Роль и задачи метрологии. Основные положения метрологии и системы единиц

Работа добавлена: 2016-11-07





Рекомендуемая литература

а) Основная литература

1. Гетманов В.Г. Метрология, стандартизация, сертификация для систем пищевой промышленности. Москва.; ДеЛи принт 2006.-180 с.

           2. Димов Ю.В. Метрология, стандартизация и сертификация. –М.:ПИТЕР, 2006.-432.

1. Введение

1. 1. Основные термины метрологии

Основные термины и определения в области метрологии указаны в рекомендациях по межгосударственной стандартизации РМГ29-99 ГСИ. Основные термины и определения.

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

Измерение – нахождение значения физической величины с помощью  специальных технических средств.

Физическая величина (ФВ) – свойство, общее в качественном отношении многим объектам, но в количественном – индивидуальное.

Средство измерения(СИ) – техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства.

Точность измерений – близость результатов к истинному значению измеряемой величины.

Погрешность измерений– отклонение значения величины, найденной опытным путем, от истинного значения.

Эталон ФВ – СИ, обеспечивающее воспроизведение физической величины

Единство измерений - состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах величин и погрешности измерений не выходят за установленные границы с заданной вероятностью.

1.2.  Роль  и задачи метрологии.

Можно выделитьтри главные функции измерений в народном хозяйстве:

Особенно ярко это проявляется в торговле. Торговля является одним из приоритетных государственных интересов. Во- первых, государство получает налоги от торговли, во-вторых, государство обязано защитить своих граждан от недобросовестной торговли. В тех случаях, когда предметом торговой сделки является количество товара, измерения являются неотъемлемой частью торгового процесса. Для России, у которой многие товары, т.ч. и экспортные, поставляются в количественном выражении (тонны, кубометры, киловаттчасы) повышение точности измерения этих величин весьма актуально. Любая неточность в измерениях приводит к огромным финансовым потерям. Речь идет об огромных количествах материальных ценностей таких, как газ, нефть, лесоматериалы. Исследования показывают, что точность измерения количества газа в магистральных трубопроводах не превышает 3%, а в распределительных сетях -10% Увеличение точности измерений на 0,5% дает экономию в миллиарды долларов.

Например, известно, что урожайность сельскохозяйственных культур в значительной мере зависит от оптимального и заранее устанавливаемого количества вносимых в почву удобрений и расхода воды при поливе и, следовательно, от точности измерений массы удобрений и расхода воды. При производстве пищевых продуктов для обеспечения качества  и снижения себестоимости продукции необходимо строгое дозирование компонентов.

Особенно ярко это проявляется в области оборон обеспечения. Современные образцы вооруженной техники фактически являются высокоэффективными информационно-вычислительными системами, эффективность которых определяется способностью оперативной обработки больших объемов высокоточной измерительной информации

От качества СИ зависит эффективность выполнения указанных функций. Повышение точности измерений позволяет определить недостатки тех или иных технологических процессов и устранить эти недостатки. Все это, в конечном счете, приводит к повышению качества продукции, экономии энергетических и тепловых ресурсов, а также сырья и материалов.

О  значимости метрологической деятельности в современной мире говорят те средства, которые затрачиваются на сами измерения и обеспечения их единства.  По оценкам экспертов 3-6% ВВП передовых индустриальных стран тратится на измерения и связанные с ним операции. Весьма велика и стоимость эталонов, так в США, Японии тратят на эти цели 0.004% ВВП в  быстроразвивающихся странах -  0.01% ВВП. В нашей стране ежедневно производится около 200 млрд измерений, свыше 3 млн человек считают измерения своей профессией, эксплуатируется более 1 млрд средств измерений.  Доля затрат на измерения составляет 10—15% затрат общественного труда, а в отраслях промышленности, производящих сложную технику (электротехника, станкостроение и др.), она достигает 50—70%.

Согласно РМГ 29-99основными задачами метрологии являются:

2. Основные положения метрологии и системы единиц

2.1.Физические величины  единицы физических величин

Метрология, как и другие науки, строятся на основе ряда аксиоматических исходных понятий, составляющих основу ее логического построения. Ранее было дано определениеФВ как свойства, в качественном отношении общее нескольким объектам, но в количественном различное.

