Основные понятия метрологии
Скачать 0.72 Mb.
|
| 2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ МЕТРОЛОГИИ Метрология — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. 2.1. Общие сведения Качественно новое развитие различных направлений радиотехники предъявляет все более высокие требования к метрологическому обеспечению и уровню радиоизмерений. В этой связи для метрологии характерны:
Главные задачи радиотехники связаны с передачей, приемом, обработкой и преобразованием информации. Поэтому для радиоизмерений характерно исследование колебаний весьма широкого диапазона частот, при этом очень важно бывает не только определить значения измеряемых величин, но и получить данные о форме и спектре исследуемых сигналов. Основные особенности, характерные для техники радиоизмерений 1. Широкий диапазон измеряемых величин, например по мощности — от долей микроватт до сотен киловатт, по напряжению — от долей микровольт до сотен тысяч вольт, по частоте — от 10-2 Гц до 1012 Гц и более, по величине сопротивления — от 10-6 Ом до 1012 Ом и т. д. Вследствие этой особенности методы измерения одного и того же параметра могут отличаться в зависимости от диапазона частот, на которых производится измерение. От диапазона исследуемых частот зависит даже сам перечень параметров физических величин, подлежащих измерению. Так, если в диапазоне радиочастот обычно измеряется напряжение сигнала, то в диапазоне СВЧ, как правило, измеряется его мощность. При этом геометрические размеры объектов измерения многократно отличаются друг от друга (изделия микроэлектроники и изделия антенной техники). 2. Поскольку основной объект исследования в радиотехнических цепях, устройствах и системах — электрический сигнал — является носителем используемой информации, возникает необходимость наблюдения и исследования формы и спектра электрических колебаний, а также генерирования их копий и образцов. Этим вызвано широкое применение в практике радиоизмерений приборов для наблюдения и регистрации колебаний (осциллографов, анализаторов спектров) и источников электрических колебаний (измерительных генераторов). 3. Из-за сложности структуры современных радиотехнических систем и устройств и большого количества всевозможных параметров, описывающих их работу, характерно разнообразие измерений даже в одном эксперименте, необходимость комплексного их проведения, быстродействие, точность, а следовательно, автоматизация при современном статистическом характере измерений. Практически любая схема измерения параметров радиотехнического устройства работает следующим образом. Найденные значения параметров объекта измерения в виде электрических сигналов могут быть представлены прямо на устройстве отображения, т. е. измерены непосредственно. В другом случае эти же электрические сигналы, характеризующие измеряемые параметры объекта, подаются в компьютер. Сюда же заводятся заданные параметры объекта и внешней среды. После обработки по одному из способов сравнения (рассмотрены далее) результирующий сигнал подается на устройство отображения. В последнем случае можно сказать об автоматизированной системе измерения, управляемой компьютером. Очевидно, что точность измерений в этом случае будет значительно выше. Физические свойства и величины Любой объект окружающего мира характеризуется своими свойствами. Свойство — философская категория, выражающая такую сторону объекта (процесса, явления), которая обусловливает его общность или различие с другими объектами (процессами, явлениями) и обнаруживается в его отношениях к ним. По своей сути свойство — категория качественная. Для количественного описания различных свойств процессов и физических тел вводится понятие величины. 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. Идеальные величины главным образом относятся к области математики и являются обобщением (моделью) конкретных реальных понятий. Они вычисляются тем или иным способом. Реальные величины, в свою очередь, делятся на физические и нефизические. Физическая величина в общем случае может быть определена как величина, свойственная некоторым материальным объектам (процессам, явлениям, материалам), изучаемым в естественных (физика, химия) и различных технических науках. К нефизическим следует отнести величины, присущие неестественным наукам — философии, социологии, экономике и т. д. 1.2. Физические величины 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. Практически все радиотехнические величины, методы и средства измерения которых рассматриваются в настоящем курсе, являются характерными примерами физических величин. Физические величины целесообразно разделить на измеряемые и оцениваемые. Измеряемые физические величины можно выразить количественно в виде определенного числа установленных единиц измерения. Оцениваемые физические величины — величины, для которых по каким-либо причинам не может быть введена единица измерения, и они могут быть только оценены. Размерность физической величины — количественная определенность физической величины, присущая конкретному предмету, системе, явлению или процессу. Оценивание — операция приписывания данной физической величине определенного числа принятых для нее единиц, проведенная по установленным правилам. Для более детального изучения физических величин их следует каким-либо образом классифицировать, выявив общие метрологические особенности отдельных групп. Одна из возможных, достаточно полных классификаций физических величин приведена на рис. 2.1. (Рис. 2.1. Классификация физических величин) По видам явлений физические величины делятся на следующие группы: энергетические (активные), т. е. величины, описывающие энергетические характеристики процессов преобразования, передачи и использования энергии; к ним относятся ток, напряжение, мощность, энергия, заряд; они могут быть преобразованы в сигналы измерительной информации без использования вспомогательных источников энергии; вещественные (пассивные), т.