Метрология. Учебное пособие по дисциплине для всех форм обучения по направлению 23. 03. 01 Технология транспортных процессов и специальности 20. 05. 01 Пожарная безопасность пос. Яблоновский
 Скачать 3.02 Mb.
|
|
1.3 Объекты измерений Обычным объектом измерений являются физические величины, то есть какие–либо свойства физического объекта (предмета, процесса), например длина, масса, время, температура и др. Однако в последнее десятилетие кроме физических величин в прикладной метрологии начали использоваться так называемые нефизические дисциплины. Это связано с применением термина «измерение» в экономике, информатике, управлении качеством. Бесконечное множество физических величин, окружающих нас, обладает бесконечным множеством различных качеств и свойств. Из этого 11 огромного количества человек выделяет некоторое ограниченное число свойств, общих в качественном отношении для ряда однородных объектов и достаточных для их описания. В каждом таком качестве, в свою очередь, может быть выделено множество градаций. Если мы в состоянии установить размер градации, то есть величину данного свойства, и физически реализовать ее в виде меры или шкалы, то, сопоставив размер интересующего нас свойства объекта с такой мерой или со шкалой, мы получим его количественную оценку. Свойства, для которых могут быть установлены и воспроизведены градации определенного размера, называются физическими величинами. Иначе говоря, физическая величина (physical quantity) – одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса) общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них. Качественная сторона понятия «физическая величина» определяет род величины (длина как характеристика протяженности вообще, электрическое сопротивление как общее свойство проводников электричества и т.п.), а количественная – ее размер (длина конкретного предмета, сопротивление конкретного проводника). Размер физической величины существует объективно, независимо от того, знаем мы его или не знаем. Анализ существующих величин показывает, что они могут быть разделены на два вида: реальные и идеальные (рисунок 2). К нефизическим величинам относят те, которыми оперируют нефизические науки (философия, социология, экономика управления качеством и т.д.). Нефизическая величина – величина нематериального размера, оцениваемая не инструментальными методами, а также величина размера нематериального объекта. Нефизическими величинами оценивают ум, знания, безопасность, привлекательность и т.п. Для того, чтобы для каждого объекта можно было установить различия в количественном содержании свойства, отображаемого физической величиной, в метрологии введены понятия ее размераи значения. Размер физической величины – количественная определенность физической величины, присущая конкретному материальному объекту, системе, явлению или процессу. Значение физической величины (value –f a quantity) – выражение размера физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц. 12 Единица измерения физической величины (unit –f measurement) – физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное единице, и применяемое для количественного выражения однородных с ней физических величин. В общем случае согласно классификации (рисунок 2) все физические величины разделяют на измеряемые и оцениваемые. Измеряемые физические величины могут быть выражены количественно в виде определенного числа установленных единиц измерения физической величины, а оцениваемые – являются результатом выполнения операции оценивания. Оценивание проводят, когда невозможно сделать измерение: не выделена величина как физическая и не определена единица измерений этой величины, например интенсивность цвета. Выявляя общие метрологические особенности отдельных групп физических величин, можно предложить их классификацию по следующим признакам (рисунок 3): 1) по видам явлений (I группа): на вещественные, энергетические и характеризующие протекание процессов во времени; 2) по принадлежности к различным группам физических процессов(II группа): на пространственно–временные, механические, тепловые, электрические, акустические, световые, физико–химические, ионизирующих излучений, атомной и ядерной физики; Рисунок 2 – Классификация величин 3) по степени условной независимости от других величин(III группа): на основные (условно независимые), производные (условно зависимые) и дополнительные; 4) по наличию (размерности) физических величин(IV группа): на имеющие размерность (размерные) и