Основы метрологии

Метрология – наука об измерениях, о методах и средствах достижения единства измерений, а также способах повышения и обеспечения заданной точности измерений.

Целями являются: создание общей теории измерений, эталонов и мер, измерительных устройств и измерительных информационных систем, методов обеспечения точности результатов измерений, а также методик передачи размеров единиц от эталонов к образцовым СИ и далее к рабочим СИ.

Метрология как наука имеет свой предмет и объект изучения.

Предметами являются методы и методики осуществления измерительных операций, СИ техники, способы достижения необходимой точности измерений, свойства физических объектов и процессов. А также правила и нормы, которые этому способствуют.

Объектами метрологии является совокупность метрологического обеспечения всех отраслей производства, потребления и обслуживания общества, а также его элементов (транспортная, коммунальная сферы, охрана окружающей среды, с/х).

Субъектами метрологии являются лица и организации, которые осуществляют деятельность в отношении предмета и объекта метрологии.

Метрология, как наука, обеспечивается как общенаучными, так и специальными методами познания, которые образуют методики метрологии.

Совокупность математических и физических методов получения информации с помощью измерений с заданной точностью и достоверностью:

1. Методики измерения преобразований.

2. Методики измерения и обработки результата наблюдений.

3. Методики планирования эксперимента.

Средства метрологии – совокупность СИ и контроля, которые используются для получения информации о свойствах разнообразных явлений и процессов.

Термин «измерения» является одним из основных в теории и практике метрологии. Он обеспечивает связь с объектом исследования или управления в различных областях науки, техники и производства.

В результате измерений получаются физические величины.

Физической величиной является признак, который свойственен различным физическим объектам, процессам, состояниям объекта, некоторым физическим свойствам.

Физико-механические параметры материалов, веществ, изделий (прочность, твердость, механичность напряжения, температура, давление…).

Допустимые уровни содержания нитратов, пестицидов, радионуклидов, микотоксинов в пищевой продукции и продовольственном сырье, содержание в воздухе сажи, а также оксида углерода.

Метрология, как наука, исследует физические величины, с помощью которых можно судить о характере того или иного объекта исследований – измеряемых (контромер) параметрах.

Измеряемыми параметрами (величинами) называются параметры, которые подлежат измерению.

Информация об измерительных величинах или параметрах называется измерительной информацией.

Измерительную информацию получают в результате взаимодействия двух материальных объектов: измерительного устройства и объекта исследований.

Измерение – отображение физических величин определяемых значениями с помощью экспериментов и расчетов при использовании специальных технических средств.

Любую физическую величину можно охарактеризовать в качественных или свойственных отношениях, аспектах: размер физической величины указывает на ее количественное содержание в исследуемом объекте, которая устанавливается с помощью измерений (электромагнитные и геометрические параметры изделий, содержат радионуклиды).

Единицы измерений – физические величины, предназначенные для количественной оценки и отображения, однородных с ней величин.

В качественном отношении формализована, можно отобразить результат измерений их размерностью.

Размерность – символизирует буквенные обозначения зависимости производства величин от основных.

Существует значительное количество видов классификации физических величин.

Рассмотрим некоторые:

По характеру проявления размеров физические величины делятся на активные (энергетические) – физические величины, которые сами проявляют свой размер (температура, давление, электрический ток); пассивные (вещественные), которые проявляют свой размер при воздействии на объект исследования активной физической величины.

Следующим типом классификации физических величин является классификация, которую используют при создании систем единиц измерений физических величин: основные, дополнительные, производные.

Основными физическими величинами являются величины, которые формируют определенную систему и условно принимаются как независимые от другой величины этой системы (масса 1кг, длинна 1м).

Производными называются физические величины, которые выражаются через основные физические величины.

Это, например, дольные единицы, граммы, миллиметры, сантиметры, десятичные кратные единицы (нанофарады, пикофарады).

Дополнительными называются физические величины, которые состоят из условно принятых в качестве дополнительных и не относятся ни к основным, ни к производственным физическим величинам.

Радиан – единица измерения плоского угла. 1 рад = 57^о17’44,8”.

Стерадиан (ср) – единица измерения телесного угла. 1 ср = 65^о32’.

Таким образом, размерной физической величиной называют физическую величину в формуле размеренности, которой показатель степени хотя бы одной из основной величины ≠0.

Безразмерной физической величиной (относительной) называется физическая величина, которая равна отношению конкретной физической величины к однородной ей.

Безразмерными физическими величинами часто пользуются в метрологии для расширения пределов измерений измеряемых величин, а также для ввода специальных нормированных параметров для получения универсальных функций преобразования, связывающих сигналы измерительных устройств и параметры измерительных материалов.

