Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов и процессов с заданной точностью и достоверностью.

Л1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕТРОЛОГИИ

1.1 История измерительного дела

 

Измерения являются одним из самых древних занятий в познавательной деятельности человека. Их возникновение относится к истокам материальной культуры человека. В древнейшие времена люди обходились только счетом однородных объектов – голов скота, числа воинов и т.п. Такой счет не требовал введения понятия физической величины и установления условных единиц измерения. Не было потребности в изготовлении и использовании специальных технических средств для проведения счета. Однако по мере развития общества появилась необходимость в количественной оценке различных величин – расстояний, веса, объема, размеров и т.п. Эту оценку старались свести к счету, для чего выбирались природные и антропологические единицы.

Первоначально единицы физических величин выбирались произвольно, без каких-либо взаимосвязей. До конца XVIII века в Европе было распространено множество не согласованных между собой единиц физических величин. Так, например, расстояние измерялось:

■ Пядью (расстояние между большим и указательными пальцами) 20 см;

■ Тремя ячменными зернами, составлявшими дюйм 25,4 мм;

■ Локтями (длина руки от конца среднего пальца до локтя – этой мерой пользовались на Руси потому, что было удобно наматывать ткань на руку);

■ Волосом мула;

■ Кушаком короля;

■ Железным стержнем (туазом).

Существовало до сотни различных единиц длины – футов и свыше сотни различных единиц массы – фунтов, в каждой стране свои футы и фунты.

Понятно, что это мешало развитию торговых и культурных связей. Возникла потребность в установлении единых мер. Ведь как нет одинаковых людей, так нет и одинаковых локтей, пядей, футов («фут» – по-английски ступня, для определения этой единицы составляли цепочку из 16 человек, стоящих так, что пятка предыдущего касалась концов пальцев следующего.1/16 длины такой «цепочки» и составляла фут).

Ученые полагали, что единицы физических величин должны быть взяты непосредственно из природы. Только так они станут международными, как, например, единицы времени, с самого начала одинаковые у большинства народов. В 1790 году во Франции был утвержден Декрет о реформе мер. За единицу длины был принят метр – одна десятимиллионная часть четверти парижского меридиана (то есть расстояния от полюса до экватора), за единицу массы - килограмм – масса 1 дм3 воды при температуре 4оС. Эта метрическая система мер была первой системой связанных между собой единиц. Но она позволяла определять лишь ограниченное число величин : длину, площадь, объем , массу.

 Немецкий ученый К.Гаусс в 1832г. предложил создать совокупность взаимосвязанных единиц, охватывающую более широкий круг измерений. Он показал, что если выбрать несколько независимых друг от друга единиц, то единицы всех остальных физических величин можно определить с помощью физических законов, которые их связывают с ранее выбранными. Например, единицу скорости можно определить, если выбрать единицу длины и времени. В качестве основных Гаусс предложил единицы длины, массы и времени – миллиметр, миллиграмм и секунду.

В российской истории начало жесткой политики введения общегосударственных мер по измерительному делу можно отнести к периоду Ивана IV. По мнению его современников, задача «обеспечения единства измерений была уже решена».

К концу XVII века появляются инструменты в виде «заорленных» мер (с оттиском царского орла); появляются зачатки метрологического надзора в виде ревизий и наложения наказаний за несоблюдение правильности мер.

В конце 1736г. Сенат образовывает Комиссию мер и весов, поставив во главе ее главного директора Монетного правления графа М.Г.Головкина. Комиссия в своей работе решала задачу создания образцовых мер и определения отношения различных мер друг к другу.

11 октября 1835г. издается Указ Сената «О системе российских мер и весов», в котором были впервые утверждены «нормальные меры» - по сегодняшним понятиям эталоны. Это были эталоны длины (платиновый стержень) и массы (платиновый фунт).

В 1842г. на территории Петропавловской крепости в Санкт-Петербурге в специально построенном здании открылось первое метрологическое учреждение России – Депо образцовых мер и весов. В нем хранились эталоны и их копии, изготавливались образцовые меры для передачи в другие города, проводились сличения российских мер с иностранными. Первыми хранителями Депо стали академик Адольф Яковлевич Купфер и профессор Владимир Семенович Глухов, которые возглавили русскую метрологию. Деятельность Депо регламентировалась «Положением о мерах и весах», которое положило начало государственному подходу к обеспечению единства измерений в стране.