е. описывающие физические и физико-химические свойства веществ, материалов и изделий из них; из радиотехнических величин — это электрическое сопротивление, емкость, индуктивность и др.; для их измерения необходим вспомогательный источник энергии, с помощью которого формируется сигнал измерительной информации; при этом пассивные физические величины преобразуются в активные, которые и измеряются; характеризующие временные процессы; к этой группе относятся различного вида спектральные и поляризационные характеристики, корреляционные функции и др. По принадлежности к различным группам физических процессов практически все указанные физические величины делятся на пространственно-временные, механические, тепловые, электрические, магнитные, акустические, физико-химические, световые, ионизирующих излучений, атомной и ядерной физики. По степени условной независимости от других величин данной группы физические величины могут быть основными, производными и дополнительными. В настоящее время в наиболее распространенной международной системе СИ используется семь физических величин, выбранных в качестве основных: длина, время, масса, температура, сила электрического тока, сила света и количество вещества. Подробно деление физических величин по этому признаку рассмотрено в курсах физики и химии. По наличию размерности физические величины делятся на размерные и безразмерные. Значение физической величины — оценка размера физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц измерения. Числовое значение физической величины — отвлеченное число, выражающее отношение значения величины к соответствующей единице данной физической величины (например, 10 А — значение силы тока, причем само число 10 — это и есть числовое значение). Именно термин «значение» следует применять для выражения количественной стороны рассматриваемого свойства. Неправильно, например, говорить и писать «величина тока», «величина напряжения» и т. д., поскольку ток и напряжение сами являются величинами (правильным будет применение терминов «значение силы тока», «значение напряжения» и пр.). Для обозначения частных особенностей физических величин применяют термин параметр. Например, конденсатор характеризуют емкостью, а его параметрами можно считать тангенс угла потерь, температурный коэффициент емкости, индуктивность выводов. Иногда параметром называют саму измеряемую физическую величину — амплитуду, фазу, частоту. При выбранной оценке физической величины, как объективно существующим свойством объекта в данный момент времени, ее можно охарактеризовать истинным, действительным и измеренным значениями. Нахождение истинного значения измеряемой физической величины является главной проблемой метрологии. Истинным значением физической величины называется значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. Определить экспериментально его невозможно вследствие неизбежных погрешностей измерения. Погрешность измерения — это отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Положим, что измеряется диаметр круглого металлического диска. Не вызывает сомнения положение, что измерение диаметра диска можно проводить с все более и более высокой точностью, стоит лишь выбрать средство измерений соответствующей точности. Но когда погрешность средства измерения достигнет размеров молекулы, обнаружится как бы размывание краев диска, обусловленное хаотическим движением молекул. Вследствие этого за некоторым пределом точности само понятие диаметра диска потеряет первоначальный смысл и дальнейшее повышение точности измерения бесполезно. Следовательно, понятие «истинного» значения диаметра в данном случае приобретает вероятностный смысл и можно лишь с определенной вероятностью установить интервал значений, в котором оно находится. Одним из основных постулатов метрологии является положение о том, что истинное значение физической величины существует, однако определить его путем измерения невозможно. В связи с тем, что истинное значение физической величины определить невозможно, в практике измерений оперируют понятием действительного значения, степень приближения которого к первому зависит от точности измерительного средства и погрешности самих измерений. Действительным значением физической величины называется значение физической величины, найденное экспериментальным путем 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. Действительное значение физической величины определяют по образцовым мерам и приборам, погрешностями которых можно пренебречь по сравнению с погрешностями применяемых рабочих средств измерения. Под измеренным значением понимается значение величины, отсчитанное по отсчетному устройству средства измерения. Важную роль в процессе измерения играют условия измерения — совокупность влияющих величин, описывающих состояние окружающей среды и средства измерений. Влияющая физическая величина — физическая величина, непосредственно не измеряемая средством измерения, но