1. основные понятия в области метрологии
Скачать 0.75 Mb.
|
ТЕМА 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ В ОБЛАСТИ МЕТРОЛОГИИ1.1 Основные термины и определения в области метрологии Основные термины и определения в области метрологии регламентируются рекомендациями по межгосударственной стандартизации РМГ 29 – 99 «ГСИ. Метрология. Основные термины и определения». Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Метрология включает в себя три раздела: 1) теоретическая (фундаментальная) метрология – раздел метрологии, предметом которого является разработка фундаментальных основ метрологии; ^ – раздел метрологии, предметом которого является установление обязательных технических и юридических требований по применению единиц физических величин, эталонов, методов и средств измерений, направленных на обеспечение единства и необходимости точности измерений в интересах общества; ^ – раздел метрологии, предметом которого являются вопросы практического применения разработок теоретической метрологии и положений законодательной метрологии. Объектами метрологии являются физические величины, их единицы, средства измерений, эталоны, методики выполнения измерений. Традиционным объектом метрологии является физическая величина – 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. ^ – состояние измерений, характеризующееся тем, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам единиц, воспроизводимых первичными эталонами, а погрешности результатов измерений известны и с заданной вероятностью не выходят за установленные пределы. ^ Для установления различия в количественном содержании отображаемого данной физической величиной свойства изучаемых объектов (явлений, процессов) введено понятие «размер физической величины» – количественная определенность физической величины, присущая конкретному материальному объекту, системе, явлению или процессу. Истинный размер физической величины является объективной реальностью, не зависящей от того, измеряют соответствующую характеристику свойства объекта или нет. Количественной оценкой физической величины является значение физической величины – выражение размера физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц. ^ – отвлеченное число, входящее в значение величины. Данные определения формализовано выражаются в виде: X = q [X], (1.1) где Х – физическая величина; q – числовое значение величины Х; [Х] – единица измерения величины Х. Например, за единицу измерения напряжения электрического тока принят 1 В. Тогда значение напряжения электрической сети U = q [U] = 220 [1B] = 220B. Здесь числовое значение q = 220. Но если за единицу напряжения принять [1 кВ], то U = q [U] = 0,22 [1 кВ] = 0,22 кВ, т. е. числовое значение q = 0,22, а размер величины не изменяется. Уравнение (2.1) называется основным уравнением измерений, показывающим, что числовое значение величины зависит от размера принятой единицы измерения. ^ Упорядоченная совокупность значений физической величины, служащая исходной основой для измерений данной величины, называется шкалой физической величины. Все виды шкал измерений разделяются на следующие: ^ характеризуются только отношением эквивалентности различных качественных проявлений свойства. Эти шкалы не имеют нуля и единицы измерений, в них отсутствуют отношения сопоставления типа «больше – меньше». Пример шкал наименований: шкалы цветов, представляемые в виде атласов цветов; ^ свойства величин описывают как отношением эквивалентности, так и отношением порядка по возрастанию или убыванию количественного проявления свойства. В этих шкалах может в ряде случаев иметься нуль (нулевая отметка), но принципиальным для них является отсутствие единицы измерения, поскольку невозможно установить, в какое число раз больше или меньше проявляется свойство величины. Примеры шкал порядка: шкалы чисел твердости, баллов силы ветра, землетрясений; ^ описывают свойства величин не только с помощью отношений эквивалентности и порядка, но также и с применением суммирования и пропорциональности интервалов (разностей) между количественными проявлениями свойства. Шкалы разностей могут иметь условные нули и единицы измерений, установленные по согласованию. Так, по шкале интервалов времени их можно суммировать (вычитать) и сравнивать, во сколько раз один интервал больше (меньше) другого; ^ описывают свойства величин, для множеств количественных проявлений которых применимы логические отношения эквивалентности, порядка и пропорциональности, а для некоторых шкал также отношение суммирования. В шкалах отношений существует естественный нуль и по согласованию устанавливается единица измерения. Примерами шкалы отношений являются шкалы массы и термодинамической температуры; ^ кроме всех признаков шкал отношений, обладают дополнительным признаком: в них естественно, однозначно присутствует определение единицы измерения. Абсолютные шкалы присущи относительным единицам таким, как коэффициенты усиления, ослабления, полезного действия и др. Ряду абсолютных шкал, например, коэффициентов полезного действия присущи границы, заключенные между нулем и единицей. Шкалы наименований и порядка относятся к условным (неметрическим) шкалам – шкала физической величины, исходные значения которой выражены в условных единицах. Шкалы интервалов, отношений и абсолютные называются метрическими. ^ 2.1 Физические величины Физические величины разделяют: 1) основные – физические величины, входящие в систему величин и условно принятые в качестве независимых от других величин этой системы (пример – масса m); ^ – физические величины, входящие в систему величин и определяемые через основные величины этой системы (пример – сила F = m·a). К основным величинам относятся: длина, масса, время, сила электрического тока, термодинамическая температура, количество вещества, сила света. К производным – такие, как сила, частота и т.