Большая энциклопедия нефти и газа. Что это такое — измерение показателей и зачем нужны эти измерения
Роль и значение измерений в науке и технике. Перспективы развития электроизмерительной техники
Измерения являются одним из основных средств познания природы, ее явлений и законов.
Особенно важную роль играют электрические измерения, так как теоретическая и прикладная электротехника имеет дело с различными электрическими и магнитными величинами и явлениями, которые не воспринимаются непосредственно органами чувств. Поэтому обнаружение присутствия этих величин, количественное их, а так же изучение электрических и магнитных явлений возможно только при помощи электроизмерительных приборов.
Быстро развивающейся областью измерительной техники является измерение электрических величин электрическими приборами и методами. Это объясняется возможностью непрерывного измерения и записью его результатов на расстоянии, высокой точностью, чувствительностью и другими положительными свойствами электрических методов и приборов измерения. В современном производстве соблюдение любого технологического процесса и автоматизация управления обеспечиваются применением измерительной техники и тесно связанной с ней автоматики.
Таким образом, электрические измерения обеспечивают рациональное ведение любых технологических процессов, бесперебойную работу электроустановок и т.п., а следовательно, улучшают технико-экономические показатели работы предприятия.
Начертите структурную схему электронно-лучевого осциллографа и опишите назначение основных его узлов
Канал вертикального отклонения электронно-лучевого осциллографа предназначен для передачи входного напряжения на вертикальные отклоняющиеся пластины. Он включает аттенюатор, обеспечивающий ослабление входного сигнала до уровня получения на экране картинки необходимого размера, линию задержки и усилитель. С выхода усилителя сигнал поступает на вертикальные отклоняющиеся пластины.
|
Рис. 1 Структурная схема электронно-лучевого осциллографа
Канал горизонтального отклонения (канал развертки) служит для создания и передачи на горизонтально отклоняющие пластины напряжения, вызывающего горизонтальное перемещение луча, пропорционально времени.
Изображение формируется с помощью электронно-лучевой трубки, использующей электростатическое отклонение луча. В ней с помощью электронного прожектора формируется поток электронов в виде тонкого луча, который, достигая люминофора на внутренней поверхности экрана, вызывает его свечение. Отклонение луча по вертикали и горизонтали осуществляется с помощью двух пар пластин, на которые подаются отклоняющие напряжения. Исследуемое напряжение является функцией времени, и поэтому для его наблюдения необходимо, чтобы луч двигался по экрану в горизонтальном направлении пропорционально времени, а его перемещение по вертикали определялось входным исследуемым напряжением. Для движения луча по горизонтали к горизонтальным отклоняющимся пластинам прикладывается напряжение пилообразной формы, что обеспечивает перемещение луча слева направо с постоянной скоростью, быстрый возврат в начало экрана и очередное движение с постоянной скоростью слева направо. Исследуемое напряжение подается на вертикальные отклоняющие пластины, в результате положение луча в момент времени однозначно соответствует значению исследуемого сигнала в данный момент времени.
В осциллографе имеются два канала - канал вертикального (Y) и горизонтального (X) отклонения. Канал вертикального отклонения предназначен для передачи входного напряжения на вертикальные отклоняющие пластины. Он включает аттенюатор, обеспечивающий ослабление входного сигнала до уровня получения на экране картинки необходимого размера, линию задержки и усилитель. С выхода усилителя сигнал поступает на вертикальные отклоняющие пластины. Канал горизонтального отклонения (канал развертки) служит для создания и передачи на горизонтальные отклоняющие пластины напряжения вызывающего горизонтальное перемещение луча, пропорционально времени.
В осциллографах применяются несколько видов развертки, основная из которых образуется с помощью пилообразного напряжения. Чтобы линия развертки не мерцала при наблюдении, луч должен прочерчивать одну и ту же траекторию не менее 25…30 раз в секунду ввиду инерционной способности зрения человека.
Приведите схему и опишите, каким образом определяется место повреждения изоляции кабеля методом петли Муррея
Метод петли из жил кабеля - метод Муррея представляет собой использование схемы одинарного моста.
Для определения места пробоя между жилой и броней или землей концы б-б´ исправной и поврежденной жил кабеля закорачиваются. К двум другим концам а-а´ подключают магазины сопротивлений R и r А и гальванометр. Зажим, в котором соединены магазины резисторов, через батарею элементов соединен с землей.
Рис. 1 Схема метода петли из жил кабеля - метод Муррея
В результате имеем схему моста, равновесие которой определяется условием:
Определив r x , зная удельное сопротивление ρ материала жил кабеля и их сечение S, по формуле l x =r x S/ρ определяют расстояние от конца кабеля а´ до места повреждения изоляции.
При неизменном сечении жил кабеля r x и r можно заменить их выражением:
откуда определяется расстояние до места повреждения
Для проверки результата измерения производят второе аналогичное измерение, поменяв концы кабеля а и а´. При этом расстояние до места повреждения определяют по формуле:
где R´ и r´ A - значения сопротивлений плеч моста при втором измерении. Правильность результатов измерений подтверждается равенством l x + l y =2l
Определите напряжение на сопротивлении и наибольшую возможную относительную погрешность при его определении если напряжение на зажимах сети равно 220 В, а напряжение на сопротивлении R 1 = 180 В. Для измерения используются вольтметры класса точности 1,0 на 250 В
Из электротехники знаем:
U 2 = U - U 1 = 220 - 180 = 40 В
Наибольшая возможная относительная погрешность
где - относительная погрешность прибора, в нашем случае для класса точности 1,0 = 1,0%;
U н - номинальное напряжение вольтметра;
U - показание вольтметра.
Ответ: U 2 = 40 В, .
Измерительный прибор без шунта сопротивлением R A = 28 Ом имеет шкалу в 50 делений цена деления 0,01 A/дел. Определить цену деления этого прибора и предельную величину измеряемого тока при подключении шунта сопротивлением R Ш = 0,02 Ом.
Найдем шунтирующий множитель «р»
где r И - сопротивление прибора; r Ш - сопротивление шунта.
Найдем предельную величину измеряемого прибором тока
где W - количество делений прибора; N - цена деления
Найдем предельную величину измеряемого прибором тока при подключении шунта
где I max - предельная величина измеряемого прибором тока;
р - шунтирующий множитель
Найдем цену деления прибора при подключении шунта
где I′ max - предельная величина измеряемого прибором с шунтом тока; W - количество делений прибора
Ответ: А, А/дел.
На щитке счетчика написано: 220В, 5А, 1кВт·ч - 2000 оборотов диска. Вычислить номинальную постоянную счетчика, действительную постоянную, относительную погрешность, поправочный коэффициент, если при проверке счетчика на неизменное напряжение U = 220 В и неизменной величине тока I = 5 А диск сделал N = 37 оборотов за 60 с.
Определим номинальную постоянную счетчика
где W н - номинальное количество регистрируемой счетчиком энергии за N н оборотов диска
Определим действительную постоянную счетчика
где W - расчетное количество зарегистрированной энергии за N оборотов диска при проверке счетчика, при чем: W = U ∙ I ∙ t (U - неизменное напряжение подаваемое в течении времени - t при неизменной величине тока - I).
Определим относительную погрешность счетчика
где k н - номинальная постоянная счетчика; k - действительная постоянная счетчика, определенная при проверке.
Поправочный коэффициент будет равен
Ответ: Вт·ч/об, Вт·ч/об,
Номинальный ток амперметра 5А, класс точности его 1,5. Определить наибольшую возможную абсолютную погрешность.
Наибольшая возможная абсолютная погрешность:
где γ д - относительная погрешность амперметра, в нашем случае для класса точности 1,5 γ д = 1,5%; I н - номинальный ток амперметра.
Литература
- «Электрические измерения» В.С. Попов (М. 1974 г.)
- «Электротехника и электроника» под ред. проф. Б.И. Петленко М. 2003 г.
- Электрические измерения под редакцией Малиновского 1983 г.
Смысл вышесказанного заключается в одной фразе: «Нельзяуправлять тем, чего нельзя измерить».
Вот важнейшие положения об измерениях. «Что измерил, то и получил». Это означает, что, как правило, именно тем участкам работы, на которых проводился мониторинг и выполнялись измерения, в первую очередь уделяется внимание, для них изыскиваются ресурсы; «Измерения определяют поведение». Это означает, что выполнение измерений часто ведет к переменам в системе, к ее приспособлению к новым ориентирам.
Ранее отмечалось, что обычно компании делятся на функциональные отделы. Доминирующее направление мониторинга показателей - оценка финансовых параметров, которые, как правило, берутся прямо из бухгалтерской отчетности. Проблема заключается в том, что такие способы мониторинга часто вступают в прямое противоречие с процессом совершенствования и мешают проведению соответствующих мероприятий. Дело в том, что многие усилия по совершенствованию бывает очень трудно адекватно оценить обычным инвестиционным анализом. Как правило затраты нужны как для обучения, так и собственно для проведения проекта. А вот результаты совершенствования в значительной степени имеют операционный характер. Например, это сокращение времени, снижение доли дефектов и т.д. Этим показателям бывает очень трудно дать оценку в финансовых терминах, так как результат таких улучшений проявляется не сразу, а по истечении некоторого времени, т.е. в будущем. Поэтому бывает трудно добиться выделения ресурсов и времени для проектов совершенствования.
В последние годы разработки были направлены на создание более оперативных систем измерения показателей. Однако общие вопросы измерения показателей и интенсификация этих процессов лежат за рамками этой книги. Для поддержки подхода к улучшениям, рассматриваемого в этой книге, надо создать систему со следующими элементами: Непрерывное измерение соответствующих аспектов показателей основных бизнес-процессов, примерно 15-30 процессов. Что подразумевается под «соответствующими аспектами» - обсуждается далее в этой главе. Все эти измеряемые показатели вместе должны образовывать законченную и целостную приборную панель, которую можно использовать для непрерывно го мониторинга показателей. В отличие от допотопного «рубильника» финансового отдела, который с большим запаздыванием то включает, то выключает красный свет, предупреждая о прибыли или об убытках, новая приборная панель будет содержать комплекс измерительных приборов, по которым можно оценить реальное положение дел (см. рис. 4.1). Эта приборная панель укажет на любые возникающие негативные тренды, покажет развитие во времени, поможет определить предпосылки для проведения конкретных усилий по совершенствованию.
Однако нужно быть осторожным и не переусердствовать с измерениями.
Рис. 4.1. Различные измерительные системы
Пример.
Компания Xerox (США) и компания Rank Xerox в Европе, каждая в своей стране, занимали передовые позиции в области разработки системы оперативного измерения показателей. Однако их усилия были так велики, что в этих компаниях возникла даже шутка: «Если нечто двигается, измерь это!» Это, конечно, привело к появлению избыточности информации, которой никто никогда не пользуется, и не потому, что она неинтересна, а потому что нет времени, чтобы ее просмотреть. По этой причине к любой информации стали относиться пренебрежительно, даже к информации действительно важной. Все мероприятия по измерению показателей потеряли свою актуальность.
В заключение этого раздела хотелось бы привести несколько «расхожих дилетантских правил» проведения измерений: Измерение - это не к добрутечение длительного времени, особенно начиная с эры Тейлора, с его изучением хронометража и движений, измерения часто были направлены на контроль сотрудников. Способы измерений, которые предлагаются в этой книге, имеют совсем другую направленность. Они проводятся не для того, чтобы искать козла отпущения, а для того, чтобы понять, настолько хорошо действуют процессы. Очень важно разделить измерение и оценку, которая делается на его основе. Само по себе измерение никогда никому не вредило. Это только интерпретация результатов измерений и ее использование могло иметь негативные последствия. Чем точнее, тем лучше1. Всемерное повышение точности измерений может быть актуальным для технических систем или для бухгалтерской отчетности, но не для измерения показателей. Часто цель измерения показателей - установление того, достигнуто улучшение или нет, а вовсе не определение точного уровня показателей. Вкладывание больших средств в развитие чрезмерно точных измерительных систем на самом деле может замедлить и затормозить практическое внедрение этих систем. Так что нужен более практичный подход.
Все решают только деньги1. Традиционное рассмотрение окружающего мира через призму денег, утверждение, что только деньги надежный показатель всего - оказалось главным препятствием на пути развития более «мягких» направлений в системах измерения. Такие показатели, как качество рабочей ситуации, способность продукта удовлетворить потребности покупателя и т.д. также доставляют ценную информацию. Их не стоит отбрасывать только потому, что для них нет соответствующего денежного эквивалента. Все должно быть строго по стандартам! Совсем наоборот. Стандарты часто рассматривают как верхний предел показателей. Хороший стандарт подразумевает, что пока вы с ним работаете, у вас нет нужды в совершенствовании.
Основы метрологии
учебное пособие
«Три пути ведут к познанию:
путь размышления – самый благородный;
путь подражания – самый легкий;
путь опыта – самый трудный»
Конфуций
С 32 Ю. П. Щербак Основы метрологии:
Учебное пособие для вузов.
Рассматриваются основные понятия и положения метрологии, основные понятия теории погрешностей, обработки результатов измерений, классификации сигналов и помех. Для студентов вузов, обучающихся по естественно-научным и техническим специальностям.
© Ю. П. Щербак, 2007
Глава 1 . Предмет и задачи метрологии……………………………………………………….4
1.1 Предмет метрология………………………………………………………………………....4
1.2 Роль измерений в развитии науки, промышленности…………………………………….4
1.3 Достоверность научного знания…………………………………………………………..16
Глава 2 . Основные положения метрологии………………………………………………....23
2.1 Физические величины……………………………………………………………………...23
2.2 Система физических величин и их единиц……………………………………………….30
2.3 Воспроизведение единиц физических величин и передача их размеров………………35
2.4 Измерение и его основные операции……………………………………………………..39
Глава 3 . Основные понятия теории погрешностей………………………………………....49
3.1 Классификация погрешностей…………………………………………………………….52
3.2 Систематические погрешности…………………………………………………………....58
3.3 Случайные погрешности…………………………………………………………………..62
3.3.1 Общие понятия…………………………………………………………………………...62
3.3.2 Основные законы распределения……………………………………………………….64
3.3.3 Точечные оценки параметров законов распределения………………………………...67
3.3.4 Доверительный интервал (доверительные оценки)…………………………………....69
3.3.5 Грубые погрешности и методы их исключения………………………………………..71
Глава 4 . Обработка результатов измерений………………………………………………....72
4.1 Однократные измерения…………………………………………………………………..72
4.2 Многократные равноточные измерения……………………………………………….....73
4.3 Косвенные измерения……………………………………………………………………..75
4.4 Некоторые правила выполнения измерений и представление результатов…………...77
Глава 5 . Измерительные сигналы…………………………………………………………...79
5.1 Классификация сигналов………………………………………………………………….79
5.2 Математическое описание сигналов. Параметры измерительных сигналов………….81
5.3 Дискретные сигналы……………………………………………………………………...86
5.4 Цифровые сигналы………………………………………………………………………..89
5.5 Помехи……………………………………………………………………………………..91
Литература……………………………………………………………………………………109
Глава 1. Предмет и задачи метрологии
Предмет метрология
Метрология – наука об измерениях, методах, средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности (ГОСТ 16263-70).
Греческое слово «метрология» состоит из 2-х слов «метрон» - мера и «логос» - учение.
Предметом метрологии – является извлечение количественной информации о свойствах объектов и процессов с заданной точностью и достоверностью.
Средства метрологии – это совокупность средств измерений и метрологических стандартов, обеспечивающих их рациональное использование.
Без измерений не может обойтись ни одна наука.
Основное понятие метрологии – измерение.
Измерение – это нахождение значения физической величины (ФВ)
Опытным путем с помощью специальных технических средств (ГОСТ 16263-70).
Измерения могут быть представлены тремя аспектами [Л.1]:
- Философский аспект измерения : измерения являются важнейшим универсальным методом познания физических явлений и процессов
- Научный аспект измерения : с помощью измерений (эксперимента) осуществляется связь теории и практики («практика – критерий истины»)
- Технический аспект измерений : измерения обеспечивают получение количественной информации об объекте управления или контроля.
Роль измерения в развитии науки, промышленности.
Приведем высказывания известных ученых о роли измерений [Л.3].
В. Томпсон : «Я часто говорю, что когда вы можете измерить то, о чем вы говорите и можете выразить это в числах, то вы кое-что знаете об этом; но когда вы не можете измерить это, не можете выразить это в числах, то ваши знания будут жалкого и неудовлетворительного рода; это может представлять собой начало знания, но в ваших мыслях вы едва придвинулись к тому, что заслуживает название науки, каков бы ни был предмет исследования» (Строение материи, 1895г.)
А. Ле Шателье : «Выучиться правильно измерять – одно из наиболее важных, но и наиболее трудно осуществимых этапов науки. Достаточно одного ложного измерения для того, чтобы помешать открытию закона и, что еще хуже, привести к установлению несуществующего закона. Таково было, например, происхождение закона о непредельных соединениях водорода и кислорода, основанных на экспериментальных ошибках в измерениях Бунзена» (Наука и промышленность, 1928г.).
Проиллюстрируем первую часть высказывания А. Ле Шателье примерами некоторых важных измерений в области механики и гравитации за последние ~ 300 лет и их влияние на развитие науки и техники.
- 1583 г. – Г. Галилей установил изохронность колебаний маятника.
Изохронность колебаний маятника явилась основой создания новых часов – хронометров, которые стали важнейшим инструментом навигации в эпоху великих географических открытий (измерение времени полудня в точке нахождения корабля по сравнению с портом отплытия давало возможность определить долготу, измерения высоты Солнца над горизонтом в полдень – широту …)
(Период колебаний маятника: - угловая скорость; период колебаний не зависит от массы и амплитуды колебаний – изохронность).
- 1604 г. – Г. Галилей установил равноускоренность движения тела по наклонной плоскости
- 1619 г. – И. Кеплер сформулировал на основе измерений III закон движения планет: Т 2 ~ R 3 (Т – период, R – радиус орбиты)
- 1657 г. – Х. Гюйгенс сконструировал маятниковые часы со спусковым механизмом (анкер)
- 1678 г. – Х. Гюйгенс измерил величину силы тяжести для Парижа (g = 979,9 см/с 2)
- 1798 г. – Г. Кавендиш измерил с помощью крутильных весов силу притяжения двух тел и определил гравитационную константу в законе Ньютона, определил среднюю плотность Земли (5,18 г/см 3)
Создание Х. Гюйгенсом точных часов со спусковым механизмом (анкер) стало основой измерительной техники; а измерение силы тяжести – основой баллистики.
В результате этих экспериментов были сформулированы 3-й закон движения планет И. Кеплера, закон всемирного тяготения (И. Ньютон) – основа всей современной деятельности человека, связанной с космосом.
- 1842 г. – Х. Доплер предположил влияние относительного движения тел на частоту звука (эффект Доплера, в 1848 г. А. Физо распространил этот принцип на оптические явления)
Сдвиг частоты из-за относительного движения источника и приемника звука или света (Х. Доплер, А. Физо) явился основой для создания модели расширяющейся Вселенной (Э. Хаббл). Измерение реликтового излучения (А. Пензиас и Р. Вильсон) – решающее свидетельство справедливости модели расширяющейся Вселенной, начало которой имело форму «Большого взрыва».
Современные представления :
Первая («инфляционная») стадия расширения Вселенной продолжалась всего ~ 10 -35 секунды. За это время появившийся из абсолютного ничто «зародыш» Вселенной увеличился до 10 100 раз. Согласно современным представлениям рождение Вселенной из сингулярности в результате Большого взрыва обусловлено квантовой флуктуацией вакуума. При этом уже в момент Большого взрыва в квантовых флуктуациях вакуума были заложены разнообразные свойства и параметры, в т.ч. фундаментальные физические константы (ε, h, γ, k и т.д.)
Если бы к моменту Т 0 =1с скорость разлета вещества отличалась от реального значения на 10 -18 (10 -16 %) доли своей величины в ту или другую сторону, то Вселенная либо сколапсировалась в материальную точку, либо вещество полностью рассеялось.
Современное естествознание базируется на многократном наблюдении факта, повторение его в различных условиях – эксперименте, его количественном описании; создание модели этого факта, явления или процесса, установление формул, зависимостей, связей. Одновременно развиваются практические применения явления. Далее возникает (создается) фундаментальная теория. Такая теория предлагает обобщение и устанавливает связи данного явления с другими явлениями или процессами; в настоящее время часто проводится математическое моделирование явления. На основе фундаментальной теории возникают новые, более широкие применения.
На рис. 1.1 приведена условная схема методологии естествознания [Л.2]
|
Рис. 1.1
На примере экспериментально открытого Х. Доплером влияния относительного движения тел на частоту звука можно проследить этапы этой методологической схемы
1 этап .
Проблемы регистрации факта, точности измерений для последующего количественного описания, выбор единиц измерений. (Эксперимент)
Пример : Х. Доплер зафиксировал (измерил) в 1842 году влияние относительного движения тел на частоту звука (эффект Доплера).
2 этап .
Установление зависимости, формул, связей, включая анализ размерности величин, установление констант. (Модель)
Пример : На основании опытов Х. Доплера разработана модель явления:
звук – это продольные колебания воздуха; при движении источника изменяется число колебаний, принимаемых приемником в 1 с., т.е. меняется частота.
Этап.
Пример : Разработка приборов на эффекте Доплера: эхолокаторы, измерители скорости движущихся тел (локатор ГИБДД).
Этап.
Формулировка принципов и обобщения, создание фундаментальной теории, выяснение связей с другими явлениями, прогнозы (включая математическое моделирование). (Фундаментальная теория).
Пример : Сформулированы принципы относительности Галилея, затем Эйнштейна:
равноправие всех инерциальных систем отсчета.
Этап.
Анализ широкого круга явлений, поиск закономерностей в других областях физики. (Другие явления).
Пример : В 1848 году А. Физо распространил принцип Доплера на оптические явления:
Свет– это поперечные колебания электромагнитного поля, поэтому применим эффект Доплера и для света (эффект ФИЗО).
6 этап .
Создание новых устройств, применение в других областях. (Новые практические применения).
Пример :
§ Измерение расстояний в космологии по красному смещению излучения далеких Галактик
§ Сдвиг частоты из-за относительного движения источника и приемника излучения явилось основой для создания модели расширяющейся Вселенной (Э. Хаббл)
§ Измерение реликтового излучения (А. Пензиас и Р. Вильсон) явилось свидетельством справедливости модели расширяющейся Вселенной, начало которой имело форму «Большого взрыва».
Создание измерительного прибора или выработка метода измерений – важнейший шаг к обнаружению новых явлений и зависимостей. В наше время очень мало шансов открыть что-либо существенно новое, не прибегая к точной аппаратуре: все новое, ставшее известным за последнее время, не далось в результате простого невооруженного наблюдения над обыденным кругом явлений повседневной жизни, как это бывало у истоков науки.
Однако важно на первых этапах общего прощупывания не прибегать к чрезмерно тонкой технике эксперимента – излишнее усложнение вызывает задержки и уводит в густую чащу вспомогательных деталей, отвлекающих от основного.
Умение обходиться простыми средствами всегда ценится исследователями.
Каждый исследователь должен считаться с общепринятыми системами мер, должен хорошо разбираться в соотнесении производных единиц с принятыми за основные, т.е. в размерности. Понятие о системах единиц и о размерностях должно быть настолько ясным, чтобы были совершенно исключены такие «студенческие» случаи, когда размерности левой и правой частей уравнения различны, или величины – в разных системах единиц.
Когда принципиальный путь измерения установлен, стремятся повысить точность измерения. Каждый имеющий дело с измерениями должен быть знаком с приемами оценки точности результатов. Если исследователь неопытен, он редко умеет ответить на вопрос о том, какова точность произведенного им измерения, не отдает себе отчета ни в том, какой точности он должен в своей задаче добиваться, ни в том, что именно лимитирует его точность. Напротив, опытный исследователь умеет выразить в цифрах точность каждого своего измерения, а если получаемая точность оказывается ниже требуемой, он может заранее сказать – какой из элементов измерения окажется наиболее существенным улучшать.
Если не задают себе подобных вопросов, происходят неприятные случаи даже со сведущими людьми; например, профессор Московского университета Лейст на протяжении 20 лет строил карту магнитной аномалии, в которой измерения магнитного поля были точными, но координаты точек измерения не были соответственной точности, так что не оказалось возможности надежно определить градиенты составляющих напряженности поля, необходимые для оценки массы, залегающей под землей. В результате, всю работу пришлось повторить.
Как бы не стремился исследователь к точности измерения, все же он столкнется с неизбежными погрешностями результатов измерений.
Вот что говорил по этому поводу еще в 1903 году А. Пуанкаре («Гипотеза и наука»): «Представим себе, что мы измеряем некоторую длину неверным метром, например, слишком длинным по сравнению с нормальным. Получившееся число, выражающее измеряемую длину, всегда будет несколько менее истинного, и эта ошибка не устранится, сколько бы мы не повторяли измерение; это пример систематической ошибки. Но измеряя нашу длину верным метром, мы тем не менее не избежим ошибок, например от того, что неверно прочтем число делений; но эти ошибочные наблюдения могут быть и более или менее истинной величины, так что если мы произведем большое число наблюдений и возьмем среднее из них, то ошибка будет близка к нулю; вот пример случайных ошибок».
«Наиболее тяжелы систематические погрешности, источник происхождения которых еще неизвестен. Когда с ними сталкиваются в работе – это катастрофа. У одного ученого явилась мысль построить психрометр с помощью крысиного пузыря. Сжатие пузыря вызывало подъем ртути капиллярной трубке и отражало гидротермическое состояние воздуха. Было постановлено, чтобы все суда английского флота в течении года производили по всему свету соответствующие измерения. Таким путем надеялись построить полную психрометрическую карту всего мира. Когда работа была закончена, оказалось, что способность крысиного пузыря к сокращению сильно изменилась за год, причем изменялась неравномерно, в зависимости от климата, в котором он находился. И вся огромная работа пропала даром». (Ле Шателье, Наука и промышленность).
Этот пример показывает, что систематические ошибки могут представлять собой наложение незамеченного побочного явления на измеряемое – это разъясняет их характер и опасность.
Систематические погрешности присутствуют в любом эксперименте. Источников их множество – это неточность калибровки прибора, «сбитая» шкала, влияние прибора на объект исследования и мн. другое.
Пример , иллюстрирующий влияние прибора на исследуемую схему (рис.1.2).
Необходимо измерить с помощью
амперметра А ток в нагрузке.
Рис. 1.2
Реальный амперметр имеет внутреннее сопротивление r А. (Сопротивление рамки у амперметра магнитоэлектрической или электромагнитной системы).
Если мы знаем величину r А (она всегда приводится в технических характеристиках прибора) то систематическую погрешность легко рассчитать и учесть поправкой.
Пусть r А =1.Ом,
Тогда эквивалентная схема будет иметь вид:
В идеальной схеме (r А = 0)
В реальной схеме(с включенным
прибором)
I Нх = 
Рис 1.3
Погрешность измерения (абсолютная) равна:
Относительная систематическая погрешность равна: 
(!).
Если прибор (амперметр) имеет класс точности 1,0 % и мы не будем учитывать влияние прибора на точность эксперимента, то ошибка измерения будет почти на порядок превышать ожидаемую погрешность (обусловленную классом точности прибора). Вместе с тем, зная природу систематической погрешности, ее легко учесть (в главе 3 будут подробно рассмотрены причины появления систематических погрешностей и способы их компенсации).
В нашем примере, зная величину r А легко рассчитать эту погрешность
(
) и ввести в результат соответствующую поправку (D n = - D сист):
Iн = Iн х + D n = 2,73А +0,27А=3,00А
Совершенно иной характер имеют случайные ошибки, о которых говорил Пуанкаре.
Случайность в науке и технике обычно рассматривается как враг, как досадная помеха, препятствующая точному измерению. Люди давно вступили в борьбу со случайностью.
Долгое время считалось, что случайности связаны просто с нашим незнанием причин, их вызывающих. Характерно в этом смысле высказывание известного русского ученого К. А. Тимирязева.
«…Что такое случай? Пустое слово, которым прикрывается невежество, уловка ленивого ума. Разве случай существует в природе? Разве он возможен? Разве возможно действие без причины?» («Краткий очерк Теории Дарвина»).
Действительно, если выявить все причины случайного события, то можно случайность устранить. Но это – однобокое понятие, здесь случайность отождествляется с беспричинностью . Здесь и кроется заблуждение великого ученого.
Всякое событие имеет вполне определенную причину, в том числе и случайное событие. Хорошо, когда цепь причин и следствий проста, легко просматривается. В этом случае событие нельзя считать случайным. Например, на вопрос: упадет брошенная монета на пол или на потолок – можно ответить определенно, случайности здесь нет.
Если же цепь причин и следствий сложна и не поддается обозрению, то событие становится непредсказуемым и называется случайным .
Например: упадет ли подбрасываемая монета вверх цифрой или гербом – можно точно описать цепью причин и следствий. Но проследить такую цепь практически невозможно. Выходит, хотя причина и есть – предсказать результат мы не можем – он случаен.
«Никто не обнимет необъятного»
(К. Прутков)
Рассмотрим задачу, которая может служить отличным примером относительности наших знаний и хорошо иллюстрирует афоризм К. Пруткова.
Задача : На столе лежит знаменитое Ньютоновское яблоко.
Что нужно было бы принять во внимание, чтобы вычислить абсолютно точно ту силу, с которой яблоко в данный момент давит на стол?
Решение абстрактное :
Сила F , с которой яблоко давит на стол, равна весу яблока P:
Если яблоко весит 0,2 кг, то и F = 0,2 кг.с = 0,2 х 9,80665Н = 1,96133Н(система СИ).
Перечислим все причины, влияющие на давление яблока в данное мгновение на стол.
Итак: F = P = mg ., где m – масса яблока, g – ускорение свободного падения.
В итоге мы имеем 4 элемента, на которые могут влиять внешние факторы.
1 . Масса яблока m .
На него влияют:
§ Испарение воды под действием тепла, солнечных лучей;
§ Выделение и поглощение газов из-за продолжающихся химических реакций (созревание, гниение, фотосинтез);
§ Вылет электронов под действием солнечных лучей, рентгеновского и γ – излучений;
§ Поглощение электронов, протонов и др. квантов;
§ Поглощение радиоволн и мн. др.
2. Ускорение свободного падения g меняется и в пространстве, и во времени.
§ В пространстве : зависит от географической широты, высоты над уровнем моря (яблоко – несимметрично, от его положения – центр массы, т.е. высота; земной шар – неоднороден, и т.д.
§ Во времени : g меняется: непрерывное перемещение масс внутри Земли, перемещение морских волн, возрастание массы Земли за счет метеоритной пыли и т.д.
3. Если выражение P = mg – точное, но тогда неверно равенство F = P, т. к. кроме Земли, на яблоко действует Луна, Солнце, другие планеты, центробежные силы инерции, вызванные вращением Земли и т.д.
4. Верно ли равенство F = P ?
§ Нет, т.к. оно не учитывает, что яблоко «плавает» в воздухе и поэтому из Р нужно вычесть силу Архимеда, которая сама меняется вместе с атмосферным давлением;
§ Нет, потому что на яблоко действуют переменные силы конвекции нагретого и холодного воздуха;
§ Нет, потому что на яблоко давят солнечные лучи;
и т.д., и т.п.
Вывод:
Всякая физическая задача бесконечно сложна , потому что на всякое физическое тело действуют одновременно все законы физики, в том числе и еще не открытые!
Физическая задача может быть решена лишь приближенно . И в зависимости от той точности, которая требуется в конкретной ситуации.
Случайность можно исследовать и нужно. Именно поэтому еще в XVII в. были заложены основы теории вероятностей – наука о случайных событиях. Это и является вторым направлением в борьбе со случайностью. Оно имеет своей целью изучение закономерности в случайных событиях. Знание закономерностей дает возможность вести эффективную борьбу с непредсказуемостью случайных событий.
Итак, можно сказать:
Случайность – это, прежде всего, непредсказуемость, которая является результатом нашего невежества, результатом нашего незнания, результатом отсутствия необходимой информации.
С этой точки зрения Тимирязев совершенно прав.
Всякое событие (Б) является следствием малого или большого ряда причин (А 1 А 2 ,…)
Рис. 1.4
Если причин очень много – интересующее нас событие нельзя предсказать точно, оно станет случайным, непредсказуемым. Здесь случайность образуется за счет недостаточного знания.
Означает ли это, что в одно прекрасное время, когда мы станем уж очень умными, случайность исчезнет с нашей планеты? Вовсе нет. Этому будут препятствовать по крайней мере три обстоятельства, которые надежно защищают случайность.
Метрология - наука об измерениях
Метрология - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.
Это наука, которая занимается установлением единиц измерений различных физических величин и воспроизведением их эталонов, разработкой методов измерений физических величин, а также анализом точности измерений и исследованием и устранением причин, вызывающим погрешности в измерениях.
В практической жизни человек всюду имеет дело с измерениями. На каждом шагу встречаются и известны с незапамятных времен измерения таких величин, как длина, объем, вес, время и др. Конечно, методы и средства измерений этих величин в древности были примитивными и несовершенными, тем не менее, без них невозможно представить эволюцию человека разумного.
Велико значение измерений в современном обществе. Они служат не только основой научно-технических знаний, но имеют первостепенное значение для учета материальных ресурсов и планирования, для внутренней и внешней торговли, для обеспечения качества продукции, взаимозаменяемости узлов и деталей и совершенствования технологии, для обеспечения безопасности труда и других видов человеческой деятельности.
Метрология имеет большое значение для прогресса естественных и технических наук, так как повышение точности измерений - одно из средств совершенствования путей познания природы человеком, открытий и практического применения точных знаний.
Для обеспечения научно-технического прогресса метрология должна опережать в своем развитии другие области науки и техники, ибо для каждой из них точные измерения являются одним из основных путей их совершенствования.
Задачи науки метрологии
Поскольку метрология изучает методы и средства измерения физических величин с максимальной степенью точности, ее задачи и цели вытекают из самого определения науки. Тем не менее, учитывая колоссальную важность метрологии, как науки, для научно-технического прогресса и эволюции человеческого общества, все термины и определения метрологии, включая ее цели и задачи, стандартизированы посредством нормативных документов - ГОСТ
ов.
Итак, основными задачами метрологии (по ГОСТ 16263-70)
являются:
- установление единиц физических величин, государственных эталонов и образцовых средств измерений;
- разработка теории, методов и средств измерений и контроля;
- обеспечение единства измерений и единообразных средств измерений;
- разработка методов оценки погрешностей, состояния средств измерения и контроля;
- разработка методов передачи размеров единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочим средствам измерений.
Краткая история развития метрологии
Потребность в измерениях возникла в незапамятные времена. Для этого в первую очередь использовались подручные средства.
Например, единица веса драгоценных камней - карат, что в переводе с языков древнего юга-востока означает "семя боба", "горошина"; единица аптекарского веса - гран, что в переводе с латинского, французского, английского, испанского означает "зерно".
Многие меры имели антропометрическое происхождение или были связаны с конкретной трудовой деятельностью человека.
Так, в Киевской Руси применялись в обиходе вершок - длина фаланги указательного пальца; пядь - расстояние между концами вытянутых большого и указательного пальцев; локоть - расстояние от локтя до конца среднего пальца; сажень - от "сягать", "достигать", т. е. можно достать; косая сажень - предел того, что можно достать: расстояние от подошвы левой ноги до конца среднего пальца вытянутой вверх правой руки; верста - от "верти", "поворачивая" плуг обратно, длина борозды.
Древние вавилоняне установили год, месяц, час. Впоследствии 1/86400 часть среднего периода обращения Земли вокруг своей оси получила название секунды.
В Вавилоне во II в. до н. э. время измерялось в минах. Мина равнялась промежутку времени (равному, примерно, двум астрономическим часам)
, за который из принятых в Вавилоне водяных часов вытекала "мина" воды, масса которой составляла около 500
г. Затем мина сократилась и превратилась в привычную для нас минуту.
Со временем водяные часы уступили место песочным, а затем более сложным маятниковым механизмам.
Важнейшим метрологическим документом в России является Двинская грамота Ивана Грозного (1550 г.) . В ней регламентированы правила хранения и передачи размера новой меры сыпучих веществ - осьмины. Ее медные экземпляры рассылались по городам на хранение выборным людям - старостам, соцким, целовальникам. С этих мер надлежало сделать клейменые деревянные копии для городских померщиков, а с тех, в свою очередь, - деревянные копии для использования в обиходе.
Метрологической реформой Петра I к обращению в России были допущены английские меры, получившие особенно широкое распространение на флоте и в кораблестроении - футы, дюймы.
В 1736 г. по решению Сената была образована Комиссия весов и мер под председательством главного директора Монетного двора графа М.Г. Головкина. В состав комиссии входил выдающийся ученый XVIII в., современник М. В. Ломоносова, - Леонард Эйлер, который внес неоценимый вклад в развитие многих наук.
В качестве исходных мер комиссия изготовила медный аршин и деревянную сажень, за меру веществ было принято ведро московского Каменномостского питейного двора. Важнейшим шагом, подытожившим работу комиссии, было создание русского эталонного фунта.
Идея построения системы измерений на десятичной основе принадлежит французскому астроному Г. Мутону, жившему в XVII в. Позже было предложено принять в качестве единицы длины одну сорокамиллионную часть земного меридиана. На основе единственной единицы - метра - строилась вся система, получившая название метрической.
В России указом «О системе Российских мер и весов» (1835 г.)
были утверждены эталоны длины и массы - платиновая сажень и платиновый фунт.
В соответствии с международной Метрологической конвенцией, подписанной в 1875 г., Россия получила платиноиридиевые эталоны единицы массы № 12
и 26
и эталоны единицы длины № 11
и 28
, которые были доставлены в новое здание Депо образцовых мер и весов.
В 1892 г. управляющим Депо был назначен Д.И. Менделеев, которую он в 1893 г. преобразует в Главную палату мер и весов - одно из первых в мире научно-исследовательских учреждений метрологического профиля.
Метрическая система в России была введена в 1918 г. декретом Совета Народных Комиссаров «О введении Международной метрической системы мер и весов». Дальнейшее развитие метрологии в России связано с созданием системы и органов служб стандартизации.
Развитие естественных наук привело к появлению все новых и новых средств измерений, а они, в свою очередь, стимулировали развитие наук, становясь все более мощным средством их продвижения.
Вопросы и задания для экзаменационных билетов
по учебной дисциплине (скачать в формате Word)
.
Скачать рабочие программы
"Метрология, стандартизация и сертификация"
для специальности СПО "Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта"
для специальности СПО "Механизация сельского хозяйства"
Скачать календарно-тематические планы по учебным дисциплинам (в формате Word):
"Метрология, стандартизация и сертификация"
для специальности СПО "Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта"
"Метрология, стандартизация и подтверждение качества"
для специальности СПО "Механизация сельского хозяйства"
Абсолютная система измерения физических величин
В последние два столетия в науке происходила бурная дифференциация научных дисциплин. В физике помимо классической динамики Ньютона появились электродинамика, аэродинамика, гидродинамика, термодинамика, физика различных агрегатных состояний, специальная и общая теории относительности, квантовая механика и многое другое. Произошла узкая специализация. Физики перестали понимать друг друга. Теорию суперструн, например, понимают лишь насколько сот человек во всем мире. Чтобы профессионально разбираться в теории суперструн, нужно заниматься только теорией суперструн, на остальное просто не хватит времени.
Но не следует забывать, что столь разные научные дисциплины изучают одну и ту же физическую реальность – материю. Наука, а особенно физика, вплотную подошла к тому рубежу, когда дальнейшее развитие возможно только путем интегрирования (синтеза) различных научных направлений. Рассматриваемая абсолютная система измерения физических величин – первый шаг в этом направлении.
В отличие от международной системы единиц СИ, имеющей 7 основных и 2 дополнительные единицы измерения, в абсолютной системе единиц измерения используется одна единица – метр (см. табл.). Переход к размерностям абсолютной системы измерения осуществляется по правилам:
Где: L, T и М – размерности длины, времени и массы соответственно в системе СИ.
Физическая сущность преобразований (1.1) и (1.2) состоит в том, что (1.1) отражает диалектическое единство пространства и времени, а из (1.2) следует, что массу можно измерять в квадратных метрах. Правда, />в (1.2) – это не квадратные метры нашего трехмерного пространства, а квадратные метры двумерного пространства. Двумерное пространство получается из трехмерного, если трехмерное пространство разогнать до скорости, близкой к скорости света. Согласно специальной теории относительности, из-за сокращения линейных размеров в направлении движения, куб превратится в плоскость.
Размерности всех остальных физических величин установлены на основании так называемой «пи-теоремы», утверждающей, что любая верная зависимость между физическими величинами с точностью до постоянного безразмерного множителя соответствует какому-либо физическому закону.
Чтобы ввести новую размерность какой-либо физической величины, нужно:
Подобрать формулу, содержащую эту величину, в которой размерности всех других величин известны;
Алгебраически найти из формулы выражение этой величины;
В полученное выражение подставить известные размерности физических величин;
Выполнить требуемые алгебраические действия над размерностями;
Принять полученный результат как искомую размерность.
«Пи-теорема» позволяет не только устанавливать размерности физических величин, но и выводить физические законы. Рассмотрим для примера задачу о гравитационной неустойчивости среды.
Известно, что как только длина волны звукового возмущения оказывается больше некоторого критического значения, силы упругости (давление газа) не в состоянии вернуть частицы среды в первоначальное состояние. Требуется установить зависимость между физическими величинами.
Имеем физические величины:
/>- длина фрагментов, на которые распадается однородная бесконечно протяженная среда;
/>- плотность среды;
A - скорость звука в среде;
G - гравитационная постоянная.
В системе СИ физические величины будут иметь размерность:
/>~ L; />~ />; a~/>; G ~ />
Из />/>, />и />составляем безразмерный комплекс:
где: />и /> - неизвестные показатели степеней.
Таким образом:
Так как П по определению величина безразмерная, то получаем систему уравнений:
Решением системы будет:
следовательно,
Откуда находим:
Формула (1.3) с точностью до постоянного безразмерного множителя описывает известный критерий Джинса. В точной формуле />.
Формула (1.3) удовлетворяет размерностям абсолютной системы измерения физических величин. Действительно, входящие в (1.3) физические величины имеют размерности:
/>~ />; />~ />; />~ />; />~ />
Подставив размерности абсолютной системы в (1.3), получим:
Анализ абсолютной системы измерения физических величин показывает, что механическая сила, постоянная Планка, электрическое напряжение и энтропия имеют одинаковую размерность: />. Это означает, что законы механики, квантовой механики, электродинамики и термодинамики – инвариантны.
Например, второй закон Ньютона и закон Ома для участка электрической цепи имеют одинаковую формальную запись:
/>~ />(1.4)
/>~ />(1.5)
При больших скоростях движения во второй закон Ньютона (1.4) вводится переменный безразмерный множитель специальной теории относительности:
Если такой же множитель ввести в закон Ома (1.5), то получим:
Согласно (1,6) закон Ома допускает появление сверхпроводимости, так как />при низких температурах может принимать значение, близкое к нулю. Если бы физика с самого начала применяла абсолютную систему измерения физических величин, то явление сверхпроводимости было бы предсказано вначале теоретически, а уже потом обнаружено экспериментально, а не наоборот.
Много разговоров ведется об ускоренном расширении Вселенной. Замерить ускорение расширения современные технические средства не могут. Применим для решения этой задачи абсолютную систему измерения физических величин.
PAGE_BREAK--
Вполне естественно предположить, что ускорение расширения Вселенной />зависит от расстояния между космическими объектами />и от скорости расширения Вселенной />. Решение задачи изложенным выше методом дает формулу:
Анализ физического смысла формулы (1.7) выходит за рамки обсуждаемой проблемы. Скажем лишь, что в точной формуле />.
Инвариантность физических законов позволяет уточнить физическую сущность многих физических понятий. Одно из таких «темных» понятий – понятие энтропия. В термодинамике механическому ускорению />~/>соответствует массовая плотность энтропии
где: S – энтропия;
m – масса системы.
Полученное выражение свидетельствует о том, что энтропию, вопреки существующему заблуждению, можно не только вычислить, но и измерить. Рассмотрим для примера металлическую спиральную пружину, которую можно считать механической системой атомов кристаллической решетки металла. Если сжать пружину, то кристаллическая решетка деформируется и создаст силы упругости, которые всегда можно измерить. Сила упругости пружины будет той самой механической энтропией. Если энтропию разделить на массу пружины, то получим массовую плотность энтропии пружины, как системы атомов кристаллической решетки.
Пружину можно представить и одним из элементов гравитационной системы, вторым элементом которой является наша Земля. Гравитационной энтропией такой системы будет сила притяжения, которую можно измерить несколькими способами. Разделив силу притяжения на массу пружины, получим гравитационную плотность энтропии. Гравитационная плотность энтропии – это ускорение свободного падения.
Наконец, в соответствии с размерностями физических величин в абсолютной системе измерения, энтропия газа – это сила, с которой газ давит на стенки сосуда, в который он заключен. Удельная газовая энтропия – это просто давление газа.
Важные сведения о внутреннем устройстве элементарных частиц можно получить, исходя из инвариантности законов электродинамики и аэро-гидродинамики, а инвариантность законов термодинамики и теории информации позволяет наполнить физическим содержанием уравнения теории информации.
Абсолютная система измерения физических величин опровергает широко распространенное заблуждение об инвариантности закона Кулона и закона всемирного тяготения. Размерность массы />~/>не совпадает с размерностью электрического заряда q ~/>, поэтому закон всемирного притяжения описывает взаимодействие двух сфер, или материальных точек, а закон кулона описывает взаимодействие двух проводников с током, или окружностей.
Используя абсолютную систему измерения физических величин, мы можем чисто формально вывести знаменитую формулу Эйнштейна:
/>~ />(1.8)
Между специальной теорией относительности и квантовой теорией нет непреодолимой пропасти. Формулу Планка можно получить тоже чисто формально:
Можно и далее демонстрировать инвариантность законов механики, электродинамики, термодинамики и квантовой механики, но рассмотренных примеров достаточно для того, чтобы понять, что все физические законы являются частными случаями некоторых общих законов пространственно-временных преобразований. Интересующиеся этими законами найдут их в книге автора « Теория многомерных пространств ». – М.: Ком Книга, 2007.
Переход от размерностей международной системы (СИ) к размерностям абсолютной системы (АС) измерения физических величин
1. Основные единицы
Наименование физической величины
Размерность в системе
Название физической величины
Килограмм
Сила электрического тока
Термодинамическая температура
Количество вещества
Сила света
2. Дополнительные единицы
Плоский угол
Телесный угол
Стерадиан
3. Производные единицы
3.1 Пространственно-временные единицы
Квадратный метр
Кубический метр
Скорость
Продолжение
--PAGE_BREAK----PAGE_BREAK--
Ампер на квадратный метр
Электрический заряд
Плотность электрического заряда линейная
Кулон на метр
Плотность электрического заряда поверхостная
Кулон на метр квадратный
Магнитодвижущая сила
Напряженность магнитного поля
Ампер на метр
Индуктивность
Магнитная постоянная
Генри на метр
Магнитный момент электрического тока
Ампер – квадратный метр
Намагниченность
Ампер на метр
Магнитное сопротивление
Ампер на вебер
3.5 Энергетическая фотометрия
Световой поток
Освешенность
Поток излучения
Энергетическая освещенность и светимость
Ватт на квадратный метр
Энергетическая яркость
Ватт на стерадиан квадратный метр
Спектральная плотность энергетической светимости:
По длине волны
По частоте
Ватт на м3
