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
1.основные понятия и задачи в метрологии….
Метрологическое обеспечение - установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений.
Основными целями метрологического обеспечения являются:
- повышение качества продукции, эффективности управления производством и уровня автоматизации производственных процессов;
- обеспечение взаимозаменяемости деталей, узлов и агрегатов, создание необходимых условий для кооперирования производства и развития специализации;
- повышение эффективности научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, экспериментов и испытаний;
- обеспечение достоверности учета и повышение эффективности использования материальных ценностей и энергетических ресурсов;
- повышение эффективности мероприятий по профилактике, нормированию и контролю условий труда и быта людей, охране окружающей Среды, оценке и рациональному использованию природных ресурсов;
- повышение уровня автоматизации управления транспортом и безопасности его движения;
- обеспечение высокого качества и надежности связи.
Госстандарт РФ осуществляет решение следующих основных задач метрологического обеспечения:
- определение основных направлений развития метрологического обеспечения и путей наиболее эффективного использования научных и технических достижений в этой области;
- разработку научно-технических, технико-экономических, правовых и организационных основ метрологического обеспечения на всех уровнях управления народным хозяйством;
- организацию и проведение фундаментальных научных исследований по изысканию и использованию новых физических эффектов с целью создания и совершенствования методов и средств измерений высшей точности и определения значений физических констант;
- обеспечение единства измерений в стране, стандартизацию основных положений, правил, требований и норм метрологического обеспечения, развитие и совершенствования ГСИ;
- установление допускаемых к применению единиц физических величин;
- установление системы государственных эталонов единиц физических величин, их создание, утверждение, совершенствование и хранение;
- установление единого порядка передачи размеров единиц физических величин от государственных эталонов всем средствам измерений;
- разработку межотраслевых программ метрологического обеспечения и организацию работ по их осуществлению;
- научно-методическое руководство разработкой комплексных программ метрологического обеспечения отраслей народного хозяйства;
- создание и совершенствование рабочих эталонов и образцовых средств измерений высшей точности, планирование и координацию разработок комплексных поверочных установок и лабораторий;
- установление единых требований к метрологическим характеристикам средств измерений;
- установление порядка, планирование и проведение государственных испытаний средств измерений, предназначенных для серийного или массового производства и ввода их из-за границы партиями, утверждение типов средств измерений, допущенных к применению в РФ;
- государственную поверку средств измерений;
- установление общих требований к стандартным образцам состава и свойств веществ и материалов;
- осуществление руководства государственной службой стандартных справочных данных государственной службой стандартных образцов веществ и материалов, государственной службой времени и частоты и обеспечение их развития;
- государственный надзор за производсттвом, состоянием, применением и ремонтом средств измерений, и соблюдением метрологических правил, требований и норм, а также за деятельностью ведоственных метрологических служб;
- организацию и выполнение особо точных измерений;
- организацию и осуществление подготовки и повышения квалификации кадров в области метрологии;
- организацию работ по международному сотрудничеству в области метрологии, обеспечения единства и требуемой точности измерений, необходимых для международной торговли, научно-технического и экономического сотрудничества;
- увязку работ по метрологическому обеспечению с нуждами обороны страны;
- организацию и осуществление научно-технической информации в области метрологического обеспечения и экспонирования на постоянной выставке средств измерений, предназначенных для серийного или массового производства и ввоза из-за границы партиями.
2 основные термины метрологии
Метрология — наука о весах и мерах. Термин «метрология» произошел от греческого metron — мера и logos — учение, слово
Основные термины, применяемые в метрологии:
Физическая величина — свойство какого-либо объекта, процесса, отличающее его в количественном отношении от других, схожих с ним по качеству, физических объектов.
Измерение — совокупность операций по нахождению значения физической величины с помощью специальных технических средств с учетом экспериментального сравнения данной физической величины с однородной физической величиной, значение которой принято за единицу.
Единица физической величины — физическая величина, которой по определению присвоено значение, равное единице. Система единиц физической величины — совокупность основных единиц, служащих базой для установления связей с другими, производными, физическими единицами.
Единство измерений — такое состояние измерений, при котором результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью.
Погрешность измерений — отклонение полученного результата измерений от истинного, установленного экспериментальным путем теоретического значения измеряемой величины.
Средства измерений — технические средства с нормированной погрешностью, используемые при измерениях единицы величины; по техническому назначению подразделяются на меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи, вспомогательные средства измерений, измерительные установки и измерительные системы.
Эталон - предназначенная для воспроизведения и хранения единицы величины высокоточная мера. С помощью эталона размер единицы передается нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений.
Мера — средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера (кварцевый генератор является мерой частоты электрических колебаний). Измерительный прибор — средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.
Измерительный преобразователь — средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации, не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.
Измерительная установка — совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, расположенных в одном месте, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем.
Измерительная система — совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации в удобной для автоматической обработки, передачи и использования форме.
3. Системы единиц физических величин
Понятие о физической величине - одно из наиболее общих в физике и метрологии. Под физической величиной понимается свойство, общее в качественном отношении для многих физических объектов (физических систем, их состояний и происходящих в них процессов), но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта. Так, все тела обладают массой и температурой, но для каждого из них эти параметры различны. То же самое можно сказать и о других величинах - электрическом токе, вязкости жидкостей или потоке излучения.
Для того чтобы можно было установить различия в количественном содержании свойств в каждом объекте, отображаемых физической величиной, вводится понятие размера физической величины.
Исторически первой системой единиц физических величин была принятая в 1791 г. Национальным собранием Франции метрическая система мер. Она не являлась еще системой единиц в современном понимании, а включала в себя единицы длин, площадей, объемов, вместимостей и веса, в основу которых были положены две единицы: метр и килограмм.
В 1832 г. немецкий математик К. Гаусс предложил методику построения системы единиц как совокупности основных и производных. Он построил систему единиц, в которой за основу были приняты три произвольные, независимые друг от друга единицы - длины, массы и времени. Все остальные единицы можно было определить с помощью этих трех. Такую систему единиц, связанных определенным образом с тремя основными, Гаусс назвал абсолютной системой. За основные единицы он принял миллиметр, миллиграмм и секунду.
В дальнейшем с развитием науки и техники появился ряд систем единиц физических величин, построенных по принципу, предложенному Гауссом, базирующихся на метрической системе мер, но отличающихся друг от друга основными единицами.
Рассмотрим главнейшие системы единиц физических величин [2].
Система СГС. Система единиц физических величин СГС, в которой основными единицами являются сантиметр как единица длины, грамм как единица массы и секунда как единица времени, была установлена в 1881 г.
Система МКГСС. Применение килограмма как единицы веса, а в последующем как единицы силы вообще, привело в конце XIX века к формированию системы единиц физических величин с тремя основными единицами: метр - единица длины, килограмм-сила - единица силы и секунда - единица времени.
Система МКСА. Основы этой системы были предложены в 1901 г. итальянским ученым Джорджи. Основными единицами системы МКСА являются метр, килограмм, секунда и ампер.
4 С 1 января 2001 г. на территории России и стран СНГ взамен ГОСТ 16263—701 вводятся рекомендации РМГ 29—99, содержащие основные термины и определения в области метрологии, согласованные с международными стандартами ИСО 31(0-13) и ИСО 1000, регламентирующими использование дольных, кратных и других единиц при измерениях.
В соответствии с этими документами метрология — это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.
В зависимости от цели различают три раздела метрологии: теоретический, законодательный и прикладной.
В теоретической (фундаментальной) метрологии разрабатываются фундаментальные основы этой науки.
Предметом законодательной метрологии является установление обязательных технических и юридических требований по применению единиц физических величин, эталонов, методов и средств измерений, направленных на обеспечение единства и необходимой точности измерений.
Практическая (прикладная) метрология освещает вопросы практического применения разработок теоретической и положений законодательной метрологии.
Все объекты окружающего мира характеризуются своими свойствами.
Свойство — философская категория, выражающая такую сторону объекта (явления процесса), которая обусловливает его различие или общность с другими объектами (явлениями, процессами) и обнаруживается в его отношениях к ним. Свойство — категория качественная. Для количественного описания различных свойств процессов и физических тел вводится понятие величины. Величина — это свойство чего-либо, что 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 свойствами, выраженными данной величиной.
Величины можно разделить на два вида: реальные и идеальные.
Идеальные величины главным образом относятся к математике и являются обобщением (моделью) конкретных реальных понятий.
Реальные величины делятся, в свою очередь, на физические и нефизические. Физическая величина (ФВ) в общем случае может быть определена как величина, свойственная материальным объектам (процессам, явлениям), изучаемым в естественных (физика, химия) и технических науках. К нефизическим следует отнести величины, присущие общественным (нефизическим) наукам — философии, социологии, экономике и т.д.
Рекомендации РМГ 29—99 трактуют физическую величину, как одно из свойств физического объекта, в качественном отношении общее для многих физических объектов, а в количественном — индивидуальное для каждого из них. Индивидуальность в количественном отношении понимают в том смысле, что свойство может быть для одного объекта в определенное число раз больше или меньше, чем для другого. Таким образом, физические величины — это измеренные свойства физических объектов и процессов, с помощью которых они могут быть изучены.
Физические величины целесообразно разделить на измеряемые и оцениваемые. Измеряемые ФВ могут быть выражены количественно в виде определенного числа установленных единиц измерения. Возможность введения и использования последних является важным отличительным признаком измеряемых ФВ. Физические величины, для которых по тем иди иным причинам не может быть введена единица измерения, могут быть только оценены. Величины оценивают 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. Стоит отметить, что оценивание нефизических величин не входит в задачи теоретической метрологии.
Для более детального изучения ФВ необходимо классифицировать и выявить общие метрологические особенности их отдельных групп.
4физические свойства величин и их шкалы
На территории РФ и стран Содружества НГ с 1 января 2001 г. введены рекомендации РМГ 29 - 99 взамен ГОСТ 16263—701, в которых изложены определения в области метрологии и основные термины, которые уже согласовали с международными стандартами серии ИСО 1000 и ИСО 31 (0-13), в которых регламентировано использование кратных, дольных и других единиц при проведении измерений.