д. ^ Единица измерения физической величины – физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное 1, и применяемая для количественного выражения однородных с ней физических величин. Совокупность основных и производных единиц физических величин, образованная в соответствии с принципами для заданной системы физических величин называется системой единиц физических величин. Единица физической величины, входящая в принятую систему единиц, называется системной. В РФ используется международная система единиц СИ, устанавливаемая ГОСТ 8.417 – 2002 «ГСИ. Единицы величин». Единицы, входящие в систему, делятся на основные (единица основной физической величины в данной системе) и производные (единица производной физической величины системы единиц, образованная в соответствии с уравнением, связывающим ее с основными единицами или с основными и уже определенными производными). Производные единицы бывают когерентными – производная единица физической величины, связанная с другими единицами системы единиц уравнением, в котором числовой коэффициент равен 1. Пример: единица «ньютон» является когерентной единицам «метр, килограмм, секунда»: 1 Н = м·кг·с-2. Таблица 2.1 – Основные единицы системы СИ
Таблица 2.2 – Пример производных единиц системы СИ
ГОСТ 8.417 устанавливает разрешенные к применению наравне с единицами СИ единицы других систем и внесистемные единицы – единица физической величины, не входящая в принятую систему единиц (таблица 2.3). Таблица 2.3 – Пример внесистемных единиц, допускаемых к применению наравне с единицами системы СИ
Также стандарт устанавливает кратные (единица физической величины, в целое число раз большая системной и внесистемной единицы) и дольные (единица физической величины, в целое число раз меньшая системной или внесистемной единицы) (таблица 2.4). Таблица 2.4 – Множители и приставки, используемые для образования наименований и обозначений десятичных кратных и дольных единиц
Например, системная единица «метр» (м); кратная ей – «километр» (км), дольная – миллиметр «мм» (мм). ^ 3.1 Классификация измерений Измерение физической величины – 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. Измерения классифицируются по ряду признаков. Признак 1. По общим приемам получения результатов измерений: 1) прямые – измерения, при которых искомое значение физической величины получают непосредственно. Примерами прямых измерений являются: измерения длины линейкой, т. е. путем сравнения искомой величины с мерой – линейкой и др.; ^ – измерения, при которых искомое значение величины определяют на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. Например, мощность электрической цепи постоянного тока в соответствии с формулой P = I·U можно определить, проведя прямые измерения силы тока и напряжения; ^ – проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях. Пример: значение массы отдельных гирь набора определяют по известному значению массы одной из гирь и по результатам измерений (сравнений) масс различных сочетаний гирь; ^ – проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для определения зависимости между ними. Признак 2. По отношению к изменению измеряемой величины: ^ – измерения физической величины, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения. Пример: измерение длины детали при нормальной температуре; ^ – измерения изменяющейся по размеру физической величины. Признак 3. По числу измерений: 1) однократные – измерения, выполненные один раз; ^ – измерения физической величины одного и того же размера, результат которых получен из нескольких следующих друг за другом измерений, т. е. состоящие из ряда однократных измерений. Признак 4. По способу выражения результатов измерений: ^ – измерения, основанные на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант. Пример: измерение силы F = mg основано на измерении основной величины - массы m и использовании физической постоянной g (в точке измерения массы); ^ – измерения отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерение изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную. Пример: измерение плотности жидкости ареометром; Признак 5. По характеристике точности: 1) равноточные – ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью; 2) неравноточные – ряд измерений какой-либо величины, выполненных различающимися по точности средствами измерений и (или) в разных условиях. ^ Принцип измерений – это физическое явление или эффект, положенное в основу измерений. Рассмотрим лишь несколько широко распространенных эффектов. ^ заключается в возникновении ЭДС на поверхности (гранях) некоторых кристаллов (кварц, турмалин, искусственные пьезоэлектрические материалы – пьезокерамики и др.) под действием внешних сил (сжатие, растяжение). Наибольшее применение для измерений нашли кварц и пьезокерамики (например, титанат бария), обладающие достаточно высокой механической прочностью и температурной стабильностью (кварц до температуры примерно 200 °С, пьезокерамика – до 115 °С). Пьезоэлектрический эффект обратим: ЭДС, приложенная к пьезоэлектрическому кристаллу, вызывает механические напряжения на их поверхности. ^ широко применяется при измерениях температуры, причем используются две основных разновидности способов использования этого эффекта. В первом используется свойство изменения электрического сопротивления металлов и полупроводников при изменении температуры. Из металлов часто применяются медь (для обычных измерений) и платина (для высокоточных измерений). Соответствующий измерительный преобразователь называется терморезистором. Чувствительные элементы полупроводникового преобразователя – термистора – изготавливаются из окислов различных металлов. С увеличением температуры сопротивление термистора уменьшается, в то время как у терморезистора – возрастает. Зависимость изменения сопротивления термисторов при изменении температуры существенно нелинейна, у медных терморезисторов – линейна, у платиновых аппроксимируется квадратным трехчленом. Платиновые терморезисторы позоляют измерять температуру в пределах от минус 200 до + 1000 °С. Другим способом использования