Metrologia_Ekzamen_Otvety

1. Что изучает метрология.

Метроло́гия — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности[1]. Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов с заданной точностью идостоверностью; нормативная база для этого — метрологические стандарты.

Метрология состоит из 3 основных разделов:

Теоретическая Рассматривает общие теоретические проблемы (разработка теории и проблем измерений физических

величин, их единиц, методов измерений).Прикладная

Изучает вопросы практического применения разработок теоретической метрологии. В её ведении находятся все вопросы метрологического обеспечения.

Законодательная Устанавливает обязательные технические и юридические требования по применению единиц

физической величины, методов и средств измерений.

Цели и задачи метрологии:

Создание общей теории измерений;

образование единиц физических величин и систем единиц;

разработка и стандартизация методов и средств измерений, методов определения точности измерений, основ обеспечения единства измерений и единообразия средств измерений (так называемая «законодательная метрология»);

создание эталонов и образцовых средств измерений, поверка мер и средств измерений. Приоритетной подзадачей данного направления является выработка системы эталонов на основе физических констант.

Также метрология изучает развитие системы мер, денежных единиц и счёта в исторической перспективе.

2.Физическая величина. Качественная и количественная характеристики физических величин.

Величина - свойство чего-либо, которое может быть выделено среди других свойств и оценено тем или иным способом, в том числе и количественно. Величина не существует сама по себе, она имеет место лишь постольку, поскольку существует объект со свойствами, выраженными данной величиной. Анализ различных величин позволяет разделить их на два вида: идеальные и реальные.

Физическая величина — свойство, общее в качественном отношении для множества объектов, физических систем, их состояний и происходящих в них процессов, но индивидуальное в количественном отношении для каждого из них.

Качественная сторона понятия «физическая величина» определяет «род» величины (например, электрическое сопротивление как общее свойство проводников электричества), а количественная - ее «размер» (сопротивление конкретного исследуемого проводника). Числовое значение результата измерения будет зависеть от выбора единицы физической величины. В частности, в популярном детском мультфильме при измерении длины удава в качестве единицы длины была выбрана длина попугая. Если же за единицу длины выбрать общепринятую единицу - метр, то числовое значение длины удава будет иным, хотя размер его остался прежним. Следует отметить, что размер физической величины существует объективно, независимо от того, определили мы его или не определили.

3.Системы физических величин и единиц. Международная система единиц (СИ). Основные, дополнительные и производные величины.

Единица измерения должна быть установлена для каждой из известных физических величин, при этом необходимо учитывать, что многие физические величины связаны между собой определенными

2

зависимостями. Поэтому только часть физических величин и соответственно их единиц могут определяться независимо от других. Такие величины называют основными.

Остальные физические величины (к ним относятся дополнительные и производные) определяются с использованием физических законов и зависимостей через основные физические величины.

Совокупность основных и производных единиц физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами, называется системой единиц физических величин. Единица основной физической величины является основной единицей данной системы. Международная система единиц (система СИ; SI — от франц. — Systeme International - The International System of Units) была принята XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 г. На территории нашей страны система единиц СИ установлена соответствующим ГОСТом «ГСИ. Единицы физических величин».

Косновным характеристикам системы СИ следует отнести:

универсальность, т. е. охват всех областей науки и техники;

унификацию всех областей и видов измерений;

возможность воспроизведения единиц с высокой точностью в соответствии с их определением с наименьшей погрешностью для существующего уровня развития измерительной техники;

когерентность величин;

упрощение записи формул;

уменьшение числа допускаемых единиц;

единую систему образования кратных и дольных единиц, имеющих собственные наименования;

облегчение педагогического процесса;

лучшее взаимопонимание при развитии научно-технических и экономических связей между различными странами.

Воснову Международной системы СИ положены семь основных и две дополнительные единицы.

В качестве основных приняты: метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и канделла.

Метр равен расстоянию, которое проходит в вакууме плоская электромагнитная волна за 1/299792458 долю секунды.

Килограмм — единица массы, определяемая как масса международного прототипа килограмма, представляющего собой цилиндр из сплава платины и иридия.

Секунда равна 9192631770 периодам излучения, соответствующего энергетическому переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133.

Ампер — сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызывал бы силу взаимодействия, равную 2-10 Н (ньютон) на каждом участке проводника длиной 1 метр.

Кельвин - единица термодинамической температуры, равная 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды, т. е. температуры, при которой три фазы воды — парообразная, жидкая и твердая — находятся в динамическом равновесии.

