Н. К. Казанцева основы метр ологии учебное пособие
| Вид материала | Учебное пособие |
- Учебное пособие Житомир 2001 удк 33: 007. Основы экономической кибернетики. Учебное, 3745.06kb.
- Н. Г. Сычев Основы энергосбережения Учебное пособие, 2821.1kb.
- Е. Г. Степанов Основы курортологии Учебное пособие, 3763.22kb.
- Н. Ю. Каменская основы финансового менеджмента учебное пособие, 1952.65kb.
- Н. Ю. Каменская основы стратегического менеджмента учебное пособие, 2151.46kb.
- О. А. Ломовцева Основы антимонопольной деятельности Учебное пособие, 1390.1kb.
- Учебное пособие 2002, 2794.97kb.
- Учебное пособие рассмотрено и одобрено на заседании кафедры экономики и управления, 1175.93kb.
- И. И. Ползунова Бийский технологический институт Л. Г. Миляева основы планирования, 1373.58kb.
- Т. Ф. Киселева теоретические основы консервирования учебное пособие, 2450.86kb.
Федеральное агентство по образованию
уральский государственный лесотехнический
университет
Н.К. Казанцева
ОСНОВЫ
МЕТРОЛОГИИ
Учебное пособие
Екатеринбург
2010
УДК 621.317
Рецензенты:
Кафедра метрологии, стандартизации и сертификации Уральского государственного политехнического университета (УрФУ),
Т.А.Трунина, канд. техн. наук, старший научный сотрудник института машиноведения РАН
В настоящем пособии рассматриваются основы метрологии: основные понятия и определения, измерения, погрешности, обеспечение единства измерений. Пособие обобщает опыт преподавания дисциплины «Метрология, стандартизация и сертификация» в Уральском лесотехническом университете, содержит большое количество рисунков, что позволяет легче понять и запомнить излагаемые вопросы.
Пособие предназначено для студентов направлений 150400, 190500 и специальностей 190603, 190701, 190702. Может быть полезно студентам других специальностей, а также инженерно-техническим работникам.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Стандартизация, метрология и оценка соответствия являются инструментами обеспечения безопасности и качества продукции, работ и услуг и, следовательно, являются также важнейшими инструментами конкурентоспособности продукции.
Проблема качества и конкурентоспособности актуальна для всех стран независимо от зрелости их рыночной экономики. Достаточно вспомнить, как в разбитых и раздавленных во второй мировой войне Японии и Германии умелое применение методов стандартизации и метрологии позволило обеспечить качество продукции и тем самым дать старт обновлению экономики этих стран.
Выбор средств и методов измерения в каждом конкретном случае должен обеспечить получение требуемых показателей качества и безопасности конечного результата. Очевидно, что знакомство с основными положениями метрологии, умение организовать и провести измерения, оценить их результаты становятся просто необходимыми.
Кроме того, в настоящее время очень остро стоит вопрос о гармонизации отечественных правил стандартизации, метрологии и оценки соответствия с международными правилами, поскольку это является важным условием вступления России во Всемирную торговую организацию (ВТО) и дальнейшей деятельности страны в рамках этой организации. В таком контексте деятельность по обеспечению единства измерений в отдельно взятой стране должна рассматриваться как естественная часть мирового пространства, обеспечивающая сопоставимость прогнозов, планов и результатов. Возрастание роли обеспечения единства измерений в современной экономической деятельности, с одной стороны, и явный недостаток методической литературы по данному предмету, с другой стороны обусловили актуальность создания предлагаемого пособия.
Настоящее методическое пособие обобщает опыт преподавания дисциплины «Метрология, стандартизация и сертификация» в Уральском лесотехническом университете для студентов очного и заочного обучения по направлениям и специальностям 150400 и 190500, 190603, 190701, 190702, 220501, 250303.
Пособие ставит своей целью дать общее представление о терминах, основных принципах, методах и содержании деятельности в области обеспечения единства измерений и тем самым дать студентам основные знания по данной дисциплине и качественно подготовится к экзамену.
В данном учебном пособии в соответствии с государственным образовательным стандартом и учебными программами по дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация» представлены сведения, касающиеся только вопросов метрологии.
Учебное пособие состоит из пяти глав:
- Основные понятия и определения.
- Измерения.
- Погрешности.
- Обеспечение единства измерений.
- Квалиметрия.
Учебное пособие содержит большое количество таблиц и рисунков, что облегчает восприятие многих непростых вопросов метрологии.
В данное учебное пособие не включены материалы по стандартизации, оценке соответствия и основам взаимозаменяемости, также входящие в дисциплину «Метрология, стандартизация сертификация» в соответствии с государственным образовательным стандартом.
ВВЕДЕНИЕ
Метрология (metrology) наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.