термоэлектрического эффекта является возникновение термо-ЭДС в замкнутом контуре, состоящем из двух разнородных проводников (или полупроводников), соединенных (спаянных) между собой на одном конце, а на другом подключенным к измерителю ЭДС, при различии температуры в месте спая и в месте соединения с измерителем. Соответствующие соединения двух разнородных проводников (полупроводников) называются термопарами. Широко используются для термопар хромель, копель, константан, платина и др. Термопары позволяют измерять температуру в широком диапазоне (от минус 200 до + 2800 °С). Например, пара хромель-константан позволяет измерять температуру до + 700 °С, а пара вольфрам-рений – до + 2800 °С. При этом приходится применять чувствительные измерители ЭДС, так как величина термо-ЭДС составляет от значений примерно 10 до 80 мкВ/°С. ^ Для целей измерений используется внешний и внутренний фотоэффекты. Внешний фотоэффект возникает в вакуумированном баллоне, имеющем анод и фотокатод. При освещении фотокатода в нем под влиянием фотонов света эмитируются электроны. В случае наличия между анодом и фотокатодом электрического напряжения эмитируемые фотокатодом электроны образуют электрический ток, называемый фототоком. Таким образом, происходит преобразование световой энергии в электрическую. Описанный преобразователь называется фотоэлементом. Существуют также газонаполненные фотоэлементы. ^ возникает при освещении слоя между некоторыми полупроводниками и металлами. В этом слое возбуждается ЭДС. У ряда полупроводников под влиянием светового излучения изменяется электрическое сопротивление. Иногда этот эффект называется фоторезистивным, а соответствующие устройства – фоторезисторами. «Темновое» (при отсутствии освещения) сопротивление фоторезистора достаточно большое (например, 108 Ом). При освещении оно может уменьшиться до 105 Ом. Фоторезисторы обладают высокой чувствительностью, существенно превышающей чувствительность фотоэлементов. В качестве фоточувствительного материала применяют сернистый кадмий, сернистый свинец, кремний и др. ^ Метод измерений – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. ^ – установленная совокупность операций и правил при измерении, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с гарантированной точностью в соответствии с принятым методом. Методы измерений делятся: ^ – метод измерений, при котором значение величины определяют непосредственно по показывающему средству измерений; 2) метод сравнения с мерой – метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (пример: измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями (мерами массы с известным значением)). Методы сравнения реализуются следующими способами: - дифференциальный метод измерений – метод измерений, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, и при котором измеряется разность между этими двумя величинами. Точность этого метода может быть высокой и определяется точностью величины, воспроизводимой мерой. Характерным примером дифференциального метода, иногда называемого методом неполного уравновешивания, является приведенный на рисунке 3.1. Вольтметр V включается с помощью переключателя П в цепь с измеряемым сопротивлением rx или в цепь с регулируемым потенциометром (мерой) r0. При достижении одинаковых показаний вольтметра (rx = r0) регистрируется искомое значение rx; - нулевой метод измерений – метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля. Характерным примером нулевого метода является измерение активного сопротивления мостом постоянного тока (рисунок 3.2).  Рисунок 3.1 – Дифференциальный метод измерений Рисунок 3.2 – Нулевой метод измерений Мостовая схема оказывается полностью уравновешенной (гальванометр G показывает нуль), когда выполняется следующее условие: rxr2 = r1r3. Таким образом, при полном уравновешивании искомая величина rx = r1r3/r2; - метод измерений замещением – метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины. Пример: взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов (метод Борда); - метод совпадений – метод сравнения с мерой, в котором разность между измеряемой величиной и известной величиной, воспроизводимой мерой измеряют, используя совпадения отметок шкал. Пример: измерение с помощью штангенциркуля. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Похожие:
 | Вопросы к экзамену «Стандартизация, метрология и подтверждение соответствия» Основные понятия в области стандартизации, метрологии и подтверждения соответствия | | Теоретические основы метрологии. Основные понятия, связанные с объектами измерения |
| Учебное пособие по русской метрологии дает представление о предмете... Ii. Меры и денежный счет периода феодальной раздробленности Руси (начало XII в.— конец xvв.) | | Самостоятельная работа не тему: «История развития метрологии» Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов с заданной точностью и достоверностью. Средством... |
| Закон самарской области Основные понятия, применяемые в настоящем Законе в области физической культуры и спорта |  | 1. Основные понятия и обозначения Основные понятия и обозначения. Пусть. Матрицей размера называется совокупность чисел, записанных в виде прямоугольной таблицы из... |
| Реферат по метрологии на тему: «Международные организации по стандартизации... Понимается деятельность, направленная на достижение упорядочения в определенной области посредством установления положений для всеобщего... | | Примерный перечень вопросов к экзамену по курсу «Аддиктивное поведение» Психотерапия: сущность, основные виды. Отличие понятия «психотерапия» от понятия «психокоррекция» |
| Тема 1: Основные понятия программно-аппаратной защиты информации Лекция 1: Введение. Предмет и задачи программно-аппаратной защиты информации. Основные понятия | | 1. 1 Основные понятия информации: определение, мера измерения, качество Изучение любой дисциплины начинается с определений основных терминов и формулировки понятий. К XXI в. Понятия информация и информационные... |