Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Метрология, её задачи и роль в народном хозяйстве

Метрология, её задачи и роль в народном хозяйстве

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

Основные задачи: обеспечение единства измерений и единообразие СИ. Проблемой обеспечения высокого качества продукции находится в прямой зависимости от степени метрологического обслуживания производства, проблема умения правильно измерять параметры качества материалов и комплектующих измерений, поддерживать заданные технологические режимы.

Можно выделить 3 главные функции измерений в народном хозяйстве: учёт продукции народного хозяйства, исчисляющейся по массе, длине, объёму, расходу, энергии и т.д.; измерения ФВ, тех параметров, хар-к процессов, состава и свойства в-в, проводимые при научных исследованиях, испытаниях и контроле продукции, в медицине, с/х и др отраслях; измерения, проводимые для контроля и регулирования технологических процессов и для обеспечения нормального функционирования транспорта и связи.

В 1892 г на должность учёного хранителя образцовых мер был назначен Менделеев, по праву считающийся основоположником русской метрологии. Он раньше и глубже других понял значение метрологии.

В 1893 Депо образцовых мер и весов было преобразовано в Главную палату мер и весов, ставшую центральным метрологическим учреждением России. Развивалась научно-исследовательская деятельность, охватывающая всё новые и новые области измерений. Организовано много лабораторий.

Под руководством Менделеева была проделана огромная работа по возобновлению прототипов русских мер массы и длины и сравнения их с английскими и метрическими. Были узаконены новые эталоны. Т.О. Менделеевым был создан прочный метрологический фундамент, обеспечивающий успешное проведение метрической реформы в стране. Были открыты органы поверки (поверочные палатки).

Основные термины и определения

РМГ 29-99 «ГСИ. Метрология. Основные термины и определения».

ГСИ гос система обеспечения единства измерений – система нормативных документов, в которых устанавливаются правила, положения, нормы и т.д., направленные на обеспечение единства измерений в стране и достижения требуемой точности измерений.

Статус – рекомендательный.

Настоящие рекомендации устанавливают основные термины и определяют понятия в области метрологии.

Термины рекомендуются применять во всех видах документации, научнотехнической, учебной и справочной литературе по метрологии.

ФВ – хар-ка одного из св-в физ объекта (системы, явления или процесса), общая в качественном отношении многим физ объектам, но в количественном отношении индивидуальная для каждого объекта.

При измерении ФВ мы опред её размер – количественное содержание св-ва в измер объекте.

В процессе измерения ФВ сравнивают измеряемый размер Q с размером выбранной единицы q: Q=n[q] – основное ур-ие измерения, где n – числовое значение.

Значение ФВ – оценка размера ФВ в виде некоторого числа принятых для неё единиц.

Результат измерения должен быть выражен в виде значения ФВ.

Истинное значение ФВ – значение ФВ, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношении соответствующую ФВ.

Действительное значение ФВ – значение ФВ, найденное экспериментальным путём и настолько близкое к истинному значению, что для поставленной задачи может его заменить. За это значение принимают показания эталонных СИ.

Результат измерений – значение, полученное при измерении. Если проводится однократное измерение, то за результат принимают показания СИ. Если проводится многократные измерения одного и того же размера, то за результат принимают среднее арифметическое полученного ряда.

Размерностью основных ФВ явл символы в виде заглавных букв латинского или греческого алфавита.

Система единиц ФВ – совокупность основных и производных единиц ФВ, образования в соответствии с принятыми принципами для заданной системы ФВ. Примеры: система единиц СГС, Международная система единиц СИ.

Принцип построения: единицы различных величин устанавливают или выбирают произвольно несколько величин независимо друг от друга. Единицы таких величин называют основными. Их выбирают таким образом, чтобы, пользуясь закономерной связью м/у величинами, можно было бы образовать единицы других величин. Единицы, выраженные ч/з основные наз производными. Полная совокупность основных и производных единиц, установленных таким путём, и является системой единиц ФВ.

Особенности: метод построения системы не связан с конкретными размерами основных единиц. Устанавливаются или выбираются величины, единицы которых должны стать основой системы; в принципе построения системы единиц возможно для любых величин, м/у которыми имеется связь, выражаемая в математической форме в виде уравнения; выбор величин, единицы которых должны стать основными, ограничивается соображениями рациональности и в первую очередь тем, что оптимальным является выбор минимального числа основных единиц, которое позволило бы образовывать максимально большее число произвольных единиц. Система единиц должна быть когерентной.

Q=n[q] – основное ур-ие измерения, где n – числовое значение.

Значение ФВ = числовое значение + единица ФВ.

n зависит от q.

Следствия: числовое значение зависит от выбора единицы: . Переход от одной единицы к другой. Пример:

Единицы физических величин.

Единица ФВ – физ величина, подлежащая измерению, измеряемая или измеренная в соответствии с основной целью измерительной задачи.

Классификация: основные и производные; системные и внесистемные; кратные и дольные; когерентные и некогерентные; относительные и логарифмические.

Основная единица – единица основной ФВ в данной системе единиц. За основные ФВ принимаются величины, не зависимые от других величин системы.

Производная – единица производной ФВ, размер которой зависит от выбора основных единиц. Примеры: единица скорости устанавливается из определяющего ур-ия: V=S/t, где V – скорость, S – длина пройденного пути, t – время.

Системная – единица ФВ, входящая в одну из принятых систем единиц.

Внесистемная – единица ФВ, не входящая ни в одну из принятых систем единиц. (мм.рт.ст., тонна, час).

Кратная (дольная) – единица ФВ, в целое число раз большая (меньшая) системной или внесистемной единицы. В СИ применяется принцип десятичной кратности (дольности).

Когерентная – единица производной ФВ, связанная с другими единицами Ур-ием, в котором коэф принят равным 1.

ГОСТ 8.417-2002 «ГСИ. Единицы величин».

Стандарт устанавливает единицы ФВ, их наименование, обозначение, определение и правила применения этих единиц.

Данный стандарт должны применять все учреждения, организации находящиеся на территории РФ.

Обязательным применением являются единици системы СИ.

В системе СИ 7 основных единиц. Переход от градуса Кельвина к Цельсию.

Наряду с единицами системы СИ, кратными и дольными, стандарт допускает применение ряда внесистемных единиц. Стандарт допускает применение относит и логарифмических единиц.

Относительные и логарифмические величины характеризуют состав и св-во материалов, отношение энергетических и силовых величин. Примеры относит величин: относит удленение, относит плотность.

Относительная величина представляет собой безразмерное отношение ФВ и одноимённой ФВ, принимаемой за исходную.

Логарифмическая величина – логарифм безразмерного отношения 2-х одноимённых ФВ. Единицы: бел, децибел. Выражается уровни звукового давления, усиление, частотный интервал.

Международная система СИ: наличие ряда систем единиц измерения физ величин и большое число внесистемных единиц, неудобства, возникающие на практике в связи с пересчётами при переходе от одной системы к другой, вызвали необходимость создания единой универсальной системы единиц, которая охватывала бы все отрасли науки и техники и была бы принята в международном масштабе.

В 1948 на конференции по мерам и весам поступили предложения принять для международную единую практическую систему единиц. В качестве основных единиц рекомендовались: метр, кг, секунда и одна из электрических величин. В 1954 конференция приняла в качестве основных единиц новой системы длина – метр, масса – килограмм, время – секунда, сила тока – ампер, температура – кельвин, сила света – кандела. Подготовили список производных величин и предложили назвать эту систему Международной системой единиц. В 1960 окончательно приняли эту систему. Принятие этой системы послужило стимулом для перехода на метрические единицы ряда стран, сохранявшие национальные единицы (Англия, США, Канада).

В 1963 в СССР был введён ГОСТ 9867-61 «Медународная система единиц», согласно которому СИ была признана предпочтительной.

Разновидности измерений

Измерение ФВ – совокупность операций по применению тех средства, хранящего единицу ФВ, заключающихся в сравнении измеряемой величины с её единицей с целью получения значения этой величины в форме, наиболее удобной для использования.

Равноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности СИ и в одних и тех же условиях.

Неравноточные – ряд измерений какой-либо величины, выполненных несколько различными по точности СИ и (или) в несколько разных условиях.

Однократное – измерение, выполненное один раз.

Во многих случаях на практике выполняются именно однократные измерения, например, измерение конкретного момента времени по часам обычно производится один раз. Для большей уверенности в получаемом результате и оценки погрешности одного измерения недостаточно, поэтому выполняется 2, 3 и более измерения одной и той же величины.

Многократное – измерение одного и того же размера ФВ, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений, т.е. состоящее из ряда однократных измерений. При четырёх измерениях и более, входящих в ряд, измерение можно считать многократным. За результат многократного измерения обычно принимают среднее арифметическое значение.

Статическое – измерение ФВ, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения.

Динамическое – измерение изменяющейся по размеру ФВ и, если необходимо, её изменения во времени.

Прямое – измерение, проводимое прямым методом, при котором искомое значение ФВ получают непосредственно.

Косвенное – измерение, проводимое косвенным методом, при котором искомое значение ФВ определяют на основании результатов прямых измерений других ФВ, функционально связанных с искомой величиной.

Совокупные – измерения нескольких одноимённых величин, проводимые одновременно, при которых искомые значения величин определяют путём решения системы уравнений, получаемых при измерениях различных сочетаний этих величин.

