17

А.Г. Сергеев

В.В. Крохин

МЕТРОЛОГИЯ

Рекомендовано Министерством образования

Российской Федерации в качестве учебного пособия

для студентов высших учебных заведений

Москва

• «Логос» •

2001

УДК 389.001

ББК30.10

С32

Федеральная программа книгоиздания России

Рецензенты:

Доктор технических наук В.Г. Фирстов

Кандидат физико-математических наук Ю.В. Немчинов

Сергеев А.Г., Крохин В.В.

С32 Метрология: Учеб. пособие для вузов. -М.: Логос, 2001.

-408 с.: ил. ISBN 5-94010-039-2

Рассматриваются основные понятия метрологии, теория воспроизведения единиц физических величин и передачи их размеров, погрешности измерений, обработка результатов измерений, построение и использование средств измерений. Основные темы проиллюстрированы примерами, позволяющими закрепить теоретический материал.

Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Метрология, стандартизация и сертификация» и специальности «Метрология и метрологическое обеспечение». Рекомендуется для использования в учебном процессе по естественно-научным, техническим и экономическим специальностям при изучении тематики, связанной с измерением, стандартизацией и управлением качеством. Представляет интерес для широкого круга специалистов.

ББК30.10

ISBN 5-94010-039-2 © Сергеев А.Г., Крохин В.В., 2000

©«Логос», 2001

Предисловие

Измерения — один из важнейших путей познания природы человеком. Они играют огромную роль в современном обществе.

Наука и промышленность не могут существовать без измерений. Каждую секунду в мире производятся многие миллиарды измерительных операций, результаты которых используются для обеспечения надлежащего качества и технического уровня выпускаемой продукции, обеспечения безопасной и безаварийной работы транспорта, для медицинских и экологических диагнозов и других важных целей. Практически нет ни одной сферы деятельности человека, где бы интенсивно не использовались результаты измерений, испытаний и контроля. Для их получения задействованы многие миллионы человек и большие финансовые средства. Примерно 15% общественного труда затрачивается [1] на проведение измерений. По оценкам экспертов [2] от 3 до 6% валового национального продукта (ВНП) передовых индустриальных стран тратится на измерения и связанные с ними операции.

Диапазон измеряемых величин и их количество постоянно растут. Так, например, длина измеряется от 10^-10 до 10¹⁷ м, температура — от 0,5 до 10 К, электрическое сопротивление — от 10^-6 до 10¹⁷Ом, сила электрического тока — от 10^-16 до 10⁴ А, мощность — от 10^-15 до 10⁹ Вт. С ростом диапазона измеряемых величин возрастает и сложность измерений. Они, по сути дела, перестают быть одноактным действием и превращаются в сложную процедуру подготовки и проведения измерительного эксперимента, обработки и интерпретации полученной информации. Поэтому следует говорить об измерительных технологиях, понимаемых как последовательность действий, направленных на получение измерительной информации требуемого качества.

Другой причиной важности измерений является их значимость. Основа любой формы управления, анализа, прогнозирования, планирования, контроля или регулирования — достоверная исходная информация, которая может быть получена лишь путем измерения требуемых физических величин (ФВ), параметров и показателей. И естественно, что только высокая и гарантированная точность результатов измерений обеспечивает правильность принимаемых решений. Современные наука и техника позволяют выполнять многочисленные и точные измерения, однако затраты на них становятся соизмеримыми с затратами на исполнительные операции.

Важной задачей метрологии является создание эталонов ФВ, привязанных к физическим константам и имеющих диапазоны, необходимые для современной науки и техники. Стоимость поддержания мировой системы эталонов весьма велика. Сумма расходов индустриальных стран на функционирование эталонов и служб передачи размеров единиц следующая: США и Япония тратят на эти цели около 0,004% ВНП,или 240 млн долларов; крупные европейские страны — 0,006% ВНП; в некоторых быстроразвивающих-ся странах Азии эти затраты достигают 0,01% ВНП.

Сотрудничество с зарубежными странами, совместная разработка научно-технических программ требуют взаимного доверия к измерительной информации. Ее высокое качество, точность и достоверность, единообразие принципов и способов оценки точности результатов измерений имеют первостепенное значение.

Метрологии посвящено много публикаций, основную массу которых составляют научно-технические труды [2-10], освещающие отдельные вопросы теории измерений. Среди лучших изданий такого плана следует отметить работы С.Г. Рабиновича [3], П.В. Новицкого и И.А. Зограф [4, 5], В.А. Грановского [6], М.А. Земельмана [7], Н.П. Мифа [8].

Учебников и учебных пособий по теоретической метрологии весьма мало [11-17], и большинство из них издано более десяти лет тому назад. Это обуславливает необходимость издания учебного пособия "Метрология", поскольку дисциплины, изучающие метрологию, присутствуют практически во всех учебных планах технических и экономических специальностей.

Авторы выражают искреннюю признательность заведующему кафедрой метрологии, сертификации и диагностики Московской государственной академии приборостроения и информатики, доктору технических наук профессору В.Г. Фирстову и начальнику отдела Всероссийского научно-исследовательского института метрологической службы, кандидату физико-математических наук Ю.В. Немчинову за ценные замечания, высказанные ими при рецензировании рукописи.

Список используемых сокращений

АЦП — аналого-цифровой преобразователь

ГСИ — Государственная система обеспечения единства измерений

ГЭ — государственный эталон

МО — математическое ожидание

МПИ — межповерочный интервал

MX — метрологическая характеристика

СИ — средство измерений. В сочетании "система СИ"

данное сокращение означает "система интернациональная" и используется для обозначения действующей системы единиц физических величин

СКО — среднее квадратическое отклонение СО — стандартный образец

ФВ — физическая величина

ЦАП — цифроаналоговый преобразователь ИС — измерительный сигнал