Лекции по "Метрологии"

- светочувствительность  фотоматериалов, которая характеризуется  числами светочувствительности;

- громкость звука – по акустическим  шкалам и т.п.

Факторы, влияющие на результат измерений (влияющие факторы)

На результат измерения влияет множество факторов. В метрологической практике принято учитывать следующие факторы:

– объект измерения;

– субъект измерения (экспериментатор или эксперт);

– способ измерения;

– средства измерений;

– условия проведения измерения.

Объект измерения обладает многими свойствами и находится в многосторонних и сложных связях с другими объектами. Например, при измерении плотности вещества необходимо быть уверенным, что он не содержит других включений и т. д.

Эксперт или экспериментатор вносит в процесс измерения элемент субъективизма.

Он зависит от квалификации экспериментатора, от его подготовленности  к выполнению измерения, от его психофизиологического состояния, соблюдения эргономических требований при измерении и т. п.

Важное значение имеет настроение оператора, его собранность, внимание, режим работы и отдыха. Наибольшая работоспособность наблюдается в утренние часы от – до 12 и от 14 до 17. Начало смены – это период вхождения в работу, длящийся утром от 30 мин до 1,5 ч. Затем работоспособность стабилизируется в течение (1,5 – 2,5) ч.

Способ измерения – совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей в соответствии с выбранным принципом измерения. Метод (способ) измерения определяет, как следует организовать взаимодействие средства измерения с объектом и каким образом извлечь из него информацию.

Принцип измерения – совокупность физических явлений, на которых основаны измерения, например, измерение массы взвешиванием (использование силы тяжести, пропорциональной массе); температуры с использованием термоэлетрического эффекта; расхода газа или жидкости по перепаду давления в сужающих устройствах.

Очень часто измерение одной и той же величины разными методами дает совершенно непохожие результаты. Например, периметр шара можно определить двумя способами:

1. измерить диаметр и определить ;
2. непосредственно измерить лентой или рулеткой.

Во многих измерительных процедурах на результат измерения влияет несовершенство средств измерений.

Условия проведения измерения – один из важнейших факторов, влияющих на результат измерения. К ним относятся: температура окружающей среды, давление, влажность, освещенность, вибрация, производственный шум и т. д.

Желательно, чтобы освещение было естественным. Считается, что при таком освещении производительность труда выше на 10 %, чем при искусственном. Допускается (применяется) как искусственное, так и естественное освещение. Искусственное освещение должно быть люминесцентным рассеянным. В зависимости от особенностей трудового процесса применяются три системы освещения: общее, местное и комбинированное. При особо точных измерениях допускается применять одно местное освещение, так как оно приводит к неравномерному распределению яркости в поле зрения оператора. Наиболее оптимальным является комбинированное освещение.

Уровень шума в лабораториях не должно превышать (40÷45) дБ.

Условия проведения измерений регламентированы в методиках выполнения измерений.

Исключение влияющих факторов

Способ замещения состоит в замене измеряемой величины равновеликой ей мерой, значение которой известно.

Например, при взвешивании груза на равноплечих весах его масса считается равной массе уравновешивающих гирь. Это справедливо только при равенстве плеч, так как равновесие коромысла определяется не равенством сравниваемых масс, а равенством произведения силы на плечо.

На практике плечи не строго равны между собой. Поэтому при точных измерениях пользуются способом замещения, чтобы исключить неравенство плеч. При этом первоначально груз уравновешивают любой тарой (рис. 5):

 

F1 = m1. r1 ; F2 = m2. r2 ;  F1 = F2 ;   m1. r1  = m2. r2 ;   

                         .                                                                                 (1)

Потом груз заменяется гирями, при котором сохраняется равновесие.

                                                                                

 

                                R1                                      R2     

 

 

 

               m3                                                                                                m2   

                           F1                                               F2             

 

                                    

Рисунок 5

 

Равновесие коромысла наступает, когда выполняется равенство:

;

.                                                                                                    (2)

Первые части уравнения (1) и (2) равны между собой, значит

.

Способ противопоставления. Рассмотрим на том же примере взвешивание на равноплечих весах. Условие равновесия коромысла запишется:

,                                                                                            (3)

где      - масса гирь;

- масса груза.

.

Таким образом, влияние неравноплечести появляется в наличии множителя (коэффициента) .

Если поместим груз на чашу весов, где раньше были гири, а гири – где раньше был груз, то получим:

                                                                                              (4)

, где .

Разделив первое условие равновесия (3) на второе условие равновесия (4), получим:

.                                                                                                   (5)

откуда

                                                                                          (6)

В данном случае влияние неравноплечести весов исключено.

Компенсация влияющего фактора по знаку.  При компенсации влияющего фактора по знаку измерения проводятся дважды, так, чтобы влияющий фактор оказывал противоположное действие, и берется среднее арифметическое. Например, механические узлы некоторых СИ имеют люфты, влияние которых исключают путем измерения сначала с больших значений, а затем с меньших значений. Пусть требуется измерить диаметр конусообразного сечения в середине (рис. 6) или же цилиндрическую деталь микроскопом.

Способ симметричных измерений. Он заключается в том, что в течение некоторого интервала времени выполняется несколько измерений одной и той же величины, а затем берется половина суммы отдельных результатов, симметричных по времени относительно середины интервала, например, исключение падения напряжения.

 

 

                         Рисунок 6

 

 

Лекция 4

 

Единицы измерений и системы единиц

 

Числовые значения измеряемых величин зависят от того, какие используются единицы измерений. Если допустить произвол в выборе единиц, то результаты измерений окажутся несопоставимыми между собой, т. е. нарушится единство измерений. Чтобы этого не произошло, единицы измерений устанавливаются по определенным правилам и закрепляются законодательным путем.

Единица величины - фиксированное значение величины, которое принято за единицу данной величины и применяется для количественного выражения однородных с ней величин.

Единицей измерения физической величины называют физическую величину фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное 1, и применяемая для количественного выражения однородных с ней физических величин.

Основной называется единица основной физической величины в данной системе единиц.

Производной называется единица производной величины системы единиц, образованная в соответствии с уравнением, связывающим ее с основными единицами или с основными и уже определенными производными единицами.

Производная единица физической величины, связанная с другими единицами системы единиц уравнением, в котором числовой коэффициент принят равным 1, называется когерентной.

Совокупность единиц измерений основных и производных единиц физических величин, образованная в соответствии с принципами для заданной системы физических величин называется системой единиц. Не во всех областях измерений системы единиц сформировались окончательно и закреплены соответствующими законодательными актами. Наилучшим образом в этом отношении обстоят дела в области измерения физических величин.

В физике общие правила, конструирования систем единиц, были сформулированы Гауссом в 1832 г. Они сводятся к следующему:

1) выбираются  основные физические величины,

2) устанавливаются  единицы основных физических  величин. Для этого какому-либо размеру каждой основной физической величины приписывается числовое значение, равное 1. Выбор этого размера является произвольным и определяется исключительно соображениями удобства его использования в обиходе. Для обеспечения единства измерений все эти размеры, называемые единицами основных физических величин, должны быть закреплены законодательным путем. Обычно их называют просто основными единицами;

3) устанавливаются  единицы производных физических величин, также называемые обычно просто производными единицами.

Пусть, например, производная физическая величина Q образуется путем перемножения двух основных величин А и В. Тогда, значение Q согласно выражению (5), можно выразить через значения А и В:

q[Q]=a[A]b[B],

а производная единица может быть выражена через основные единицы с помощью соотношения

.

Если же производная величина Q образуется посредством деления основных величин А и В, то

,

и производная единица выражается через основные единицы следующим образом:

.

В общем случае производные единицы выражаются через основные единицы с помощью степенного одночлена:

где k – безразмерный коэффициент пропорциональности;

, , , … – показатели размерности.

В последнее время к коэффициенту k стали предъявлять еще одно требование: он должен равняться 1. Получаемые при этом условии так называемые когерентные, или согласованные, системы единиц являются наиболее простыми и удобными в обращении.

В 1832 г. Гауссом была разработана система единиц, названная им абсолютной. В этой системе основными, единицами являются миллиметр, миллиграмм, секунда. В дальнейшем по мере развития науки и техники возникали все новые и новые системы, пока их обилие не стало тормозом научно-технического прогресса. В этих условиях XI Генеральная конференция по мерам и весам в 1960 г. приняла Международную систему единиц физических величин, получившую у нас в стране сокращенное обозначение СИ (от начальных букв SI в словах Systeme international). Последующими Генеральными конференциями по мерам и весам в первоначальный вариант СИ внесены некоторые изменения, В Советском Союзе и странах Восточной Европы Международная система единиц является обязательной с 1 января 1980 г.

Основные единицы Международной системы:

– метр (международное обозначение m; русское – м) – длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды. При таком определении метра, принятом XVII Генеральной конференцией по мерам и весам в 1983 г., длина не может считаться основной физической величиной, так как выражается через скорость и время. По всей вероятности, за этим решением XVII Генеральной конференции по мерам и весам должно последовать изменение структуры Международной системы единиц;

– килограмм (международное обозначение kg; русское – кг) – единица массы, равная массе международного прототипа килограмма [I ГКМВ (1889 г.) и III ГКМВ (1901 г.)];

– секунда (международное обозначение s; русское – с) – время, равное 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия–133 XIII ГКМВ (1967 г.), Резолюция 1];

– ампер (международное обозначение А; русское – А) – единица силы электрического тока. Ампер – сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызывал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2 107 Н [МКМВ (1946 г.), Резолюция 2, одобренная IX ГКМВ (1948 г.)];

– кельвин (международное обозначение К; русское – К) – единица термодинамической температуры, равная 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды [XIII ГКМВ (1967 г.), Резолюция 4];