Совокупность физических величин, связанных между собой определенными зависимостями, основанными на законах физики, называетсясистемой физических величин. Для построение системы физических величин обоснованно, но в общем случае произвольно, выбираются несколько ФВ, называемыхосновными. Остальные величины, называемыепроизводными, выражаются через основные на основе известных уравнений связи между ними. Примерами производных величин могут служить плотность вещества, ускорение и др.

Другим аксиоматическим понятием кроме понятия ФВ является понятиеединицы измерения ФВ

Единица измерения – это ФВ, которой по определению присвоено числовое значение равное единице. Каждая физическая величина, таким образом, характеризуется индивидуальным значением, являющимся произведением числового значения величины на ее единицу. Так, например, значение массы тела 20 кг это произведение 20 (числового значения) на килограмм (единицу массы).

Важным понятием в метрологии является понятиеразмерность ФВ – выражение, отражающее связь данной ФВ с ФВ, принятыми в данной системе величин за основные.  В соответствии с международным стандартом ИСО 31/0 размерность величин следует обозначатьdim.

Вся современная физика может быть построена на семиосновных величинах: длина, масса, время, сила электрического тока, термодинамическая температура, сила света и количество вещества. Размерность  основных величин обозначается заглавными буквами, например, для длины, массы и времениdiml =L,dimm =M,dimt =T.  Размерность производной ФВ всегда можно выразить через размерности основных с помощью степенного одночленаdim Х =LlMmTt , гдеL,M,T    - размерности основных ФВ, аl,m,t,  - показатели размерностей. Показатели размерности могут быть положительным, отрицательным, дробным числом или нулем. Если все показатели размерности равны нулю, то такая величина называется безразмерной.

Теория    размерности применяется для перевода единиц из одной системы единиц в другую, для оперативной проверки правильности формул. Формальное применение алгебры размерностей иногда позволяет определить неизвестную зависимость между ФВ.

Количественной характеристикой любого свойства ФВ служит размер, хотя не принято говорить «Размер длины», «Размер массы». Говорят прости – длина , масса.

Размер ФВ – это количественная определенность ФВ, присущая конкретному объекту.

Размер ФВ следует отличать отзначения ФВ – выражения размера в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Например: 0,001 км, 1 м, 100 см, 1000мм – четыре значения представления одного и того же размера.

Составная часть значения –числовое значение ФВ, т.е. отвлеченно число, входящее в значение величины. Оно показывает на сколько единиц размер больше нуля или во сколько раз он больше размера, принятого за единицу измерения.  Следовательно,значение ФВQ выражается через размер единицы измеренияU ичисловое значение пследующим образом.

Q=nU.(1)

гдеQзначение ФВ ,Uразмерединицы измерения ФВ ,nчисловое значение ФВ.

Уравнение  (1) являетсяосновным уравнением измерения. Правая часть его называется результатом измерения, который всегда является размерной величиной и состоит из единицы физической величиныU, имеющей свое наименование, и числап., показывающего, сколько раз данная единица содержится в измеряемой физической величине.

Различают кратные и дольные единицы ФВ.Кратная единица – в целое число раз превышающая системную единицу, например, единица длины километр равна 103м т.е. кратна метру.Дольная единица – единица ФВ, значение которой в целое число раз меньше системной, единица длины миллиметр равна 10-3м, т.е является дольной

Приставки для образования дольных и кратных единиц

109  - гига   (Г)                         10-1     - деци (д)

106  - мега (М)                          10-2     - санти (с)

103   - кило (к)                           10-3      - милли (м)

102   - гекто (г)                           10-6       - микро (мк)

101   - дека (да)                            10-9       - нано (мк)

     Все основные, производные, кратные и дольные единицы являются системными.

2.2. Системы единиц  физических величин.

Совокупность основных и производных единиц ФВ, образованная в соответствии с принятыми принципами, называетсясистемой единиц ФВ. Единица основной ФВ являетсяосновной единицей данной системы.Производная единица    – это единица производной ФВ данной системы единиц,  образованная в соответствии с уравнением, связывающим ее с основными единицами. Единицы ФВ делятсяна системные единицы(входящие в одну из принятых систем) и внесистемные(не входящие ни в одну из принятых систем единиц).

