Единицы физических величин. Средства и методы измерений.

ВВЕДЕНИЕ

Вразличные исторические периоды состояние мер и измерительной техники находилось в прямой зависимости от хозяйственной деятельности, общественных, религиозных и других факторов жизни общества. Измерения играют важнейшую роль в жизни человека. В том или ином виде измерения возникли с появлением человека на Земле. Различными исследованиями установлено, что более чем за четыре тысячелетия до новой эры в Древнем Египте и Месопотамии уже проводили различные виды измерений, в том числе и астрономические. На протяжении всей истории развития науки и техники перед человеком возникает множество проблем, для решения которых необходимо располагать количественной информацией о том или ином свойстве объектов материального мира. Основным способом получения такой информации являются измерения, при правильном выполнении которых находится результат измерения с большей или меньшей точностью, отражающий интересующие свойства объекта познания. Измерения делают представления о свойствах окружающего нас мира более полными и понятными. Недаром еще великий Галилео Галилей утверждал: «Надо измерять все измеряемое и делать измеримым то, что не поддается измерению». Можно сказать, что прогресс науки и техники определяется степенью совершенства измерений и измерительных средств.

Измерения количественно характеризуют окружающий материальный мир. Известный русский ученый Б. Я. Якоби образно высказался о значении измерений для человека: «Искусство, измерения является могущественным оружием, созданным человеческим разумом для проникновения в законы природы и подчинения ее сил нашему господству».

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.

Потребность в измерениях возникла в незапамятные времена. Для этого в первую очередь использовались подручные средства. Например, в странах Ближнего Востока родилась единица веса драгоценных камней карат, что в переводе означает «семя боба», «горошина»; в Европе получила распространение единица аптекарского веса гран, что в переводе с латыни означает «зерно».

Древние вавилоняне установили год, месяц, час. Впоследствии 1/86 400 часть среднего периода обращения Земли вокруг своей оси (суток) 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.

В более позднее время попытки введения мер, обязательных и одинаковых для всей страны, имели место в Англии в 1001, 1215 и в 1494 гг., во Франции в 1321 г., в Австрии в 1438 г.

В статье 1 §8 Конституции США (1778) было записано: «Конгресс имеет власть чеканить монеты, регулируя их соотношение к иностранным монетам, и утверждать эталоны весов и мер».

В 1790 г. Учредительным собранием Франции был поставлен вопрос о создании и узаконении единой и обязательной для всех контролируемой государственной системы мер. В 1799 г. на хранение в архив Французской республики были переданы платиновые эталоны метра и килограмма. Вся совокупность метрических мер, созданных и узаконенных во Франции в конце XVIII в., легла в основу метрической CnqTeMbi мер, некоторые единицы вошли в качестве основных в Международную систему единиц (СИ).

Механика была первой из наук, где применялись единицы измерения. В прошлом существовало несколько вариантов систем единиц, но постепенно общепринятой стала система СГС (сантиметр, грамм, секунда). Затем была разработана система МКС (метр, килограмм, секунда). Понятие системы единиц как совокупности основных и производных впервые было предложено немецким ученым К.Гауссом в 1832 г. Он измерил напряженность магнитного поля Земли, выразив ее через длину, силу, массу и время, и ввел первый фундаментальный набор единиц. В 1849 г. Ф. Кольрауш измерил в этих единицах сопротивление. В 1851 г. В.Вебер впервые ввел полную систему электрических величин. Они определены через механические единицы и служат основой современной системы электрических единиц.

История развития техники электрических измерений связана с именами русских ученых М.В. Ломоносова и Г.В. Рихмана, которые в 40-х годах XVIII в. сконструировали первый в мире электроизмерительный прибор, названный авторами указатель электрической силы. Выдающиеся ученые (А. Вольта, Ш. Кулон, Г. Ом, М. Фарадей и др.) во второй половине XVIII — первой половине XIX века продолжили создание других видов приборов. В частности, закон Ома был открыт при наблюдении взаимодействия провода с током, расположенного рядом с магнитной стрелкой, — прообраза приборов магнитоэлектрической системы. С помощью этого несложного устройства М. Фарадей установил закон электромагнитной индукции (1826-1931). Во второй половине XIX в. существенный вклад в развитие электроизмерительных приборов внесли выдающиеся русские ученые А.Г. Столетов, Б.С. Якоби и особенно М.О. Доливо-Добровольский, предложивший электромагнитные и ряд других приборов.