В 1849г. в С-Петербурге издается книга «Общая метрология», составленная Ф.И.Петрушевским, удостоенная Императорскою Академией Наук Демидовской премии. Книга содержит описание «мер, весов, монет и времяисчисления нынешних и древних народов», различные таблицы, метрологический словарь и представляет собой двухтомник общим объемом 820 страниц.

В 1875г. семнадцать государств, в том числе и Россия, на дипломатической конференции подписали метрическую конвенцию, к которой в настоящее время примкнула 41 страна мира. Согласно этой конвенции устанавливается международной сотрудничество подписавших ее стран. Для этого было создано Международное бюро мер и весов (МБМВ), находящееся в г.Севре близ Парижа. В нем хранятся международные прототипы ряда мер и эталоны единиц некоторых физических величин. Для руководства деятельностью МБМВ был утвержден Международный комитет мер и весов (МКМВ), в который вошли ученые из различных стран.

Очень много для развития отечественной метрологии сделал Д.И.Менделеев. Период с 1892 по 1917гг. называют менделеевским этапом развития метрологии. В 1893г. на базе Депо образцовых мер и весов была утверждена Главная палата мер и весов, управляющим которой до последних дней жизни был Д.И.Менделеев. Это ему принадлежат слова: «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять. Точная наука немыслима без меры». Он раньше других сумел увидеть научное будущее метрологии, понять ее огромную роль как основы измерительной техники и стремился к превращению метрологии в строгую науку. Он никогда не изменял высказанному им принципу: «…измерять все то, что может подлежать измерению, показывать численное отношение изучаемого к известному, к категориям времени и пространства, к температуре, массе и т.н., определять место изучаемого в системе известного, пользуясь как качественными, так и количественными сведениями».

В 1899г. Менделеев добился правительственного разрешения на факультативное применение метрической системы мер в России наряду со старой русской и английской (дюймовой) системами.

В 1918г. издается Декрет Совета Народных Комиссаров РСФСР «О введении Международной метрической системы мер и весов».

Идея Гаусса оказалась весьма плодотворной, но его единицы оказались неудобны для практического применения. Появились другие системы единиц, названия которых составлялись из первых букв основных единиц:

■ Система СГС – сантиметр, грамм, секунда;

■ Система МТС – метр, тонна, секунда;

■ Система МКС – метр, килограмм, секунда.

Наличие большого числа систем единиц по-прежнему создавало неудобства: усложняло технические расчеты, затрудняло изучение научных дисциплин и мешало развитию международных научно-технических связей.

Поэтому в 1960 году на XI Международной генеральной конференции по мерам и весам была утверждена новая Международная система единиц – СИ( SI ) со следующими основными единицами:

метр (м) – единица длины,

килограмм (кг) – единица массы,

ампер (А) – единица силы электрического тока,

секунда (с) – единица времени,

кельвин (К) – единица термодинамической температуры,

кандела (кд) – единица силы света,

моль (моль) – единица количества вещества.

В настоящее время на базе Главной палаты мер и весов существует высшее научное учреждение страны – Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им.Д.И.Менделеева (ВНИИМ). В лабораториях института разрабатываются и хранятся государственные эталоны единиц измерений, определяются физические константа и свойства веществ и материалов. Тематика работ института охватывает линейные, угловые, оптические и фотометрические, акустические, электрические и магнитные измерения, измерения массы, плотности, силы, давления, вязкости, твердости, скорости, ускорения и других величин.

В 1955г. под Москвой был создан второй метрологический центр – Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИФТРИ). Он разрабатывает эталоны и средства точных измерений в ряде важнейших областей науки и техники: радиоэлектронике, службе времени и частоты, акустике, атомной физике, физике низких температур и высоких давлений.

Третьим метрологическим центром России является Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы (ВНИИМС) – головная организация в области прикладной и законодательной метрологии. На него возложена координация и научно-методическое руководство метрологической службой страны.

К международным метрологическим организациям относится Международная организация законодательной метрологии (МОЗМ), образованная в 1956г. При МОЗМ в Париже работает Международное бюро законодательной метрологии, деятельностью которого руководит Международный комитет законодательной метрологии. Некоторые вопросы метрологии решает Международная организация по стандартизации ИСО ( ISO ).

 

 

1.2. Предмет метрологии

 

Процесс познания в обобщенном виде можно представить себе как определенное исследование, заканчивающееся получением качественной или количественной информации.

 

 


Обработка, хранение, передача количественной информации
Использование количественной информации

 

 

Количественная информация связана с метрологией. Слово «метрология» в переводе с греческого обозначает учение о мерах (от слов «метрон» - мера и «логос» - учение). Под мерой принято понимать вещественное воспроизведение единицы измерений.

