Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Познание человеком окружающего мира неразрывно связано с наблюдениями и экспериментами. Получение информации в процессе наблюдения и экспериментов базируется на измерениях. На протяжении всей истории развития науки и техники перед человеком возникало и возникает множество вопросов и проблем, для решения которых необходимо располагать количественной информацией о том или ином свойстве объектов материального мира (явлении, процессе, веществе, изделии, теле и др.). Основным способом получения такой информации являются измерения, при правильном выполнении которых находится результат измерения, с большей или меньшей точностью отражающий интересующие свойства объекта познания.
Измерения играют важнейшую роль в жизни человека и являются начальной ступенью познания, которое часто не превышает эмпирического уровня. Поскольку критерием истины всегда служит практика (т.е., эксперимент), результаты измерений очень часто выступают в качестве критерия истины. Измерения делают представления о свойствах окружающего нас мира более полными и понятными. Можно сказать, что прогресс науки и техники определяется степенью совершенства измерений и измерительных приборов. Таким образом, измерения служат источником нашего научного и практического познания. Как сказал Макс Планк, в физике существует только то, что можно измерить.
Предметом рассмотрения в настоящем курсе лекций является метрология - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. К основным проблемам метрологии относятся: а) общая теория измерений; б) образование единиц физических величин и их систем; в) методы и средства измерений; г) методы определения точности измерений (теория погрешностей измерений); д) основы обеспечения единства измерений и единообразия средств измерений (законодательная метрология): е) создание эталонов и образцовых средств измерений, ж) методы передачи размеров единиц от эталонов образцовым и далее - рабочим средствам измерений.
Зарождение на территории СНГ метрологической службы относится к 1842 году, когда был издан закон о мерах и весах, предусматривавший создание первого в России метрологического учреждения – Депо образцовых мер. Основы отечественной метрологии заложил Д.И. Менделеев, основав в 1893 году Главную палату мер и весов, в задачи которой входило не только хранение эталонов и обеспечение поверки по ним средств измерений, но и проведение научных исследований в области метрологии. Затем в России начали создаваться местные поверочные палаты.
История развития техники электрических измерений связана с именами М.В. Ломоносова и Георга Вильгельма Рихмана, которые в 40-х годах 18 века сконструировали первый в мире электроизмерительный прибор, названный ими указатель электрической силы. Во второй половине 18 – первой половине 19 веков выдающиеся ученые Вольт, Кулон, Ом, Фарадей и другие продолжили создание других видов приборов. В частности, закон Ома был открыт при наблюдении взаимодействия провода с током, расположенного рядом с магнитной стрелкой, - прообраза современных приборов магнитоэлектрической системы. С помощью такого же устройства Фарадей установил закон электромагнитной индукции. Во второй половине 19 века существенный вклад в развитие электроизмерительных приборов внесли Александр Григорьевич Столетов, Борис Семенович (Мориц Герман) Якоби и особенно Михаил Осипович Доливо-Добровольский, предложивший электромагнитные и ряд других приборов, создатель техники трехфазного тока.
Первые измерительные приборы использовались лишь для относительной оценки физической величины. Такое положение сохранялось до тех пор, пока не были определены электрические меры. Вначале эти меры, созданные отдельными учеными в разных странах, не были одинаковыми. Однако это позволяло все же производить измерения, хотя еще и не в общепринятых единицах, и делало возможным взаимное сличение этих мер и сравнение результатов опытов.
Первоначально метрология занималась описанием различного рода мер (линейных, вместимости массы, времени), а также монет, применявшихся в разных странах, и соотношений между ними. Поворотным моментом в развитии метрологии стало заключение в 1875 Метрической конвенции и учреждение Международного бюро мер и весов как центра, обеспечивающего единство измерений в международном масштабе. При этом в широком смысле под единством измерений понимается характеристика качества измерений, заключающаяся в том, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам воспроизведенных величин, а погрешности результатов измерений известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы. Согласно закону Республики Беларусь «Об обеспечении единства измерений», единство измерений - состояние измерений, при котором их результаты выражаются в единицах величин, установленных законодательством, и погрешности измерений, известных с заданной вероятностью.
