Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные термины и определения

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

К основным проблемам метрологии относится: общая теория измерений; единицы физических величин и их системы; методы определения точности измерений; обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений; эталоны и образцовые средства измерений; методы передачи размеров единиц от эталонов до рабочих средств измерений.

Раздел метрологии, включающий комплексы общих правил, требований и норм, нуждающихся в государственной регламентации и контроле, называется законодательной метрологией. Одним из важных направлений законодательной метрологии, в частности, является разработка государственных и отраслевых стандартов, регламентирующих основные виды деятельности и операции, связанные с измерениями, в целях обеспечения их единства.

Измерением называется нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Основные элементы процесса измерения: объект измерения, измеряемая величина, средство измерений, принцип измерений, метод измерений, условия измерений, результат измерения, погрешность измерения, человек-оператор, выполняющий измерения (субъект измерения).

Объект измерения -- это сложное, многогранное явление или процесс (например, электрические колебания на выходе автогенератора), характеризующийся множеством отдельных физических параметров. Интересующий нас и подлежащий измерению один из этих параметров называется измеряемой физической величиной (например, частота колебаний автогенератора).

Средство измерений -- это техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства (например, частотомер).

Принцип измерений -- это совокупность физических явлений, на которых основаны измерения (например, резонансный принцип измерения частоты).

Метод измерений представляет собой совокупность приемов использования принципов и средств измерений (например, метод сравнения измеряемой частоты с известной частотой).

Методика измерений в отличие от метода включает в себя детально разработанный порядок процесса измерений с использованием конкретных методов и средств измерений.

В общем случае на средство измерений кроме измеряемой физической величины влияют и другие параметры объекта измерения и окружающей среды (например, амплитуда колебаний при измерении частоты, окружающая температура и влажность, вибрации, внешние электромагнитные поля и т. п.). Совокупность этих побочных влияющих физических величин характеризует условия измерения. Влияние этих величин на средство измерений должно быть изучено, учтено или исключено.

Значение физической величины, найденное путем ее измерения, называется результатом измерения. Результат измерения может быть получен в результате одного наблюдения или при обработке результатов нескольких наблюдений. При этом под наблюдением понимают экспериментальную операцию при которой получают одно числовое значение величины.

Как бы тщательно не проводилось измерение, его результат будет содержать некоторую неточность, которая характеризуется погрешностью. Погрешность измерения -- это отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. При этом под истинным значением понимают такое значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта.

Таким образом, в метрологии приняты два важных постулата: о существовании истинного значения и о неизбежности погрешностей.

Поскольку определение истинного значения недостижимо, при оценке погрешностей вместо него используют действительное значение измеряемой физической величины -- значение, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него.

Широко применяемый термин точность измерений характеризует качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению. Большей точности соответствует меньшая погрешность измерения. Кроме этого, качество измерений характеризуется следующими понятиями: правильность измерений -- отражает близость к нулю систематической погрешности; сходимость измерений -- отражает близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в одинаковых условиях; воспроизводимость измерений -- отражает близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в различных условиях ( в разное время, в разных местах, разными методами или средствами).

В измерительном процессе человек-оператор (субъект измерения) с его психофизическими свойствами должен рассматриваться с учетом его субъективного восприятия и преобразования измерительной информации.

Единицы и размерности физических величин

Некоторое значение физической величины принимается за единицу этой величины . Размер физической величины определяется соотношением , где - числовое значение этой величины. Это соотношение называют основным уравнением измерения, так как целью измерения, по существу, является определение числа .

Обеспечение единства измерений предполагает прежде всего повсеместное использование общепринятых и строго определенных единиц физических величин. Между различными физическими величинами объективно существует разного рода взаимосвязи количественно выражаемые соответствующими уравнениями. Эти уранения используются для выражения единиц одних физических величин через другие. Однако число таких уравнений в любом разделе науке меньше числа входящих в них физических величин. Поэтому для создания системы единиц этих величин некоторая их основополагающая часть, равная , должна быть оговорена и строго определена вне зависимости от других величин. Такие входящие в систему физические величины, условно принятые в качестве независимых от других величин, называются основными физическими величинами. Остальные величины, входящие в систему и определяемы через основные физические величины, называются производными физическими величинами. В соответствии с этим единицы физических величин также разделяются на основные и производные единицы.

Если A, B, C, … - полный набор основных физических величин данной системы, то для любой производной величины может быть определена ее размерность (dimension), отражающая ее связь в основными величинами системы, в виде

(1)

В этом соотношении показатели степени , , ,… для каждой конкретной производной физической величины находятся из уравнений, связывающих ее с основными величинами (часть этих показателей обычно оказывается равной нулю). Соотношение (1), называется формулой размерности, показывает, во сколько раз изменится значение производной величины при определенном изменении значений основных величин. Например, если значения величин A, B, C увеличились соответственно в 2, 3 и 4 раза, то при этом, согласно (1), значение величины увеличится в раз.

Основное практическое значение формулы размерности состоит в том, что она позволяет непосредственно определять любую производную единицу через основные единицы данной системы ,,,…

(2)

Правда, в этом выражении постоянный сомножитель требует дополнительного определения. Однако в большинстве практических случаев стараются выбирать . При таком условии производная единица называется когерентной.

Международная система единиц SI является когерентной системой (поскольку когерентны все ее производные единицы). Основные физические величины и их единицы в системе SI представлены в таблице 1.

Таблица 1

Кроме этого, система SI включает в себя две дополнительные единицы, которые определены также независимо от остальных единиц, но не участвуют в образовании производных единиц. Это -- единица плоского угла -- радиан (рад) и единица телесного угла -- стерадиан (ср). Все остальные единицы системы SI являются производными, причем часть из них имеет собственное наименование, а другие обозначаются в виде произведения степеней других. Например, такая производная физическая величина, как электрическая емкость, в системе SI имеет размерность и единицу, имеющую собственное наименование, -- фарад ; а единица напряженности электрического поля, например, собственного наименования не имеет и обозначается как «вольт на метр» .

Совместно с единицами системы SI допускается использование кратных и дольных единиц, которые образуются путем добавления к названию единицы определенной приставки, означающей умножение данной единицы на , где -- целое положительное (для кратных единиц) или отрицательное (для дольных единиц) число. Например, 1 ГГц (гигагерц) = 109 Гц, 1 нс (наносекунда) = 10-9 с, 1 кВт = 103 Вт. В таблице 2 приведены наименования приставок дольных и кратных единиц.

Таблица 2

Совместно с системой SI допускается использование -- там, где это целесообразно, -- некоторых внесистемных единиц: для времени -- минута, час, сутки, для плоского угла -- градус, минута, секунда; для массы -- тонна; для объема -- литр; для площади -- гектар; для энергии -- электрон-вольт; для полной мощности -- вольт-ампер и т. д.

Кроме рассмотренных видов единиц достаточно широко применяются относительные и логарифмические величины. Они представляют собой соответственно отношение двух одноименных величин и логарифм этого отношения. К относительным величинам, в частности, относятся атомные и молекулярные массы химические элементов.

Относительные величины могут выражаться в безразличных единицах, в процентах (1% = 0,01) или в промилле (1‰=0,001=0,1%).

Значение логарифмических величин выражается в белах (Б), согласно формуле или в неперах (Нп): . В этих отношениях и -- энергетические величины (мощность, энергия, плотность энергии и т. п.); и -- силовые величины (напряжение, ток, плотность тока, напряженность поля и т. п.); коэффициенты 2 и 0,5 учитывают, что энергетические величины пропорциональны квадрату силовых величин. Из соотношений видно, что один бел (1 Б) соответствует отношению или ; один непер (1 Нп) соответствует отношению или . Нетрудно выяснить, что 1 Нп = () Б = 0,8686 Б.

В радиотехнике, электронике, акустике логарифмические величины чаще всего выражают в децибелах (1 дБ = 0,1 Б):

 (3)

Отношение мощностей в дБ записывается с коэффициентом 10, а отношение напряжений (или токов) -- с коэффициентом 20.

Очевидно, что относительные и логарифмические единицы -- инвариантны к используемой системе единиц, поскольку они определяются отношением однородных единиц.

Воспроизведение и передача единиц измерения

метрология единицы измерения

Эталоны подразделяют на первичные и вторичные. Первичные эталоны воспроизводят и (или) хранят единицы физических величин и передают их размеры с наивысшей точностью, достигнутой в данной области измерений. В некоторых случаях, когда прямая передача размера единицы от первичного эталона с требуемой точностью технически неосуществима (например, высокие и сверхвысокие частоты), создают специальные первичные эталоны (примером является специальный эталон мощности электромагнитных волн при частотах 2,59;…;37,5 ГГц в волноводных трактах).

Вторичные эталоны создаются для организации работ по передаче размеров единиц рабочим СИ в целях обеспечения сохранности и наименьшего износа первичного эталона. К вторичным эталонам относят: эталоны-копии, предназначенные для хранения и передачи размера единицы от первичного эталона рабочим эталонам; эталоны сравнения -- для взаимного сличения эталонов, которые по тем или иным причинам нельзя непосредственно сличать друг с другом (примером является эталон сравнения вольта состоящий из группы нормальных элементов и используемый для его замены в случае порчи или утраты; рабочий эталон -- для передачи размера единицы образцовым СИ 1-го разряда и при необходимости -- рабочим СИ наивысшей точности.

Государственный эталон всегда реализуется в виде комплекса СИ и вспомогательных устройств, обеспечивающих воспроизведение, хранение и передачу размера единицы. Вторичные эталоны могут выполняться: в виде комплекса СИ; в виде одиночных эталонов; в виде групповых эталонов, состоящих из совокупности однотипных СИ, применяемых как одно целое для повышения надежности хранения единицы (при этом используется усреднение показаний размеров единиц отдельных составных СИ); в виде эталонного набора, позволяющего хранить и передавать размеры единицы в определенном диапазоне.

На схеме 1 показана метрологическая цепь передачи размеров единиц от эталонов к рабочим СИ. Образцовы СИ предназначены для передачи размеров единиц физических величин от эталонов или более точных образцовых СИ рабочим СИ. В качестве образцовых допускается применять СИ: специально выпускаемые как образцовые СИ; импортируемые; индивидуально отобранные, выпущенные в качестве рабочих СИ. Образцовые СИ делятся на разряды. Как видно из схемы 1, СИ первого разряда подлежат поверке непосредственно по эталонам. Если эталоны для данной физической величины не предусмотрены, поверку проводят методом косвенных измерений при помощи образцовых СИ других физических величин, функционально связанных с воспроизводимой величиной. Образцовые СИ второго, третьего и последующих разрядов подлежат поверке по образцовым СИ более высоких разрядов. Для разных видов измерений устанавливается различное число разрядов образцовых СИ, исходя из требований практики.

По назначению образцовые СИ делятся на исходные, имеющие наивысшую точность в данном подразделении метрологической службы, и подчиненные, которым передается размер единицы от исходного образца.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Схема 1

Размещено на Allbest.ru