Совместные – измерения 2-х или нескольких неодноимённых величин, проводимые одновременно, для определения зависимости м/у ними.

Основные методы прямых измерений:

Метод измерений – приём или совокупность приёмов сравнения измеряемой ФВ с её единицей в соотв с реализованным принципом измерения.

Принцип измерений – физ явление или эффект, положенные в основу измерений тем или иным СИ: применение эффекта Джозефа для измерения Эл.напряжения; применение эффекта Доплера для измерения скорости.

Метод непосредственной оценки – метод, при котором значения измеряемой ФВ получают непосредственно по отсчётному устройству СИ. Измерение массы на Эл.весах без гирь. «+»: быстрота и простота проведения измерения. «-»: в ряде случаев невысокая точность измерения.

Метод сравнения с мерой – метод измерения, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

Мера – средство измерения, которое воспроизводит одно или несколько значений ФВ.

Однозначная мера – воспроизводит одно значение измеряемой величины.

Многозначная мера – воспроизводит ряд значений одноимённой ФВ.

Значение ФВ, которое указано на мере или прописано на ней наз номинальным. Значение, которое на самом деле воспроизводит мера наз действительным значением меры. Разность м/у номинальным и действительным значением меры – погрешность меры.

Дифференциальный метод – метод сравнения с мерой, в котором на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой. Метод позволяет получить результаты с высокой точностью даже при применении относительно грубых средств для измерения разности. Осуществление метода возможно только при условии воспроизведения с большой точностью известной величины, значение которой близко к значению измеряемой.

Нулевой метод – один из первых методов в истории развития техники точных измерений. Взвешивание на рычажных весах – характерный пример нулевого метода измерений. Измеряемую величину сравнивают с величиной, значение которой известно. Последнюю выбирают таким образом, чтобы разность м/у измеряемой и известной величинами равнялась нулю. Совпадение значений этих величин отмечают при помощи нулевого указателя. По сравнению с разностным методом недостаток нулевого метода заключается в необходимости иметь средство измерений, позволяющее воспроизводить любое значение известной величины без существенного понижения точности.

Метод совпадения – метод сравнения с мерой, в котором раность м/у измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют по совпадению отметок шкал или периодических сигналов. По этому принципу построен нониус штангенциркуля и ряда других приборов. Метод применяется также при приёме сигналов времени. По радио передаются ритмические сигналы, с которыми сравнивают удары хронометра. Принцип совпадения сигналов лежит также в основе методов измерений, в которых используются явления биений и интерференции, а также стробоскопический эффект. Биение – сравнение2-х близких по частоте колебаний. Используется для установления равенства или разности двух частот. Интерференция – наблюдается при взаимодействии колебаний одной и той же частоты, но сдвинутых по фазе. Стробоскопический эффект – методы измерения различных величин, в основном связанных со скоростью периодических: процессов: скорости вращения, частоты колебаний и т.д.

Результат измерения ФВ – значение величины, полученное путём её измерения.

Неисправленный результат измерений – значение величины, полученное с помощью СИ, до введения в него поправок, учитывающих систематические погрешности.

Исправленный результат – полученное с помощью СИ значение величины и уточнённое путём введения в него необходимых поправок на действие предполагаемых систематических погрешностей.

Ряд результатов измерений – ряд значений одной и той же величины, последовательно полученных из следующих друг за другом измерений.

Погрешности измерения

Погрешность результата измерения – отклонение рез измерения от действительного значения измеряемой величины, определяемое по формуле . Классификация: по характеру проявления: систематическая и случайная; по форме числового выражения: абсолютная и относительная.

Систематическая – составляющая погрешности рез измерения, остающаяся постоянной или же закономерно изменяющейся при повторных измерениях одной и той же ФВ. В неё входят: погрешность метода измерений, обусловленная несовершенством принятого метода измерений; погрешность из-за изменений условий измерения, являющаяся следствием неучтённого влияния отклонения в одну сторону какого-либо из параметров, характер условия изменения, от установленного значения; субъективная погрешность, обусловленная индивидуальными особенностями оператора.

Случайная - составляющая погрешности рез измерения, изменяющаяся случайным образом.

Абсолютная – погрешность измерения, выраженная в единицах измеряемой величины.

Относительная – погрешность измерения, выраженная отношением абсолютной погрешности измерения к действительному значению измеряемой величины.

Общие св-ва: систематическая погрешность при многократном измерении размера ФВ остаётся постоянной по знаку и значению, либо измеряется по опред з-ну; при многократном измерении за результат измерения принимают среднее арифметическое ряда. Систематич погрешность данного ряда не зависит от числа измерений в ряду и равна систематич погрешности единичного результата; причину появления систематич погрешности можно обнаружить проводя измерения одного размера разными приборами, методами, людьми, в разных условиях; если фактор вызывающий систематич погрешность известен, то его можно устранить используя способы: - исключение фактора до начала проведения измерения, - в процессе проведения измерения, - если погрешность известна по величине и по знаку, т о после завершения измерения можно внести поправку к результату.

