Шпоргалки по метрологии

ЧАСТЬ 1   Основы метрологии.

1. Предмет метрологии.

В мире наукопроизв-ва ни сек. не может сущ без многих млрд. измерений. Отношение больших измеряемых величин к малым в некоторых случаях достигает порядка около 1030. В нек. случаях само измерение весьма затруднено. В связи с этим и требованием большой точности резко возрастает сложность измерений и затрачив. на это больш. Финанс. средства, около 15% общ. труда. Поэтому зародилась наука, как сист. знаний  метрология.

Основное понятие метрологии – измерение. Измер-я по ГОСТ 16263-70 – нахождение значения физич. величины (ФВ) опытным путем с помощью спец. технич. средств.

Как и др науки метрология накопила огромную информацию сформировав в науку и постоянно развив-ся.

Метрология по ГОСТ 16263-70 – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Предметом метрологии яв-ся извлечение количественной информации о свойствах объектов и процессов заданной точностью и достоверностью.

Средства метрологии - -совокупность средств измерений и  метрологич-х стандартов, обеспечивающих их рациональное использование.

Метрология делиться на 3 самостоятельных и взаимодополняющих раздела, осн-м из кот-х яв-ся теоретическая метрология. В нем излагаются общие вопросы измерения. Разрабатываются фундаментальные основы этой науки. Раздел прикладной метрологии посвящен изучению вопросов практич-о примен-я в различных сферах деятельности результатов теоретических исследований. Предметом законодательной метрологии (3 раздел) является установление обязательных технич-х и юрид-х требований по применению единиц физ-х величин, эталонов, методов и средств измерений, направленных на обеспечение единства и необходимой точности измерений.

Очень много для развития отечественной метрологии сделал В.И.Менделеев.

2. Основные понятия связанные с объектами измерения.

Это физич-ие свойства, величины, значения, измерения, шкалы, виды и методы измерений.

2,1 Свойства, величина, классификация реальных и идеальных величин.

Свойства – философкая категория, выражающая такую сторону объекта (явления, процесса), которая обуславлив. его различие или общность с др. объектами (явлениями, процессами) и обнаруживается в его отнощен. к ним.

Свойства – категория качественная. Для количес-го описания различных свойств, процессов и фиич-х тел вводится понятие величины.

Величина – свойство чего-либо, что может быть выделено среди др-х свойств и оценено тем, или иным способом, в том числе и количественно. Величина не существует сама по себе. Она имеет лишь место постольку, поскольку сущ. объект со свойствами, выраженными данной величин.

Величины можно разделить на 2 вида: реальные и идеальные. См рис1

Идеальная величина гл образом отн-ся к математике и яв-ся обобщением, моделью конкретных реальных понятий.

Реальные величины делятся в свою очередь на физич-ие и нефизич-ие. Физич-ая величина (ФВ) в общем случае может быть определена как величина свойств-я матер. объектам, процессам, явлениям, изучаемых в естественных (физика, химия) и технич-х науках.

К нефизическим величинам следует отнести величины, присущие общим нефизич-им наукам (философия, социология, экономика).

Стандарт ГОСТ 16263-70 трактует физич-ие величины, как одно из свойств физич-го объекта, в качественном отношении-общее для многих физич-х обектов, а в количественном индивидуальное для каждого из них. Индивидуальность в количественном отношении понимается в том смыле, что свойство может быть для одного объекта в определенное число раз больше или меньше, чем для другого. Таким образом, физич-е величины- измеренные свойства физ. объектов и процессов с помощью которых они могут быть изучены.

Физич-е величины целесообразно разделить на измеряемые и оцениваемые.

Измеряемые физич-е величины могут быть выражены количественно ввиде определенного числа установленных единиц измерения. Физич-е величины не имеющие единиц измерения по каким либо причинам могут быть только оценены, т.е. приписыв. опред. числа по определенным правилам. Величины оцениваются при помощи шкал.