В книге Ф.И.Петрушевского (1849г.) «Общая метрология» дается понятие: «метрология есть описание всякого рода мер по их наименованиям, подразделениям и взаимному отношению».

Общепринятое определение метрологии дано в ГОСТ 16263-70 ГСИ. Метрология. Термины и определения.

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

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.

Метрология делится на три самостоятельных и взаимодополняющих раздела:

1. Теоретическая метрология занимается изучением общих вопросов теории измерений;

2. Прикладная метрология посвящена изучению вопросов практического применения в различных сферах деятельности результатов теоретических исследований;

3. Законодательная метрология рассматривает комплексы взаимосвязанных и взаимообусловленных общих правил, требований и норм, а также другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и контроле со стороны государства, направленные на обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений.

Без измерений не может обойтись ни одна наука, поэтому метрология как наука об измерениях находится в тесной связи со всеми другими науками. Развитие науки, управление технологическими процессами немыслимы без получения количественной информации о тех или иных свойствах физических объектов. Еще Галилео Галилей писал, что «надо измерять все измеримое и делать измеримым то, что пока ещё не поддается измерению», а русский ученый Б.С.Якоби утверждал, что «искусство измерения является могущественным оружием, созданным человеческим разумом для проникновения в законы природы».

Что же такое «измерение»? Существует несколько отличающихся определений понятия измерения, однако в большинстве своем они говорят о том, что измерение – это процесс получения информации.

 Одним из наиболее существенных аспектов измерения является сбор информации; измерения производятся для того, чтобы что-то узнать об объекте измерения, то есть об измеряемой величине. Это означает, что результат измерения должен описывать то состояние или то явление в окружающем нас мире, которое мы измеряем. Между этим состоянием или явлением и результатом измерения должно существовать то или иное соотношение. Хотя получение информации очевидно, оно является лишь необходимым, но не достаточным для определения измерения: когда кто-то читает учебник, он накапливает информацию, но не выполняет измерения.

Второй аспект измерения состоит в том, что оно должно быть избирательным. Оно может снабдить нас сведениями только о том, что мы хотим измерить (об измеряемой величине), но ничего не говорит ни об одном из многих других состояний или явлений вокруг нас. Это обстоятельство тоже необходимо, но не достаточно для определения измерения. Любуясь картиной в пустой комнате, где нет ничего другого, вы получите информацию только об этой картине, но это не будет измерением.

Третьей, и также необходимой стороной дела, является тот факт, что измерение должно быть объективным. Исход измерения не должен зависеть от наблюдателя. Любой наблюдатель должен извлекать из измерения одну и ту же информацию и приходить к одним и тем же выводам. Но это почти невозможно, если наблюдатель будет пользоваться только своими собственными органами чувств. Наблюдения, выполненные с помощью наших органов чувств, в очень большой степени субъективны. Например, наше восприятие температуры сильно зависит от ощущения тепла или холода, предшествующего измерению. В этом легко убедится, пытаясь определить рукой температуру кувшина с водой. Если сначала окунуть руку в холодную воду, то вода в кувшине покажется сравнительно теплой, а если сначала опустить руку в теплую воду, то вода в кувшине покажется относительно холодной. Помимо субъективности восприятия человек-наблюдатель испытывает также затруднения от того, что существует много состояний и явлений в окружающем нас реальном мире, которые мы либо вовсе не ощущаем (например, магнитные поля), либо воспринимаем лишь качественно (например, очень низкие температуры или движение с большой скоростью). Таким образом, чтобы гарантировать объективность измерения, мы должны воспользоваться теми или иными приспособлениями (средствами, приборами). Назначение этих приборов состоит в том, чтобы преобразовать наблюдаемое состояние или явление в другое состояние или явление, которое наблюдатель уже не может истолковать неверно.

Измерением называют физический опыт, в результате которого находят численное значение измеряемой величины. Таким образом, измерение представляет собой информационный процесс, результатом которого является получение измерительной информации, т.е. количественной информации об измеряемых величинах. Объектом измерения является та или иная физическая величина.

Измерение одно из основных понятий метрологии, поэтому точное определение дано в ГОСТ 16263-70. Измерение – это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Что же такое «физическая величина»?

1.3. Физическая величина

 

Физические тела и явления отличаются друг от друга различными признаками. Так тела отличаются по цвету, форме, размерам и т.д. Тела и явления характеризуются не только их восприятием, но и с количественной стороны.

