Физические величины и измерительные шкалы

Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

Физические величины и измерительные шкалы

Метрология — это наука об измерениях, их видах, методах и средствах, обеспечении единства измерений (ОЕИ), способах достижения требуемой точности. В метрологии различают три направления: теоретическое (фундаментальное), законодательное (правовое) и практическое (прикладное).

Физическая величина (ФВ) - свойство какого-либо объекта (явления, процесса), которое является общим в качественном отношении для многих физических объектов, но при этом отличается своим количественным значением. Например, все тела обладают массой и температурой, но для каждого из них количественная оценка массы и температуры будет различной.

Значение физической величины - это оценка физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц.

Единица физической величины - это величина фиксированного размера, применяемая для количественного выражения однородных величин. Как правило, ей присваивается числовое значение, равное единице.

Измерение - это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств, хранящих единицу величины, позволяющих сопоставить измеряемую величину с ее единицей и получить искомое значение величины.

Истинное значение физической величины - это значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. Определить экспериментально его невозможно вследствие неизбежных погрешностей измерения. Вместо истинного значения при эксперименте получают действительное значение физической величины, степень приближения которого к первому зависит от цели эксперимента и выбранной точности измерительного средства.

Действительное значение физической величины - это значение физической величины, найденное измерением и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него. Для действительного значения физической величины всегда можно указать границы более или менее узкой зоны, в пределах которой с заданной вероятностью находится истинное значение физической величины.

Международная система едини СИ

В октябре 1960 г. состоялась XIГенеральная конференция по мерам и весам, на которой была принята Международная система единиц, основанная на 6 единицах. Принятая система, наиболее совершенная на сегодняшний день форма метрической системы мер, была названаМеждународная система единиц СИ (SI – System International). Специалисты исходили из того, чтобы охватить системой все области науки и техники; принять удобные для практики размеры основных единиц, уже получившие распространение; выбрать в качестве основных единиц таких величин, воспроизведение которых возможно с наибольшей точностью.

Система единиц СИ построена на 7 основных единицах и двух дополнительных (табл. 2.1).

Виды и методы измерений

Существует несколько видов измерений. При их классификации обычно исходят из характера зависимости измеряемой величины от времени, вида уравнения измерений, условий, определяющих точность результата измерений и способов выражения этих результатов.

По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения разделяются на:

статические, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени;
динамические, в процессе которых измеряемая величина изменяется и является непостоянной во времени.

По способу получения результатов измерений их разделяют на:

прямые;
косвенные;
совокупные;
совместные.

Прямые – это измерения, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных.

Косвенные – это измерения, при которых искомую величину определяют на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям, т.е. измеряют не собственно определяемую величину, а другие, функционально с ней связанные.

Совокупные – это производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомую определяют решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.

Совместные – это производимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимостей между ними.

По условиям, определяющим точность результата, измерения делятся на три класса:

измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровне техники. К этому же классу относятся и некоторые специальные измерения, требующие высокой точности;
контрольно–поверочные измерения, погрешность которых с определенной вероятностью не должна превышать некоторого заданного значения;
технические измерения, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерений.

По способу выражения результатов измерений различают абсолютные и относительные измерения.

Абсолютными называются измерения, которые основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин или на использовании значений физических констант.

Относительными называются измерения отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

Классификация погрешностей

1) В зависимости от формы выражения различают абсолютную, относительную и приведенную погрешности.

бсолютной погрешностью Δ, выражаемой в единицах измеряемой величины, называется отклонение результата измерения х от истинного значения х_и:

Δ = х - х_и

Абсолютная погрешность характеризует величину и знак полученной погрешности, но не определяет качество самого проведенного измерения.

Понятие погрешности характеризует как бы несовершенство измерения. Качество (точность) первого измерения ниже второго. Поэтому, чтобы иметь возможность сравнивать качество измерений, введено понятие относительной погрешности.

Относительной погрешностью δ называется отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины:

Мерой точности измерений служит показатель, обратный модулю относительной погрешности:

Относительную погрешность δ часто выражают в процентах:

Приведенная погрешность γ - это отношение абсолютной погрешности Δ к некоторому нормирующему значению X_N (например, к конечному значению шкалы прибора или сумме значений шкал при двусторонней шкале):

где X_n — нормирующее значение, которое зависит от типа шкалы измерительного прибора и определяется по его градуировке:

— если шкала прибора односторонняя, то есть нижний предел измерений равен нулю, то X_n определяется равным верхнему пределу измерений;

— если шкала прибора двухсторонняя, то нормирующее значение равно ширине диапазона измерений прибора.