В связи с бурным развитием науки об электричестве стали создаваться электроизмерительные приборы. В 1745 г. русский академик Г.В.Рихтер создал электрометр, в 1820 г. А.Ампер демонстрировал первый гальванометр, в 1837 г. О. де ля Рив изготовил и продемонстрировал тепловой электроизмерительный прибор, в 1881 г. Ф.Уппенборн изобрел электромагнитный прибор, в 1832 г. К. Гаусс изложил методику составления системы магнитных единиц, которую В.Вебер (1804—1891) дополнил электрическими единицами.

В 1867 г. в Париже был организован Международный комитет мер и весов, основная задача которого состояла в тщательном изучении метрических мер, сравнении их с другими мерами, выявлении и разработке возможностей использования их внутри каждой страны и для международных отношений.

В России таким учреждением было Депо образцовых мер и весов (1842), позднее — Главная палата мер и весов (1893), которую возглавил Д. И. Менделеев.

Электроизмерительные приборы, имеющие более 250-летнюю историю, обязаны своим развитием работам А. Вольта, А. Ампера, М. Фарадея. Им принадлежит первенство в создании приборов прямого преобразования — гальванометров, амперметров, вольтметров и т.д.

Первые измерительные приборы использовали лишь для относительной оценки физической величины. Такое положение сохранялось до тех пор, пока не были определены электрические меры. Вначале (середина XIX в.) эти меры, созданные отдельными учеными в разных странах, не были одинаковыми. Однако это позволяло все же производить измерения, хотя еще и не в общепринятых единицах, и сделало возможным взаимное сличение этих мер и сравнение результатов опытов.

В Двинской грамоте Ивана Грозного (1550 г.) регламентированы правила хранения и передачи размера новой меры сыпучих веществ — осьмины. Ее медные экземпляры рассылались по городам на хранение выборным людям — старостам, сотским, 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 Леонард Эйлер. 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, которое 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».

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 исследования.

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.

Ускорение научно-технического прогресса, темпов роста производительности труда, повышение качества продукции (надежности, экономичности, технологичности изделий) неразрывно связаны с увеличением объема экспериментальных работ и, соответственно, с объемом получаемой и перерабатываемой измерительной информации. Повышаются требования к экспериментальным исследованиям: необходимо сокращать сроки проведения опытных разработок, добиваться высокой точности измерений и результатов научно-исследовательских работ.

Измерение может осуществляться при наличии соответствующих технических средств и отработанной методики проведения измерений. В интересах всех стран измерения, где бы они ни выполнялись, должны быть согласованы, чтобы результаты измерений одинаковых величин, полученные в разных местах и с помощью различных измерительных средств, были бы воспроизводимы на уровне требуемой точности. Эти требования способна обеспечить стандартизация на международном, региональном и национальном уровнях.

Правовые основы стандартизации в Российской Федерации устанавливает Закон РФ «О техническом регулировании» от 27 декабря 2002 г. № 184-ФЗ. Он обязателен для всех государственных органов управления, а также предприятий и предпринимателей, общественных объединений. В нем отражены меры государственной защиты интересов потребителей и государства путем разработки и применения нормативных документов по стандартизации.

В 1993 г. принята новая редакция комплекса государственных основополагающих стандартов «Государственная система стандартизации Российской Федерации (ГСС)».

ГСС устанавливает общие организационно-технические правила стандартизации в Российской Федерации. Положения стандартов ГСС применяют государственные органы управления, субъекты хозяйственной деятельности, научно-технические, инженерные общества и другие общественные объединения, в том числе технические комитеты (ТК) по стандартизации.

Неизбежные изменения и дополнения приближают систему стандартизации в РФ к международным правилам и учитывают реалии рыночной экономики. Полностью обновлены положения ГСС, касающиеся государственного контроля и надзора за соблюдением обязательных требований стандартов и правил сертификации. Определенные изменения в соответствии с рекомендациями Международной организации по стандартизации (ИСО) и Международной электротехнической комиссии (МЭК) внесены и в терминологию. Приближение правил отечественной стандартизации к международным отражено также в трактовке требований государственного стандарта (они разделены на обязательные для выполнения и рекомендательные). Исключены правила по установлению в стандартах требований к изготовителям о предоставлении гарантии. Следуя международному опыту, их относят к коммерческим, не подлежащим стандартизации, а оговариваемым в договорных отношениях.

Новая система стандартизации дает возможность участвовать в процессе создания стандарта всем заинтересованным сторонам: изготовителям продукции, потребителям, разработчикам проектов, представителям общественных организаций, отдельным специалистам и т. д.

Наиболее ранняя попытка создания узаконенных мер имела место в Греции (VI век до н.э.), где мерой длины в то время был фут, равный приблизительно 297 мм.

При этом в широком смысле под единством измерений понимается характеристика качества измерений, заключающаяся в том, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам воспроизведенных величин, а погрешности результатов измерений известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы. Применительно к нашей стране, согласно Закону Российской Федерации «Об обеспечении единства измерений», единство измерений — состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах величин и погрешности измерений не выходят за установленные границы с заданной вероятностью.

Разработка и внедрение техники электрорадиоизмерений совпало с началом развития систем радиосвязи и радиотехники. Существенное внимание данным вопросам уделял крупнейший русский ученый, изобретатель радио А.С. Попов. Основоположником отечественной радиоизмерительной техники считается академик М.В. Шулейкин, организовавший в 1913 г. первую заводскую лабораторию по производству измерительных приборов. Неоценимый вклад в развитие техники электрорадиоизмерений внес академик Л.И. Мандельштам, создавший в начале XX в. прототип современного электронного осциллографа. Многие русские ученые, такие, как В.В. Ширков, М.А. Бонч-Бруевич, Н.Н. Пономарев, В.Г. Дубенецкий и другие, существенно развили теорию и технику радиоизмерений.

Дальнейшему развитию электроизмерительных приборов способствовало изобретение электронной лампы: в 1904 г. появился диод, а в 1910 г. — триод и пентод. Сочетание усилителей и выпрямителей с магнитоэлектрическим измерительным механизмом позволило создать электронные вольтметры, частотомеры, фазометры. Изобретение электронно-лучевой трубки в 1911 г. привело к созданию электронно-лучевого осциллографа, который стал универсальным электроизмерительным прибором. Развитие электроники привело к разработке автоматических компенсаторов и мостов. Таким образом, классическая электроизмерительная техника дополнилась приборами с автоматическим уравновешиванием и электронными измерительными приборами.

Широкое развитие получают дискретные методы измерений, воплощенные в приборах с цифровым отсчетом и регистрацией, значительно расширяются диапазоны измеряемых величин, в измерительной аппаратуре применяется интегральная техника. Усложнение технологии производства, развитие научных исследований привело к необходимости измерения и контроля сотен и тысяч параметров одновременно.

В настоящее время измерения почти полностью перешли на цифровые методы, воплощенные в приборах с цифровым отсчетом и регистрацией; существенно расширяются диапазоны измеряемых величин; в измерительных системах широко применяется микроэлектроника; появилась необходимость в измерении характеристик случайных процессов. Все это требует нового подхода к состоянию средств радиоизмерений, к соответствию их метрологических свойств установленным нормам. В последние годы сформировалось и успешно развивается новое направление в измерительной технике — информационно-измерительные системы (ИИС) и их разновидность — виртуальные приборы — Virtual Instruments (виртуальный — кажущийся). Виртуальный прибор — специальная плата, устанавливаемая в персональный компьютер (в слот ISA или PCI) или внешнее устройство, подключаемое через LPT-порт в комплексе с соответствующим программным обеспечением. В зависимости от используемой платы и программного обеспечения пользователь получает измерительный прибор под ту или иную метрологическую задачу. Очевидно, что многие метрологические и исследовательские задачи будут в XXI в. решаться с помощью ИИС и виртуальных приборов.

Большой вклад в развитие информационно-измерительной техники и измерительных технологий в XX в. внесли русские ученые: Е. Г. Шрамков, А. В. Фремке, Ф.Е. Темников, М. П. Цапенко, К. Б. Карандеев, Д. И. Агейкин, П. П. Орнатский, П. В. Новицкий, Г. Д.Бурдун, Э. И.Цветков, Е. А. Чернявский, В. Н. Малиновский, Л. Ф. Куликовский, В. С.Гутников, В. М.Шляндин, Г. И. Кавалеров, В. А. Ильин, Г. Г. Раннев, Э. М. Шмаков и др.

Единицы физических величин. Средства и методы измерений.

Дата добавления: 2015-10-24