На международных конгрессах по электричеству (1881, 1893 г.г.) была принята применяющаяся и до нашего времени практическая система электрических и магнитных единиц, базирующаяся на международных единицах ампера и ома.
Внедрение техники измерений совпало с началом развития систем радиосвязи и радиотехники. Основоположником отечественной радиоизмерительной техники считается академик Михаил Васильевич Шулейкин, организовавший в 1913 г. первую заводскую лабораторию по производству измерительных приборов. Большой вклад в развитие техники измерений внес академик Леонид Исаакович Мандельштам, создавший в начале 20 века прототип современного электронного осциллографа.
Измерения пронизывают все сферы инженерной деятельности. Инженер должен иметь ясное представление о возможностях измерительной техники, чтобы обеспечить взаимозаменяемость изделий, устройств и узлов радиоэлектронной техники. Знание современных стандартов, правил, норм и требований в области измерений также обязательны для специалистов, занимающихся управлением и организацией производства.
Чтобы успешно справиться с многочисленными и разнообразными проблемами радиоизмерений, необходимо освоить ряд общих принципов их решения, определить единую научную и законодательную базу, обеспечивающую на практике высокое качество измерений, независимо от того, где и с какой целью они выполняются. Такой базой является метрология.
Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов и процессов с заданной точностью и достоверностью. Средства метрологии – это совокупность средств измерений и метрологических стандартов, обеспечивающих их рациональное использование.
Измерения проводятся не только в технике. Измерениями занимаются и психологи, и социологи, и представители многих других направлений, не относящихся к «точным» наукам. Например, широко известную в психологии оценку умственного развития человека называют измерением интеллекта.
Метрология включает общую теорию измерений физических величин, устанавливает и регламентирует единицы физических величин и их системы, порядок передачи размеров единиц от эталонов образцовым и рабочим средствам измерений, методы и средства измерений, общие методы обработки результатов измерений и оценки их точности.
Проблемами создания и применения средств измерений для получения измерительной информации и возникающими при этом научными и техническими вопросами занимается измерительная техника. Фундаментальной основой измерительной техники является метрологическое обеспечение. Метрологическое обеспечение любых измерений лежит на четырех основах: научной, нормативно-технической, организационной и правовой (законодательной).
Для руководства всей деятельностью и поддержания единства измерений в Беларуси создана метрологическая служба, состоящая из Государственной службы, возглавляемой Государственным комитетом по стандартизации (Госстандартом Республики Беларусь), и территориальных центров стандартизации, метрологии и сертификации.
Метрология делится на три самостоятельных, но взаимосвязанных раздела: научную, законодательную и прикладную.
Научная (теоретическая) метрология, являясь базой измерительной техники, занимается изучением проблем измерения в целом и образующих измерение элементов: средств и приборов измерений, физических величин и их единиц, методов и методик измерений, результатов и погрешностей измерений и пр.
Нормативно-технической основой метрологического обеспечения является комплекс государственных стандартов, среди которых:
Организационной основой метрологического обеспечения является метрологическая служба РБ, состоящая из государственной и территориальных метрологических служб, возглавляемых Госстандартом РБ. В своей работе она базируется на основных положениях законодательной метрологии.
Законодательной метрологией называется раздел метрологии, включающий комплексы взаимосвязанных общих правил, требований и норм, а также вопросы регламентации и государственного контроля, направленные на обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений.
Важной частью метрологического обеспечения является его правовая основа. В каждой стране действуют комплексы государственных стандартов, в РБ они объединены в Систему Обеспечения Единства Измерений (СОЕИ или ГСИ). Благодаря этому установлена единая номенклатура стандартных взаимоувязанных правил и положений, требований и норм, относящихся к организации и методике оценивания и обеспечения точности измерений.