Правила, по которым тот или иной комплекс единиц выбирают в качестве основного, не могут быть обоснованы теоретически. Единственным аргументом в пользу выбора могут служить лишь эффективность и целесообразность использования данной системы. Для практических целей и в качестве основных величин и единиц следует выбирать такие, которые можно воспроизвести с наибольшей точностью. Образование системы единиц базируется на объективных закономерных связях между физическими величинами и на произвольной, но разумной воле людей и их соглашениях.

При построении или введении новой системы единиц ученые руководствуются только одним единственным принципом – практической целесообразности, т.е. удобством применения единиц в деятельности человека. В основу этогопринципа положены следующие базовые критерии:

Приведенные критерии вступают в противоречие, поэтому путем соглашения выбирается наиболее выгодный для практики вариант.

С развитием науки и техники появилось много различных систем единиц, которые отличались друг от друга не только основными единицами, но и принципом построения. Рассмотрим некоторые из них.

Система СГС была введена в 1881г Международным конгрессом электриков и носит название симметричной или гауссовой. В качестве основных были приняты единицы: длины – сантиметр, массы – грамм, времени – секунда. Кроме того,  были введены названия производных единиц в соответствии с физическими уравнениями, связывающими основные и производные единицы: сила – дин, работа – эрг, давление – бар. Для механических величин система СГС была простой и ясно. Сложнее дело обстояло с электрическими и магнитными величинами. Наибольшее распространение получили две ее разновидности СГСЕ – для электрических и СГСМ -  для магнитных. В этих единицах в качестве основной добавлены безразмерные ФВ: диэлектрическая проницаемость вакуума ε = 1 и магнитная проницаемость вакуума μ = 1 соответственно. Эти системы применялись в основном в лаборатории и в практической жизни широкого распространения не нашли, но используется в точных науках – физике и астрономии.

В Системе  МКГСС  три основные единицы: метр – единица длины; килограмм сила – единица силы; секунда – единица времени. В системе МКГСС за единицу силы принималась сила, с которой притягивается к земному шару гиря (эталон массы) в 1 кг, расположенная на широте 450 над уровнем моря. Для  того чтобы избежать путаницы, когда силу и массу называют одним и тем же словом, единицу силы обозначили 1 кг, а единицу массы 1кг. Кроме того, сила как основная единица плохо поддавалась воспроизведению. Эта система широко использовалась в технике и механике, получив название «технической», в отличие от «лабораторной» СГС системы.

Практическая система единиц МКСА была предложена в 1904 г. итальянским ученым Джорджи предложил систему единиц, где в качестве основных были метр, килограмм, секунда, ампер Система объединила достоинства технической системы МКГСС и практической системы электрических единиц (ампер, вольт, ом, фарада, ватт и т.д.). Система МКСА была ведена в СССР с 1957 г. в качестве основной и послужила основой международной системы единицSI.

2.3. Международная система единицSI

Наличие  нескольких систем единиц ФВ вызывала неудобства, связанные с переходом от одной системы единиц к другой. Требовалась единая система, практически удобная, охватывающая различные области измерения. Такая международная система единиц ФВ (в английской литературе -SI, в русской – СИ) была утверждена Генеральной конвенцией по мерам и весам в 1960 г. В СССР стандарт, в соответствии с которым был осуществлен переход на Международную систему единиц СИ введен в  1982 г.  В настоящее время действует ГОСТ 8.417-2002  «ГСИ. Единицы физических величин».

Международная система имеет ряд достоинств, важнейшими из которых являются:

-  универсальность, т.е. охват всех отраслей науки и техники;

         - унификация единиц для всех видов измерений (например, единицы энергии и работы имеют одно наименование – джоуль, вместо ранее используемых в других системах калория и эрг; единица давления -  паскаль вместо ранее используемых атм, мм. рт. ст., бар, пьеза)

         -  практическое удобство применения основных и производных единиц (площадь – квадратный метр, объем – кубический метр, сопротивление – ом и т.д.)

          - когерентность, т.е. соотношение между кратными единицами в системе пропорционально десяти в целой степени (положительной или отрицательной)

           - образование производных единиц из основных без переходных коэффициентов, т.е. числовые переходные коэффициенты в определяющих уравнениях равны единице.