Прошло уже более 200 лет с тех пор, как удалось точно сформулировать понятие измеримой (физической величины). Введение новых единиц измерения всегда производиться в соответствии с таким пониманием измеримой величины.

Леонардо Эйлер в своем труде «Алгебра» дал приемлемое и для наших дней определение физической величины.

«1.Прежде всего называется величиной все то, что способно увеличиваться или уменьшаться, или то, к чему можно нечто прибавить или от чего можно нечто отнять.

2.Существует очень много разного рода величин, которые не поддаются счету, и от них происходят различные разделы физики, каждый из которых имеет дело со своим особым родом величин. Физика есть не что иное, как наука о величинах, занимающаяся нахождением средств как измерить последние.

 3.Однако, невозможно определить или измерить одну величину иначе, как приняв в качестве известной другую величину этого же рода и указав отношение, в котором она находиться к ней.

4.При определении или измерении величин всякого рода мы приходим, следовательно, к тому, что прежде всего устанавливается некоторая известная величина этого же рода, именуемая мерой или единицей и зависящая исключительно от нашего произвола. Затем определяется, в каком отношении находится данная величина к той мере, что всегда выражается через число, так что число является не чем иным, как отношением, в котором одна величина находится в другой, принятой за единицу.»

Определение физической величины, единицы и численного значения, данные Эйлером, и сегодня остаются актуальными, лишь теперь нам известно намного больше физических величин, чем во времена Эйлера.

ГОСТ 16263-70 определяет физическую величину как свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам (физическим системам, их состояниям и происходящим в них процессам), но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта. Так, физическими величинами являются масса, расстояние, давление, сила, электрическое сопротивление и др.

Очевидно, что не все физические свойства реальных объектов являются физическими величинами. К таким физическим свойствам относятся, например, форма тела или фигуры, запах, цвет. Указанные физические свойства не относятся к физическим величинам и не могут быть измерены. Поэтому физические величины иногда определяют как физические свойства, поддающиеся измерению.

Для более детального изучения физические величины необходимо классифицировать, выявить общие метрологические особенности их отдельных групп.

I. По видам явлений физические величины делятся на:

1) вещественные,т.е. описывающие физические и физико-химические свойства веществ, материалов и изделий из них. К этой группе относятся масса, плотность, электрическое сопротивление, емкость, индуктивность и др. Иногда указанные физические величины называют пассивными, т.к. для их измерения требуется дополнительный источник энергии для преобразование их в активные;

2) энергетические (активные), т.е. величины, описывающие энергетические характеристики процессов преобразования, передачи и использования энергии. К ним относятся ток, напряжение, мощность, энергия. Эти величины могут быть преобразованы в сигналы измерительной информации без дополнительного источника энергии.

II . По принадлежности к различным группам физических процессов:

1) пространственно-временные;

2) механические;

3) тепловые;

4) электрические и магнитные;

5) акустические;

6) световые;

7) физико-химические и др.

III. По степени условной независимости от других величин данной группы физические величины делятся на основные (условно независимые), производные (условно зависимые) и дополнительные.

Из определения измерения следует, что для получения измерительной информации необходимо сравнить измеряемую величину с физически однородной ей величиной известного размера. Для числового представления результата сравнения используется единица измерения.

 Единица измерения это физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение, равное единице.

При выбранной единице измерения результат сравнения можно записать в виде формул

Q / [ q ] = a,            (1.1)

               

где Q - измеряемая величина;

  q - единица измерения;

  a - числовое значение измеряемой величины в принятых               единицах измерения.

Эта формула, записанная в виде 

Q = a [ q ],                (1.2)

называется основным уравнением измерения.  

Оценка физической величины в виде некоторого числа принятых для неё единиц называется значением физической величины.

При выбранной единице измерения физическая величина как объективно существующее свойство объекта может быть охарактеризована истинным её значением.

Истинное значение физической величины – значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. Определить экспериментально истинное значение физической величины невозможно, оно остается неизвестным экспериментатору. В связи с этим при необходимости вместо истинного значения физической величины используют её действительное значение.

Действительное значение физической величинызначение физической величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него.

В используемой ныне международной системе единиц 7 основных единиц: метр, килограмм, ампер, секунда, кельвин, канделе, моль.

Единицы, образующиеся по законам, устанавливающим связь между физическими величинами, называют производными. При образовании производных единиц СИ, как правило, полученная единица имеет наименование, состоящее из наименований соответствующих основных единиц. Так, единица скорости (м/с) устанавливается из уравнения

v = s / t                 (1.3)

где   s– путь, м;

     t - время, с.

