Тема 1.1. Физические величины и шкалы измерений
План
1.Основы технического регулирования.
2.Понятие и предмет метрологии.
3.Физические величины.
4.Основное уравнение измерений и постулаты метрологии.
5.Шкалы измерений.
В настоящее время, производство продукции на всех стадиях жизненного цикла должно регулироваться Законом РФ "О техническом регулировании", введенный в России с 2003 г. Этот документ предусматривает разработку технических регламентов, в которых прописываются обязательные требования к выпускаемой продукции, процессам её производства, эксплуатации, хранения и утилизации. Техническое регулирование осуществляется на самом высоком уровне: обязательные требования к продукции, процессам производства принимают уровень законов. Целью разработки закона является гармонизация нашей системы отношений с международной, прежде всего европейской, что даёт возможность выхода отечественных товаров на мировой рынок. Устранение барьеров в торговле обеспечивает также равные условия для российских и зарубежных производителей на российском рынке.
Федеральный закон регулирует отношения, возникающие при: разработке, принятии, применении и исполнении обязательных требований к продукции, процессам производства, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации, выполнению работ или оказанию услуг; то же самое осуществляется и на добровольной основе; кроме того, закон регулирует отношения при оценке соответствия; устанавливает права и обязанности участников. Содержащиеся в законе основные понятия охватывают весь круг вопросов, входящих в этапы жизненного цикла создания продукции.
Технический регламент - документ, который принят международным договором Российской Федерации, ратифицированным в порядке, установленном законодательством Российской Федерации, или федеральным законом, или указом Президента Российской Федерации, или постановлением Правительства Российской Федерации и устанавливает обязательные для применения и исполнения требования к объектам технического регулирования. Технические регламенты принимаются исключительно в целях защиты жизни или здоровья граждан, имущества физических или юридических лиц, государственного или муниципального имущества; охраны окружающей среды, жизни или здоровья животных и растений; предупреждения действий, вводящих в заблуждение приобретателей.
Метрология(от греч. "метро" - мера, "логос" - учение) — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Метрология состоит из следующих основных разделов:
теоретическая (фундаментальная) метрология, предметом которой является разработка фундаментальных основ метрологии, таких, например, как общая теория измерений и теория погрешностей, теория единиц физических величин и их систем, теория шкал и поверочных схем и др.;
законодательная метрология, которая представляет собой совокупность обязательных для применения метрологических правил и норм по обеспечению единства измерений, которые функционируют в ранге правовых положений и находятся под контролем государства;
практическая (прикладная) метрология, которая решает вопросы практического применения разработок теоретической метрологии и положений законодательной метрологии, в частности, вопросы поверки и калибровки средств измерений.
Предмет метрологии как науки об измерениях составляют следующие задачи:
ü общая теория измерений;
ü единицы физических величин и их системы;
ü методы и средства измерений;
ü методы определения точности измерений;
ü основы обеспечения единства измерений;
ü эталоны единиц физических величин;
ü методы передачи размеров единиц от эталонов к рабочим средствам измерений.
В России сформирована Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ) как система управления деятельностью по обеспечению единства измерений, возглавляемая, реализуемая и контролируемая Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии (Ростехрегулирование).
Измерения как основной объект метрологии связаны как с физическими величинами, так и с величинами, относящимися к другим наукам (математике, психологии, медицине, общественным наукам и др.). Измерением называют совокупность операций, выполняемых с помощью технического средства, хранящего единицу величины и позволяющего сопоставить с нею измеряемую величину. Полученное значение величины и есть результат измерений. Одна из главных задач метрологии — обеспечение единства измерений, для которого их результаты выражены в узаконенных единицах, а погрешности известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы.
Физической величиной (ФВ) называют одно из свойств физического объекта (явления, процесса), которое является общим в качественном отношении для многих физических объектов, отличаясь при этом количественным значением. Размер ФВ - это количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию «физическая величина». Значение ФВ - это оценка ее размера в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Его получают в результате измерения или вычисления в соответствии с основным уравнением измерения
Q = q [Q],
где Q – значение ФВ; q – числовое значение данной величины в установленной для нее единице; [Q] – установленная единица измерения ФВ.
В процессе измерений возникают различные внешние и внутренние помехи, которые вносят погрешность в результат измерения. Это определяет тот факт, что при многократном измерении одной и той же величины X одним и тем же средством измерения в одинаковых условиях результаты измерения Yi, как правило, различаются между собой и не совпадают с истинным значением физической величины
Y1≠ Y2≠ Y3…≠ Yn.