Органы метрологической службы осуществляют надзор за средствами измерений, что обеспечивает их единообразие. В метрологии, как и в любой другой науке, недопустимо произвольное толкование применяемых терминов, поэтому один из основных метрологических документов СТБ П8021-2003 (РМГ 29-99) «СОЕИ РБ. Метрология. Основные термины и определения» (Предварительный государственный стандарт Республики Беларусь) специально регламентирует терминологию в области метрологии.
Практическая (прикладная) метрология посвящена вопросам практического применения разработок теоретической и положений законодательной метрологии.
В настоящее время широкое применений в метрологии получила квалиметрия – учение о методах и приемах измерения (точнее, оценивания) качества. В последние годы сформировалось и успешно развивается новое направление в метрологии и радиоизмерительной технике – компьютерно-измерительные системы (КИС) и их разновидность – виртуальные приборы. Виртуальный прибор – это специальная плата, устанавливаемая в персональный компьютер или внешнее устройство, подключаемое через LTP-порт в комплексе с соответствующим программным обеспечением. В зависимости от используемой платы и программного обеспечения пользователь получает измерительный прибор под ту или иную метрологическую задачу. Очевидно, что многие метрологические и исследовательские задачи будут в недалеком будущем решаться с помощью КИС и виртуальных приборов.
Качественно новое развитие различных направлений техники вообще и радиотехники в частности предъявляет высокие требования к метрологическому обеспечению и уровню радиоизмерений. В этой связи для метрологии характерны:
В частности для техники радиоизмерений характерно следующее:
Любой объект окружающего мира характеризуется своими свойствами. Свойство – философская категория, выражающая такую сторону объекта (процесса, явления), которая обусловливает его общность или различие с другими объектами и обнаруживается в его отношении к ним. Таким образом, свойство – категория качественная. Для количественного описания различных свойств процессов и физических тел вводится понятие величины.
Величина – свойство чего-либо, которое может быть выделено среди других свойств и оценено тем или иным способом, в том числе и количественно. Величина не существует сама по себе, она имеет место лишь постольку, поскольку существует объект со своими свойствами, выраженными данной величиной. Анализ разных величин позволяет разделить их на два вида: идеальные и реальные.
Идеальные величины главным образом относятся к области математики и являются обобщением (моделью) конкретных реальных понятий. Они вычисляются тем или иным способом.
Реальные величины делятся на физические и нефизические. Физическая величина в общем случае может быть определена как величина, свойственная некоторым материальным объектам (процессам, явлениям, материалам), изучаемым в естественных (физика, химия) и различных технических науках. К нефизическим относятся величины, присущие общественным (нефизическим наукам) – философии, социологии, экономике и т.д.
Физическая величина – свойство, общее в качественном отношении для множества объектов, физических систем, их состояний и происходящих в них процессов, но индивидуальное в количественном отношении для каждого из них.
Качественная сторона понятия «физическая величина» определяет «род» величины (например, электрическое сопротивление как общее свойство проводников электричества), а количественная – ее «размер» (сопротивление конкретного проводника). Числовое значение результата измерения будет зависеть от выбора единицы физической величины. (Пример про удава из мультфильма). Следует отметить, что размер физической величины существует объективно, независимо от того, определили мы его или нет, он остается одинаковым, независимо от того, какое численное значение мы ему приписываем в разных единицах измерения.
Различают физические величины измеряемые и оцениваемые.
Измеряемые физические величины можно выразить количественно в виде определенного числа установленных единиц измерения.
Размерность физической величины – количественная определенность физической величины, присущая конкретному предмету, системе, явлению или процессу.
Оцениваемые физические величины – величины, для которых по каким-либо причинам не может быть введена единица измерения, и они могут быть только оценены.
Оценивание – операция приписывания данной физической величине определенного числа принятых для нее единиц, проведенная по установленным правилам. Оценивание осуществляется при помощи шкал. Шкала величины – упорядоченная последовательность ее значений, принятая по соглашению на основании результатов точных измерений.
Нефизические величины, для которых единица измерения в принципе не может быть введена, могут быть только оценены. Оценивание нефизических величин не входит в задачи теоретической метрологии.
