Теоретические основы и методические указания к выполнению самостоятельной работы по курсу физические основы измерений
Подождите немного. Документ загружается.
11
положительную или отрицательную степень. Для образования
наименований таких десятичных кратных и дольных единиц используют
приставки.
Таблица 1.2 – Приставки физических величин
Множитель Наименование
Русское
обозначение
Международное
обозначение
10 Экса Э Е
10 Пета П Р
10 Тера Т Т
10 Гига Г G
10 Мега М М
10 Кило к k
10 Гекто г h
10 Дека да da
10 Деци д d
10 Санти с с
10 Милли м m
10 Микро мк м
10 Нано н n
10 Пико п р
10 Фемто ф f
10 Атто а а
Некоторые кратные и дольные единицы образованы не по
десятичному принципу, например, единицы времени.
1.7 Методы обеспечения единства измерений
Методы обеспечения единства измерений включают способы
воспроизведения и системы воспроизведения и передачи размеров единиц
физических величин пользователям.
В основе СПОСОБОВ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ физических величин
лежат определенные физические принципы. Например, способ
воспроизведения размера единицы длины – МЕТРА заключается в
следующем: возбужденные атомы газов или пара, обладающие
повышенной подвижностью по сравнению с атомами твердых веществ
,
легко меняют орбиты вращения, характеризующиеся различными
12
уровнями энергии, самопроизвольно возвращаясь из состояния с высоким
уровнем энергии, на орбиту с более низким уровнем энергии. Этот процесс
сопровождается световым излучением вещества, обусловленным
«излишком» переносимой энергии. Длину волны излучения при
распространении света в вакууме используют для воспроизведения
единицы длины.
Подробно способы воспроизведения других основных физических
величин рассматриваются в курсе «
Физические основы измерений».
СИСТЕМА ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ единиц физических величин и
ПЕРЕДАЧИ информации об их размерах всем без исключения средствам
измерения в стране составляют техническую базу обеспечения единства
измерений.
Эта система представляет собой совокупность ОПЕРАЦИЙ по
материализации единиц с наивысшей в стране точностью.
Различают воспроизведение основных и производных единиц.
Единицы могут воспроизводиться децентрализованно
(т.е. там, где
выполняются измерения) или централизованно (когда информация о них
передается с централизованного места их хранения или воспроизведения).
В этом случае для передачи информации используются ЭТАЛОНЫ
различных уровней.
Основные единицы воспроизводятся только централизованно,
производные могут воспроизводиться децентрализованно.
1.8 Эталоны
ЭТАЛОН – специальное техническое средство, обеспечивающее
воспроизведение и (или) хранение единицы с целью передачи ее размера
нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений, выполненное по
особой спецификации и официально утвержденное в качестве эталона.
13
Установлена следующая классификация эталонов: первичный
(воспроизведение единицы с наивысшей в стране точностью), вторичный
(значение устанавливается по первичному), государственный (первичный
или специально изготовленный), эталон-копия (вторичный,
предназначенный для передачи единицы рабочим эталонам, он не всегда
является физической копией государственного эталона), эталоны
сравнения (используемый для сличения эталонов, которые по тем или
иным
причинам не могут быть непосредственно сличены друг с другом,
например, эталон вольта РФ сличают с эталоном вольта Международного
бюро мер и весов), рабочий (применяемый для передачи размера единицы
образцовым средствам измерения высшей точности).
Россия располагает самой современной эталонной базой, которая
входит в тройку самых совершенных наряду с США и Японией.
Эта база
постоянно развивается и совершенствуется. Перспективным является
создание многофункциональных эталонов, т.е. на одной конструктивной
основе воспроизводящих несколько единиц или одну, но в широком
диапазоне, например, единый эталон времени – частоты - длины.
Государственные эталоны представляют собой национальное
достояние страны и поэтому должны храниться в метрологических
институтах страны в специальных эталонных помещениях
, где
поддерживается строгий режим по влажности, температуре, вибрациям и
др. параметрам.
К 2000 г. эталонная база России была представлена 117
государственными эталонами, 250 вторичными, 7 – установками высшей
точности и государственными стандартными образцами в количестве 8000.
14
1.9 Государственный метрологический контроль и надзор (ГМКиН)
Предусмотрены две разновидности контрольно-надзорной
деятельности – контроль и надзор. Объектами ГМКиН являются средства
измерений, эталоны, методики выполнения измерений, соблюдение
метрологических правил и норм, количество товаров, экология,
здравоохранение, безопасность, торговля.
ГМКиН осуществляется посредством:
- калибровки средств измерений;
- выдачи предписаний, направленных на устранение или
предотвращение нарушений метрологических требований;
- проверки своевременности проведения поверки,
калибровки и
испытаний средств измерений;
- надзора за состоянием и использованием средств измерений,
аттестованных методик измерений, эталонов единиц физических величин,
применяемых для калибровки средств измерений и соблюдением
метрологических требований.
В соответствии с Законом РФ «Об обеспечении единства
измерений» ГМКиН установлены в строго определенных сферах
деятельности:
- здравоохранение, ветеринария, охрана окружающей среды,
обеспечение
безопасности труда;
- торговые операции;
- государственные учетные операции;
- обеспечение обороны государства;
- геодезические и гидрометеорологические работы;
- банковские, налоговые, таможенные и почтовые операции;
- производство продукции, поставляемой по контрактам для
государственных нужд в соответствии с законодательством РФ;
15
- испытания и контроль качества продукции в целях определения
соответствия обязательным требованиям;
- измерения, проводимые по поручению органов суда,
прокуратуры, государственных органов управления РФ;
- регистрацию национальных и международных спортивных
рекордов.
В связи с этим все средства измерения делятся я на два группы:
используемые в сфере действия ГМКиН и неиспользуемые в сфере
ГМКиН. За средствами измерения, используемыми в сфере ГМКиН,
ведется надзор, их пригодность определяется ПОВЕРКОЙ. За средствами
измерения, принадлежащими второй группе надзор не ведется и их
пригодность определяется КАЛИБРОВКОЙ.
Законодательством РФ установлены три вида ГМКиН:
- утверждение типа средств измерений;
- поверка средств измерений;
- лицензирование деятельности на право изготовления, ремонта,
продажи и
проката СИ.
Калибровка выполняет две функции: 1 – определение и
подтверждение действительных значений метрологических характеристик
средств измерений; 2 – определение и подтверждение пригодности средств
измерений к применению.
1.10 Передача размера единицы физической величины
Передача размера единицы представляет собой приведение размера
единицы физической величины, хранимой поверяемым средством
измерения к размеру единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном.
Передача осуществляется сличением этих единиц, при этом предусмотрена
многоступенчатая структура – поверочная схема. Государственные
16
поверочные схемы заложены в государственные стандарты. Компановка
схемы поверки приведена в главе 3 на рис. 1
Процесс передачи размера единиц происходит при поверке и
калибровке (подробнее в разделе 3 настоящего издания).
ГЛАВА 2 Погрешности измерений
2.1 Основное уравнение измерения физических величин
ИЗМЕРЕНИЕ – это определение значения физической величины
путем эксперимента с помощью специальных технических средств.
Это широко распространенное метрологическое определение
измерения отражает его цель, а также «отсекает» возможность
использования данного понятия вне связи с физическим экспериментом и
измерительной техникой.
Под физическим экспериментом понимают количественное
сравнение двух однородных физических величин, одна из которых принята
за единицу, что «привязывает» измерения к размерам единиц,
воспроизводимых эталонами.
Из приведенного определения вытекает аксиоматическая формула,
называемая ОСНОВНЫМ УРАВНЕНИЕМ ИЗМЕРЕНИЯ:
у = х [Х],
где у – искомое значение измеренной физической величины;
х – числовое значение искомой величины;
[X] – единица измеряемой физической величины.
2.2 Основы техники измерений
В простейшем случае модель измерения может быть описана
функциональной зависимостью изменения выходного сигнала у от
изменения входного сигнала х, т.е. у = f (х).
17
В процессе измерения возникают различные внешние и внутренние
помехи. Этим объясняется тот факт, что при многократных измерениях
одной и той же величины одним и тем же средством измерения, как
правило, получаются различные действительные значения измеряемой
величины, поэтому теория измерений должна ответить на вопрос, какое же
значение принимать за истинное?
2.3 Виды измерений
В метрологии существует множество ВИДОВ ИЗМЕРЕНИЙ и в
настоящее время их классификация не стандартизована.
Прежде всего все измерения делятся на ЛАБОРАТОРНЫЕ
(ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ) и ТЕХНИЧЕСКИЕ. Независимо от этого
признака проводится дальнейшая классификация.
Рассмотрим основные классификационные признаки.
ПРЯМОЕ – измерение, при котором искомое значение измеряемой
величины находят непосредственно из опытных данных. Получают
прямые
измерения путем сравнения измеряемой величины с мерой, в том
числе путем отсчета показаний по шкале прибора, градуированной в
единицах этой величины. Простейшие примеры – измерение длины
линейкой, температуры термометром, напряжения вольтметром и т.д.
Обработка результатов прямых измерений наиболее проста и, самое
главное, они составляют основу более сложных видов измерений.