Молъ - количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится в углероде-12 массой 0,012 кг. При применении моля структурные элементы должны быть специфицированы и могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами и другими частицами или группами частиц.

Канделла — сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540*1012 Гц, чья энергетическая сила излучения в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср (ср — стерадиан).

3

Дополнительные единицы международной системы СИ предназначены и используются для образования единиц угловой скорости, углового ускорения и некоторых других физических величин. К дополнительным физическим величинам системы СИ относятся плоский и телесный углы.

Угловые единицы не могут быть введены в число основных, так как это вызвало бы затруднение в трактовке размерностей физических величин, связанных с вращением (дуги окружности, площади круга и т. д.).

Радиан — угол между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна этому радиусу. В практических случаях часто используются такие единицы измерения угловых величин:

градус 1° = 2π/360 рад = 0,017453 рад; минута 1’ = 1°/60 = 2,9088*10-4 рад;

секунда 1” = 1’/60 = 1 °/3600 = 4,8481 • 10 6 рад.

Соответственно:

1 рад = 57°17'45" = 57,2961° = (3,4378*103)' = (2,0627*105)".

Стерадиан представляет собой телесный угол с вершиной в центре сферы, вырезающий на ее поверхности площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.

Измеряют телесные углы путем определения плоских углов и проведения дополнительных расчетов по формуле:

α=2π(1- cos(φ/2)) (1.1)

где α — телесный угол,φ— плоский угол при вершине конуса, образованного внутри сферы данным телесным углом.

Производные единицы системы СИ образуются из основных и дополнительных единиц.

Производные единицы бывают когерентными и некогерентными.

Когерентной называется производная единица физической величины, связанная с другими единицами системы уравнением, в котором числовой множитель принят равным единице. Например, скорость v равномерного прямолинейного движения связана с длиной пути / и временем t соотношением v = l/t. Остальные производные единицы — некогерентные.

Среди получивших широкое распространение внесистемных единиц следует отметить киловатт-час, ампер-час, градус Цельсия, и т. д.

Сокращенные обозначения различных единиц, как международных, так и русских, названных в честь великих ученых, пишутся с заглавных букв; например: ампер — А; ом — Ом; вольт — В; фарад — Ф (отметим, что часто используется не регламентируемый термин — фарада). В тоже время для сравнения: метр — м, секунда — с, килограмм — кг.

Так как диапазон реальных значений большинства измеряемых физических величин очень велик, то применение целых единиц СИ иногда неудобно, поскольку в результате измерений получаются большие или малые их значения. Поэтому в системе СИ были установлены десятичные кратные и дольные единицы этой системы, которые образуются с помощью множителей.

Образованные таким образом кратные и дольные единицы физических величин пишутся слитно с наименованием основной или производной единицей СИ, например: километр (км), мегаватт (МВт), милливольт (мВ), мегагерц (МГц), наносекунда (не), пикофарад (пФ).

Кратная единица физической величины - единица, большая в целое число раз системной, например килогерц (103 Гц), мегаватт (106 Вт).

Дольная единица физической величины определяется как единица, меньшая в целое число раз системной, например, микрогенри (10-6 Гн), пикофарад (10-12 Ф).

4

4. Счет, оценивание, измерение и контроль.

Счет — процедура определения численности качественно однотипных объектов в данной их совокупности. Результатом счета является число объектов. Основные характеристики счета — достоверность и скорость.

Контроль — процесс определения соответствия параметра изделия установленным требованиям или нормам. Контроль заключается в проведении двух этапов. На первом получают информацию о фактическом состоянии объекта, о признаках и показателях его свойств. Это первичная информация. На втором этапе первичную информацию сопоставляют с заранее установленными требованиями и нормами. При этом выявляют соответствие или несоответствие фактических данных требуемым. Информация об их расхождении называется вторичной.

Оценивание - операция приписывания данной физической величине определенного числа принятых для нее единиц, проведенная по установленным правилам.

Измерением называется процесс нахождения значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Метрологическая суть измерения сводится к основному уравнению измерения (основному уравнению метрологии):

А = kA0 (1.2)

где А - значение измеряемой физической величины; А0 - значение величины, принятой за образец; k - отношение измеряемой величины к образцу.

Любое измерение заключается в сравнении путем физического эксперимента данной величины с некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения, с так называемой мерой (см. далее).

5.Основные операции процедуры измерения. Принцип, метод и методика измерений. Условия измерений.