Международная система СИ представленаосновными единицами, при выборе которых исходили из требований охвата всех областей науки и техники, их практического использования и возможностью воспроизведения с высокой точностью:

Метр (обозначение м) – длина пути, проходимый светом в вакууме за интервал времени 1/299792458 секунды (1983 г.);

Килограмм (кг) – масса, равная массе международного прототипа килограмма (1901 г.);

Секунда (с) – время, равное 9192631770 периодам излучения, соответствующее переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 (1967 г.);

Ампер (А)– сила тока, который при прохождении по двух параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади поперечного сечения, расположенных в вакууме на расстоянии 1 м, вызывал бы на участке 1 м силу взаимодействия 2 10-7 Н (1961 г.)

Кельвин (К)– единица термодинамической температуры, равная 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды (допускается применение градуса шкалы Цельсия:t = Т – Т0, Т0= 273,16 К) (1967 г.)

Моль (моль) – количество вещества системы, содержащей столько структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде–12 массой 0,012 кг;

Кандела (кд)– сила света, в заданном направлении источника, испускающее монохромное излучение частотой 540 ·1012 Гц, энергетическая сила которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср;

Производные единицы системы СИ образуются из основных с помощью уравнений связи между ФВ. Такими уравнениями являются уравнения, описывающие основные физические законы или соотношения между ФВ. Например, для линейной скорости уравнением связи являетсяv =l/t, единица скорости при этом выражается в метрах в секунду и обозначается м/с, размерностьdim(v) =LT-1

Такжев системе СИ применяются 22 производные единицы, имеющие специальные названия, например, (радиан, стерадиан, герц, ньтон, паскаль, джоуль, ватт, вольт, ом, генри, фарада, вебер, сименс, люмен, люкс). Производные единицы, образованные от собственных имен, обозначаются большой начальной буквой.

Внесистемные единицы, не входящие в систему СИ, делятся на три группы.

К первой группе относятся единицы, которые допускаются к применению наравне с системными единицами без ограничения. ГОСТ их устанавливает: времени  (минута, час, сутки) ; массы  (тонна); температуры (градус Цельсия); площади (гектар), объема (литр); плоский угол (градус, минута, секунда); длины (парсек, световой год).Без ограничения срока допускается применять единицы относительных, например, относительная величина процент  (110-2– сотая доля); промилле (110-3); миллионная доля (110-6); Отказ от них неразумен из-за их широкого использования в технике и производстве.

Ко второй группе относятся единицы, временно допустимые к применению до принятия по ним международных соглашений. Это морская миля, карат, узел, обороты в минуту, бар.

Третью группу внесистемных единиц предписывается изымать из обращения. В настоящее время не применяются единицы: массы – центнер, силы – дина, килограмм-сила. В то же время используются следующие «запрещенные» единицы: мм.рт.ст (133 Па), лошадиная сила (735 Вт), калория (4,2 Дж), длины – ангстрем (10-10м). Эти единица стали настолько привычными для людей, что полный отказ от них происходит с большими трудностями.

Вопросы.

  1. Основные термины в области метрологии. Задачи  и роль метрологии. Основные разделы метрологии.
  2. Понятия физическая величина,  система физических величин, структура системы физических величин. Единица физической величины. Размерность физической величины. Пример написания размерности.
  3. Основное уравнение измерения. Понятия Размер ФВ и Числовое значение ФВ. Дольные, кратные единицы физических величин.
  4. Понятие и структура Системы единиц физических величин, принципы построения Системы единиц физических величин СГС, МКГСС, МКСА.
  5. Система единиц физических величин СИ. Основные и производные единицы системы СИ. Современный подход к использованию внесистемных единиц.




Похожие рефераты, которые будут Вам интерестны.

1. ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ И ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

2. Ответы к экзамену по метрологии, стандартизации и сертификации

3. ЭЛЕМЕНТЫ МЕТРОЛОГИИ. ВИДЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ

4. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ СИСТЕМ. ОСНОВНЫЕ СИСТЕМНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ

5. Основные концептуальные положения системы защиты информации. Угрозы конфиденциальной безопасности

6. Основные положения в системе ТО

7. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ СИСТЕМ

8. Основные положения учетной политики

9. Основные положения методики идентификационной трасологической экспертизы

10. Каковы основные положения ассоциативной психологии А. Бена