Основные понятия метрологии




НазваниеОсновные понятия метрологии
страница1/6
Дата конвертации30.05.2013
Размер0.72 Mb.
ТипДокументы
  1   2   3   4   5   6
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:

  • повышение точности измерений и расширение пределов измеряемых величин;

  • разработка современных методов измерений и приборов с использова­нием новейших физических принципов или радиотехнологий, необходимых для перспективных направлений науки и техники;

  • создание автоматизированных измерительных систем, обладающих вы­сокой точностью, быстродействием и надежностью.

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:

  • 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.

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

Величины

Единицы

Наименование

Размерность

Наименование

Обозначени международное

русское

Частота

Т-1

герц

Hz

Гц

Энергия, работа, количество теплоты

L2MT-2

джоуль

J

Дж

Сила, вес

LMT-2

ньютон

N

Н

Мощность, поток энергии

L2MT-3

ватт

W

Вт

Количество электричества

TI

кулон

С

Кл

Электрическое напряжение, электродвижущая сила, потенциал

L2MT-3I-1

вольт

V

В

Электрическая емкость

l-2M-1T4I2

фарад

F

Ф

Электрическое сопротивление

L2МT-3I-2

ом



Ом

Электрическая проводимость

L-2M-1T3I2

сименс

S

См

Магнитная индукция

МT-2I-1

тесла

Т

Тл

Поток магнитной индукции, магнитный поток

L2МT-2I-1

вебер

Wb

Вб

Индуктивность, взаимная индуктивность

L2MT-2I-2

генри

Н

Гн

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)

Величины

Единицы

Наименование

Размерность

Единица измерения

междуна­родное

русское

Плотность электрического тока




ампер на квадратный метр

А/m2

А/м2

Напряженность электрического поля




вольт на метр

V/m

В/м

Абсолютная диэлектрическая проницаемость




фарад на метр

F/m

Ф/м

Удельное электрическое сопротивление




ом на метр

m

Ом-м

Полная мощность электрической цепи




вольт-ампер

V-A

В-А

Реактивная мощность элек­трической цепи




вар

var

В-Ар

Напряженность магнитного поля




ампер на метр

A/m

А/м

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.

  1   2   3   4   5   6

Добавить в свой блог или на сайт

Похожие:

Основные понятия метрологии iconЗадачи и основные понятия метрологии
Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требований точности

Основные понятия метрологии iconМетодические указания и контрольные задания для студентов заочников для специальности 150411 «Монтаж и техническая эксплуатация промышленного оборудования» 2004
Тема Основные понятия метрологии и методы измерений. Структурные схемы измерительных приборов

Основные понятия метрологии iconСтатья Основные понятия в настоящем техническом регламенте применяются основные понятия, используемые в Федеральном законе "О техническом регулировании" n 184-фз, а также следующие понятия
Настоящий специальный технический регламент (далее технический регламент) принимается в целях

Основные понятия метрологии iconКодекс Республики Казахстан
Статья Основные понятия, используемые в настоящем Кодексе в настоящем Кодексе используются следующие основные понятия

Основные понятия метрологии iconУчебное пособие по русской метрологии дает представление о предмете метрологии как вспомогательной исторической дисциплине, освещает основные этапы складывания и развитии русских мер и денежного счета в связи с историей Русского госудирсти иполитикой правительства в области мер,
Ii. Меры и денежный счет периода феодальной раздробленности Руси (начало XII в.— конец xvв.)

Основные понятия метрологии iconВведение. Основные понятия генетики
Изучить основные понятия генетики, общие методические рекомендации по решению генетических задач, алгоритм решения генетических задач,...

Основные понятия метрологии iconОбщая и неорганическая химия лекция: Основные понятия и
Основные понятия и законы химии. Лекция по курсу «Общая и неорганическая химия» для студентов сельскохозяйственных специальностей...

Основные понятия метрологии iconМежгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации (мгс)
Цели, основные принципы и основной порядок работ по межгосударственной стандартизации установлены гост 0-92 «Межгосударственная система...

Основные понятия метрологии iconВведение в культурологию основные понятия культурологии в систематическом изложении
Е 83 Введение в культурологию: Основные понятия культуро­логии в систематическом изложении: Учеб пособие для студ высш учеб заведений....

Основные понятия метрологии iconЛекция: Информационное обеспечение ис: Информационное обеспечение ис. Внемашинное информационное обеспечение. Основные понятия классификации информации.
Понятия и основные требования к системе кодирования информации. Состав и содержание операций проектирования классификаторов. Система...


Разместите кнопку на своём сайте:
lib.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©lib.convdocs.org 2012
обратиться к администрации
lib.convdocs.org
Главная страница