Шкала велич-ы – упорядоченная последовательность ее значений, принятая по соглашению на основе точных измерений. Оценивание нефизич-х величин (у них нет единиц измерения) не входит в задачи теоретич-й метрологии. Для более детального изучения физич-х величин необходима классификация и выявить общие метрологические особенности их отд-х групп.

2,2 Классификация физич-х величин. (см рис 2) 

                   Рис 2

                                                    Физич-е величины       

              характер. процесс 

                       энергетич-е              веществ-е              во времени

                          (активные)            (пассивные)     

-пространственно-временные

-механические

-тепловые

-электрич-е и магнитные

-акустические

-световые

-ионизирующих излучений

-атомной и ядерной физики

-физико-химические

Основные производные дополнительн.

Размерные    и      безразмерные

По видам явлений физич-е величины делятся на след. группы:

I   по видам явления:

а)вещественные, т.е. описывают физич-е и физико-химич-е свойства веществ, материалов и изделий из них и этой гр. отн-ся масса, плотность, эл.сопротивление, емкость,индивидуальность. Иногда эти величины называют пассивными. Для их измерения необходимо исполь-ть вспомогат. источник энергии, с помощью кот. формир. сигнал измерительной информации. При этом пассивные физич-е величины преобраз. в активные, кот. и измеряются.

б)энергетические, т.е. описывающие энергетич-е харак-ки пр-в преобразование, передачи и использования энергии. К ним отн-ся эл. ток, напряжение, мощность энергии. Эти величины наз-ся активными. Они могут быть преобразованы в сигналы измерит-ой информации  без исполь-я вспомогат-х источников тока.

в)характеризующие протекание процесса во времени. К этой группе отн-ся различного рода спектральные хар-ки, коррилякционные ф-ии.

  II   по принадлежности к разл-м гр-м физич-х проц-в

Физич-е величины дел-ся на пространственно-временные.

1 механические

2 тепловые

3 электрические

4 магнитные

5 акустические

6 световые

7 физико-химические

8 ионизирующих излучение атомной и ядерной энергии

III   по степени условной независимости от др-х величин данной группы:

Физич-е величины дел-ся на: условные (условно независимые), производные(условно зависимые) и дополнительные.

Осн. В СИ:

-длина

-время

-масса

-температура

-сила эл.тока

-сила света

-кол-во в-ва

К дополнительным физич-им величинам отн-ся плоские и телесные.

IV   по наличию размерности:

Физич-е величины дел-ся на размерные, т.е. размерность и безразмерность

2,3 Значение и измерение ФВ.

Совокупность числа отображ-х различные по размеру однородные величины должны быть совокупностью одинаковых измен-ся величин. Это именов. яв-ся единицой ФВ или ее доли.

Единица ФВ –это ФВ фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение=1. Примен-ся для колич-го выражения однородных ФВ.

Значение ФВ (Q) -это оценка ее размера ввиде нек. числа, принятая для ее единиц.

Числовое значение ФВ q – это отвлеченное число, выраженное отношением значения величины к соотв. единице данной  ФВ.

Уравнение Q=q наз-ся осн. уравнением измерения.

Суть простейшего измерения состоит в сравнении ФВ Q с размерами выходной величины, регулируемой многознач. меры.

q

Измерение – познавательный процесс, заключ-ся в сравнении путем физич-го эксп-ма данной ФВ с известной ФВ, принятой за единицу измерения.

В практич-ой деятельности необ-мо проводить измерения различных величин, харатеристик, свойства тел, веществ, явлений и пров. Нектороые свойства прояв-ся только качественно, др. количественно. Разнообразие проявления –колич-ое или качес-ое люб. свойства обр-т множ-во, отображ-е эл-в, кот. на упорядочен. множ-ва чисел или в общем случае усл-х знаков обр-т шкалы измерения этих свойств.

Шкалы измерения колич-го свойства яв-ся шкалой ФВ.

Шкала ФВ – упорядоченная последовательность значений ФВ, принятая по соглашению на основании результатов точных измерений.