Размерность отображает ее связь с основными физическими величинами системы единиц измерения.

Пусть физическая величина х выражена через L (длину), М (массу), Т (время).

(1)

Покажем, что результаты измерений физических величин будут независимы от выбора единиц измерений в том случае, если функция является однородной функцией длины, массы и времени (для данного случая).

Рассмотрим случай при использовании степенной функции:

(2)

Для выражения (2) – принято говорить, что размерностью (dimension dim) физической величины х является:

(3)

Формула (3) – формула размерности, которая показывает, как производная величина связана с основными величинами.

При этом любая физическая величина х может быть представлена, как произведение ее числового значения на единицу измерения

(4)

является основным уравнением измерений.

Представим выражение (2) с участием (4) в виде:

(5)

Уравнение (5) показывает, что оно разбивается на 2 равенства.

Равенства физических величин разбиваются на равенства числовых значений и на равенства единиц.

(6)

(7)

Сопоставляя формулы (6) и (7), можно сказать, что связь производных и основных единиц аналогична связи основным.

Размерность служит качественной характеристикой физической величины и как показано в формуле (3), выражается произведением степенней основных величин, через которые может быть выражена.

Примеры определения размерности:

Пусть необходимо определить размерность электрического сопротивления, которое находится по формуле:

,

где – удельное электрическое сопротивление материала, изделия.

- длина изделия. .

- площадь поперечного сечения изделия.

Для определения размерности подставим единицы измерений производных физических величин в формулу для определения :

.

С помощью размерности можно также правильность вывода наноформулы при проведении научного исследования или при простом переписании формулы.

– магнитная постоянная, .

- частота магнитного поля. – Гц.

- радиус изделия, = м.

– относительная магнитная прониц. (безразмерная величина).

– обобщенный магнитный параметр (безразмерная величина).

В соответствии с системой СИ:

,

.

Подставим размерности в формулу:

Г.

ДБ – двух величин (активные) – мощностей или напряжений.

ДБ=10 ед. .

Относительные единицы выражаются в % или в промилле ( ₀).

1 ₀ = 10^-3.

Непрерывной величиной (аналоговой) называется величина, возможные размеры которой, в определенных промежутках времени, изменяясь, создала счетное множество.

Дискретными величинами называются величины, возможные размеры которых в определенные промежутки времени, изменяясь, создают несчетное множество.

Также различные скалярные и векторные физические величины.

Скалярные величины имеют размер и могут быть неполярными (масса, объем) и полярными (электрический заряд ).

Векторные величины помимо размера имеют направление.

Физические величины, размер и направление которых не изменяется, называются постоянными физическими величинами.

У которых изменяется, называются переменными величинами.

Так как физические величины существуют в пространстве и времени, их можно представить как функции времени и координат пространства.

Зависящие физические величины от функции времени являются процессом. От функции координат пространства создается поле.

Разнообразие свойств и характер параметров материальных веществ, изделий привело к необходимости создать международные системы единиц измерений физических величин.

Международная система единиц измерений физических величин (СИ)

System International (SI) введена в Украине в 1960г.

Основные преимущества:

1. Универсальность – охватывает все аспекты измерений.

2. Согласованность – все производные единицы системы СИ созданы по определенным правилам, которые исключают появление в формулах сложных коэффициентных пересчетов.

3. Возможность создания новых единиц с развитием науки и техники на основе принятых.

4. Удобство в практическом использовании большинства единиц системы.

Рассмотрим основные единицы системы SI.

- метр. Длина пути, которую проходит свет в вакууме за интервал времени 1/2992458 с.

- единица массы, которая равна массе международного прототипа грамма платинового и ридиевой гири.

- секунда. Время, которое равно 9192361770 периода излучения соответственного перехода между двумя тончайшими уровнями основного состояния атома CS.

- ампер. Сила постоянного тока при прохождении которого по 2 параллельным прямолинейным проводам бесконечной длинны и ширины площади, расположенных в вакууме на расстоянии 1м друг от друга возникающая сила взаимодействия, которая равна 2*10^-7Н на каждый метр длинны.

Ѳ – кельвин. Единица термодинамики температуры, которая равна 1/27316 части термодинамики температуры тройной (.) воды.

N - моль. Количество вещества системы, которая содержит столько структурных элементов, сколько атомов содержит углерод ¹²С массы кг.

Кандела - сила света (в определенном направлении) источника, которая испускает монохроматическое излучение с частотой 540.10 ¹²Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет .

В системе СИ помимо основных единиц используются дополнительные единицы радиан и стерадиан – телесный угол.

Радиан – угол между двумя радиусами окружности, длинна дуги между которыми равна радиусу.

1 рад = 57^о17’44,8’’.

Стерадиан – телесный угол с вершиной в центре сферы, который вырезает на поверхности площадь, равную S_кв. со стороной, равной R сферы.

1ср = 65^о32’.

Производные единицы системы СИ создаются на основании основных и дополнительных единиц по определенным правилам: электронные и магнитные единицы получают соответственно к рациональной форме управления электромагнитного поля.

Производные единицы, которые имеют определенные названия (специальные) используются для создания других производных единиц: пикофарады и нанофарады (единицы измерения электронной ёмкости).

Некоторые производные единицы получили на основании простых выражений, связывающих различные физические величины при использовании числовых коэффициентов, равных 1.

– длинна пути;

- время.

= 1 ,

То скорость = скорость прямолинейного и равномерного движения (.), при котором эта (.) за 1с перемещается на расстояние 1м.

Производная единица определяется также на основании законов связывающих различные физические величины, а также на основании уравнений, из которых определяют нужную физическую величину.

Например: электрическое напряжение.

Основные производные величины так же, как и единицы тесно взаимосвязаны.

В системе СИ наряду с основными и производными единицами допускается использование десятичных кратных единиц, которые получают путем умножения соответственных выходных единиц на 10^{n – целое число}.

Соответственные приставки (префиксы) десятичных кратных единиц системы СИ:

10¹⁸ – екса

10¹⁵ – пета

10¹² – тера

10⁹ – гига

10⁶ – мега

10³ – кило

10² – гекто

10¹ – дека

10^-1 – деци

10^-2 – санти

10^-3 – милли

10^-6 – микро

10^-9 – нано

10^-12 – пико

10^-15 – фемто

10^-18 – акто

Десятичные кратные величины позволяют представлять физические величины из различных областей знаний и чаще всего используются для представления результатов измерений.

Несмотря на универсальность и согласованности СИ существуют единицы, которые в нее не вошли.

Масса – тонна, объем – 1л (литр), единицы времени – минута и час (связаны с вращением Земли вокруг Солнца).

В торгово-экономических отношениях иногда используют дюймовую систему (совокупность единиц измерений, в основе которой лежит единица длинны). 1 ряд = 36 дюймов.

При переходе к системе СИ из английской дюймовой системы в некоторых формулах появляются коэффициенты пересчетов.

Производные единицы системы СИ, которые часто используются в практической деятельности при измерениях

Площадь – дольные кратные единицы Наряду в сельском хозяйстве 1га – 10⁴ .

Объем - Наряду с этими

Частота – определяющее уравнение для колебаний с периодом Т, Единицы измерений .

Формула размерности .

Частота – частота периодического процесса, при котором весь цикл происходит за 1с.

Ускорение – векторная физическая величина, определяется уравнением:

– производ. скорость по времени.

– формула измерения.

Угловая скорость – векторная физическая величина, определяется уравнением между величинами:

Угловое ускорение – векторная физическая величина, определяется

Плотность вещества – скалярная физическая величина:

Величиной, обратной плотности, является удельный объем

Момент инерции динамический -

Сила:

Сила – мера интенсивности воздействия на тело со стороны другого тела.

Вес – сила, которая действует на опору или крепление, препятствую падению.

Сила – векторная физическая величина.

Импульс силы: .

Давление и нормальное напряжение. Уравнения между величинами для сил, перпендикулярных к поверхности, имеет следующий вид:

Единицы измерения давления и нормального напряжения Па определяется, как давление и напряжение, вызванное норм. к поверхности силой 1Н, равномерно распределенное по поверхности, площадью 1м².

Работа и энергия: , где

– перемещение,

Работа и энергия – скалярные физические величины (правило: умножение векторных величин дает скалярную величину).

Работа силы = 1Н при перемещении ее (.) приложения на 1м.

Мощность:

Скалярная физическая величина.

Ударная вязкость:

Способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации или разрешения под действием ударной нагрузки.

Динамическая вязкость:

Свойства жидкости и газов, характеризуют их сопротивляемость скольжению или сдвигу.

Учитывая необходимую точность измерений, их можно классифицировать также следующим образом:

1. Эталонные измерения наивысшей точности, которые используются для воспроизведения основных единиц физических величин и физических констант.

2. Контрольно-поверочные измерения – погрешность результата измерений не должна превышать определенного значения (используется для поверки СИ).

3. Технические измерения, которые можно разделить на лабораторные и производственные.

Единство измерений обеспечивается путем точного воспроизведения, сохранения определенных единиц физических величин и передачи их размеров другим СИ техники (рабочей СИ).

Воспроизведение, сохранение и передача единиц измерения физической величины осуществляется с помощью эталонов СИ (ЗТ), обладающей наивысшей точностью.