Инструментальная погрешность – составляющая погрешности результата измерения, обусловленная свойствами применяемого СИ. Причины: собственная погрешность СИ, обусловленная принципом его действия, конструкцией, материалами, из которого оно изготовлено; износ, старение; технология изготовления.

Методы устранения погрешностей:

Устранение влияния температуры. Применяют термостатирование, т.е. обеспечение определённой температуры окружающей среды с теми или иными допускаемыми колебаниями. Термостатируют большие помещения, небольшие помещения, СИ в целом или их отдельные части.

Устранение влияния м.полей:

Способ защиты приборов от влияния м.поля Земли – устр-во замкнутых и непрерывных экранов из магнитомягких материалов. Магнитные силовые линии должны огибать цепи экрана.

Устранение вредных вибраций и сотрясений:

Устраняют путём амортизации СИ и его деталей. Используют поглотители колебаний в зависимости от частоты этих колебаний и чувствительности СИ к этим влияниям.

Методы исключения погрешностей:

Способ замещения: является одним из наиболее распространённых способов исключения погрешностей. Измеряемый объект заменяют известной мерой, находящейся при этом в тех же условиях, в каких находился он сам. Точные взвешивания часто производят по способу Борда: на одну чашу весов кладут взвешиваемую массу. Весы приводят в равновесие, накладывая на другую чашу какой-либо груз, который в процессе измерения не изменяется, например, дробь. Когда равновесие достигнуто, взвешенную массу снимают и на её место ставят гири для восстановления равновесия. Т.О. достигается исключение из результата взвешивания погрешности из-за неравноплечия весов.

Способ компенсации погрешности по знаку: измерение проводят дважды так, чтобы известная по природе, но неизвестная по размеру погрешность входила в результаты с противоположным знаками. Пример применения такого способа: исключение погрешности, обусловленной влиянием м.поля Земли. 1-е измерение можно проводить, когда СИ находится в любом положении. Перед тем, как выполнить второе измерение, СИ поворачивают в горизонтальной плоскости на 180^◦. Если в 1-м случае м.поле Земли, складываясь с полем СИ, вызывает положительную погрешность, то при повороте его на 180^◦ м.поле Земли будет оказывать противоположное действие и вызовет отрицательную погрешность по размеру, равную первой. Пользуясь этим способом можно исключить погрешности, вызванные явлениями гистерезисного характера.

Способ противопоставления: этот способ имеет большое сходство со способом компенсации. Он заключается в том, что измерения проводят 2 раза, причём так, чтобы причина, вызывающая погрешность, при первом измерении оказала противоположное действие на результат второго. Пример: взвешивание на равноплечих весах. При первом взвешивании массу х, помещённую на одну чашу весов, уравновешивают гирями с общей массой m1, помещёнными на другую чашу. Затем взвешенную массу перемешают на ту чашу, где находились гири, а гири – на ту, где находилась масса. Т.к. отношение плеч не точно равно 1, равновесие нарушится, и для уравновешивания массы х придётся использовать гири с общей массой m2. массу х можно вычислить .

Способ симметричных наблюдений: применяется для исключения прогрессивной погрешности, являющейся линейной функцией времени. Заключается в том, что измерения производят последовательно ч/з одинаковые интервалы времени. При обработке используют сво-во результатов любых двух наблюдений, симметричных относит средней точки интервала наблюдений. Это свойство сост в том, чтол погрешности результатов любой пары симметричных наблюдений равно погрешности, соотв средней точке интервала.

Метод совпадения: характеризуется использованием совпадения отметок шкал или периодических сигналов. Пример: приложим линейку с миллиметровыми делениями к линейке с дюймовыми делениями и совместим их нулевые отметки. при этом должны совпасть некоторые деления.

Поправка – значение величины, вводимое в неисправленный результат измерения с целью исключения одной из систематических составляющих погрешности. Знак поправки противоположен знаку погрешности. Поправку прибавляемую к номинальному значению меры, называют поправкой к значению меры; поправку, вводимую в показание измерит прибора, наз поправкой к показанию прибора.

Поправочный множитель – числовой коэффициент, на который умножают неисправленный результат измерения с целью исключения влияния систематической погрешности. Поправочным множителем пользуются в случаях, когда систематическая погрешность пропорциональна значению величины.

Результат измерения исправляют путём вычисления. Наиболее распространённым случаем внесения поправок является алгебраическое сложение результата измерения и поправки (с учётом знака). Поправка по числовому значению равна систематической погрешности и противоположна ей по знаку.

Метрология, её задачи и роль в народном хозяйстве