ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТРОЛОГИИ. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ И ПОГРЕШНОСТИ

Определение и классификация измерений, методов и средств измерений. Единицы физических величин

Федеральный закон «Об обеспечении единства измерений» от 27.04.1993 осуществляет регулирование отношений, связанных с обеспечением единства измерений в Российской Федерации, в соответствии с Конституцией РФ.

Основные статьи Закона устанавливают:

  • • основные понятия, применяемые в Законе;
  • • организационную структуру государственного управления обеспечением единства измерений;
  • • нормативные документы по обеспечению единства измерений;
  • • единицы величин и государственные эталоны единиц величин;
  • • средства и методики измерений.

Закон определяет Государственную метрологическую службу и другие службы обеспечения единства измерений, метрологические службы государственных органов управления и юридических лиц, а также виды и сферы распределения государственного метрологического контроля и надзора.

Отдельные статьи Закона содержат положения по калибровке и сертификации средств измерений и устанавливают виды ответственности за нарушение Закона.

Становление рыночных отношений наложило отпечаток на статью Закона, которая определяет основы деятельности метрологических служб государственных органов управления и юридических лиц. Вопросы деятельности структурных подразделений метрологических служб на предприятиях стимулируются чисто экономическими методами.

В тех сферах, которые не контролируются государственными органами, создается Российская система калибровки, также направленная на обеспечение единства измерений. Госстандарт РФ назначил центральным органом Российской системы калибровки Управление технической политики в области метрологии.

Положение о лицензировании метрологической деятельности направлено на защиту прав потребителей и охватывает сферы, подлежащие государственному метрологическому контролю и надзору. Право выдачи лицензии предоставлено исключительно органам Государственной метрологической службы.

Закон создает условия для взаимодействия с международной и национальными системами измерений зарубежных стран. Это прежде всего необходимо для взаимного признания результатов испытаний, калибровки и сертификации, а также для использования мирового опыта и тенденций в современной метрологии.

Вопросами теории и практики обеспечения единства измерений занимается метрология. Метрология — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Метрология имеет большое значение для прогресса естественных и технических наук, так как повышение точности измерений — одно из средств совершенствования путей познания природы человеком, открытий и практического применения точных знаний.

Для обеспечения научно-технического прогресса метрология должна опережать в своем развитии другие области науки и техники, ибо для каждой из них точные измерения являются одним из основных путей их совершенствования.

Основными задачами метрологии являются:

  • • установление единиц физических величин, государственных эталонов и образцовых средств измерений;
  • • разработка теории, методов и средств измерений и контроля; обеспечение единства измерений;
  • • разработка методов оценки погрешностей, состояния средств измерения и контроля;
  • • разработка методик передачи размеров единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочим средствам измерений.

Измерением называется совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения измеряемой величины с ее единицей (сравнение) и получение значения этой величины. Измерения должны выполняться в общепринятых единицах.

Метрологическое обеспечение (МО) — установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений.

В перечень основных задач метрологического обеспечения в технике входят:

  • • определение путей наиболее эффективного использования научных и технических достижений в области метрологии;
  • • стандартизация основных правил, положений, требований и норм метрологического обеспечения;
  • • согласование приборов и методов измерения, проведение совместных измерений с помощью отечественной и зарубежной аппаратуры (интеркалибрация);
  • • определение рациональной номенклатуры измеряемых параметров, установление оптимальных норм точности измерений, порядка выбора и назначений средств измерений;
  • • организация и проведение метрологической экспертизы на стадиях разработки, производства и испытаний изделий;
  • • разработка и применение прогрессивных методов измерений, методик и средств измерений;
  • • автоматизация сбора, хранения и обработки измерительной информации;
  • • осуществление ведомственного контроля за состоянием и применением на предприятиях отрасли образцовых, рабочих и нестандартизованных средств измерений;
  • • проведение обязательных государственной или ведомственной поверок средств измерений, их ремонта;
  • • обеспечение постоянной готовности к проведению измерений;
  • • развитие метрологической службы отрасли и др.

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.

Единица измерения должна быть установлена для каждой из физических величин, при этом необходимо учитывать, что многие физические величины связаны между собой определенными зависимостями. Поэтому лишь часть физических величин и их единиц может определяться независимо от других. Такие величины называют основными. Производная физическая величина — физическая величина, входящая в систему физических величин и определяемая через основные физические величины этой системы.