В процессе познавательной деятельности человека возникает множество задач, для решения которых необходимо располагать количественной информацией о том или ином свойстве объектов материального мира. Основным способом получения такой информации являются измерения, выполнение которых позволяет получать результаты, с большей или меньшей точностью отражающие определенные свойства объекта познания.
С развитием науки, техники, новых технологий измерения охватывают все новые и новые физические величины, существенно расширяются диапазоны измерений как в сторону сверхмалых значений, так и в сторону очень больших значений физических величин. Непрерывно повышается точность измерений.
Для получения достоверных результатов нужен единый научный и законодательный фундамент, обеспечивающий на практике высокое качество измерений независимо от того, где и с какой целью они проводятся. Таким фундаментом и является метрология.
В настоящее время метрология развивается по нескольким направлениям. Еще в начале ХХ в. под словом метрология понималась наука, главной задачей которой было описание всякого рода мер, то теперь это понятие приобрело более широкий научный и практический смысл, расширилось содержание метрологической деятельности.
Сейчас метрология подразделяется на теоретическую, законодательную и практическую (рис. 1).
Теоретическая (фундаментальная) метрология – раздел метрологии, предметом которого является разработка фундаментальных основ метрологии. Теоретическая метрология занимается изучением проблем измерения в целом и элементов, образующих измерение, а именно: средств измерений физических величин и их единиц, методов и методик измерений, результатов и погрешностей измерений и других составляющих. Также в сферу интересов теоретической метрологии входит определение наиболее точных значений важнейших физических констант, необходимых для многих отраслей науки и техники.
Законодательная метрология (legal metrology) – раздел метрологии, предметом которого является установление обязательных технических и юридических требований по применению физических величин, их единиц, эталонов, методов и средств измерений, направленных на обеспечение единства и точности измерений. Законодательная метрология включает совокупность взаимообусловленных правил и норм для обеспечения единства измерений.
МЕТРОЛОГИЯ
Теоретическая метрология
- общая теория измерений;
- единицы физических величин и их системы;
- методы определения точности измерений;
- физические константы
Законодательная
метрология
- обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений;
- государственные эталоны;
- методики выполнения измерений;
- государственный метрологический надзор и контроль;
- калибровка и сертификация средств измерений
Практическая
метрология
Практическое применение разработок теоретической метрологии и положений законодательной метрологии
Рис. 1. Структурная схема метрологии
Практическая (прикладная) метрология – раздел метрологии, предметом которой являются вопросы практического применения разработок теоретической метрологии и положений законодательной метрологии.
Методы метрологии широко используются в смежных отраслях знаний, таких как, оценивание и контроль качества продукции, сертификация промышленной продукции, аттестация программ и алгоритмов обработки данных и др.
Основным задачами метрологии являются:
- установление единиц физических величин, государственных эталонов и образцовых средств измерений;
- разработка теории, методов средств измерений и контроля;
- обеспечение единства измерений;
- разработка методов оценки погрешностей, состояния средств измерения и контроля;
- разработка методов передачи размеров единиц от эталонов и образцовых средств измерений рабочим средствам измерений.
В нашей стране ежедневно проводят около 200 млрд измерений. Доля затрат на измерения составляет 10-15 % затрат общественного труда, а в отраслях промышленности, производящих сложную технику, она достигает 50-70 %. В развитых странах затраты на получение достоверных результатов измерений заданной точности достигают 9-12 % ВВП, в России эти затраты составляют 4-5 % ВВП. Эффект, получаемый в народном хозяйстве благодаря применению средств измерений, составляет примерно 8-10 руб. на 1 руб. затрат.
Глава 1
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
1.1. Краткая история метрологии
В процессе истории человечества вырабатывались определенные представления о размерах, формах, свойствах предметов и процессов, а в связи с этим возникали и развивались всевозможные методы и средства измерений.
Любой объект (предмет, процесс, явление) можно охарактеризо-вать его свойствами или качествами, которые проявляются в большей или меньшей степени и, следовательно, подвергаются количествен-ной оценке. В настоящее время хорошо известно высказывание Ф. Энгельса «Всякое качество имеет бесконечно много количествен-ных градаций». Как же производится количественная оценка этих свойств или качеств объекта? Конечно, путем измерений.
В России в древности единицами измерения длины были пядь, локоть. Локоть как единица измерения применялся во многих государствах (Вавилон, Египет). Естественно размер локтя был различным.
Одной из основных мер длины в России долгое время была сажень (упоминается в летописях начала Х в.). Размер ее не был постоянным: были известны простая сажень, косая, казенная сажень и др. По указу Петра I русские меры длины были согласованы с английскими (~ 1725 г.).
В 1835 г. Николай I в «Указе правительствующему Сенату» утвердил сажень в качестве основной меры длины в России, а за основную единицу массы был принят образцовый фунт – кубический дюйм воды при температуре 13,3 градуса по Реомюру в безвоздушном пространстве (фунт равнялся 409,51241 г). Также в России использовались также аршин (0,7112 м) и верста (в разные времена ее размер был различным, 500 саженей – 1,0668 км).