Своими свойствами характеризуются все объекты окружающего мира.
Свойство — категория философская, которая выражает такую часть объекта (явления или процесса), которая обозначает его отличие или схожесть с другими объектами (явлениями или процессами) и находится в его отношениях к ним.
Свойство — качественная категория. Для описания количественного разных свойств объектов, процессов и физических тел, введено понятие величина.
Величина — это особое свойство чего-либо, которое может быть выделено из других свойств и оценено каким либо способом, в том числе и количественно. Величина сама по себе не существует, она имеет место быть лишь постольку, поскольку существует объект, предмет или процесс со свойствами, выраженными такой величиной.
Прежде всего, величины делятся на реальные и идеальные.
Идеальной величиной является любое числовое значение. По существу это математическая абстракция, не связанная с каким-либо реальным объектом. Поэтому идеальные величины рассматриваются не в метрологии, а в математике.
Реальные величины делятся на физические и нефизические.
Нефизические величины вводят, определяют и изучают в информатике, общественных, экономических и гуманитарных научных дисциплинах (например, в социологии, лингвистике). Примерами нефизических величин являются количество информации в битах, рашер финансового капитала в $, различные рейтинги, определяемые путем социологических опросов.
Физические величины, рассматриваемые в метрологии, являются свойствами материальных объектов, процессов и явлений. В отличие от нефизических, они объективно, независимо от желания человека существуют в окружающем нас материальном мире.
Физические величины по способу количественного оценивания разделяют на измеряемые и оцениваемые.
Отличительной особенностью измерений является наличие средства измерений — специального технического средства, хранящего размер единицы, с помощью которого определяется значение величины. К оцениванию относят, прежде всего, экспертные и органолептические (с помощью органов чувств человека) оценки величин, такие, например, как определение расстояния «на глаз». Здесь нет технического средства, хранящего размер единицы, поэтому нет и уверенности в требуемой точности полученной оценки. Размер длины, который человек может хранить в своем сознании, у разных людей существенно различается, а у одного человека подвергается изменениям в зависимости от его психофизического состояния. Следовательно, он неточен и ненадежен, нет гарантий объективности результата оценивания. Такие гарантии может дать только применение технического средства, лишенного человеческих недостатков. Именно поэтому измерения являются высшей формой количественного оценивания величин.
5 сисстема физ.величин и их еденицы
Система физических величин (далее СФВ) — совокупность взаимосвязанных физических величин, образованная по принципу, когда одни физические величины являются независимыми (основными физическими величинами), а другие являются их функциями (производными физическими величинами). СФВ представляет собой структурную схему связей физических величин. Эти связи описываются математическими выражениями, называемыми определяющими уравнениями.
С понятием СФВ тесно связано понятие системы единиц физических величин (СЕФВ). Система единиц называется когерентной для данной системы величин, если единицы измерения производных величин (производные единицы) в системе единиц когерентны, то есть представляют собой произведения степеней единиц основных величин (основных единиц) с коэффициентом пропорциональности, равным единице.
На практике термин «СФВ» применяется редко. Обычно говорят о формулах в системах единиц (СИ, СГС и т. д.), даже если в исследовании единицы измерения и числовые значения величин не используются.
В качестве основных физических величин в ISQ используются:
L — длина.
М — масса.
Т — время.
I — электрический ток.
Θ — термодинамическая температура.
J — сила света.
N — количество вещества.
Когерентной системой единиц для ISQ является Международная система единиц СИ.
2. Абсолютная электростатическая система величин. Электрическая постоянная принимается за безразмерную единицу, запись формул не рационализирована. Когерентной системой единиц является СГСЭ.
3. Абсолютная электромагнитная система величин. Магнитная постоянная принимается за безразмерную единицу, запись формул не рационализирована. Когерентной системой единиц является СГСМ.
4. Система величин Гаусса — Максвелла. Электрические величины определяются по формулам электростатической системы, магнитные — по формулам абсолютной электромагнитной системы. Когерентной системой единиц является СГС-гауссова.
5. Система величин Лоренца — Хевисайда. Отличается от предыдущей рационализированной записью формул.
6. Система величин с нерационализированной записью формул и размерными электрической и магнитной постоянными (любая из них может быть принята за основную, тогда другая будет производной). Когерентными системами единниц являются СГСε и СГСμ.
СФВ тесно связаны с задачами моделирования и описания физической реальности на языке
6 Международная система единиц СИ(Система Интернациональная)
По мере развития техники, ее широкого применения в различных странах, человечество пришло к необходимости введения и использования легко воспроизводимых единиц измерения, которые были бы по возможности долговечными. Такая система измерения долго разрабатывалась и была реализована на тех неизменных взаимосвязях, которые уже существуют в природе и к которым стремились свести единицы измерения.
При этом сыграли свою роль познания в атомной области, где были обнаружены такие неизменные меры.
Более удобен такой выбор единиц измерения, при котором произвольно и независимо друг от друга устанавливаются единицы измерения для сравнительно небольшого числа величин, а все остальные единицы измерения устанавливаются на основе известных закономерностей, существующих между этими величинами.