Совокупность физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины принимают за независимые, а другие определяют как функции независимых величин, называется системой единиц физических величин. Единица основной физической величины является основной единицей системы. Международная система единиц (система СИ; SI — от франц. Systeme International — The International System of Units) была принята XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 г.

В основу системы СИ положены семь основных и две дополнительные физические единицы. Основные единицы: метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела (табл. 1.1).

Метр — длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1/299 792 458 секунды.

Килограмм — единица массы, определяемая как масса международного прототипа килограмма, представляющего собой цилиндр из сплава платины и иридия.

Секунда равна 9 192 631 770 периодам 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 м один от другого в вакууме, вызывал бы силу взаимодействия, равную 2 • 10“7 Н (ньютон) на каждом участке проводника длиной 1 м.

Таблица 1.1. Единицы Международной системы СИ

Величина

Единица

Наименование

Размерность

Наименование

Обозначение

международное

русское

Основные единицы

Длина

1

метр

т

м

Масса

м

килограмм

кё

кг

Время

Т

секунда

8

с

Сила электрического тока

I

ампер

А

А

Температура

0

кельвин

К

к

Количество

вещества

N

моль

тої

моль

Сила света

}

кандела

ССІ

кд

Дополнительные единицы

Плоский угол

радиан

гас!

рад

Телесный угол

стерадиан

ЯГ

ср

Кельвин — единица термодинамической температуры, равная 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды, т. е. температуры, при которой три фазы воды — парообразная, жидкая и твердая — находятся в динамическом равновесии.

Моль — количество вещества, содержащее столько же структурных элементов, сколько содержится в образце углерода-12 массой 0,012 кг.

Кандела — сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540 • 1012 Гц, чья энергетическая сила излучения в этом направлении составляет '/683 Вт/ср (ср — стерадиан).

Дополнительные единицы системы СИ предназначены и используются для образования единиц угловой скорости, углового ускорения. К дополнительным физическим величинам системы СИ относят плоский и телесный углы.

Радиан {рад) — угол между двумя радиусами окружности, длина дуги которой равна этому радиусу. В практических случаях часто используют такие единицы измерения угловых величин:

градус — 1° = 2л/360 рад = 0,017453 рад;

минута — 1' = 1°/60 = 2,9088 • 10 4 рад;

секунда — 1" = Г/60 = 1°/3600 = 4,8481 • 10“6 рад;

радиан - 1 рад = 57°17'45" = 57,2961° = (3,4378 • 103)' = (2,0627 • 105)".

Стерадиан {ср) — телесный угол с вершиной в центре сферы, вырезающий на ее поверхности площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.

Производные единицы системы СИ образуют из основных и дополнительных единиц. Производные единицы бывают когерентными и некогерентными. Когерентной называют производную единицу величины, связанную с другими единицами системы уравнением, в котором числовой множитель — единица (например, скорость и равномерного прямолинейного движения связана с длиной пути / и временем t соотношением и = //г). Остальные производные единицы — некогерентные. В табл. 1.2 приведены основные производные единицы.

Размерность физической величины — одна из важнейших ее характеристик, которую можно определить как буквенное выражение, отражающее связь данной величины с величинами, принятыми за основные в рассматриваемой системе величин. В табл. 1.2 для величин приняты следующие размерности: для длины — Ь, массы — М, времени — Т, силы электрического тока — I. Размерности записывают прописными буквами и печатают прямым шрифтом.

Среди получивших широкое распространение внесистемных единиц отметим киловатт-час, ампер-час, градус Цельсия и т. д.

Сокращенные обозначения единиц, как международных, так и русских, названных в честь великих ученых, пишутся с заглавных букв; например ампер — А; ом — Ом; вольт — В; фарад — Ф. Для сравнения: метр — м, секунда — с, килограмм — кг.

Применение целых единиц не всегда удобно, так как в результате измерений получаются слишком большие или малые их значения. Поэтому в системе СИ установлены десятичные кратные и дольные единицы, которые образуются с помощью множителей. Десятичным множителям соответствуют приставки

Таблица 1.2. Производные единицы СИ

Величина

Единица

Наименование

Размерность

Наименование

Обозначение

международное

русское

Частота

Т-1

герц

Нг

Гц

Энергия, работа, количество теплоты

Ь2МТ-2

джоуль

1

Дж

Сила, вес

ЬМТ-2

НЬЮТОН

N

н

Мощность, поток энергии

Ь2МТ-3

ватт

у

Вт

Количество электричества

Т1

кулон

с

Кл

Электрическое напряжение, электродвижущая сила (ЭДС), потенциал

имт-зн

вольт

V

в

Электрическая емкость

Ь-2М >Т412

фарад

и

ф

Электрическое сопротивление

Ь2МТ-31-2

ом

о

Ом

Электрическая проводимость

Ь-2м-1Т312

сименс

5

См

Магнитная индукция

МТ-2І-'