Для поддержания единства установленных мер существовали эталонные (образцовые) меры, которые находились в храмах и церквях.
В 1841 г. в соответствии с указом «О системе Российских мер и весов», узаконившим ряд мер длины, объема и веса, при Петербургском монетном дворе было организовано Депо образцовых мер и весов – первое государственное поверочное учреждение. Основными задачами Депо являлись хранение эталонов, составление таблиц русских и иностранных мер, изготовление образцовых мер и рассылка последних в регионы страны. Поверка мер и весов была вменена в обязанность городских дум, управ и казенных палат. В 1892 г. ученым хранителем Депо образцовых мер и весов был назначен великий русский ученый Д.И. Менделеев. По его предложению Депо было преобразовано в 1893 г. в Главную палату мер и весов, быстро ставшую выдающимся научно-методическим центром. Для сравнения можно сказать, что в Германии метрологический центр был основан в 1887, в Англии – в 1900, в США – в 1901 г.
«Наука начинается … с тех пор, как начинают измерять», – в этом научном кредо Д.И. Менделеева выражен, по существу, важнейший принцип развития науки, который не утратил актуальности в современных условиях.
Д.И. Менделеев внес большой практический и научный вклад в развитие науки об измерениях. В 1860 г. он разработал прибор для определения плотности жидкости, названный пикнометром Менделеева. В 1865 г. создал оригинальный метод взвешивания при постоянной нагрузке, исключающий температурную погрешность и применяемый и поныне. В 1875 г. уточнил формулу Эйлера для расчета прецизионных лабораторных весов с максимальной чувствительностью. В 1873-1874 гг. предложил, независимо от Кельвина новую шкалу температур с «одной экспериментально реализуемой точкой». В 1889 г. было утверждено «Положение о мерах и весах», в котором узаконились русские эталоны аршина и фунта и были введены точные соотношения их с метрическими мерами. В этом Положении допускалось факультативно применение в России прогрессивной метрологической системы мер, внедрению которой Менделеев отдал много сил.
Менделеев первым выступил с трибуны съезда русских естество-испытателей с призывом содействовать подготовке метрической ре-формы путем употребления метрической системы в научных исследо-ваниях, на лекциях и уроках. Менделеев сказал тогда; «Облегчим же и на нашем скромном поприще возможность всеобщего распространения метрической системы и через то содействуем общей пользе и будущему желанному сближению народов. Не скоро, понемногу, но оно придет. Пойдем ему навстречу».
Работы Менделеева заложили прочный фундамент как для факультативного, так и для последующего обязательного внедрения метрической системы мер в нашей стране. Официально Россия перешла на метрическую систему в сентябре 1918 г.
В 1849 г. была издана первая научно-учебная книга Ф.И. Петрушевского «Общая метрология» (в двух частях), по которой учились первые поколения русских метрологов.
Важным этапом в развитии русской метрологии явилось подписание Россией метрической конвенции 20 мая 1875 г. В этом же году была создана Международная организация мер и весов (МОМВ), которая расположилась в г. Севре (близ Парижа, Франция). Ученые России активно принимали участие в работе этой организации.
1.2. Объекты измерений
Обычным объектом измерений являются физические величины, то есть какие-либо свойства физического объекта (предмета, процесса), например длина, масса, время, температура и др. Однако в последнее десятилетие кроме физических величин в прикладной метрологии начали использоваться так называемые нефизические дисциплины. Это связано с применением термина «измерение» в экономике, информатике, управлении качеством.
Бесконечное множество физических величин, окружающих нас, обладает бесконечным множеством различных качеств и свойств. Из этого огромного количества человек выделяет некоторое ограниченное число свойств, общих в качественном отношении для ряда однородных объектов и достаточных для их описания. В каждом таком качестве, в свою очередь, может быть выделено множество градаций. Если мы в состоянии установить размер градации, то есть величину данного свойства, и физически реализовать ее в виде меры или шкалы, то, сопоставив размер интересующего нас свойства объекта с такой мерой или со шкалой, мы получим его количественную оценку. Свойства, для которых могут быть установлены и воспроизведены градации определенного размера, называются физическими величинами.
Иначе говоря, физическая величина (physical quantity) – одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса) общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.
Качественная сторона понятия «физическая величина» определяет род величины (длина как характеристика протяженности вообще, электрическое сопротивление как общее свойство проводников электричества и т.п.), а количественная – ее размер (длина конкретного предмета, сопротивление конкретного проводника). Размер физической величины существует объективно, независимо от того, знаем мы его или не знаем.
Анализ существующих величин показывает, что они могут быть разделены на два вида: реальные и идеальные (рис. 2).
ВЕЛИЧИНЫ