оказывающая влияние на него или на объект измерения таким образом, что это приводит к искажению результата измерения. Например, при измерении параметров транзистора влияющей величиной может быть температура, если параметры зависят от температуры. В метрологии различают нормальные, рабочие и предельные условия измерений. Нормальные условия измерений — это условия, при которых влияющие величины имеют нормальные или находящиеся в пределах нормальной области значения. Нормальная область значений влияющей величины — это область значений, в пределах которой изменением результата измерений под воздействием влияющей величины можно пренебречь в соответствии с установленными нормами точности. Нормальные условия измерений задаются в нормативно-технической документации на средства измерений. Рабочими называются условия измерений, при которых влияющие величины находятся в пределах своих рабочих областей. Рабочая область значений влияющей величины — область, в пределах которой нормируется дополнительная погрешность или изменение показаний средства измерения. Предельные условия измерений — условия, характеризуемые экстремальными значениями измеряемой и влияющих величин, которые средство измерения может выдержать без разрушений и ухудшения его метрологических характеристик. Постоянная физическая величина — физическая величина, размер которой по условиям измерительной задачи можно считать не изменяющимся за время, превышающее длительность измерения. Переменная физическая величина — физическая величина, изменяющаяся по размеру в процессе измерения. Физический параметр — физическая величина, характеризующая частную особенность измеряемой величины. Например, при измерении напряжения переменного тока параметром напряжения могут быть его амплитуда, мгновенное, средневыпрямленное или среднее квадратическое значения и пр. Единица физической величины — физическая величина фиксированного размера, которой по определению условно присвоено стандартное числовое значение, равное единице. Она применяется для количественного выражения однородных физических величин. Единицы физических величин подразделяются на основные и производные и объединяются в соответствии с принятыми принципами в системы единиц физических величин. 2.3. Международная система единиц Единица измерения должна быть установлена для каждой из известных физических величин, при этом необходимо учитывать, что многие физические величины связаны между собой определенными 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». К основным характеристикам системы СИ следует отнести:
В основу Международной системы СИ положены семь основных и две дополнительные единицы (самостоятельно найти и законспектировать) Справочно: 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. Современное развитие науки пока не позволяет с достаточной степенью точности связать килограмм с естественными атомными константами. До сих пор килограмм является чисто договорной единицей. 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 2.10-7 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. Моль — 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). 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° = 2л/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:  где α — телесный угол, ср — плоский угол при вершине конуса, образованного внутри сферы данным телесным углом. Производные единицы системы СИ образуются из основных и дополнительных единиц. В табл. 2.2 и 2.3 приведены производные единицы, наиболее употребляемые в радиотехнике. Таблица 1.2. Производные единицы СИ
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 l 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 (нc), пикофарад (пФ). Таблица 1.3 (заполнить размерности)
Кратная единица физической величины — единица, большая в целое число раз системной, например килогерц (10 Гц), мегаватт (10 Вт). Дольная единица физической величины определяется как единица, меньшая в целое число раз системной, например, микрогенри (10-6 Гн), пикофарад (10-12Ф). Наименования кратных и дольных единиц системы СИ содержат ряд определенных приставок, соответствующих множителям. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Добавить в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требований точности |  | Тема Основные понятия метрологии и методы измерений. Структурные схемы измерительных приборов |
| Настоящий специальный технический регламент (далее технический регламент) принимается в целях |  | Статья Основные понятия, используемые в настоящем Кодексе в настоящем Кодексе используются следующие основные понятия |
| Ii. Меры и денежный счет периода феодальной раздробленности Руси (начало XII в.— конец xvв.) | | Изучить основные понятия генетики, общие методические рекомендации по решению генетических задач, алгоритм решения генетических задач,... |
| Основные понятия и законы химии. Лекция по курсу «Общая и неорганическая химия» для студентов сельскохозяйственных специальностей... | | Цели, основные принципы и основной порядок работ по межгосударственной стандартизации установлены гост 0-92 «Межгосударственная система... |
| Е 83 Введение в культурологию: Основные понятия культурологии в систематическом изложении: Учеб пособие для студ высш учеб заведений.... | | Понятия и основные требования к системе кодирования информации. Состав и содержание операций проектирования классификаторов. Система... |
Разместите кнопку на своём сайте: