5)Метрология, измерения, единство и точность измерений.

Ответ: Принцип измерений – это физическое явление или совокупность физических явлений, на которых основаны измерения. Например, при измерении массы путем взвешивания на равноплечих весах используются следующие физические явления: сила притяжения к земле прямо пропорциональна массе, равные массы имеют равные силы тяжести и на равноплечих весах моменты сил будут равны, а весы уравновешены в устойчивом положении. Локационные измерения длин основаны на измерении времени от момента подачи сигнала до момента возвращения отраженного сигнала при известной скорости распространения сигнала в данной среде. Измерение расхода газа или жидкости по перепаду давления в сужающем устройстве основано на зависимости перепада давления от скорости потока. Метод измерений – это совокупность приемов использования принципов и средств измерения. Классификация методов измерения представлена на рис.2.2.

Погрешность измерения – отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Абсолютная погрешность измерения – погрешность, выраженная в единицах измеряемой величины: Δх = х–А. Относительная погрешность измерения (%) – отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины: dx=Δx/A.

Относительная погрешность не может служить показателем точности измерений, так как она может существенно изменяться в зависимости от значения измеряемой величины. Для нормирования погрешности средств измерений используется понятие приведенной погрешности, которое определяется как: γпр=Δx/An, где An – нормируемое значение (для большинства приборов это максимальное значение шкалы. Распределение полосы погрешностей средств измерений. Если нанести на график экспериментальную зависимость выходного сигнала у от входного х, то полученные точки в координатах х - у разместятся в пределах некоторой полосы. При неизменном положении полосы погрешностей от значения х диапазон разброса значений погрешностей имеет постоянное значение в виде Δх = ±Δх 0. Такая погрешность получила название аддитивной (рис. 2.3, а). В том случае, если ширина диапазона погрешностей возрастает с увеличением входного сигнала х, такая погрешность носит название мультипликативной (рис. 2.3, б). Когда свой вклад в распределение полосы погрешностей вносят как аддитивная, так и мультипликативная составляющие, распределение полосы погрешностей имеет трапецеидальную форму (рис. 2.3, в).

Абсолютные аддитивные погрешности не зависят от измеряемой величины X, а мультипликативные прямо пропорциональны значению X. Источники аддитивной погрешности – трение в опорах, неточность отсчета, вибрации. Причинами мультипликативной погрешности являются влияние внешних факторов и старение элементов и узлов приборов. Когда свой вклад в распределение полосы погрешности вносит как аддитивная, так и мультипликативная составляющие, распределение полос погрешностей имеет трапециидальную форму. |Δmax| = |а| + |вх|, где а – предельное значение аддитивной погрешности, вх – предельное значение мультипликативной погрешности. Сходимость измерений – это качество измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в одинаковых условиях. Повторение измерений приводит к различным результатам наблюдений, распределение которых может быть

оценено статистическими методами. Результаты измерения, вероятностные законы, распределения которых известны, называют достоверными. Результаты измерения, достоверность которых неизвестна, т. е. неизвестны предельные погрешности с заданной вероятностью, не представляют ценности и в ряде случаев могут быть источником дезинформации и принести ущерб. Единство измерений – это такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Единство измерений позволяет обеспечить воспроизводимость измерений, т.е. близость друг к другу измерений, выполняемых в различных условиях (в различное время, в разных местах, неодинаковыми методами и средствами). Это особенно важно в настоящее время, когда специализация и кооперация производства осуществляется не только в рамках одной страны, но и в международном масштабе. Без обеспечения единства измерений невозможно успешное развитие науки на основе обмена идеями и результатами. Единство измерений позволяет сопоставить результаты измерений, выполненные с использованием различных методов и средств измерений в различных местах и в разное время. Единство измерений обеспечивается единообразием средств измерений и правильной методикой выполнения измерений. Мероприятия по обеспечению единства и требуемой точности измерений установлены законодательно. Единообразие средств измерений – это такое их состояние, когда все они проградуированы в узаконенных единицах, а их метрологические свойства соответствуют нормам. Единство измерений не может быть обеспечено без специальных мер, осуществляемых в масштабах всего государства. Поэтому создана метрологическая служба, деятельность которой направлена на обеспечение единства измерений. Метрологическую службу возглавляет Государственный комитет метрологии и стандартизации. Все используемые средства измерений (СИ) периодически, в установленные сроки, проходят поверку. Поверкой средств измерений называется определение метрологическим органом погрешностей СИ и установление его пригодности к применению. Поверка СИ является одним из звеньев в многоступенчатой цепи передачи размера единицы физической величины от эталона через образцовые средства измерений к рабочему средству измерений. Именно эта связь с эталоном обеспечивает единообразие средств измерений и единство измерений. Исходными аксиоматическими понятиями в определении сущности измерений являются:

