Лекция №1 Метрология как наука. Основные понятия метрологии. Физические величины и их единицы. Уравнение связи между величинами

Тема 1.1. Метрология, основные понятия

Метрология: (от греческого Μέτρο - мера и λόγος - слово, учение, рассуждение, понятие) - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. [1]

Основной задачей метрологии является обеспечение единства и точности измерений.

До середины 19 века носила описательный характер далее, в связи с потребностями практики, стала приобретать черты науки основанной на развитом математическом аппарате. Одним из основателей современной метрологии является Д.И. Менделеев, с 1892 г. он руководил «Депо образцовых гирь и весов», в дальнейшем — «Главная палата мер и весов».

Метрология состоит из трех разделов теоретического, законодательного и практического.

Теоретическая метрология разрабатывает основы метрологии, поэтому иногда её называют фундаментальной.

Законодательная метрология устанавливает обязательные технические и юридические требования по применению единиц физических величин, эталонов, методов и средств измерений.

Предметом практической метрологии являются вопросы применения 2-х предыдущих разделов.

Основными понятиями метрологии являются:

- физическая величина;

- измеряемая физическая величина;

- размер физической величины;

- значение физической величины;

- числовое значение физической величины;

- истинное значение физической величины;

- действительное значение физической величины;

- измерение физической величины.

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[2].

В "Международном словаре основных и общих терминов метрологии" (VIM-93) применено понятие величина (измеримая), раскрываемое как "характерный признак (атрибут) явления, тела или вещества, которое может выделяться качественно и определяться количественно"

Измеряемая физическая величина

Физическая величина, подлежащая измерению, измеряемая или измеренная в соответствии с основной целью измерительной задачи.

Размер физической величины

Количественная определенность физической величины, присущая конкретному материальному объекту, системе, явлению или процессу.

Значение физической величины

Выражение размера физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц.

Числовое значение физической величины

Отвлеченное число, входящее в значение величины.

Истинное значение физической величины

Значение физической величины, которое идеальным образом характеризует в качественном и количественном отношении соответствующую физическую величину.

Действительное значение физической величины

Значение физической величины, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него.

Измерение физической величины [3]

Если физическая величина не измеряется, но влияет на размер измеряемой величины и (или) результат измерений она называется влияющей, а если при измерении используется в качестве вспомогательной, то носит название физического параметра[4].

Физические величины сведены в систему физических величин, в настоящее время систему СИ (Systeme International d'Unites)[5].

Система физических величин определяется как совокупность физических величин образованная по следующему принципу: одни величины определяются, как основные и независимые, все остальные образуются, как производные от них.

В системе СИ семь основных физических величин[6]

Физическая величина	Символ	Наименование	Единица измерения
Длина	L	метр	м
Масса	M	килограмм	кг
Время	T	секунда	с
Температура	Θ	Кельвин	К
Сила тока	I	Ампер	А
Сила Света	J	кандела	кд
Количество вещества	N	моль	моль

Для пяти единиц (метр, килограмм, секунда, кельвин и кандела) реализованы эталоны в соответствии с определением этих величин. Эталон Ампера представляет собой источник электрического потенциала. Эталон моля — не создан т.е. его нет.

Для расширения диапазона использования величин используют дольные и кратные приставки (санти..., милли..., кило... и т.п.)

Размерность производных физических величин выражается в форме степенного одночлена, составленного из произведений символов основных физических величин в различных степенях и отражающее связь данной физической величины с физическими величинами, принятыми в данной системе величин за основные с коэффициентом пропорциональности, равным 1. Размерность обозначается - dim.

Пример №1

Определить размерность линейной скорости.

Решение

- Запишем уравнение связи (т.е уравнение, отражающее связь между величинами, обусловленную законами природы, в котором под буквенными символами понимают физические величины)

V=l/t

- определим размерность линейной скорости

dim V = [l]/[t]=»LT^-1

Пример №2

Определить размерность линейного ускорения

(решение аналогично)

Ответ: dim a = LT^-2

Пример №3

Определить размерность силы

Ответ: dim F=LMT^-2; 1Ньютон=кг*M/c²

Пример №4

Определить размерность мощности

Ответ: L²MT^-3

1Ватт=1Дж/c=кг*м²/c³

Задачи для самостоятельного решения

Определить размерность	Ответ
Давления (Паскаль)	L^-1MT^-2
Работы (Джоуль)	L^2MT^-2
Электрического напряжения (Вольт)	L^2MT^-3I^-1
Электрического сопротивления (Ом)	L^2MT^-3I^-2
Электрической проводимости (Сименс)	L^-2M^-1T^3I^2

Тема 1.2. Методы и средства проведения измерений

Лекция №2 Методы и средства проведения измерений. Классификация и основные характеристики измерений

Измерение физической величины это, совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины.

Примеры:

- прикладывая линейку с делениями к какой-либо детали, сравнивают ее размер с единицей, хранимой линейкой, и, произведя отсчет, получают значение величины (длины, высоты, толщины и других параметров детали);

- c помощью измерительного прибора сравнивают размер величины, преобразованной в перемещение указателя, с единицей, хранимой шкалой этого прибора, и проводят отсчет.

Метод измерений это прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений

(метод измерений обычно обусловлен устройством средств измерений).

Метод непосредственной оценки	Метод измерений, при котором значение величины определяют непосредственно по показывающему средству измерений.
Метод сравнения	Метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.
Нулевой метод измерений	Метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля. Пример - Измерения электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием.
Метод измерений замещением	Метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины. Пример - Взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов (метод Борда).
Метод дополнения	Метод сравнения с мерой, в котором значение измеряемой величины дополняется мерой этой же величины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению.
Дифференциальный метод	Метод измерений, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, и при котором измеряется разность между этими двумя величинами.
Контактный метод	Метод измерений, основанный на том, что чувствительный элемент прибора приводится в контакт с объектом измерения.
Бесконтактный метод	Метод измерений, основанный на том, что чувствительный элемент средства измерений не приводится в контакт с объектом измерения.

Измерения осуществляются специальными средствами т.е. средствами, предназначенными для измерений, имеющими нормированные метрологические характеристики, воспроизводящие и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.

Средство измерения должно:

- хранить (или воспроизводить) единицу физической величины;

- сохранять её размер.

Эти факторы обусловливают возможность выполнения измерения (сопоставление с единицей), т.е. "делают" техническое средство средством измерений. Если размер единицы в процессе измерений изменяется более чем установлено нормами, таким средством нельзя получить результат с требуемой точностью. Это означает, что измерять можно лишь тогда, когда техническое средство, предназначенное для этой цели, может хранить единицу, достаточно неизменную по размеру (во времени).

При оценивании величин по условным шкалам, шкалы выступают как бы "средством измерений" этих величин.

Особыми средствами измерений являются меры.

Мера - средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных 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 разного размера одной и той же физической величины, 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).

Измерения делятся на:

Равноточные	Ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью.
Неравноточные	Ряд измерений какой-либо величины, выполненных различающимися по точности средствами измерений и (или) в разных условиях.
Однократные	Измерение, выполненное один раз.
Многократные	Измерение физической величины одного и того же размера, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений, т.е. состоящее из ряда однократных измерений.
Статические	Измерение физической величины, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения.
Динамические	Измерение изменяющейся по размеру физической величины.
Абсолютные	Измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант.
Относительные	Измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерение изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.
Прямые	Измерение, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно.
Косвенные	Определение искомого значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной.
Совокупные	Проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях.
Совместные	Проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для определения зависимости между ними.

Основной характеристикой измерения является его точность под которой понимается близость к нулю погрешности измерений[7], чем меньше погрешность, тем выше точность.

Дата добавления: 2015-04-30