Важную роль в процессе измерения играют условия измерения — совокупность влияющих величин, описывающих состояние окружающей среды и средства измерений.

Измерением называется процесс нахождения значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Любое измерение заключается в сравнении путем физического эксперимента данной величины с некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения, с так называемой мерой. Основными характеристиками измерений являются результат, погрешность, точность, правильность, сходимость, воспроизводимость и достоверность.

Обычно измерения делят на достоверные и недостоверные в зависимости от того известны или неизвестны вероятностные характеристики их отклонения от истинных значений измеряемых величин.

Принцип измерений — совокупность физических явлений, на которых основаны измерения. Например, применение эффекта Холла для измерения мощности, эффекта Джозефсона для измерения электрического напряжения.

Метод измерений — совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Это достаточно общее определение на практике часто конкретизируют, относя его только к применяемым средствам измерения, например метод измерения частоты частотомером, напряжения — вольтметром, силы тока — амперметром и т. д.

Методика измерения — общий или поэтапный план проведения измерения — намеченный распорядок измерений, определяющий состав применяемых приборов, последовательность и правила проведения операций. Под условиями испытаний понимают совокупность воздействующих факторов и (или) режимов функционирования объекта при испытаниях.

5

6. Виды и методы измерений.

Виды

Виды измерений определяются физическим характером измеряемой величины, требуемой точностью измерения, необходимой скоростью измерения, условиями режимом измерений и пр.

Можно выделить виды измерений в зависимости от их цели: контрольные, диагностические и прогностические, лабораторные и технические, эталонные и поверочные, абсолютные и относительные и т. д. Ряд определений этой классификации приведем здесь, другие — в процессе изложения материала.

Прямые измерения

Прямым называется измерение, когда искомое значение физической величины находится непосредственно из опытных данных. Следует отметить, что часто под прямыми понимаются такие измерения, при которых не производится промежуточных преобразований. Это, например, измерение напряжения и силы тока известными электроизмерительными приборами — вольтметрами и амперметрами. Математически прямые измерения можно охарактеризовать элементарной формулой:

А=х, (1.4)

где х - значение величины, найденное путем ее измерения и называемое результатам измерения.

Косвенные измерения

Косвенным называется измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Косвенные измерения можно охарактеризовать следующей формулой:

А=f(х1,х2… хm), (1.5)

где х1,х2… хm - результаты прямых измерений величин, связанных функциональной зависимостью/с искомым значением измеряемой величины А.

Косвенные измерения характерны для практики радиоизмерений, например, измерение мощности методом амперметра-вольтметра, определение резонансной частоты колебательного контура по результатам прямых измерений емкости и индуктивности контура и т. д.

Совокупные измерения

Совокупными называются проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых их значения находят решением системы уравнений, получаемых при прямых или косвенных измерениях различных сочетаний этих величин. При этом могут измеряться несколько комбинаций значений величин.

Например, измеряя сопротивления Rab, Rac и Rbc между вершинами треугольника, в котором соединены сопротивления R1, R2 и R3 (см. рис. 1.3) и, решая систему уравнений типа (1.5) можно определить искомые значения R1, R2 и R3 методом совокупных измерений:

6

b

Рис 1.1. К совокупным измерениям

Rab= R1(R2+ R3)/( R1 + R2 +R3),

Rbс= R3(R2+ R1)/( R1 + R2 +R3).

Совместные измерения

Совместными называют проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для установления зависимости между ними. Как видно из приведенных определений, совокупные и совместные измерения весьма близки друг к другу. В обоих случаях искомые значения находят в результате решения системы уравнений, коэффициенты в которых получены путем прямых измерений. Отличие состоит в том, что при совокупных измерениях одновременно определяют несколько одноименных величин, а при совместных — разноименных.

Наиболее известный пример совместных измерений — определение зависимости сопротивления резистора от температуры:

R1= R20[1+α(t -20)+β(t -20)2], (1.7)

где R20— сопротивление резистора при t = 20° С; α, β — температурные коэффициенты.

Косвенные, совместные и совокупные измерения объединяются одним принципиально важным общим свойством: их результаты рассчитываются по известным функциональным зависимостям между измеряемыми величинами и величинами, определяемым путем прямых измерений. Различие между этими видами измерений заключается только в виде функциональной зависимости, используемой при расчетах.

Абсолютные и относительные измерения. В зависимости от выражения результатов измерений последние делят на абсолютные и относительные.