безразмерные. ВЕЛИЧИНЫ Реальные Идеальные Физические Нефизические Математические Измеряемые Оцениваемые Условные Абстрактные 13 Целью измерения и его конечным результатом является нахождение значения физической величины. Для достижения этой цели в метрологии используют понятия истинного и действительного значения физической величины. Нахождение истинного значения измеряемой величиныявляется центральной проблемой метрологии. Истинное значение физической величины (true value –f a quantity) – это значение физической величины, которое идеальным образом характеризует в качественном и количественном отношении соответствующую физическую величину. Такое значение физической величины считается неизвестным и применяется в теоретических исследованиях. Значение физической величины, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него, называется действительным значением (c–nventi–nal true value). Как известно, существуют основные и производные физические величины. В качестве основных выбирают величины, которые характеризуют фундаментальные свойства материального мира. Механика базируется на трех основных величинах, теплотехника – на четырех, вся физика – на семи: 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. Основная физическая величина (base quantity) – физическая величина, входящая в систему величин и условно принятая в качестве независимой от других величин этой системы. Производная физическая величина (derived quantity) – физическая величина, входящая в систему величин и определяемая через основные величины этой системы. Формализованным отражением качественного различия измеряемых величин является их размерность. Согласно международному стандарту IS– размерность основных величин – длины, массы и времени – обозначается соответствующими буквами: dim l = L; dim m = M; dim t = T. Размерность физической величины (dimensi–n –f a quantity) – выражение в форме степенного одночлена, составленного из произведений символов основных физических величин в различных степенях и 14 отражающее связь данной физической величины с физическими величинами, принятыми в данной системе единиц за основные: , dim Т M L X a где L, M, T – размерности величин: длины, массы и времени, соответственно; , , – показатели размерности физических величин (показатели степени, в которую возведены размерности основных величин). Каждый показатель размерности может быть положительным или отрицательным, целым, дробным или равным нулю. Если все показатели размерности равны нулю, то величина называется безразмерной. Результатом измерения является получение информации о размере измеряемой физической величины. Над размерностями можно проводить действия умножения, деления, возведения в степень и извлечение корня, при этом следует подчеркнуть, что одна и та же размерность может быть присуща величинам, имеющим разную качественную природу и различающимся между собой по форме определяющих их уравнений. Например, путь пройденный автомобилем и длина окружности в качественном отношении являются длинами, но определяются совершенно различными уравнениями. 1.4 Международная система единиц физических величин Применяемая в настоящий момент Международная система единиц СИ (Systeme Internati–nal d`Unitas – SI) утверждена в 1960 г. ХI Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ). На территории нашей страны система единиц СИ действует с 1 сентября 2003 г. в соответствии с ГОСТ 8.417– 2002 ГСИ. Единицы величин. По этой системе предусмотрено семь основных единиц и две дополнительные (таблица1). – L длина. Единица измерения – метр – длина пути, которую проходит свет в вакууме за 1/299 792 458 секунды; – M масса.Единица измерения – килограмм– масса, равная массе международного прототипа килограмма; – T – время. Единица измерения – секунда – продолжительность 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия–133 при отсутствии возмущений со стороны внешних полей; 15 ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ Рисунок 3 – Классификация физических величин – I – сила электрического тока.Единица измерения – ампер – сила, неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 m один от другого, создает на каждом участке проводника длиной 1 m силу взаимодействия равную 210 –7 Н; – – термодинамическая температура. Единица измерения – кельвин (градус Кельвина до 1967 г.) – 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды; По видам явлений По принадлеж– ности к различным группам физических процессов По степени условий независмости от других величин По наличию размерности физических величин 1. Вещественные (пассивные) 1. Пространствен– но–временные 1. Основные 1. Размерные 2. Энергетические (активные) 2. Механические 2. Производные 2. Безразмерные 3. Характе– ризующие процессы 3. Тепловые 3. Дополни– тельные 4. Электрические и магнитные 5. Акустические 6. Световые 7. Ионизирующих излучений 8. Физико–хими– ческие 9. Атомной и ядерной физики 16 – N – количество вещества. Единица измерения – моль– количество вещества системы, содержащее столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде 12 массой 0,012 кг (при применении понятия моля структурные элементы должны быть специфицированы и могут быть атомами, молекулами, ионами и другими частицами); – J – сила света. Единица измерения – кандела – сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 54010 12 Hz, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 W/sr (Вт/ср 2 ). Сложность приведенных формулировок отражает развитие современной науки, позволяющей представить основные единицы, с одной стороны, как достоверные и точные, а с другой, как объяснимые и понятные для всех стран мира. Именно это и делает рассматриваемую систему подлинно международной. В системе СИ в 1960 г. введены две дополнительные единицы для измерения плоского и телесного углов – радиан и стерадиан, соответственно. Таблица 1 Основные и дополнительные единицы системы SI Величина Единица Наименование Размер– ность Наимено– вание Обозначение русское международно е Основные Длина L метр м m Масса М кило– грамм кг kg Время Т секунда с s Сила электрического тока I ампер А F Термодинамическа я температура кельвин К R Количество вещества N моль моль m–l 17 Сила света J кандела кд cd Дополнительные Плоский угол – радиан рад rad Телесный угол – стерадиан ср cr Плоский угол.Единица измерения – радиан – угол между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу. Телесный угол.Единица измерения – стерадиан – телесный угол с вершиной в центре сферы, вырезающий на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы. Все остальные физические величины могут быть получены как производные основных. Например единица измерения силы – ньютон – это производная единица, образованная основными единицами – килограммом, метром и секундой. Используя второй закон Ньютона: ( a m F ), находим размерность единицы измерения силы: Н с м кг F 2 Производные единицы системы СИ, имеющие специальные наименования, также могут быть использованы для образования других производных единиц. Например паскаль – эта производная единица образована производными единицами – ньютоном и метром квадратным. Единицы, не входящие в принятую систему носят название внесистемных и делятся на четыре вида: – допускаемые наравне с единицами СИ (тонна, минута, градус, секунда, литр и т.д.); – допускаемые к применению в специальных областях (в астрономии – парсек, световой год; в оптике – диоптрия; в физике – электрон–вольт и т.д.); – временно допускаемые к применению наравне с единицами СИ (миля, карат и т. д.), но подлежащие изъятию из обращения; – изъятые из употребления (миллиметр ртутного столба, лошадиная сила и т.д.). Применение первой группы внесистемных единиц допускается в силу их удобства и распространенности в конкретных жизненных ситуациях (прошедшие проверку временем), например: тонна, атомная единица массы, час, градус и д.р. Вторую и третью группы составляют специфичные, традиционные для конкретной области своего применения, единицы (таблица 2). 18 Для удобства применения единиц физических величин СИ приняты приставки для образования десятичных кратных и дольных (меньших) единиц, множители и приставки которых приведены в таблица 3. Кратная единица – это единица физической величины, в целое число раз превышающая, а дольная – в целое число раз уменьшающая системную или внесистемную единицу. Таблица 2 Внесистемные единицы физических величин Наименовани е величины Единица Наименован ие Обознач ение Соотношение с единицей СИ Масса тонна т 10 3 кг атомная единица массы а.е.м. 1,6605710 –27 кг (приблизительно) Время минута мин 60 с час ч 3600 с сутки сут 86400 с Плоский угол градус … о (π/180) рад =1,745329….10 –2 рад минута … (π/10800)рад = 2,908882...10 –4 рад секунда … (π/648000) рад = 4,8848137….10 –6 рад град град (π/200) рад Объем литр л 10 –3 м 3 Длина Астрономи ческая единица а.е. 1,45598·10 –11 м (приблизительно) световой год св.год 9,4605·10 –15 м (приблизительно) парсек пк 3,0857·10 –16 м (приблизительно) Оптическая сила диоптрия дптр 1 м –1 Площадь гектар га 10 4 м 3 Энергия электрон– вольт эВ 1,60219·10 –19 Дж (приблизительно) Полная мощность вольт– ампер ВА Реактивная мощность вар вар 19 Таблица 3 Множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц и их наименования Кратность физической величины Приставка Кратность физической величины Приставка 10 15 пета 10 –2 санти 10 12 тера 10 –3 милли 10 9 гига 10 –6 микро 10 6 мега 10 –9 нано 10 3 кило 10 –12 пико 10 2 гекто 10 –15 фемто 1.5 Шкалы В теории измерений принято, в основном, различать четыре типа шкал: наименований, порядка, интервалов и отношений (рисунок 4). Шкала физической величины упорядоченная совокупность значений физической величины, служащая исходной основой для измерения данной величины. Она может быть представлена в общем случае совокупностью условных знаков, выстроенных определенным образом; при этом определенные знаки означают начало и конец шкалы, а интервалы между знаками характеризуют принятую градацию шкалы (цена деления, ширина спектра) и могут иметь цветовое и цифровое оформление. Шкала наименований это своего рода качественная, а не количественная шкала, она, не содержит нуля и единиц измерений. Примером может служить атлас цветов (шкала цветов). Процесс измерения заключается в визуальном сравнении окрашенного предмета с образцами цветов (эталонными образцами цветов). Поскольку каждый цвет имеет немало вариантов, такое сравнение под силу опытному эксперту, который обладает не только практическим опытом, но и соответствующими особыми характеристиками зрительных возможностей. При оценивании по шкале наименований объекту приписывают цифру или знак только с целью их идентификации или для нумерации классов. Такое приписывание цифр выполняет на практике ту же функцию, что и наименование. Шкала порядка характеризует упорядочение объектов относительно какого–то определенного свойства, то есть расположение объектов в 20 порядке убывания или возрастания данного свойства. Например шкала землятресений, шкала твердости физических тел и т.п. Полученный при этом упорядоченный ряд называют ранжированным рядом, а саму процедуру ранжированием. По шкале порядка сравниваются между собой однородные объекты, у которых значение интересующих свойств неизвестны. Поэтому ранжированный ряд может дать ответ на вопросы типа «Что больше (меньше)?» или, «Что лучше (хуже)?». Более подробную информацию (на сколько больше или меньше, во сколько раз хуже или лучше), шкала порядка дать не может. Очевидно, что назвать процедуру оценивания свойств объекта по шкале порядка измерением можно только с большой натяжкой. Результаты, полученные по шкале порядка, не могут подвергаться никаким арифметическим действиям. Шкала интервалов. На шкале интервалов откладывается разность значений физической величины. Примерами шкал интервалов являются шкалы температур. На температурной шкале Цельсия за начало отсчета разности температур принята температура таяния льда. С ней сравниваются все другие температуры. Для удобства пользования шкалой интервал между температурой таяния льда и температурой кипения воды разделен на 100 равных интервалов – градусов. Шкала Цельсия распространяется как в сторону положительных, так и в сторону отрицательных интервалов. Когда говорят, что температура воздуха равна 25 С, это означает, что она на 25 С выше температуры, принятой за нулевую отметку шкалы (выше нуля). На температурной шкале Фаренгейта тот же интервал разбит на 180 градусов. Следовательно, градус Фаренгейта по размеру меньше, чем градус Цельсия. Кроме того, начало отсчета интервалов на шкале Фаренгейта сдвинуто на 32 градуса в сторону низких температур, температура таяния льда по шкале Фаренгейта составляет 32 °F. Деление шкалы интервалов на равные части–градации устанавливает единицу физической величины, что позволяет не только выразить результат измерения в числовой мере, но и оценить погрешность измерения. Результаты измерений по шкале интервалов можно складывать дру г с другом и вычитать друг из друга, то есть определять, насколько одно значение физической величины больше или меньше другого. Определить по шкале интервалов, во сколько раз одно значение величины больше или меньше другого, невозможно, поскольку на шкале не определено начало отсчета физической величины. Но в тоже время это может быть сделано в отношении интервалов (разностей). Так, разность температур 25 градусов в 5 раз больше разности температур 5 градусов. |