Приведённая погрешность является безразмерной величиной, либо измеряется в процентах.

2) По характеру (закономерности) проявления погрешности делятся на систематические, случайные и грубые (промахи).

Систематическая погрешность Δ_с - составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно меняющаяся при повторных измерениях одной и той же физической величины.

Величина систематической погрешности Δ_с характеризует один из показателей качества измерений - правильность полученного результата, чем меньше величина Δ_с, тем правильнее полученный результат.

Систематическая ошибка может быть обусловлена неисправностью прибора, несовершенством методики измерений (например неучетом сил трения) и т.д

Такие погрешности могут быть выявлены путем детального анализа возможных их источников и уменьшены введением соответствующей поправки, применением более точных приборов, калибровкой приборов с помощью рабочих мер и пр. Однако полностью их устранить нельзя.

Случайная погрешность - изменяющаяся случайным образом по знаку и значению при повторных измерениях одной и той же величины в одних и тех же условиях.

Случайные погрешности могут быть связаны с несовершенством приборов (трение в механических приборах и т. п.), тряской в городских условиях, с несовершенством объекта измерений (например, при измерении диаметра тонкой проволоки, которая может иметь не совсем круглое сечение в результате несовершенства процесса изготовления), с особенностями самой измеряемой величины (например при измерении количества элементарных частиц, проходящих в минуту через счётчик Гейгера).

Величина случайной погрешности характеризует другой показатель качества измерений - сходимость результатов при повторных измерениях одного и того же значения измеряемой физической величины.

В отличие от систематических погрешностей случайные погрешности нельзя исключить из результатов измерений путем введения поправки, однако, их можно существенно уменьшить путем многократного измерения этой величины и последующей статистической обработкой полученных результатов.

Грубая погрешность (промах) - это случайная погрешность результата отдельного наблюдения, входящего в ряд измерений, которая для данных условий резко отличается от остальных результатов этого ряда.

Данные погрешности возникают из-за ошибок оператора или неучтенных внешних воздействий.

3) По причинам возникновения (по виду источника)

1 Инструментальные погрешности возникают из-за несовершенства средств измерения, т.е. от погрешностей средств измерений. Иногда эту погрешность называют аппаратурной.

Источниками инструментальных погрешностей могут быть, например, неточная градуировка прибора и смещение нуля, вариация показаний прибора в процессе эксплуатации и т.д. Уменьшают инструментальные погрешности применением более точного прибора.

2 Внешняя погрешность - важная составляющая погрешности измерения, связанная с отклонением одной или нескольких влияющих величин от нормальных значений или выходом их за пределы нормальной области (например, влияние влажности, температуры, внешних электрических и магнитных полей, нестабильности источников питания, механических воздействий и т.д.).

В большинстве случаев внешние погрешности являются систематическими и определяются дополнительными погрешностями применяемых средств измерений.

3 Методическая погрешность обусловлена несовершенством метода измерений, влиянием выбранного средства измерений на измеряемые параметры сигналов, некорректностью алгоритмов или расчетных формул, по которым производят вычисления, округления результатов, отличием принятой модели объекта измерений от той, которая правильно описывает его свойство, определяемое путем измерения.

Отличительной особенностью методических погрешностей является то, что они не могут быть указаны в нормативно-технической документации на используемое средство измерений, поскольку от него не зависят, а должны определяться оператором в каждом конкретном случае. В связи с этим оператор должен четко различать фактически измеренную им величину и величину, подлежащую измерению.

Если, например, вольтметр имеет недостаточно высокое входное сопротивление, то его подключение к схеме способно изменить в ней распределение токов и напряжений. При этом результат измерения будет отличаться от действительного.

4 Субъективные (личные) погрешности вызываются ошибками оператора при отсчете показаний средств измерения (погрешности от небрежности и невнимания оператора, от параллакса, т.е. от неправильного направления взгляда при отсчете показаний стрелочного прибора и пр.).

Подобные погрешности устраняются применением современных цифровых приборов или автоматических методов измерения.

4) В зависимости от влияния характера изменения измеряемых величин погрешности средств измерений делят на статические и динамические.

Статическая погрешность - это погрешность средств измерений применяемого для измерения физической величины, принимаемой за неизменную.

Динамической называют погрешность средств измерений, возникающая дополнительно при измерении переменной физической величины и обусловленная несоответствием его реакции на скорость (частоту) изменения измеряемого сигнала.

5) По условиям, в которых используются средства измерения , различают основную и дополнительную погрешности.

Основная погрешность измерений - та погрешность, которая имеет место при нормальных условиях его эксплуатации, оговоренных в регламентирующих документах (паспорте, технических условиях и пр.)