Определения:
Единицы физических величин, которые устанавливаются произвольно и независимо от других, называются основными.
Единицы физических величин, зависимые от основных и устанавливаемые на основе известных физических закономерностей, называются производными. Совокупность основных и производных единиц физических величин составляет систему единиц измерения.
Международная система единиц (СИ — Система Интернациональная) была утверждена в 1960 г. на XI Генеральной конференции по мерам и весам. Она основывается на базисных (основных) и дополнительных единицах, приведенных в таблице.
Эти базисные (основные) единицы вместе с дополнительными единицами и когерентными производными единицами называются единицами СИ. При этом единицы, которые следуют из последних, согласно правилам СИ, как десятичные кратные или дробные (см. таблицу), называются кратными или дробными единицами СИ.
Исключение составляет в силу причин исторического характера лишь килограмм.
Особое внимание было обращено на то, чтобы при этом не играло роли отношение единиц к свойствам конкретных веществ. Так были отброшены, например, такие единицы, как атмосфера, и торр (торричелли).
Роль системы СИ определяется целым рядом ее свойств, которые делают эту систему особенно удобной для применения в теории и на практике.
1. Единицы СИ универсальны и применимы во всех областях физики и техники, так как не имеют никакого отношения к свойствам конкретного материала.
2. Эти единицы могут быть реализованы с достаточной степенью точности в соответствии со своими определениями или эквивалентными им соотношениями.
3. Система СИ абсолютна: сила или энергия любой природы может быть выражена в действующих в этой системе механических единицах (соответственно силы или энергии).
4. В случае электродинамики здесь действует когерентная система четырех единиц с электрической базисной единицей (система МКСА — метр, килограмм, секунда, ампер).
5. Система СИ принята в международных масштабах и вводится во всех странах в законодательном порядке. В СССР СИ была принята к употреблению с 1963 г.
7 воспроизведение едениц физ. Величин и передача их размеров.
При проведении измерений необходимо обеспечить их единство. 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. Понятие "единство измерений" довольно емкое. Оно охватывает важнейшие задачи метрологии: унификацию единиц ФВ, разработку систем воспроизведения величин и передачи их размеров рабочим средствам измерений с установленной точностью и ряд других вопросов. Единство должно обеспечиваться при любой точности, необходимой науке и технике. На достижение и поддержание на должном уровне единства измерений направлена деятельность государственных и ведомственных метрологических служб, проводимая в соответствии с установленными правилами, требованиями и нормами. На государственном уровне деятельность по обеспечению единства измерений регламентируется стандартами Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ) или нормативными документами органов метрологической службы.
Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, в которых проградуированы все существующие СИ одной и той же величины. Это достигается путем точного воспроизведения и хранения в специализированных учреждениях установленных единиц ФВ и передачи их размеров применяемым СИ.
Воспроизведение единицы физической величины — это совокупность операций по материализации единицы ФВ с наивысшей в стране точностью посредством государственного эталона или исходного образцового СИ. Различают воспроизведение основной и производной единиц.
Воспроизведение основной единицы — это воспроизведение единицы путем создания фиксированной по размеру ФВ в соответствии с определением единицы. Оно осуществляется с помощью государственных первичных эталонов. Например, единица массы — 1 килограмм (точно) воспроизведена в виде платиноиридиевой гири, хранимой в Международном бюро мер и весов в качестве международного эталона килограмма. Розданные другим странам эталоны имеют номинальное значение 1 кг. На основании последних международных сличений (1979) платиноиридиевая гиря, входящая в состав Государственного эталона РФ, имеет массу 1,000000087 кг.
Воспроизведение производной единицы — вто определение значения ФВ в указанных единицах на основании косвенных измерений других величин, функционально связанных с измеряемой. Так, воспроизведение единицы силы — Ньютона — осуществляется на основании известного уравнения механики F = mg, где m — масса тела; g — ускорение свободного падения.
Передача размера единицы — это приведение размера единицы ФВ, хранимой поверяемым средством измерений, к размеру единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном, осуществляемое при их поверке или калибровке. Размер единицы передается "сверху вниз"— от более точных СИ к менее точным.
Хранение единицы — совокупность операций, обеспечивающая неизменность во времени размера единицы, присущего данному СИ. Хранение эталона единицы ФВ предполагает проведение взаимосвязанных операций, позволяющих поддерживать метрологические характеристики эталона в установленных пределах. При хранении первичного эталона выполняются регулярные его исследования, включая сличения с национальными эталонами других стран с целью повышения точности воспроизведения единицы и совершенствования методов передачи ее размера.
8 Эталоны единиц системы СИ
Эталонная база России имеет в своем составе [35] 114 государственных эталонов (ГЭ) и более 250 вторичных эталонов единиц физических величин. Из них 52 находятся во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии им. Д.И. Менделеева (ВНИИМ, Санкт-Петербург), в том числе эталоны метра, килограмма, ампера, кельвина и радиана; 25 — во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ, Москва), в том числе эталоны единиц времени и частоты; 13 — во Всероссийском научно-исследовательском институте оптико-физических измерений, в том числе эталон канделлы; соответственно 5 и 6 — в Уральском и Сибирском научно-исследовательских институтах метрологии.
В области механики в стране созданы и используются 38 ГЭ, в том числе первичные эталоны метра, килограмма и секунды, точность которых имеет чрезвычайно большое значение, поскольку эти единицы участвуют в образовании производных единиц всех научных направлений.
Единица времени — секунда впервые определялась через период вращения Земли вокруг оси или Солнца. До недавнего времени секунда равнялась 1/86400 части солнечных средних суток. За средние солнечные сутки принимался интервал времени между двумя последовательными кульминациями "среднего" Солнца. Однако продолжительные наблюдения показали, что вращение Земли подвержено нерегулярным колебаниям, которые не позволяют рассматривать его в качестве достаточно стабильной естественной основы для определения единицы времени. Средние солнечные сутки определяются с погрешностью до 10-7 с. Эта точность совершенно недостаточна при нынешнем состоянии техники.
Проведенные исследования позволили создать новый эталон секунды, основанный на способности атомов излучать и поглощать энергию во время перехода между двумя энергетическими состояниями в области радиочастот. С появлением высокоточных кварцевых генераторов и развитием дальней радиосвязи появилась возможность реализации нового эталона секунды и единой шкалы мирового времени. В 1967 г. XIII Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение секунды как интервала времени, в течение которого совершается 9 192 631 770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения внешними полями. Данное определение реализуется с помощью цезиевых реперов частоты [36, 37]. Репер, или квантовый стандарт частоты, представляет собой устройство для точного воспроизведения частоты электромагнитных колебаний в сверхвысокочастотных и оптических спектрах, основанное на измерении частоты квантовых переходов атомов, ионов или молекул. В пассивных квантовых стандартах используются частоты спектральных линий поглощения, в активных — вынужденное испускание фотонов частицами. Применяются активные квантовые стандарты частоты на пучке молекул аммиака (так называемые молекулярные генераторы) и атомов водорода (водородные генераторы). Пассивные стандарты частоты выполняются на пучке атомов цезия (це-зиевые реперы частоты).
До июля 1997 г. государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерения времени и частоты определялись ГОСТ 8.129-83. С 1997 г. он заменен правилами межгосударственной стандартизации ПМГ 18-96 "Межгосударственная поверочная схема для средств измерений времени и частоты". Государственный первичный эталон единицы времени состоит из комплекса следующих средств измерений:
• метрологических цезиевых реперов частоты, предназначенных для воспроизведения размеров единицы времени и частоты в международной системе единиц;
• водородных стандартов частоты, предназначенных для хранения размеров единиц времени и частоты и одновременно выполняющих функцию хранителей шкал времени. Использование водородных реперов позволяет повысить стабильность эталонов. В настоящее время за период времени от 100 с до нескольких суток она не превышает (1-5)×10-14 [37];
• группы квантовых часов, предназначенных для хранения шкал времени. Квантовые часы — это устройство для измерения времени, содержащее генератор, частота которого стабилизирована кварцевым резонатором, и управляемое квантовыми стандартами частоты;
• аппаратуры для передачи размера единицы частоты в оптический диапазон, состоящей из группы синхронизированных лазеров и сверхвысокочастотных генераторов;
• аппаратуры внутренних и внешних сличений, включающей перевозимые квантовые часы и перевозимые лазеры;
• аппаратуры средств обеспечения.
Диапазон значений интервалов времени, воспроизводимых эталоном, составляет 1×10-10— 1×108 с,
9 средства измерений и их свойства
Метрологические свойства СИ — это свойства, влияющие на результат измерений и его погрешность. Показатели метрологических свойств являются их количественной характеристикой и называются метрологическими характеристиками.
Метрологические характеристики, устанавливаемые НД, называют нормируемыми метрологическими характеристиками.
Все метрологические свойства СИ можно разделить на две группы:
свойства, определяющие область применения СИ;
свойства, определяющие точность (правильность и прецизионность) результатов измерения.
К основным метрологическим характеристикам, определяющим свойства первой группы, относятся диапазон измерений и порог чувствительности.
Диапазон измерений — область значений величины, в пределах которых нормированы допускаемые пределы погрешности. Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу или сверху (слева и справа), называют соответственно нижним или верхним пределом измерений.
Порог чувствительности — наименьшее изменение измеряемой величины, которое вызывает заметное изменение выходного сигнала. Например, если порог чувствительности весов равен 10 мг, то это означает, что заметное перемещение стрелки весов достигается при таком малом изменении массы, как 10 мг.
К метрологическим свойствам второй группы относятся два главных свойства точности: правильность и прецизионность результатов.
11 Виды и методы измерений
1. Виды измерений
В зависимости от получения результата - непосредственно в процессе измерения или после измерения путем последующих расчетов - различают прямые, косвенные и совокупные измерения.
Прямые измерения - измерения, при которых искомое значение физической величины определяется непосредственно из опытных данных. Например, определение значения протекающего тока в цепи при помощи амперметра.
Косвенные измерения - измерения, при которых измеряется не сама физическая величина, а величина, функционально связанная с ней. Измеряемая величина определяется на основе прямых измерений величины, функционально связанной с измеряемой, с последующим
расчетом на основе известной функциональной зависимости. Например, измерение мощности постоянного тока при помощи амперметра и вольтметра с последующим расчетом мощности по известной зависимости Р = V*I.
Совокупные измерения - измерения нескольких однородных величин, на основании которых значения искомой величины находят путем решения системы уравнений.
Сущность измерения физических величин измерительными приборами заключается в сравнении (сопоставлении) их с однородной физической величиной, принятой за единицу. И прежде, чем производить измерения, необходимо в зависимости от требуемой точности и от наличия измерительных приборов выбрать соответствующий метод измерения.
2. Методы измерений
Метод измерения - совокупность приемов использования принципов и средств измерений.
Измерения производятся одним из двух методов: методом непосредственной оценки или методом сравнения с мерой.
Метод непосредственной оценки - метод, при котором значение искомой величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора. Пример метода
непосредственной оценки - измерение тока амперметром.
Метод сравнения с мерой - метод измерения, при котором измеряемую искомую величину сравнивают с однородной величиной, воспроизводимой мерой. Метод сравнения с мерой имеет ряд разновидностей:
- дифференциальный метод,
- нулевой метод,
- метод замещения и др.
При дифференциальном методе на измерительный прибор воздействует разность между измеряемой и образцовой величинами, воспроизводимой мерой. Чем меньше разность, тем точнее результат.
Предельным случаем дифференциального метода является нулевой метод, при котором разность доводится до нуля.
При использовании метода замещения, измеряемая
величина замещается известной величиной, воспроизводимой мерой. При этом замещение измеряемой величины производят так, что никаких измерений в схеме не происходит, то есть показания прибора будут одинаковы в обоих случаях
12 Классификация измерений
Классификация средств измерений может проводиться по следующим критериям.
1. По характеристике точности измерения делятся на равноточные и неравноточные.
Равноточными измерениями физической величины называется ряд измерений некоторой величины, сделанных при помощи средств измерений (СИ), обладающих одинаковой точностью, в идентичных исходных условиях.
Неравноточными измерениями физической величины называется ряд измерений некоторой величины, сделанных при помощи средств измерения, обладающих разной точностью, и (или) в различных исходных условиях.
2. По количеству измерений измерения делятся на однократные и многократные.
3. По типу изменения величины измерения делятся на статические и динамические.
Статические измерения – это измерения постоянной, неизменной физической величины.
Динамические измерения – это измерения изменяющейся, непостоянной физической величины.
4. По предназначению измерения делятся на технические и метрологические.
Технические измерения – это измерения, выполняемые техническими средствами измерений.
Метрологические измерения – это измерения, выполняемые с использованием эталонов.
5. По способу представления результата измерения делятся на абсолютные и относительные.
Абсолютные измерения – это измерения, которые выполняются посредством прямого, непосредственного измерения основной величины и (или) применения физической константы. Относительные измерения – это измерения, при которых вычисляется отношение однородных величин, причем числитель является сравниваемой величиной, а знаменатель – базой сравнения (единицей).
6. По методам получения результатов измерения делятся на прямые, косвенные, совокупные и совместные.
Прямые измерения – это измерения, выполняемые при помощи мер, т. е. измеряемая величина сопоставляется непосредственно с ее мерой. Примером прямых измерений является измерение величины угла (мера – транспортир).
Косвенные измерения – это измерения, при которых значение измеряемой величины вычисляется при помощи значений, полученных посредством прямых измерений.
Совокупные измерения – это измерения, результатом которых является решение некоторой системы уравнений. Совместные измерения – это измерения, в ходе которых измеряется минимум две неоднородные физические величины с целью установления существующей между ними зависимости
13 погрешности измерений
1. Целью измерения является нахождение истинного значения величины — значения, которое идеальным образом характеризовало бы в качественном и количественном отношении измеряемую величину. Однако истинное значение величины найти в принципе невозможно. Но не потому, что оно не существует — любая физическая величина, присущая конкретному объекту материального мира, имеет вполне определенный размер, отношение которого к единице является истинным значением этой величины. Это означает всего лишь непознаваемость истинного значения величины, в гносеологическом смысле являющегося аналогом абсолютной истины. Хорошим примером, подтверждающим это положение, являются фундаментальные физические константы (ФФК).
Они измеряются наиболее авторитетными научными лабораториями мира с наивысшей точностью, и затем результаты, полученные разными лабораториями, согласуются между собой. При этом согласованные значения ФФК устанавливают с таким количеством значащих цифр, чтобы при следующем уточнении изменение произошло в последней значащей цифре. Таким образом, истинные значения ФФК неизвестны, но каждое следующее уточнение приближает значение этой константы, принятое мировым сообществом, к ее истинному значению.
L на практике вместо истинного значения используют действительное значение величины — значение величины, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него.
