нашей страны около 50 % сосредоточены во ВНИИМ. - ВНИИФТРИ (радиотехнические и магнитные величины, время и частота, акустические и гидроакустические величины, низкие температуры, ионизирующие излучения, давление, твердость, характеристики аэрозолей и т. д.), в котором хранится эталон времени. - ВНИИОФИ (оптические и оптико-физические величины, акустооптическая спектрометрия, измерения в медицине, измерения параметров лазеров). -СНИИМ (радиотехнические, электрические и магнитные величины и др.). Ряд эталонов хранятся в центрах государственных эталонов: ВНИИМС, ВНИИ расходометрии, г. Казань, НПО «Дальстандарт», г. Хабаровск). Список используемых источников «Метрология, стандартизация и сертификация» Никифоров А.Д., Бакиев Т.А., М.: Высшая школа, 2014. - 422с. «Метрология и стандартизация» электронное издание. Каллиников П.Ю., Петров А.М., Лещенко А.М., Баринова Е.В., Соловьева А.В., Соловьева А.В.,2014- 518 Википедии — свободной энциклопедии. Теория измерений.
Обязательные критерии измерения. Определение понятия «измерение» формировалось и изменялось по мере развития метрологии и усложнения измерительного процесса, о чем свидетельствуют 3 общепринятых его редакции. Согласно первому определению выдающегося русского философа П.А. Флоренского от 1931 г., измерение – основной познавательный процесс науки и техники, посредством которого физическая величина количественно сравнивается с другою, однородную с нею и считаемою известной. По второму, стандартному, определению от 1970 г., измерение – нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специального технического средства. В соответствии с третьим определением, разработанным ВНИИ метрологии им. Д.И. Менделеева в 1993 г. и имеющим юридический адрес, измерение совокупность операций, выполняемых с помощью технического средства, хранящего единицу физической величины и позволяющего сопоставить величину с ее единицей и получить значение величины. 3.1 Классификация средств измерений Средство измерения – техническое средство или комплекс технических средств, предназначенные для измерения, имеющие нормированные метрологические характеристики и воспроизводящие или хранящие одну или несколько единиц физических величин. Средства измерения классифицируются с учетом 2 признаков: конструктивного решения; практического назначения. По конструктивному решению средства измерения разделяются на: вещественные меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки, измерительные системы. Вещественная мера – средство измерения, воспроизводящие физическую величину с номинальным значением, т.е. с определенным значением, обозначенным на данном средстве измерения. По степени сложности вещественные меры бывают: однозначные – меры, воспроизводящие физическую величину одного размера, например, гиря; многозначные – меры, воспроизводящие физическую величину разных размеров, например, масштабная линейка; набор – комплекс гомовидных мер разных размеров, применяющихся в разных сочетаниях, например, набор разновесов; магазин – набор гомовидных мер, конструктивно объединенных в единое техническое устройство, предусматривающее ручное или автоматизированное соединение мер в необходимых комбинациях, например, магазин электрических соединений. Измерительный преобразователь – средство измерения, перерабатывающие измерительную информацию в форму, удобную для дальнейшего преобразования, передачи, хранения и обработки, но недоступную для непосредственного восприятия оператором, например, преобразователь давления, термопара. Измерительный прибор – средство измерения, состоящее из преобразовательных элементов и отсчетного устройства и предназначенное для извлечения измерительной информации и представления ее в форме, удобной для регистрации, например, амперметр. Измерительные установки состоят из функционально объединенных средств измерения и вспомогательных устройств, собранных в одном месте. В измерительных системах средства измерения и вспомогательные устройства территориально разобщены, но соединены каналами связи. По практическому назначению различают рабочие и метрологические средства измерения. Рабочие средства измерения предназначены для измерений в народном хозяйстве и по условиям применения среди них выделяют: лабораторные – обладающие наибольшей точностью, чувствительностью и стабильностью; производственные – обладающие высокой стойкостью к ударо-вибрационным нагрузкам, воздействию тепла, холода и повышенной влажности; полевые - встроенные в самолеты, автомобили и т.д. Метрологические средства измерения – эталоны, относящиеся к высокоточным мерам или системам мер и предназначенные для воспроизведения и хранения единицы величины с целью передачи ее размера другим средствам измерений. Согласно определению метрологии, измерения должны выполнятся при соблюдении 3 обязательных критериев: единства, точности и своевременности. Единство – состояние измерений, при котором их результаты выражаются в узаконенных единицах, а погрешности известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы. Единство измерений формируется из 3 элементов: необходимость представления результатов измерений в узаконенных единицах, с этой целью приняты и функционируют международная и некоторые другие системы единиц; необходимость известности погрешностей измерения обычно погрешности измерения известны и так как основное отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины вносят средства измерения, то их погрешности указываются в технической документации; необходимость невыхождения погрешностей измерений с заданной вероятность за установленные пределы для этого применяются статистические методы обработки результатов измерений. Точность – состояние измерений, при котором их результаты близки к истинному значению измеряемой величины, или погрешности измерений близки к нулю. Следовательно, чем меньше погрешность, тем выше результат измерения. Своевременность – состояние измерений, при котором они выполняются в установленные временные рамки. Своевременность измерений особенно важна в области высоких технологий, где самые точные измерения должны производиться за десятые или даже сотые доли секунды и в строго определенные моменты времени. Обеспечение единства измерений. Специализация и кооперирование производства в масштабе страны, основанные на принципах взаимозаменяемости, требуют обеспечения и сохранения единства измерений. В 1993 г. был принят Закон Российской Федерации "Об обеспечении единства измерений", который устанавливает правовые основы обеспечения единства измерений в Российской Федерации. Закон регулирует отношения государственных органов управления Российской Федерации с юридическими и физическими лицами по вопросам изготовления, выпуска, эксплуатации, ремонта, продажи и импорта средств измерений и направлен на защиту прав и законных интересов граждан, установленного правопорядка и экономики Российской Федерации от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений. Самостоятельная работа студентов . Подготовить реферат на тему: «Краткая история метрологии, роль измерений и значение». |