Дополнительная погрешность средства измерения возникает вследствие выхода какой-либо из влияющих величин (температуры, влажности и др.) за пределы нормальной области значений.

Понятие единства измерений

Под единством измерений понимают характеристику качества измерений, суть которого заключается в том, что результаты измерений выражаются в указанных единицах, чьи размеры в установленных пределах равны размерам воспроизводимых величин, а погрешности результатов измерений известны с заданной вероятностью и не выходят за требуемые пределы.

Единство измерений достигается путем точного воспроизведения и хранения в специализированных организациях установленных единиц физических величин и передачи их размеров применяемым на практике СИ. Воспроизведение единицы физической величины осуществляется в результате операций по материализации единицы физической величины с помощью государственного эталона. Различают воспроизведение основной и производной единицы.

Воспроизведение основной единицы осуществляется путем создания фиксированной по размеру физической величины в соответствии с определением единицы. Оно воспроизводится с помощью государственных первичных эталонов. Например, единица массы 1 кг воспроизведена точно в виде платиноиридиевой гири, хранимой в Международном бюро весов в качестве международного эталона.

Воспроизведение производной единицы сводится к определению значения физической величины в указанных единицах на основании измерений других величин, связанных функционально с измеряемой величиной.

Передача размера единицы – это приведение размера единицы физической величины, хранимой поверяемым средством Измерения, к размеру единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном, осуществляемое при их поверке или калибровке. Размер единицы передается от более точных средств измерений к менее точным (см. ответ на вопрос 45).

Хранение единицы заключается в осуществлении совокупности операций, позволяющих поддерживать метрологические 'характеристики эталона в установленных пределах (неизменность размера единицы во времени).

Главным законодательным актом, обеспечивающим единство измерений, является Закон РФ «Об обеспечении единства измерений»[5], который направлен на защиту прав законных интересов граждан, экономики страны от отрицательные последствий недостоверных результатов измерений.

Закон определяет:

основные метрологические понятия (термины и определения);
компетенцию Госстандарта России в обеспечении единства измерений;
единицы величин, государственные эталоны, средства и методики измерений;
компетенцию и структуру Государственной метрологической службы и других государственных служб обеспечения единства измерений;
метрологические службы государственных органов управления, предприятий и организаций;
сферы распространения и виды государственного метрологического контроля и надзора;
права, обязанности и ответственность государственных инспекторов по обеспечению единства измерений;
условия использования средств измерений в сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора;
требования к выполнению измерений по аттестованным методикам;
основные положения калибровки и сертификации средств измерений;
лицензирование деятельности организаций и физических лиц по изготовлению, ремонту, продаже и прокату; средств измерений;
источники финансирования работ по обеспечению единства измерений;
ответственность за нарушение положений Закона.

Поверка и калибровка СИ

Калибровка СИ - это совокупность операций, выполняемых с целью определения и подтверждения действительных значений метрологических характеристик и пригодности к применению СИ, не подлежащих государственному метрологическому контролю и надзору (ГМКиН).

Калибровку проводят калибровочные лаборатории, которые делают вывод о пригодности СИ.

Под пригодностью СИ подразумевается соответствие их метрологических характеристик ранее установленным техническим требованиям, которые могут содержаться в нормативном документе или определяться заказчиком.

18 Июля 1994 г. Вышел приказ Госстандарта «Об утверждении порядка проведения поверки си».

СИ подвергаются поверке:

при выпуске из производства или ремонта,
при ввозе по импорту,
при продаже и выдаче на прокат,
при эксплуатации.

Если СИ по результатам поверки признано пригодным к применению, то на него и техническую документацию наносится оттиск поверительного клейма и выдается «Свидетельство о поверке».

Виды поверки:

1. Первичная - проводится для СИ утвержденных типов при выпуске их из производства, после ремонта.

2. Периодическая - проводится для СИ, находящихся в эксплуатации, через определенные межповерочные интервалы.

3. Внеочередная - проводится при необходимости подтверждения пригодности СИ к применению в случае повреждения клейма или утери свидетельства о поверке.

4. Экспертная - проводится при возникновении разногласий по вопросам, относящимся к метрологическим характеристикам, исправности СИ и пригодности их к применению.

Инспекционная - выполняется в рамках государственного надзора или ведомственного контроля.

Руководители предприятий несут ответственность за состояние весоизмерительного оборудования.

Они обязаны постоянно следить за соблюдением правил его эксплуатации, сроками поверки и клеймения их в органах госнадзора.

Весы и гири к ним поверяют ежегодно, меры объема и длины — один раз в два года.

Стеклянные мензурки и мерные кружки поверяют и клеймят только при выпуске из производства.

Поверка и клеймение измерительного оборудования проводится в лабораториях, куда его доставляют предприятия. Стационарные и громоздкие весы клеймят на месте.

Клеймо наносится на металлическую пробку или на металлическую пломбу.

На стеклянных мерах объема клеймо наносится краской или химическими реактивами, дающими несмываемое изображение.

Клеймо, как правило, имеет форму круга, внутри которого изображены:

часть Государственного герба РФ;
последние две цифры года клеймения;
контрольные знаки (номер лаборатории, номер клейма, закрепленного поверителем).

Поверка СИ проводится по заранее составленному графику.

Стандарт, виды стандартов

Виды стандартов

Выделяют несколько видов стандартов. Применение в конкретной ситуации того или иного стандарта определяется характерными чертами и спецификой объекта стандартизации.

Основополагающие стандарты – нормативные документы, утвержденные для определенных областей науки, техники и производства, содержащие в себе общие положения, принципы, правила и нормы для данных областей. Этот тип стандартов должен способствовать эффективному взаимодействию между различными отраслями науки, техники и производства, а также устанавливать общие нормы и принципы проведения работ в определенной области. Главная цель утверждения основополагающих стандартов – обеспечение в процессе разработки и эксплуатации продукта выполнения обязательных требований и общетехнических норм, предусмотренных Государственными стандартами, таких, как безопасность продукта для жизни и здоровья потребителя, имущества и окружающей среды.

Основополагающие стандарты могут также устанавливать техническую и научную терминологию, используемую в определенных сферах; регламентировать условные обозначения; содержать основные требования к оформлению документации для определенной области.

Стандарты на продукцию (услуги) – нормативные документы, утверждающие требования либо к определенному виду продукции (услуги), либо к группам однородной продукции (услуги). Существуют две следующих разновидности данного нормативного документа:

1) стандарты общих технических условий, применяющиеся к группам однородной продукции (услуг);

2) стандарты технических условий, применяющиеся к конкретным видам продукции (услуги). Стандарт общих технических условий включает в себя классификацию, основные параметры (размеры), требования к качеству, упаковке, маркировке, транспортировке, правила эксплуатации и обязательные требования по безопасности жизни и здоровья потребителя, окружающей среды, правила утилизации.

Данные разделы не всегда присутствуют в полном объеме (исключение составляют требования по безопасности), содержание данного стандарта зависит от специфики продукта (услуги).

Стандарт технических условий содержит более конкретные требования, так как применяется уже непосредственно к конкретным видам продукции (услуги). Однако требования стандарта технических условий не должны вступать в противоречие с требованиями стандарта общих технических условий. Рассматриваемый стандарт содержит также информацию о товарном знаке и наличии сертификата у изделия. Если объектом стандарта является услуга, в стандарт могут входить указания по поводу ассортимента предоставляемых услуг.

Стандарты на работы (процесс) – нормативные документы, утверждающие нормы и правила для различных видов работ, которые проводятся на определенных стадиях жизненного цикла продукции (разработка, изготовление, потребление, хранение, транспортировка, ремонт и утилизация).

Обязательными требованиями, входящими в данный вид стандартов, являются требования безопасности для жизни и здоровья людей и окружающей среды во время технологических операций.

Стандарты на методы контроля (испытания, измерения, анализа) должны обеспечивать полный контроль над выполнением обязательных требований к качеству продукции, определенному принятыми стандартами. В данном типе стандартов должны утверждаться максимально объективные методы контроля, дающие воспроизводимые и сопоставимые результаты. Основой стандартизированных методов контроля являются Международные стандарты. В стандарте обязательно должна присутствовать информация о возможной допустимой погрешности измерений.

Для более эффективной оценки показателя качества продукции в стандарте, как правило, предлагается несколько методик контроля. В стандарте для каждого метода контроля должны быть утверждены инструменты и устройства, с помощью которых должны проводиться испытания, этапы подготовки испытания, алгоритм проведения испытания, указания к порядку обработки исходов испытания, требования к оформлению результатов испытания, допустимая погрешность испытания.

Методы стандартизации

Метод стандартизации – это совокупность средств достижения целей стандартизации.

Рассмотрим основные методы стандартизации.

1. Упорядочение объектов стандартизации является универсальным методом стандартизации товаров, работ и услуг. Данный метод систематизирует разнообразие продукции. Результатом применения этого метода являются перечни изделий, описания типовых конструкций, образцы форм различной документации. Упорядочение включает в себя систематизацию, симплификацию, селекцию, типизацию и оптимизацию.

Систематизация объектов стандартизации представляет собой последовательное, научно обоснованное классифицирование и ранжирование конкретных объектов стандартизации. Примерами систематизации являются различные виды общероссийских классификаторов.

Селекция объектов стандартизации – это отбор целесообразных для дальнейшего производства и применения объектов стандартизации.

Симплификация – деятельность, выявляющая объекты стандартизации, которые нецелесообразно применять для производства. Симплификация ограничивает перечень применяемых в производстве изделий до оптимального, удовлетворяющего потребности количества.

Типизация объектов стандартизации – это разработка и утверждение типовых объектов или образцов. Типизируют конструкции, технологические нормы и правила документации. Типизация проводится с целью выделения общего признака для совокупности однородных объектов.

Оптимизация объектов стандартизации – деятельность, определяющая оптимальные главные параметры и значения остальных показателей, необходимых для данного уровня качества. В результате оптимизации должна достигаться оптимальная степень упорядочения и эффективности по выбранному критерию.

2. Параметрическая стандартизация – стандартизация, направленная на фиксирование оптимальных численных значений параметров, определяющихся строгой математической закономерностью.

Под параметром продукции подразумевается количественная характеристика свойств продукции. Параметры бывают главные и основные.

Основные параметры характеризуют технологические и эксплуатационные свойства продукции и процессов.

Главные параметры не изменяют своего значения при усовершенствованиях технологии, изменениях в применяемых материалах. Этот тип параметров лучше всего определяет свойства изделий и процессов. Главных параметров может быть несколько.

У каждого определенного типа продукции есть свой набор параметров, который называется параметрическим рядом. Примером параметрического ряда может быть размерный ряд.

Параметрическая стандартизация, т. е. стандартизация параметрических рядов, представляет собой определение численных значений и номенклатуры параметров ряда.

При стандартизации параметрического ряда необходимо учитывать интересы как потребителей, так и производителей. Если установить, например, слишком большую частоту ряда, потребители будут полностью удовлетворены, а производители будут страдать от очень больших затрат на производство.

3. Унификация продукции – рациональное сокращение до оптимального уровня числа типов объектов одного функционального назначения. Унификация включает в себя: классификацию и ранжирование, селекцию и симплификацию, типизацию и оптимизацию объектов стандартизации.

Унификация осуществляется по следующим направлениям:

1) определение параметрических и размерных рядов для продукции, машин, деталей и приборов;

2) создание типов (образцов) изделий для последующей унификации совокупностей однородной продукции;

3) унификация технологических процессов;

4) сведение к оптимальному минимуму номенклатуры используемых изделий и материалов.

По области проведения унификация делится на межотраслевую, отраслевую и заводскую. По принципам осуществления – на внутривидовую и межвидовую. Показателем уровня унификации является уровень унификации продукции. Он отражает содержание в продукции унифицированных составляющих.

Одним из показателей унификации является коэффициент применяемости:

где n₀ – количество оригинальных деталей, n – суммарное число деталей.

Данный коэффициент может применяться к одному изделию или к совокупности изделий, а также для унифицированного ряда.

4. Агрегатирование. Данный метод заключается в конструировании машин и приборов из определенного числа унифицированных деталей, связанных между собой функционально и геометрически.

При использовании данного метода вся конструкция прибора или машины рассматривается как совокупность независимых комплектующих (агрегатов), каждому из которых отводится определенная функция в общем механизме. Целью агрегатирования является увеличение мощности предприятий без лишних затрат на разработку каждой машины или прибора в отдельности.

5. Комплексная стандартизация. При данном методе стандартизации целенаправленно и планомерно утверждается и используется комплекс взаимосвязанных требований к объекту стандартизации и его составляющим для получения оптимального решения проблемы. Если объектом комплексной стандартизации является продукция, то требования утверждаются и применяются к ее качеству, качеству используемого сырья и материалов, эксплуатации и хранению. Основными целями разработки комплексной стандартизации являются:

1) высокий уровень научно—технических требований стандартов;

2) учет требований производства и рынков в стандартах;

3) обеспечение взаимосвязи требований, норм и правил, содержащихся в стандартах;

4) утверждение порядка мероприятий по выполнению программ данного метода стандартизации.

6. Опережающая стандартизация заключается в установлении прогрессивных по отношению к достигнутому уровню требований, которые, согласно прогнозам, будут оптимальными в последующее время.

Опережающая стандартизация позволяет устранить препятствия на пути технического прогресса, которые могут возникать из—за статичности и быстрого морального устаревания стандартов.

Физические величины и измерительные шкалы

Дата: 2019-07-24, просмотров: 385.

12 3 4 5 6 7 8 9 Следующая ⇒