Абсолютные измерения основаны на прямых измерениях одной или нескольких величин с использованием значений физических констант. Результат абсолютного измерения непосредственно выражается в единицах измеряемой величины.

Относительные измерения — измерения соотношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную. Относительные измерения при прочих равных условиях могут быть выполнены более точно, чем абсолютные, гак как в суммарную погрешность не входит погрешность меры величины. Характерные примеры относительных измерений: измерение отношения напряжений или мощностей, исследование частотных характеристик (коэффициентов передачи) электрических цепей и т. д.

При относительных измерениях используют внесистемную безразмерную единицу — децибел (дБ), определяемую при сравнении напряжений U2 и U1 по формуле:

1 дБ = 201g(U2 / U1), при U2 / U1 = 101/20 = 1,122,

7

а при сравнении мощностей P2 и P1:

1 дБ =101g(P2 / P1), при P2 / P1= 101/10 = 1,259.

Методы измерений

Конкретные методы измерений определяются видом измеряемых величин, их размерами, требуемой точностью результата, быстротой процесса измерения, условиями, при которых проводятся измерения, и рядом других признаков. В принципе каждую физическую величину можно измерить несколькими методами, которые могут отличаться друг от друга особенностями как технического, так и методического характера.

При методе непосредственной оценки численное значение измеряемой величины определяют непосредственно по показанию измерительного прибора (например, измерение напряжения с помощью вольтметра). Быстрота процесса измерения методом непосредственной оценки делает его часто незаменимым для практического использования, хотя точность измерения обычно ограничена.

Метод сравнения — метод измерений, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Это может быть, например, измерение уровня напряжения постоянного тока путем сравнения с ЭДС нормального (эталонного) элемента.

Метод сравнения применяют как для измерения величин, содержащих запас энергии (напряжение, ток или мощность), так и для измерения параметров элементов электрических цепей: сопротивлений, индуктивностей и емкостей.

Различают следующие разновидности метода сравнения:

•нулевой метод, при котором действие измеряемой величины полностью уравновешивается образцовой;

•дифференциальный метод, когда измеряется разница между измеряемой величиной и близкой ей по значению известной эталонной (например, измерение электрического сопротивления методом неуравновешенного моста); дифференциальный метод сравнения используют тогда, когда практическое значение имеет отклонение измеряемой величины от некоторого номинального значения (уход частоты, отклонение напряжения и т.д.);

•метод замещения, при котором действие измеряемой величины замещается (например, с помощью последовательно проводимых во времени действий) образцовой.

Из всех перечисленных методов нулевой метод обеспечивает наибольшую точность измерений физической величины. Его разновидностями являются:

•компенсационный метод, при котором действие измеряемой величины компенсируется (уравновешивается) образцовой;

•мостовой метод, когда достигают нулевого значения тока в измерительной диагонали моста, в которую включается чувствительный индикаторный прибор (обычно нуль-индикатор).

7.Что такое результат измерения и чем он характеризуется. Дайте определения прямых косвенных совместных и совокупных видов измерений. Приведите примеры измерений каждого вида.

Результат измерений физической величины (кратко — результат измерения или, просто результат)

— это значение физической величины, полученное путем ее измерения.

Часто в полученный результат вносят поправки (поправка — значение величины, одноименной с измеряемой, которая вводится в результат измерения для исключения определенных, так называемых систематических составляющих погрешности (см. гл.2), что находит отражение в терминологии:

8

•неисправленный результат измерения — значение физической величины, полученное при помощи средств измерений до внесения поправок;

•исправленный результат измерения — значение физической величины, полученное при помощи средств измерений и уточненное путем внесения в него необходимых поправок.

Определения и примеры смотрите в вопросе 6.

8.Что такое шкала физической величины. Метрические и неметрические шкалы. Приведите примеры различных шкал физических величин.

Шкала физической величины — упорядоченная последовательность значений физической величины, принятая по результатам точных измерений.

Отметки шкалы — знак на шкале прибора (черточка, точка и т. д.), соответствующий некоторому значению физической величины. Для цифровых шкал числа являются отметками шкалы. Промежуток между соседними отметками шкалы называется делением шкалы.

Цена деления шкалы — разность значений измеряемой величины, соответствующих соседним отметкам шкалы.

Отметки наносятся на шкалу при градуировке прибора, т. е. при подаче на его вход сигнала с выхода образцовой многозначной меры.

Указатель — часть отсчетного устройства, положение которого относительно отметок шкалы определяет показания измерительного прибора.