2. Отклонение результата измерения X от истинного значения Хи (действительного значения Хд) величины называется погрешностью измерений
Вследствие несовершенства применяемых методов и средств измерений, нестабильности условий измерений и других причин результат каждого измерения отягощен погрешностью. Но, так как Хи и Хд неизвестны, погрешность 6 также остается неизвестной. Она является случайной величиной и поэтому в лучшем случае может быть только оценена по правилам математической статистики. Это должно быть сделано обязательно, поскольку результат измерения без указания оценки его погрешности не имеет практической ценности.
3. Используя различные процедуры оценивания, находят интервальную оценку погрешности 66, в виде которой чаще всего выступают доверительные границы — 23,+ 233 погрешности измерений при заданной вероятности Р. Под ними понимают верхнюю и нижнюю границы интервала, в котором с заданной вероятностью Р находится погрешность измерений 666.
1. По способу выражения их делят на абсолютные и относительные погрешности измерений.
Абсолютная погрешность измерения — погрешность, выраженная в единицах измеряемой величины. Так, погрешность ?X в формуле (2.1) является абсолютной погрешностью. Недостатком такого способа выражения этих величин является то, что их нельзя использовать для сравнительной оценки точности разных измерительных технологий. Действительно 1 = 0,05 мм при Х = 100 мм соответствует достаточно высокой точности измерений, а при Х=1 мм — низкой. Этого недостатка лишено понятие «относительная погрешность», определяемое выражением
Для характеристики точности СИ часто применяют понятие «приведенная погрешность», определяемое формулой
приведенная погрешность
где Хн — значение измеряемой величины, условно принятое за нормирующее значение диапазона СИ. Чаще всего в качестве Хн - принимают разность между верхним и нижним пределами этого диапазона.
2. По источнику возникновения погрешности измерений делят на инструментальные, методические и субъективные.
Инструментальная погрешность измерения — составляющая погрешности измерения, обусловленная несовершенством применяемого СИ: отличием реальной функции преобразования прибора от его калибровочной зависимости, неустранимыми шумами в измерительной цепи, запаздыванием измерительного сигнала при его прохождении в СИ, внутренним сопротивлением СИ и др. Инструментальная погрешность измерений разделяется на основную (погрешность измерений при применении СИ в нормальных условиях) и дополнительную (составляющая погрешности измерений, возникающая вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин от ее номинального значения или ее выхода за пределы нормальной области значений). Метод их оценивания будет рассмотрен ниже
Методическая погрешность измерений — составляющая погрещности измерений, обусловленная несовершенством метода измерений. К ней относят погрешности, обусловленные отличием принятой модели объекта измерения от реального объекта, несовершенством способа воплощения принципа измерений, неточностью формул, применяемых при нахождении результата измерений, и другими факторами, не связанными со свойствами СИ. Примерами методических погрешностей измерений являются:
• погрешности изготовления цилиндрического тела (отличие от идеального круга) при измерении его диаметра;
• несовершенство определения диаметра круглого тела как среднего из значений диаметра в двух его заранее выбранных перпендикулярных плоскостях;
• погрешность измерений вследствие кусочно-линейной аппроксимации нелинейной калибровочной зависимости СИ при вычислении результата измерений;
• погрешность статического косвенного метода измерений массы нефтепродукта в резервуаре вследствие неравномерности плотности нефтепродукта по высоте резервуара.
Субъективная (личная) погрешность измерения — составляющим погрешности измерения, обусловленная индивидуальными особенностями оператора, т. е. погрешность отсчета оператором показаний по шкалам СИ. Они вызываются состоянием оператора, несовершенством органов чувств, эргономическими свойствами СИ. Характеристики субъективной погрешности измерений определяют с учетом способности «среднего оператора» к интерполяции в пределах цены деления шкалы измерительного прибора. Наиболее известная и простая оценка этой погрешности — ее максимальное возможное значение в виде половины цены деления шкалы.
3. По характеру проявления разделяют систематические, случайные и грубые погрешности.
14 нормирование погрешностей и формы представления результатов
Для того, чтобы ориентироваться в метрологических свойствах конкретного средства измерения, чтобы заранее оценить погрешность, которую внесёт данное СрИз в результате измерения, пользуются нормированными значениями погрешности, под которыми понимают погрешность, являющуюся предельной для данного типа СрИз. При этом погрешности отдельных экземпляров СрИз одного и того же типа могут различаться, но не должны превышать указанные для них нормы. Таким образом, нормируется основная и дополнительные погрешности, которые заносятся в паспорт каждого экземпляра средств измерений.
Основной метрологической характеристикой средства измерения является класс точности, который определяет гарантированные значения основной и дополнительных погрешностей, а также другие свойства СрИз, влияющие на точность. Основные способы установления пределов допускаемых погрешностей и обозначения классов точности СрИз установлены ГОСТ.8.401-80 “ГСИ. Классы точности средств измерений”. Основная погрешность СрИз нормируется четырьмя различными способами, что обусловлено разным соотношением аддитивной и мультипликативной составляющих в общей погрешности СрИз.
15 Классификация погрешностей измерений
Представленная выше классификация погрешностей измерений связана с причинами их возникновения. Кроме этого существуют и другие признаки, по которым классифицируются погрешности.
По характеру проявления (свойствам погрешностей) они разделяются на систематические и случайные, по способам выражения - на абсолютные и относительные.
Абсолютная погрешность выражается в единицах измеряемой величины, а относительная погрешность представляет собой отношение абсолютной погрешности к измеренному (действительному) значению величины и ее численное значение выражается либо в процентах, либо в долях единицы.
Опыт проведения измерений показывает, что при многократ-ных измерениях одной и той же неизменной физической величины при постоянных условиях погрешность измерений можно представить в виде двух слагаемых, которые по-разному проявляются от измерения к измерению. Существуют факторы, постоянно или закономерно изменяющиеся в процессе проведения измерений и влияющие на результат измерений и его погрешность. Погрешности, вызываемые такими факторами, называются систематическими.
Систематическая погрешность – составляющая погреш-ности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величины. В зависимости от характера изменения систематические погрешности подразделяются на постоянные, прогрессирующие, периодические, изменяющиеся по сложному закону.
Близость к нулю систематической погрешности отражает правильность измерений.
Систематические погрешности обычно оцениваются либо путем теоретического анализа условий измерения, основываясь на известных свойствах средств измерений, либо использованием более точных средств измерений. Как правило, систематические погрешности стараются исключить с помощью поправок. Поправка представляет собой значение величины, вводимое в неисправленный результата измерения с целью исключения систематической погрешности. Знак поправки противоположен знаку величины. На возникновение погрешностей влияют также и факторы, нерегулярно появляющиеся и неожиданно исчезающие. Причем интенсивность их тоже не остается постоянной. Результаты измерения в таких условиях имеют различия, которые индивидуально непредсказуемы, а присущие им закономерности проявляются лишь при значительном числе измерений. Погрешности, появляющиеся в результате действия таких факторов, называются случайными погрешностями.
Случайная погрешность – составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) при повторных измерениях одной и той же величины, проведенных с одинаковой тщательностью.
Незначительность случайных погрешностей говорит о хорошей сходимости измерений, то есть о близости друг к другу результатов измерений, выполненных повторно одними и теми же средствами, одним и тем же методом, в одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью.
Обнаруживаются случайные погрешности путем повторных измерений одной и той же величины в одних и тех же условиях. Они не могут быть исключены опытным путем, но могут быть оценены при обработке результатов наблюдений. Деление погрешностей измерений на случайные и систематические очень важно, т.к. учет и оценка этих составляющих погрешности требует разных подходов.
Факторы, вызывающие погрешности, как правило, можно свести к общему уровню, когда влияние их на формирование погрешности является более или менее одинаковым. Однако некоторые факторы могут проявляться неожиданно сильно, например, резкое падение напряжения в сети. В таком случае могут возникать погрешности, существенно превышающие погрешности, оправданные условиями измерений, свойствами средств измерений и метода измерений, квалификацией оператора. Такие погрешности называются грубыми, или промахами.
Грубая погрешность (промах) – погрешность результата отдельного измерения, входящего в ряд измерений, которая для данных условий резко отличается от остальных значений погрешности. Грубые погрешности необходимо всегда исключать из рассмотрения, если известно, что они являются результатом очевидных промахов при проведении измерений. Если же причины появления резко выделяющихся наблюдений установить нельзя, то для решения вопроса об их исключении используют статистические методы. Существует несколько критериев, которые позволяют выявить грубые погрешности. Некоторые из них рассмотрены ниже в разделе об обработке результатов измерений.
16 МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
При измерении любой физической величины ее значение всегда получается с ошибкой.
Ошибки (или погрешности) бывают грубые, систематические и случайные.
Грубые ошибки - это неверные результаты, возникающие вследствие недосмотра экспериментатора или неисправности измерительного прибора. Этих ошибок можно избежать при внимательном наблюдении за показаниями приборов, тщательной записи отсчетов по приборам.
Систематические ошибки - могут быть связаны с ошибками приборов (неправильная шкала, неравномерно растягивающаяся пружина, неравномерный шаг микрометрического винта и т.д.) с влиянием различных физических условий (потока воздуха, разности температур и т.д.) на эксперимент. Систематические ошибки сохраняют свою величину и знак во время эксперимента. Систематические ошибки опыта могут быть устранены заменой неисправных приборов на исправные, либо изучены и скомпенсированы путем внесения поправок в результаты измерений.
Случайные ошибки - вызываются большим количеством причин, характер и величину влияния которых заранее определить нельзя (сухое трение, а также несовершенство наших органов чувств, люфт в механических приспособлениях, тряска и т.д.). Случайные ошибки меняют величину и знак от опыта к опыту. Случайные ошибки принципиально неустранимы, однако можно учесть их влияние на оценку истинного значения измеряемой величины. Для этого необходимо произвести несколько измерений, причем, чем больше измерений будет произведено, тем точнее можно будет оценить истинное значение измеряемой величины. В качестве наилучшего значения для измеренной величины обычно принимают среднее арифметическое из всех полученных результатов.
Мы будем считать, что грубые и систематические ошибки при измерениях исключены, и потому в дальнейшем будем рассматривать только случайные ошибки.