Термины и определения теории шкалы измер-я изложены в документе МИ2365-96

2,4 Шкалы измерений, оценок.

Шкалы измерений или оценки величин – упорядоченная совокупность значения величин, которые служат основой для ее измерения или оценки, в соответствии с логич-ой структурой проявл-я свойств разл-х 5 осн-х типов шкал:

- шкала наименований (классификации). Такие шкалы исп-ся для класс-и эмпирич-х объектов, св-во которой прояв-ся только в отношении эквивалент. Шкала наименований –это качест-ая, а не колич-ая шкала. В ней нет понятия О, больше или меньше и единицы измерения,нет матем-х операций. Это шкала не ФВ. В них наименование отражение свойства отн. к классу эквивал. с помощью органов чувств человека. Пример шкалы: атлас цветов- шкала  цветов. Здесь оценка определ. значен. вел. эмпирич. объекта в отношен. эквив. И порядка по возрастанию или убыванию кол-го прояв-я свойства. Здесь нет единиц измерения, пропорций, матер-х операций,но есть отношен. больше-меньше. Пример: шкала землетрясения, твердости и др.

- шкала интервалов (разности)

Имеет условные нулевые значения, а интер. уст-ся по согласованию, им-ся единиц измерения. Пример: шкала времени, температуры.

- шкала отношений

Имеет нулевое значение, а единица измерения уст-ся по согласованию. Пример: шкала массы, м/б градуирована по-разному в зависимости от требуемой точности взвеш-я. Сравните бытовые и аналитич-е весы. Применимы все арифмет-е действия. Описыв. уравнение:                                                                   Q=q, где Q- ФВ для которой стр-ся шкала

            - ее единица измерения

             q- числовое значение ФВ

Переход от одной шкалы к др. происходит в соотв. с уравнением: 

- абс. шкалы

Обладающие всеми признаками шкал отнош-й , но доп. имеющие естеств. однознач. определ. ед. измерения и не зависящие от принятых  сис. ед. измерения. Такие шкалы соответствуют отнош. величин (коэф. усиления, ослабления). Для образов. мног. велич. в сис. СИ исп-ся: безразмерные и счетные единицы абс-х шкал. Здесь шкалы описыв-ся уравнением:  Q=q 

- общие для всех шкалы

Шкала наименования и порядка наз-ся неметрическими (концептуальными), а шкала интервалов и отношен-й метрическими (матер-ми). Абс. и метрические шкалы отн-ся к разряду линейных. Практич-ая реализ-ся шкал осущ-ся путем стандартизации самих шкал и единиц измерения.

2,5 Виды измерений.

   Измерения различают:

1)по способу получения информации

2)по характеру изменений измеряемой величины в процессе измерения

3)по кол-ву измерительной информации

4)по отношению к основным единицам и др.

1)По способу получения информации измерения разделяют:

-прямые- сравнение ФВ с ее мерой. Определяется величина по показателям ср-ва измерения (СИ). Пример: при определении длина предмета линейкой происходит сравнение искомой величины,т.е. колич-ым выражением длины с мерой,т.е. сравнение длины предмета со шкалой линейки. Так  m,t0, эл. напряж. Определ. весами, термометром, вольтм-ом.

y=C*X-уравнение прямого измер-я.  С-цена деления СИ

-косвенные. Отлич-ся от прямых тем, что искомое значение велич. устан. по результатам прям. измер. таких величин. Хi , кот. связаны с искомой определен. зависим-ю. y=F(x1,x2…xn). Так если измерить силу тока амперметром, а электрич. напряжение вольтметром, то по известной функциональной связи всех 3-х величин можно рассчитать мощность элек-ой цепи:W=U*I. Различают косвенные измерения по виду функциональной зависимости F:

а)с линейной зависимостью y=, где Кi- коэф. или постоянная

б)с нелинейной зависимостью y=   f(Xi)- некоторая ф-я