• натуральный ряд однородных величин;

• шкалы реперов;

• единицы физических величин;

• измерительные преобразования.

Натуральный ряд однородных величин. По однородным свойствам различные предметы могут быть расположены в виде рядов по возрастающим (или убывающим) значениям величин, характеризующих эти свойства. Например, построение натуральных рядов удельного электрического сопротивления и др. Шкалы реперов. Для получения объективных оценок необходимо из последовательного натурального ряда выбрать некоторые опорные (отправные и реперные) значения, которые можно воспроизвести в различных условиях. В температурном ряду таким значением является точка кипения или плавления некоторых веществ (например, точка кипения воды +100,00°С, точка плавления льда 0,00°С). Измерительное преобразование. В некоторых случаях, когда нельзя непосредственно сравнить измеряемую величину с воспроизводимой единицей физической величины, используют измерительное преобразование. Это такой вид преобразования, при котором устанавливается однозначное соответствие между значениями двух величин (входной и выходной). Зависимость между этими величинами стремятся сделать линейной. Измерения являются одним из самых древних занятий в познавательной деятельности человека. Их возникновение относится к истокам материальной культуры человечества. По мере развития общества появилась необходимость в количественной оценке различных величин – расстояний, веса, размеров, объемов и т.д. Эту оценку старались свести к счету, для чего выбирались природные и антропологические единицы. Например, время измерялось в сутках, годах; линейные размеры – в локтях, ступнях; расстояния – в шагах, сутках пути. На определенном этапе своего развития измерения стали причиной возникновения метрологии. Долгое время последняя существовала как описательная наука, констатирующая сложившиеся в обществе соглашения о мерах используемых величин. Развитие науки и техники привело к использованию множества мер одних и тех же величин, применяемых в различных странах. Так, расстояние в России измерялось верстами, а в Англии – милями. Все это существенно затрудняло сотрудничество между государствами в торговле, науке.

Г. Фарингейт (1686-1736) – немец, физик. А. Цельсий (1701-1744) – шведский астроном, физик

В 1742 г. предложил температурную шкалу: 1°С ·= ((100°-0°)/ 100°); 1°С ·= 5/9 (t°F-32); 1° F ·= 1,8 · 1°С + 32. С целью унифицировать единицы ФВ, сделать их независимыми от времени и разного рода случайностей во Франции была разработана метрическая система мер. Эта система строилась на основе естественной единицы – метра, равного одной сорокамиллионной части меридиана, проходящего через Париж. За единицу массы принимался килограмм – масса кубического дециметра чистой воды при температуре +4°С. Учредительное собрание Франции 26 марта 1791 г. утвердило предложения Парижской академии наук. Это явилось серьезной предпосылкой для проведения международной унификации единиц ФВ. В 1832 г. К. Гаусс предложил методику построения систем единиц ФВ как совокупности основных и производных величин. Он построил систему единиц, названную абсолютной, в которой за основу были приняты три произвольные, независимые друг от друга единицы: длины – миллиметр, массы – миллиграмм и времени – секунда. В 1835 г. в России был издан указ «О системе Российских мер и

весов», в котором были утверждены эталоны длины (платиновая сажень) и массы (платиновый фунт). В 1842 г. на территории Петропавловской крепости в Санкт-Петербурге в специально построенном здании открылось первое метрологическое учреждение России –Депо образцовых мер и весов. В нем хранились эталоны и их копии, изготавливались образцовые меры для передачи в другие города проводились сличения российских мер с иностранными. В 1848 г. в России вышла первая книга по метрологии –«Общая метрология», написанная Ф.И. Петрушевским. В этой работе описаны меры и денежные знаки различных стран. В 1875 г. семнадцать государств, в том числе и Россия, на дипломатической конференции подписали Метрическую конвенцию, к которой примкнула 41 страна мира. Согласно этой конвенции устанавливается международное сотрудничество подписавших ее стран. Для этого было создано Международное бюро мер и весов (МБМВ), находящееся в г. Севре близ Парижа. В нем хранятся международные прототипы ряда мер и эталоны единиц некоторых ФВ. В соответствии с конвенцией для руководства деятельностью МБМВ был учрежден Международный комитет мер и весов (МКМВ), в который вошли ученые из различных стран. Сейчас при МКМВ действуют семь консультативных комитетов: по единицам, определению метра, секунды, термометрии, электричеству, фотометрии и по эталонам для измерения ионизирующих излучений. Очень много для развития отечественной метрологии сделал Д.И. Менделеев. Периоде 1892 по 1917 гг. называют менделеевским этапом развития метрологии. В 1893 г. на базе Депо образцовых мер и

весов была утверждена Главная палата мер и весов, управляющим которой до последних дней жизни был Д.И. Менделеев. Она стала одним из первых в мире научно-исследовательских учреждений метрологического профиля. До 1918 г. метрическая система внедрялась в России факультативно, наряду со старой русской и английской (дюймовой) системами. Значительные изменения в метрологической деятельности стали происходить после подписания Советом народных комиссаров РСФСР декрета «О введении международной метрической системы мер и весов». Внедрение метрической системы в России происходило с 1918 по 1927 гг. После Великой Отечественной войны и до сего времени метрологическая работа в нашей стране проводится под руководством Государственного комитета по стандартам (Госстандарт). В 1960 г. XI Международная конференция по мерам и весам приняла Международную систему единиц ФВ –систему СИ. Сегодня метрическая система узаконена более чем в 124 странах мира. В настоящее время на базе Главной палаты мер и весов существует высшее научное учреждение страны –Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева (ВНИ-ИМ). В лабораториях института разрабатываются и хранятся государственные эталоны единиц измерений, определяются физические константы и свойства веществ и материалов. Тематика работ института охватывает линейные, угловые, оптические и фотометрические, акустические, электрические и магнитные измерения, измерения массы, плотности, силы, давления, вязкости, твердости, скорости, ускорения и ряда других величин. В 1955 г. под Москвой был создан второй метрологический центр страны –ныне Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИ-ИФТРИ). Он разрабатывает эталоны и средства точных измерений в ряде важнейших областей науки и техники: радиоэлектронике, службе времени и частоты, акустике, атомной физике, физике низких температур и высоких давлений. Третьим метрологическим центром России является Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы (ВНИИМС) –головная организация в области прикладной и законодательной метрологии. На него возложена координация и научно-методическое руководство метрологической службой страны. Кроме перечисленных существует ряд региональных метрологических институтов и центров. К международным метрологическим организациям относится и Международная организация законодательной метрологии (МОЗМ), образованная в 1956 г. При МОЗМ в Париже работает Международное бюро законодательной метрологии. Его деятельностью руководит Международный комитет законодательной метрологии. Некоторые вопросы метрологии решает Международная организация по стандартизации (ИСО).