Физические величины можно классифицировать, например, следующим образом:
|
Физические величины |
|||||
|
Энергетические (активные) |
Вещественные (пассивные) (по видам явлений) |
Характеризующие временные процессы |
|||
|
Пространственно-временные |
Механичес- кие и тепловые |
Электрические, магнитные и акустические (по принадлежности к группам физических |
Физико-химические различным процессов) |
Световые и ионизирующих излучений |
Атомной и ядерной физики |
|
Основные |
(по степени условной независимости Производные |
от других величин) Дополнительные |
|||
|
Размерные |
По наличию размерности |
Безразмерные |
По видам явлений они делятся на
По степени условной независимости от других величин данной группы физические величины могут быть основными, производными и дополнительными. В настоящее время в наиболее распространенной международной системе СИ используется семь физических величин, выбранных в качестве основных: длина, время, масса, температура, сила электрического тока, сила света и количество вещества.
Значение физической величины – оценка размера физической величины в виде некоторого числа принятых единиц измерения.
Числовое значение физической величины – отвлеченное число, выражающее отношение значения величины к соответствующей единице данной физической величины (например, 10 А – значение силы тока, 10 – числовое значение). Таким образом, именно термин «значение» следует применять для выражения количественной стороны рассматриваемого свойства. Например, говорить или писать «величина тока» - неправильно. Следует сказать «значение силы тока». Ведь ток или напряжение сами по себе являются величинами.
Для обозначения частных особенностей физических величин применяют термин «параметр». Например, конденсатор характеризуется емкостью, а его параметром можно считать, например, температурный коэффициент емкости. Но иногда параметром называют саму физическую величину – амплитуду, фазу или частоту, например.
При выбранной оценке физической величины ее можно охарактеризовать истинным, действительным и измеренным значениями. Нахождение истинного значения измеряемой физической величины и есть главная проблема метрологии.
Истинным значением физической величины называется значение физической величины, которое идеальным образом бы отражало в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. Определить экспериментально его невозможно вследствие неизбежных погрешностей измерения. Таким образом, истинное значение физической величины можно соотнести с понятием абсолютной истины – оно может быть получено только в результате бесконечного процесса измерений с бесконечным совершенствованием методов и средств измерений).
Погрешность измерения – это отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.
Например, измеряем диаметр круглого металлического диска. Измерение можно проводить со все более и более высокой точностью при выборе средства измерения соответствующей точности. Но когда погрешность средства измерений достигнет размеров молекулы, обнаружится размывание краев диска, обусловленное хаотическим движением молекул. Вследствие этого за некоторым пределом точности дальнейшее ее повышение бессмысленно и бесполезно. Таким образом, понятие «истинного» значения диаметра в данном случае приобретает вероятностный смысл и можно лишь с определенной вероятностью установить интервал значений, в котором оно находится. Поэтому одним из основных постулатов метрологии является положение о том, что истинное значение физической величины существует, однако определить его путем измерения невозможно.
В связи с тем, что истинное значение физической величины определить невозможно, в практике измерений оперируют понятием действительного значения, степень приближения которого к истинному зависит от точности измерительного средства и погрешности самих измерений.
Действительным значением физической величины называется значение физической величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него. Действительное значение физической величины определяют по образцовым мерам и приборам, погрешностями которых можно пренебречь по сравнению с погрешностями применяемых рабочих средств измерения.
Под измеренным значением понимается значение величины, отсчитанное по отсчетному устройству средства измерения.
Важную роль в процессе измерения играют условия измерения – совокупность влияющих величин, описывающих состояние окружающей среды и средства измерений.
Влияющая физическая величина – физическая величина, непосредственно не измеряемая средством измерения, но оказывающая влияние на него или объект измерений таким образом, что это приводит к искажению результата измерения. Например, при измерении параметров транзистора влияющей величиной может быть температура, если параметры зависят от температуры.
В метрологии различают нормальные, рабочие и предельные условия измерений.
Нормальные условия измерений – это условия измерения, характеризуемые совокупностью значений или областей значений влияющих величин, при которых изменением результата измерений пренебрегают вследствие малости. (Нормальные условия измерений устанавливаются в нормативных документах на средства измерения конкретного типа или по их поверке или калибровке).
