Метрология Сущность и содержание метрологии Лекция 1 – 2 часа
Сущность метрологии как науки об измерениях
Виды измерений
Физические величины как объект измерений
Международная система единиц физических величин
Сущность метрологии как науки об измерениях
Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и требуемой точности. Современная метрология включает три составляющие: законодательную метрологию; фундаментальную (научную) метрологию и практическую (прикладную) метрологию.
Законодательная метрология – это раздел метрологии, включающий комплексы взаимосвязанных и взаимообусловленных общих правил, а также другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и контроле со стороны государства, направленные на обеспечение единства измерений и единообразие средств измерений.
К области законодательной метрологии относятся испытания и утверждение типа средств измерений, их поверка и калибровка, сертификация средств измерений, государственный метрологический контроль и надзор за средствами измерений.
Фундаментальная и прикладная метрологии связаны с измерением физических величин.
Физической величиной называют одно из свойств физического объекта (явления, процесса), которое является общим в качественном отношении для многих физических объектов, отличаясь при этом количественным значением.
Измерением называется совокупность операций, выполняемых при помощи 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 – может быть решена при соблюдении двух условий, которые можно назвать основополагающими:
Выражение результатов измерений в единых узаконенных единицах;
Установление допустимых ошибок (погрешностей) результатов измерений и пределов, за которые они не должны выходить при заданной вероятности.
Погрешностью называют отклонение результата измерений от действительного (истинного) значения измеряемой величины.
Виды измерений
Измерения различают по способу получения информации, по характеру изменений измеряемой величины в процессе измерений, по количеству измерительной информации, по отношению к основным единицам.
I По способу получения информации измерения разделяют на прямые, косвенные, совокупные и совместные.
Прямые измерения – это непосредственное сравнение физической величины с ее мерой.
Косвенные измерения отличаются от прямых тем, что искомое значение величины устанавливают по результатам прямых измерений таких величин, которые связаны с искомой определенной зависимостью.
R=U/I – Закон Ома
Совокупные измерения сопряжены с решением системы уравнений, составляемых по результатам одновременных измерений нескольких однородных величин. Решение системы уравнений дает возможность вычислить искомую величину.
Совместные измерения – это измерения двух и более неоднородных физических величин для определения зависимости между ними.
II По характеру изменения измеряемых величин в процессе измерений бывают статистические, статические и динамические измерения.
Статистические измерения связаны с определением характеристик случайных процессов, звуковых сигналов, уровня шумов и т.д.
Закон распределения случайной величины
Статические измерения имеют место тогда, когда измеряемая величина практически постоянна. (Длина, ширина, объем)
Динамические измерения связаны с такими величинами, которые в процессе измерения претерпевают те или иные изменения.
III По количеству измерительной информации различают однократные и многократные измерения.
Однократные измерения – это одно измерение одной величины, т.е. число измерений равно числу измеряемых величин. неточное
Многократные измерения характеризуются превышением числа измерений количества измеряемых величин.
IV По отношению к основным единицам измерения делят на абсолютные и относительные.
Абсолютными измерениями называют такие, при которых используются прямое измерение одной основной величины и (возможно) физическая константа. E=mc2 (c=const, m – измеряемая величина)
Относительные измерения базируются на установлении отношения измеряемой величины к однородной, применяемой в качестве единицы.
Шкала измерений – это упорядоченная совокупность значений физической величины, которая служит основой для ее измерения.
В метрологической практике известно несколько разновидностей шкал: шкала наименований, шкала порядка, шкала интервалов, шкала отношений.
Шкала наименований – это своего рода качественная, а не количественная шкала, она не содержит нуля и единиц измерений. Альбом колеров
Шкала порядка характеризует значения измеряемой величины в баллах. Землетрясение
Шкала интервалов имеет условные нулевые значения, а интервалы устанавливаются по согласованию. Линейка, геодезическая лента
Шкала отношений имеет естественное нулевое значение, а единица измерений устанавливается по согласованию. Весы: старые - на одну чашку - гири, на другую - товар.
Физические величины как объект измерений
Объектом измерений являются физические величины, которые подразделяются на основные и производные.
Основные величины не зависимы друг от друга, но они могут служить основой для установления связей с другими физическими величинами, которые называют производными от них.
Основным величинам соответствуют основные единицы измерений, а производным – производные единицы измерений.
Совокупность основных и производных единиц называется системой единиц физических величин.
Первая система единиц – метрическая (Франция, 1840 г.). Единицы, используемые в ней следующие: метр, грамм, ар, стер, литр. Не было подразделения на основные и производные единицы.
Ар – площадь 10х10 кв.м. Стер – объем 10х10х10 куб.м.
В 1881 г. была принята система единиц физических величин СГС, основными единицами которой были: сантиметр, грамм, секунда. (СГС – название)
В начале XX века получила распространение система единиц МКСА. Основные единицы этой системы: метр, килограмм, секунда, ампер; а производные: Ньютон, Джоуль, Ватт.
Однако в настоящее время широкое распространение во всем мире получила Международная система единиц СИ. SI – System International. 7 основных единиц этой системы.
Международная система единиц физических величин
Она включает в себя семь основных единиц физических величин:
Единица длины – метр – длина пути, которую проходит свет в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды; Скорость света ~300 000 000 м/с
Единица массы – килограмм – масса, равная массе международного прототипа килограмма; в г. Севра (рядом с Парижем хранится эталон кг)
Единица времени – секунда – продолжительность 9 192 631 770 периодов излучения, которое соответствует переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения со стороны внешних полей;
Единица силы электрического тока – ампер – сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1м один от другого в вакууме, создал бы между этими проводниками силу, равную 2*10-7 Н на каждый метр длины;
Единица термодинамической температуры – кельвин – 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды (вода может быть в твердом, жидком или газообразном состоянии). Допускается также применение шкалы Цельсия;
Единица количества вещества – моль – количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в изотопе углерода-12 массой 0,012 кг;
Единица силы света – кандела – сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540*1012 Гц, энергетическая сила которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.
Ср – Стерадиан
Стерадиа́н — единица измерения телесного угла. Обозначения: ср (кириллицей: эс-эр), sr.
Стерадиан
равен телесному
углу с
вершиной в центре сферы радиусом 
,
вырезающему из сферы поверхность
площадью 
.