Под истинным значением измеряемой величины понимается значение, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующую ФВ. Поскольку истинное значение есть идеальное значение, то в качестве наиболее близкого к нему используют действительное значение, найденное экспериментальным путем как среднее арифметическое из ряда значений, полученных при многократных равноточных измерениях одной и той же ФВ.
Из изложенного вытекают основные постулаты метрологии:
1. Истинное значение измеряемой величины существует, и оно постоянно.
2. Истинное значение измеряемой величины отыскать невозможно, т.е. погрешности при измерениях неизбежны.
На практике появляется необходимость проводить измерения величин, характеризующих свойства явлений и процессов. Некоторые свойства проявляются качественно, другие количественно. Отображение свойств в виде множества элементов или чисел или условных знаков представляет собой шкалу измерений этих свойств. Шкала измерений — это упорядоченная совокупность значений физической величины, которая служит основой для ее измерения. В соответствии с логической структурой проявления свойств различают пять основных типов шкал измерений.
Шкалы наименований характеризуются только отношением эквивалентности (равенства), они не содержат количественную информацию, в них нет нуля и единиц измерений.
Шкалы порядка - характеризуют значение измеряемой величины в баллах. Эти шкалы описывают свойства, для которых имеют смысл не только соотношения эквивалентности, но и соотношения порядка по возрастанию или убыванию количественного проявления свойства. В этих шкалах также нет возможности ввести единицы измерений из-за того, что они не только принципиально нелинейны, но и вид нелинейности может быть различен и неизвестен на разных ее участках.
Шкалы разностей (интервалов) - отличаются от шкал порядка тем, что для описываемых ими свойств имеют смысл не только соотношения эквивалентности и порядка, но и суммирования интервалов (разностей) между различными количественными проявлениями свойств. Характерный пример - шкала интервалов времени.
Шкалы отношений имеют естественное нулевое значение, а единица измерений устанавливается по согласованию. К множеству количественных проявлений в этих шкалах применимы соотношения эквивалентности и порядка. Шкалы отношений широко используются в физике и технике, в них допустимы все арифметические и статистические операции.
Абсолютные шкалы обладают всеми признаками шкал отношений, но в них дополнительно существует естественное однозначное определение единицы измерения. Такие шкалы используются для измерений относительных величин (отношений одноименных величин: коэффициентов усиления, ослабления, КПД, коэффициентов отражений и поглощений, амплитудной модуляции и т.д.).
.
Тема 1.2. Международная система единиц SI
План
1.Размерности физических величин и уравнения связи между ними.
2.Основные и производные единицы ФВ.
3.Единицы ФВ системы SI.
4.Эталоны единиц системы SI.
Важной характеристикой ФВ является ее размерность dim Q – выражение в форме степенного многочлена, отражающее связь данной величины с основными ФВ:
dim Q = LαMβTγIη…,
где L, M, T, I,…- обозначения основных величин данной системы; α, β, γ, η,…- целые или дробные, положительные или отрицательные вещественные числа.
Показатель степени, в которую возведена размерность основной величины, называется показателем размерности. Если все показатели размерностей равны нулю, то такую величину называют безразмерной.
Система единиц физических величин — совокупность основных и производных единиц физических величин, образованная в соответствии с принципами для заданной системы физических величин.
Принципы построения системы SI:
1.SI базируется на семи основных единицах, размеры которых устанавливаются независимо друг от друга. Эти единицы следующие: длина- метр (м), масса- килограмм (кг), время- секунда (с), сила электрического тока- ампер (А), термодинамическая температура- кельвин (К), количество вещества- моль (моль), сила света- кандела (кд).
2.Производные единицы образуются с помощью простейших уравнений связи между величинами - определяющих уравнений, в которых размеры величин приняты равными единицам SI. Для величины каждого вида имеется только одна единица SI.
3.Производные единицы вместе с основными формируют когерентную (взаимосвязанную) систему.
4.Наряду с единицами SI к применению допущено ограниченное число внесистемных единиц из- за их практической важности и повсеместного применения в различных областях деятельности.
5.Единицы SI или внесистемные единицы могут применяться с приставкой, означающей умножение единицы на десять, возведенное в определенную степень. Единицы, содержащие приставку, называются десятичными кратными или дольными в зависимости от того, является показатель степени положительным или отрицательным.