Рабочие условия измерений – это условия, при которых значения влияющих величин находятся в пределах рабочих областей. При этом рабочая область значений влияющей величины определена как область значений, в пределах которой нормируется дополнительная погрешность или изменение показаний средства измерения.
Предельные условия измерений – условия значений, характеризуемые экстремальными значениями измеряемой и влияющих величин, которые средство измерений может выдержать без разрушений или ухудшения его метрологических характеристик.
Постоянная физическая величина – физическая величина, размер которой по условиям измерительной задачи можно считать не изменяющимся за время, превышающее длительность измерения.
Переменная физическая величина – соответственно, величина, изменяющаяся по размеру в процессе измерения.
Единица физической величины – физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное 1, и применяемая для количественного выражения однородных с ней физических величин. (При этом род физической величины – это качественная определенность, например, длина и диаметр детали – однородные величины, а длина и масса – неоднородные).
Единицы физических величин разделяются на основные и производные и объединяются в соответствии с принятыми принципами в системы единиц физических величин.
Единица измерения должна быть установлена для каждой из известных физических величин, при этом необходимо учитывать, что многие физические величины связаны между собой определенными зависимостями. Поэтому только часть физических единиц и, соответственно, их единиц, могут определяться независимо от других. Такие величины являются основными. Остальные физические величины (производные и дополнительные) определяются с использованием физических законов и зависимостей через основные величины.
Международная система единиц (система СИ) была принята ХI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 году. На территории Республики Беларусь система единиц СИ установлена соответствующим Межгосударственным стандартом ГОСТ 8.417-2000 «ГСОЕИ. Единицы величин».
К основным характеристикам системы СИ следует отнести универсальность, унификацию всех областей и видов измерений, когерентность величин, упрощение записи формул, единую систему образования кратных и дольных единиц, имеющих собственные наименования, лучшее взаимопонимание при развитии научно-технических и экономических связей между разными странами.
В основу Международной системы СИ положены семь основных и две дополнительные единицы: метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль, кандела, две дополнительные – радиан и стерадиан.
Метр – расстояние, которое плоская электромагнитная волна проходит за 1/299792458 долю секунды.
Килограмм – единица массы, определяемая как масса международного прототипа килограмма, представляющего собой цилиндр из сплава платины и иридия. Современное развитие науки пока не позволяет с достаточной степенью точности связать килограмм с естественными атомными константами. До сих пор килограмм является чисто договорной единицей.
Секунда – 9192631770 периодов излучения, соответствующего энергетическому переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133.
Ампер – сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 метр один от другого в вакууме, вызывал бы силу взаимодействия, равную 2х10-7 Н на каждом участке проводника длиной 1 метр.
Кельвин – единица термодинамической температуры, равная 1/273,15 части термодинамической температуры тройной точки воды, т.е. температуры, при которой три фазы воды – парообразная, жидкая и твердая – находятся в термодинамическом равновесии.
Моль – количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится в углероде-12 массой 0.012 кг. При применении моля структурные элементы должны быть специфицированы и могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами и другими частицами или группами частиц.
Кандела – сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540х1012 Гц, чья энергетическая сила излучения в данном направлении составляет 1/683 Вт/ср.
|
Величины |
Единицы |
|||
|
Наименование |
Размерность |
Наименование |
Обозначение |
|
|
международное |
русское |
|||
|
Основные единицы |
||||
|
Длина |
L |
метр |
m |
м |
|
Масса |
M |
килограмм |
kg |
кг |
|
Время |
T |
секунда |
s |
с |
|
Сила электрического тока |
I |
ампер |
A |
А |
|
Термодинамическая температура |
Θ |
кельвин |
K |
К |
|
Количество вещества |
N |
моль |
mol |
моль |
|
Сила света |
J |
кандела |
cd |
кд |
|
Дополнительные единицы |
||||
|
Плоский угол |
- |
радиан |
rad |
рад |
|
Телесный угол |
- |
стерадиан |
sr |
ср |
Дополнительные единицы международной системы СИ предназначены и используются для образования единиц угловой скорости, углового ускорения.
Производные единицы системы СИ образуются из основных и дополнительных единиц.
Производные единицы бывают когерентными и некогерентными. Когерентной называется производная единица физической величины, связанная с другими единицами системы уравнением, в котором числовой множитель принят равным единице. Например, Например, скорость v=s/t. Если это условие не выполняется, производная единица называется некогерентной.
В системе СИ были установлены десятичные кратные и дольные единицы этой системы, образуемые с помощью множителей.
Кратная единица ФВ – единица, большая в целое число раз системной, дольная единица ФВ - единица, меньшая в целое число раз системной. Наименования кратных и дольных единиц системы СИ содержат ряд определенных приставок, соответствующих множителям.
Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ) - государственное управление субъектами, нормами, средствами и видами деятельности по обеспечению заданного уровня единства измерений в стране. Деятельность по обеспечению единства измерений направлена на охрану законных интересов граждан и установлению правопорядка и экономики, а также на содействие экономическому и социальному развитию страны
путем защиты от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений во всех сферах общества.
Обеспечение единства измерений осуществляется на нескольких уровнях:
− государственном;
− уровне федеральных органов исполнительной власти;
− уровне юридического лица.
Основной целью Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ) является создание общегосударственных правовых, нормативных, организационных, технических и экономических условий для решения задач по обеспечению единства измерений.
Основными задачами ГСИ являются:
− разработка оптимальных принципов управления деятельностью по обеспечению единства измерений;
− организация и проведение фундаментальных научных исследований с целью создания более совершенных и точных методов и средств воспроизведения единиц и передачи их размеров;
− установление системы единиц величин и шкал измерений, допускаемых к применению;
− установление основных понятий в метрологии, унификация их терминов и определений;
− установление экономически рациональной системы государственных эталонов, их создание, утверждение, применение и совершенствование;
− установление систем передачи размеров единиц величин от государственных эталонов средствам измерений, применяемым в стране;
− создание и совершенствование вторичных и рабочих эталонов, комплектных поверочных установок и лабораторий;
− установление общих метрологических требований к эталонам, средствам измерений, методикам выполнения измерений, методикам поверки (калибровки) средств измерений и всех других требований, соблюдение которых является необходимым условием обеспечения единства измерений;
− разработка и экспертиза разделов метрологического обеспечения федеральных и иных государственных программ, в том числе программ создания и развития производства оборонной техники; осуществление государственного метрологического контроля: поверка средств измерений;
- испытания с целью утверждения типа средств измерений, лицензирование деятельности юридических и физических лиц по изготовлению, ремонту, продаже и прокату средств измерений;
− осуществление государственного метрологического надзора за выпуском, состоянием и применением средств измерений, аттестованными методиками выполнения измерений, эталонами единиц физических величин, соблюдением метрологических норм и правил; разработка принципов оптимизации материально-технической и кадровой базы органов государственной метрологической службы;
− аттестация методик выполнения измерений;
− калибровка и сертификация средств измерений, не входящих в сферы государственного метрологического контроля и надзора;
− аккредитация метрологических служб и иных юридических и физических лиц по различным видам метрологической деятельности;
− аккредитация поверочных, калибровочных, измерительных, испытательных и аналитических лабораторий, лабораторий неразрушающего и радиационного контроля в составе действующих в Российской Федерации систем аккредитации;
− участие в работе международных организаций, деятельность которых связана с обеспечением единства измерений;
− разработка совместно с уполномоченными федеральными органами исполнительной власти порядка определения стоимости метрологических работ и регулирование тарифов на эти работы;
− организация подготовки и переподготовка кадров метрологов;
− информационное обеспечение по вопросам обеспечения единства измерений;
− совершенствование и развитие ГСИ.
Государственная система обеспечения единства измерений состоит из следующих подсистем:
− правовой,
− организационной;
− технической.
PAGE 1