тесла

т

Тл

Поток магнитной индукции

Ц2МТ-21-1

вебер

шь

Вб

Индуктивность, взаимная индуктивность

Ь2МТ-21-2

генри

н

Гн

(табл. 1.3), которые пишутся слитно с наименованием основной или производной единицы, например: километр (км), милливольт (мВ), мегагерц (МГц), наносекунда (нс).

Если физическая единица в целое число раз больше системной, она называется кратной единицей, например килогерц (103 Гц). Дольная единица физической величины — единица, меньшая системной в целое число раз, например, микрогенри (КГ6 Гн).

Мерой физической величины или просто мерой называют средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных

Таблица 1.3. Множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц СИ

Множитель

Приставка

Обозначение приставки

международное

русское

1018

экса

Е

э

ю15

пета

Р

п

1012

тера

Т

т

ю9

гига

в

г

106

мега

М

м

103

кило

к

к

ю2

гекто

г

10'

дека

с1а

да

10-!

деци

СІ

Д

10-2

санти

с

с

го о

милли

ш

м

чО о

микро

ц

мк

10-9

нано

п

н

10->2

пико

р

п

40 о

фемто

і

ф

ос

о

атто

а

а

единицах и известны с необходимой точностью. Различают следующие разновидности мер:

  • однозначная мера — мера, воспроизводящая физическую величину одного размера (например, гиря 1 кг);
  • многозначная мера — мера, воспроизводящая физическую величину разных размеров (например, штриховая мера длины);
  • набор мер — комплект мер одной и той же физической величины, но разного размера, предназначенных для применения на практике, как в отдельности, так и в различных сочетаниях (например, набор концевых мер длины);
  • магазин мер — набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях (например, магазин электрических сопротивлений).

Электроизмерительными приборами называют средства электрических измерений, предназначенные для выработки информации о значениях измеряемой величины, в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем, например амперметр, вольтметр, ваттметр, фазометр.

Измерительными преобразователями называют средства электрических измерений, предназначенные для выработки измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки или хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Измерительные преобразователи можно разделить на два вида:

  • • преобразователи электрических величин в электрические, например шунты, делители или усилители напряжения, трансформаторы;
  • • преобразователи неэлектрических величин в электрические, например термоэлектрические термометры, терморезисторы, тензорезисторы, индуктивные и емкостные преобразователи.

Электроизмерительная установка состоит из ряда средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, расположенных в одном месте. При помощи таких установок можно в ряде случаев производить более сложные и более точные измерения, чем при помощи отдельных измерительных приборов. Электроизмерительные установки широко используются, например, для поверки и градуировки электроизмерительных приборов и испытаний различных материалов, используемых в электротехнических конструкциях.

Измерительные информационные системы представляют собой совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи. Они предназначены для автоматического получения, передачи и обработки измерительной информации от многих источников.

В зависимости от способа получения результата измерения делятся на прямые и косвенные.

Прямыми называются измерения, результат которых получается непосредственно из опытных данных. Примеры прямых измерений: измерение тока амперметром, длины детали микрометром, массы на весах.

Косвенными называются измерения, при которых искомая величина непосредственно не измеряется, а ее значение находится на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. Например, мощность Р в цепях постоянного тока вычисляют по формуле Р= Ш, напряжение и в этом случае измеряют вольтметром, а ток / — амперметром.

В зависимости от совокупности приемов измерений все методы делятся на методы непосредственной оценки и методы сравнения.

Под методом непосредственной оценки понимают метод, по которому измеряемая величина определяется непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия, т. е. прибора, осуществляющего преобразование измерительного сигнала в одном направлении (без применения обратной связи), например измерение тока амперметром. Метод непосредственной оценки прост, но отличается относительно низкой точностью.

Методом сравнения называют метод, по которому измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой. Отличительной чертой метода сравнения является непосредственное участие меры в процессе измерения, например измерение сопротивления путем сравнения его с мерой сопротивления — образцовой катушкой сопротивления, измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями. Методы сравнения обеспечивают большую точность измерения, чем методы непосредственной оценки, но это достигается за счет усложнения процесса измерения.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >