Введение. Некоммерческое акционерное общество

МЕТРОЛОГИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ

Некоммерческое акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра Инженерной кибернетики

конспект лекции

для студентов специальности

5В070200 – Автоматизация и управление

Алматы 2010

СОСТАВИТЕЛИ: С.Г. Хан. Метрология и измерения. Конспект лекций (для студентов всех форм обучения специальности В5070200 - Автоматизация и управление).- Алматы: АУЭС, 2010.- 66 с.

Настоящий конспект лекций составлен на основании рабочей программы в помощь студентам при изучении теоретического материала по метрологии и измерениям и включает двенадцать тем. В конце каждой темы приведены ссылки на дополнительную литературу для более глубокого освоения предмета. Электронные варианты лекционного материала размещены на серверах компьютерных классов кафедры «Инженерная кибернетика».

Конспект лекций предназначен для студентов специальности В5070200 - Автоматизация и управление.

Ил.26, табл.7, библиогр. – 16 назв.

Рецензент: канд. техн. наук, проф. Ибраева Л.К.

Печатается по плану издания Алматинского института энергетики и связи на 2010 г.

© Алматинский университет энергетики и связи, 2010 г.

Содержание
Введение
1 Лекция. Введение. Метрология – научная основа Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ)
2 Лекция. Основные виды и методы измерений
3 Лекция. Погрешности измерений
4 Лекция. Погрешности измерений (продолжение)
5 Лекция. Основные сведения о средствах измерений
6 Лекция. Основные метрологические характеристики средств измерений
7 Лекция. Измерения силы токов и напряжений
8 Лекция. Средства измерений силы токов и напряжений
9 Лекция. Измерения мощности, энергии и количества электричества
10 Лекция. Измерения частоты, временных интервалов и фазы
11 Лекция. Измерения параметров цепей постоянного тока
12 Лекция. Измерительные информационные системы
Приложение А
Приложение Б
Приложение В
Приложение Г
Приложение Д
Приложение Е
Приложение Ж
Приложение З
Приложение И
Список литературы

Измерения являются одним из важнейших путей познания природы. Они дают количественную информацию об интересующих нас объектах и явлениях, а также позволяют устанавливать действующие в природе закономерности.

Все отрасли науки и техники не могли бы существовать без измерений. Метрология способствует развитию всех областей естественных наук. В то же время можно отметить и обратное: успехи в естественных науках, в технике, в развитии технологий способствует прогрессу в метрологии. С развитием науки и техники совершенствуются средства измерений, а это означает, что повышается точность измерений, расширяется их диапазон, и это, в свою очередь, создает условия для развития технологий, совершенствования средств производства, получения новых, более точных научных знаний и т.д. таким образом, метрология и другие естественные науки и техника взаимосвязаны.

Цель преподавания дисциплины «Метрология и измерения» состоит в формировании у студентов того минимума знаний в области метрологии и измерений, позволяющего в дальнейшем молодому специалисту совершенствоваться, самостоятельно принимать технические решения на международном, региональном и национальном уровнях, а также навыков применения методов и практических основ курса при расчете погрешностей средств измерений, суммарных погрешностей измерительных каналов.

Дисциплина «Метрология и измерения» изучается студентами специальности «Автоматизация и управление» на 2 курсе в пакете базовых дисциплин. Знания материала данной дисциплины для будущих специалистов (бакалавров, инженеров) технического профиля, связанных с разработкой или обслуживанием различного оборудования или средств измерительной техники, на наш взгляд является необходимыми. Рабочая программа дисциплины «Метрология и измерения» включает большой объем теоретического и практического материала. Однако ограниченность аудиторных часов не позволяет в полной мере изложить необходимую информацию, поэтому большая часть материала изучается студентами в рамках самостоятельной работы (СРСП).

Предлагаемый конспект лекций составлен в соответствии с рабочей программой дисциплины и содержит двенадцать тем. Следует обратить внимание, что предлагаемое издание является лишь кратким конспектом лекций и не может содержать всех необходимых сведений. Основные определения в тексте выделены полужирным шрифтом и курсивом. Электронный вариант конспекта лекций можно найти в электронной библиотеке АУЭС (aipet.kz). Для успешного и всестороннего освоения материала следует воспользоваться и другими источниками.

1 Лекция. Введение. Метрология – научная основа Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ)

Содержание лекции:

- роль дисциплины «Метрология и измерения» в подготовке бакалавров по автоматизации и ее связь с другими дисциплинами; обеспечение единства измерений; законодательная, фундаментальная и практическая метрология; Международная система единиц физических величин.

Цель лекции:

- изучить основные цели и задачи обеспечения единства измерений, определения и понятия современной метрологии, основные статьи Закона «Об обеспечении единства измерений».

Казахстан вошел в рыночную экономику. Чтобы стать равноправным участником мирового хозяйства и международных экономических отношений, необходимо совершенствование национальной экономики с учетом мировых достижений и тенденций. Что тормозит интеграцию Казахстана в цивилизованное экономическое производство? Это: 1) отставание национальной системы стандартизации и сертификации; 2) обеспечение только единства измерений; 3) пережитки планового хозяйства СССР; 4) трудности отечественных предприятий в условиях современной конкуренции не только на внешних рынках, но и на внутреннем рынке.

В связи с тем, что невозможно механическое перенесение зарубежного опыта в условия отечественного производства, нашим специалистам необходимо знать его и иметь достаточно широкий кругозор, чтобы творчески подходить к выработке и принятию новых прогрессивных решений, позволяющих производить продукцию, услуги, которые можно реализовывать в стране или за рубежом на должном уровне. Для этого чрезвычайно важны знания в области метрологии, стандартизации и сертификации для специалистов не только производственной сферы, но и для специалистов по реализации продукции, менеджеров, маркетологов. Эти знания важны для внедрения достижений науки и техники в производство, чтобы использовать возможности и преимущества стандартизации и сертификации при создании конкурентоспособных изделий.

Необходимость знаний по метрологии и измерениям современным специалистам доказывается введением этой дисциплины в учебный план специальности. Для определения места данной дисциплины среди других дисциплин, изучаемых студентами специальности «Автоматизация и управление», рассмотрим структурную схему автоматизированной системы управления технологическими процессами (АСУ ТП), приведенную в приложении А, с точки зрения изучения отдельных ее блоков различными дисциплинами. На объект автоматизации (ОА), которым может быть любой участок технологического процесса, подаются сырье, реагенты, а также воздействуют различные внешние воздействия (ВВ), например температура окружающей среды, вибрация, давление и т.п. На выходе ОА получают различные продукты производства. Измерительную информацию об ОА для формирования процесса автоматизации получают с помощью средств измерений – датчиков (Д) и вторичных приборов (ВП). Современные производства характеризуются значительной сложностью и мощностью технологических аппаратов, большим числом различных параметров, которые необходимо снять (измерить). Измерения осуществляются с помощью специальных технических средств, различных по сложности и принципам действия, которые называются измерительными устройствами, установками, системами и относятся к измерительной технике. Изучению данной измерительной техники, их классификации, метрологических характеристик и различных свойств посвящается раздел метрологии. С изучением ЭВМ, программирования для разработки математических моделей (ММ) технологических процессов и объектов, АЦП, ЦАП, автоматических регуляторов (АР), исполнительных механизмов (ИМ) студенты встретятся в других дисциплинах, таких, как информатика, математическое моделирование, элементы и средства автоматики, микропроцессоры и микропроцессорные системы, автоматизация технологических процессов и другие.

Метрология – научная основа ГСИ. Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и требуемой точности. «Метро» - мера (греч.), «логос» - учение (греч.).

Современная метрология включает в себя три вида:

а) законодательная метрология;

б) фундаментальная (научная) метрология;

в) практическая (прикладная) метрология.

Законодательная метрология – это раздел метрологии, включающий комплексы взаимосвязанных и взаимообусловленных общих правил, а также другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и контроле со стороны государства, направленные на обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений.

Законодательная метрология служит средством государственного регулирования метрологической деятельности посредством законов и законодательных положений, которые вводятся в практику через Государственную метрологическую службу (ГМС) и метрологические службы государственных органов управления и юридических лиц.

К области законодательной метрологии относятся испытания и утверждение типа средств измерений (СИ), государственный метрологический контроль и надзор за СИ, а также мероприятия по реальному обеспечению единства измерений. Одна из основных задач метрологии – это обеспечение единства измерений. Эта задача может быть решена при соблюдении двух основополагающих условий:

- выражение результатов измерений в единых узаконенных единицах;

- установление допустимых погрешностей результатов измерений и пределов, за которые они не должны выходить при заданной вероятности.

Единство измерений – состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах, а погрешности известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы.

Единство измерений необходимо для того, чтобы можно было сопоставлять результаты измерений, выполненных различными измерительными устройствами в разных местах и в разное время. Причем сохранение единства измерений является важным как внутри страны, так и во взаимоотношениях между странами.

В 1993 году был принят Закон «Об обеспечении единства измерений».

До 1993 года правовые нормы в области метрологии устанавливались постановлениями правительства. Закон «Об обеспечении единства измерений» установил немало нововведений – от терминологии до лицензирования метрологической деятельности.

Основные статьи Закона устанавливают:

а) организационную структуру государственного управления обеспечением единства измерений;

б) нормативные документы по обеспечению единства измерений;

в) единицы величин и государственные эталоны единиц величин;

г) средства и методики измерений.

Фундаментальная и практическая метрологии появились еще в древние времена. В Древней Руси основой системы мер были древнеегипетские единицы измерений, заимствованные в Древней Греции и Риме. Наименования единиц и их размеры соответствовали возможности осуществления измерений «подручными» способами, не прибегая к специальным устройствам. Так, на Руси единицами длины были в разное время:

- локоть (от сгиба локтя до конца среднего пальца руки);

- пядь (расстояние между концами большого и указательного пальца взрослого человека);

- аршин (его появление повлекло исчезновение пяди – ¼ аршина);

- сажень (русская мера = 3 локтя = 152 см);

- косая сажень = 248 см.

Указом Петра 1 русские меры длины были согласованы с английскими:

- дюйм («палец» = 2,54 см);

- английский фут = 12 дюймов = 30,48 см.

Первая метрическая система мер была введена во Франции в 1840 году. Ее значимость подчеркивал Д.И. Менделеев как средство содействия «будущему желанному сближению народов».

С развитием науки и техники требовались новые измерения и новые единицы измерения, что стимулировало развитие фундаментальной и прикладной метрологии. Первоначально прототип единиц измерения искали в природе, исследуя макрообъекты и их движение. Так, секунда – часть периода обращения Земли вокруг своей оси. Постепенно поиски переместились на атомный и внутриатомный уровень. Теперь секунда – продолжительность 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома Цезия-133 при отсутствии возмущения со стороны внешних полей.

Таким образом, метрология, как наука, динамически развивается.

Дальнейшее развитие фундаментальной метрологии подтверждают определения единиц физических величин (ФВ), принятых в Международной системе единиц физических величин (системе СИ), дающихпредставление о природном, естественном происхождении принятых единиц ФВ. Система единиц физических величин – это совокупность основных и производных единиц физических величин.

Генеральная конференция по мерам и весам (ГКМВ) в 1954 году определила шесть основных единиц ФВ для их использования в международных отношениях: метр, килограмм, секунда, ампер, градус Кельвина, свеча.

В 1960 году ХI ГКМВ утвердила Международную систему единиц физических величин (система СИ), которую приняли все крупнейшие международные организации по метрологии. В СССР эта система СИ была принята в 1993 году. Основные единицы ФВ системы СИ:

а) единица длины – метр – длина пути, которую проходит свет в вакууме за 1/299792458 долю секунды;

б) единица массы – килограмм – масса, равная массе международного прототипа килограмма;

в) единица времени – секунда – (определение, приведенное выше в лекции №1);

г) единица силы электрического тока – ампер – сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, создал бы между этими проводниками силу, равную Н на каждый метр длины;

д) единица термодинамической температуры – градус Кельвина – 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды (допускается применение шкалы Цельсия);

е) единица количества вещества – моль – количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в нуклиде углерода 12 массой 0,012 кг;

ж) единица силы света – кандела – сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой Гц, энергетическая сила которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/. Стерадиан -- единица измерения телесного (пространственного) угла.

Дополнительную информацию по теме можно получить в [5,11,13].

Дата добавления: 2014-01-04