Среди шкал следует выделить три основных типа: шкалы наименований, интервалов и абсолютные шкалы.

1.Шкала наименований (шкала классификации) основана на приписывании объекту цифр (знаков), играющих роль простых имен. Нумерация объектов по шкале наименований осуществляется по принципу: «не приписывай одну и ту же цифру разным объектам». Поэтому с цифрами, используемыми только как специфические имена, нельзя проводить никаких арифметических действий.

2.Шкала интервалов (шкала разностей) отражает разность значений физической величины. К таким шкалам относятся, например, температурные шкалы Цельсия, Фаренгейта и Реомюра. На температурной шкале Цельсия за начало отсчета разности температур принята температура таяния льда. Для удобства пользования шкалой Цельсия интервал между температурами таяния льда и кипения воды разделен на 100 равных интервалов — градусов.

3.Абсолютные шкалы имеют естественное однозначное определение единицы измерения и не зависят от принятой системы единиц измерения. Данные шкалы соответствуют относительным величинам: коэффициенту усиления, коэффициенту ослабления и т. д.

9.Метрологические понятия счета испытания контроля и проверки.

Счет — процедура определения численности качественно однотипных объектов в данной их совокупности. Результатом счета является число объектов. Основные характеристики счета — достоверность и скорость.

Испытание — экспериментальное определение количественных и (или) качественных характеристик свойств объекта как результата заданного воздействия на него при его функционировании и (или) при моделировании испытуемого образца и (или) воздействий.

Объектом испытаний является продукция или процессы ее производства и функционирования. В зависимости от вида продукции и программы испытаний объектом может быть макет или модель изделия, как единичное изделие, так и их партия.

9

Под условиями испытаний понимают совокупность воздействующих факторов и (или) режимов функционирования объекта при испытаниях. Испытания классифицируют по ряду признаков. По назначению испытания делят на исследовательские, контрольные, сравнительные и определительные.

По уровню проведения различают: государственные, межведомственные и

Ведомственные. По виду этапов разработки испытуемой продукции различают предварительные и приемочные испытания. В зависимости от вида испытаний готовой продукции их подразделяют на квалификационные, приемо-сдаточные, периодические и типовые.

Целью испытаний считают нахождение истинного значения параметра, определенного не при тех реальных условиях, в которых он фактически может находиться в холе испытаний, а в заданных номинальных условиях испытания. Реальные условия испытаний практически всегда отличаются от номинальных. Значит, результат испытания всегда имеет погрешность, возникающую не только из-за погрешности определения искомой характеристики, но и из-за неточного установления номинальных условий испытания.

Результатом испытаний называется оценка характеристик свойств объекта, установления соответствия объекта заданным требованиям, данные анализа качества функционирования объекта в процессе испытаний. Результат испытаний характеризуется точностью — свойством испытаний, описывающим близость их результатов к действительным значениям характеристик объекта в определенных условиях испытаний.

Контроль — процесс определения соответствия параметра изделия установленным требованиям или нормам. Контроль заключается в проведении двух этапов. На первом получают информацию о фактическом состоянии объекта, о признаках и показателях его свойств. Это первичная информация. На втором этапе первичную информацию сопоставляют с заранее установленными требованиями и нормами. При этом выявляют соответствие или несоответствие фактических данных требуемым. Информация об их расхождении называется вторичной.

Поверка — определение специальным органом метрологической службы метрологических характеристик средства измерения и установление его пригодности к применению на основании результатов контроля их соответствия предъявляемым требованиям. Основной метрологической характеристикой, определяемой при поверке средства измерений, является его погрешность. Она находится на основании сравнения поверяемого средства измерений с более точным средством измерений

— рабочим эталоном.

10. Средство измерений. Классификация средств измерений.

Средство измерений (СИ) — это техническое средство (или их комплекс), предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени. Данное определение раскрывает метрологическую сущность средств измерения, заключающуюся в умении хранить (или воспроизводить) единицу физической величины и в поддержании неизменности размера хранимой единицы во времени. Первое позволяет выполнить собственно измерение, суть которого, как известно, состоит в сравнении измеряемой величины с ее установленной единицей. Второе принципиально необходимо, поскольку при изменении размера хранимой единицы физической величины с помощью данного средства измерения нельзя получить результат измерения с требуемой точностью.

Классификация средств измерений

Множество измеряемых величин, а также широкий диапазон их возможных значений приводят к многообразию принципов, на которых базируется построение радиоэлектронной измерительной

10