В некоторых случаях для выражения производных единиц СИ приняты собственные наименования, которые даны по именам ученых (Дж – джоуль, Вт – ватт).

Совокупность основных и производных единиц образует систему единиц.

Единицы, которые не относятся ни к основным, ни к производным, называются дополнительными (радиан, стерадиан).

Отношение физической величины к одноименной физической величине называется относительной величиной, а логарифм такого отношения логарифмической величиной. К таким величинам относятся коэффициент усиления и затухания, добротность колебательного контура, КПД и др.. К относительным величинам можно отнести также геометрические и фазовые углы. Относительные величины выражаются в процентах 1%=10-2; промилле 1‰=10-3 и т.д.. Единицами логарифмических величин являются децибел (дБ), октава (окт), декада (дек) и др..

Единицы, которые не входят ни в одну из систем, называются внесистемными (например, литр – л, тонна – т, вольт-ампер – В·А).

Размеры единиц СИ для многих случаев практики или слишком велики, или очень малы. Поэтому во многих случаях пользуются кратными единицами – единицами, которые в целое число раз больше системной или внесистемной, либо дольными единицами - единицами, которые в целое число раз меньше системной или внесистемной.

Важнейшими преимуществами системы СИ перед остальными являются её универсальность, унифицированность и согласованность основных единиц с производными.

Универсальность системы СИ заключается в том, что она охватывает все виды измерений в любой области науки и позволяет полностью отказаться от остальных систем и внесистемных единиц.

Унифицированность– в том, что она позволяет использовать одни и те же единицы для измерения различных видов однородных физических величин (например, джоуль – единица работы, механической энергии, электрической энергии и количества теплоты.).

Согласованность основных единиц с производными заключается в том, что можно получать все производные единицы из основных делением или умножением без введения числовых коэффициентов, что упрощает запись уравнений и формул в различных областях науки и техники.

 

 

1.4. Шкалы

 

Чтобы уяснить, что понимается в метрологии под понятием измерение, рассмотрим типы шкал, на основе которых формируется представление об объекте. Шкала измерений – это упорядоченная совокупность значений физической величины, которая служит основой для её измерений.

Различают 4 типа шкал: шкала наименований, шкала порядка, шкала интервалов и шкала отношений.

I. Шкала наименований основана на приписывании объекту цифр (знаков), играющих роль простых имен. Это приписывание служит для нумерации предметов только с целью их идентификации. С цифрами, используемыми как специфические номера нельзя выполнять никаких арифметических действий (R2 и R6 – резисторы, но об их сопротивлениях ничего неизвестно).

II. Шкала порядка предполагает упорядочение объектов относительно какого-то определенного их свойства, т.е. расположение их в порядке убывания или возрастания данного свойства. Полученный при этом упорядоченный ряд называют ранжированным рядом, а саму процедуру – ранжированием. Ранжированный ряд может дать ответы на вопросы типа что больше (меньше) или что лучше (хуже), более подробной информации нет. Результаты оценивания по шкале порядка не могут подвергаться никаким арифметическим действиям. Примеры: шкала скорости ветра в баллах Бофорта, шкала интенсивности землетрясений по шкале Рихтера, твердость минералов и т.д.

III. Шкала интервалов отличается от натуральной тем, что для ее построения вначале устанавливают единицу физической величины, сами же значения остаются неизвестными. Примерами таких шкал являются шкалы температур. На температурной шкале Цельсия за начало отсчета выбрана температура таяния льда. Для удобства пользования интервал между температурой кипения воды и началом отсчета разделен на 100 равных интервалов – градусов. Результаты измерений по шкале интервалов можно складывать друг с другом и вычитать друг из друга, т.е. определять, на сколько одно значение больше или меньше другого. Определить по шкале интервалов во сколько раз одно значение величины больше или меньше другого, невозможно, т.к. на шкале не определено начало отсчета физической величины. Интервалы (разности) можно сравнить. Разность температур в 20 градусов больше разность температур в 10 градусов в 2 раза.

IV. Шкала отношений представляет собой интервальную шкалу с естественным началом. Примером такой шкалы может быть температурная шкала с точкой отсчета в точке абсолютного нуля. Такая шкала охватывает интервал от 0 до ∞. По ней можно не только определить на сколько Т12, но и во сколько раз Т1 больше Т2. Шкала отношений является самой совершенной, наиболее информативной. Результаты измерений по шкале отношений можно складывать между собой, вычитать, перемножать, делить.

 


Дата добавления: 2021-05-18; просмотров: 154; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:




Мы поможем в написании ваших работ!