КОСВЕННОЕ – измерение
, при котором искомое значение
величины находят на основании известной зависимости между этой
величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям.
Таким образом, когда мы говорим о косвенных измерениях, мы
всегда предполагаем наличие определенной зависимости между величиной
«у», значение которой хотим определить и непосредственными
результатами прямых измерений х1,х2,х3….хn. Например, мощность
тока
18
можно определить по результатам измерений силы тока I и напряжения U,
воспользовавшись известной формулой: N = IU.
Косвенные измерения позволяют значительно проще (в смысле
создания технических средств, но не обработки результатов измерений), а
в некоторых случаях и точнее определить значение некоторых физических
величин. Иногда прямые измерения практически невозможно осуществить,
например, измерение плотности твердого тела, обычно ее
определяют по
результатам измерений объема и массы измеряемого тела.
СОВОКУПНЫЕ – измерения, результаты которых определяют
решением системы уравнений, составленных по результатам прямых
измерений различных сочетаний однородных физических величин.
Например, массы отдельных гирь набора находят по известной массе
одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных
сочетаний гирь.
СОВМЕСТНЫЕ – измерения,
при которых по результатам
одновременных (прямых или косвенных) измерений неоднородных
физических величин определяются зависимости между ними.
Характерным примером совместных измерений является определение
функций преобразования y = f(x) средств измерений, связывающих
значения измеряемой величины х со значениями выходного сигнала у.
Например, электрическое сопротивление при температуре 20оС и
температурные коэффициенты измерительного резистора находят по
данным прямых
измерений его сопротивления при различных
температурах.
Таким образом, еще раз подчеркнем, что основу любых измерений
составляют прямые измерения.
СОВМЕСТНЫЕ – при которых по результатам одновременных
(прямых или косвенных) измерений неоднородных физических величин
определяются зависимости между ними.
19
АБСОЛЮТНОЕ – измерение, основано на прямых измерениях
одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений
физических констант. Например, измерение силы F основано на измерении
основной величины массы m и использовании физической постоянной –
ускорения свободного падения g.
ОТНОСИТЕЛЬНОЕ – измерение отношения величины к
одноименной величине, играющей роль единицы, или изменения величины
по отношению к одноименной величине
, принимаемой за исходную.
По связи с объектом различают БЕСКОНТАКТНЫЕ и
КОНТАКТНЫЕ измерения. Пример бесконтактного измерения –
измерения на оптических приборах.
РАВНОТОЧНЫЕ – измерения какой-то величины, выполненные
одинаковыми по точности средствами измерений и в одних и тех же
условиях.
НЕРАВНОТОЧНЫЕ – измерения какой-то величины, выполненные
несколькими различными по точности средствами измерений и (
или) в
несколько разных условиях.
Классификации по точности оценки погрешности и по числу
измерений будут рассмотрены ниже.
2.4 Методы измерений
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ – это совокупность приемов
использования принципов и средств измерений.
ПРИНЦИП ИЗМЕРЕНИЯ – совокупность физических явлений, на
которых основано измерение. Например, измерение температуры с
использованием термоэлектрического эффекта; измерение массы
взвешиванием; измерение расхода газа или жидкости по перепаду
давления в сужающемся устройстве.
20
Выше говорилось, что прямые измерения являются основой более
сложных измерений, поэтому рассмотрим методы прямых измерений. Их
классифицируют по способу сравнения измеряемой величины с ее
единицей: это 1) метод непосредственной оценки и 2) метод сравнения с
мерой.
МЕТОД НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ – метод измерения, в
котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному
устройству измерительного прибора прямого
действия. Например,
измерение давления пружинным манометром; массы на циферблатных
весах; силы тока амперметром. Достоинством метода является быстрота
получения результата, возможность непосредственного наблюдения за
результатом. Его точность ограничена главным образом погрешностью
самого средства измерения.
МЕТОД СРАВНЕНИЯ С МЕРОЙ – метод измерения, в котором
измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.
Например, измерение
массы на рычажных весах с уравновешиванием
гирями. Этот метод имеет ряд разновидностей:
- МЕТОД ПРОТИВОПОСТАВЛЕНИЯ – метод сравнения с мерой,
в котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой,
одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого
устанавливается соотношение между этими величинами. Например,
измерение масс на равноплечных весах с помещением измеряемой массы и
уравновешивающих ее гирь на двух чашках весов.
- ДИФФЕРИНЦИАЛЬНЫЙ МЕТОД – метод сравнения с мерой, в
котором на измерительный прибор воздействует разность измеряемой
величины и известной величины, воспроизводимой мерой. Например,
измерения, выполняемые при поверке мер длины сравнением с образцовой
мерой на компараторе.