Сила - векторная величина, являющаяся мерой механического воздействия на материальную точку или тело со стороны других тел или полей. Сила задана, если определены ее численное значение, направление в пространстве и точка приложения. Заметим, что речь идет о механике. В то же время понятие "сила" фигурирует во многих областях физики, где ее определения отличаются от приведенного, например, сила света в оптике, сила тока в электричестве и т.д.
Человек в ходе эволюционного развития, не зная ничего о законах Ньютона и гравитационных полях, тем не менее понимал, что какие-то силы не позволяют далеко бросить тяжелый камень, очень высоко подпрыгнуть, да еще и все заставляют падать вниз с высоты. И вот Галилео Галилей (1564-1642) - один из основателей точного естествознания - установил закон свободного падения, а Исаак Ньютон (1643-1727) - основатель классической механики - сформулировал в 1682 г. закон всемирного тяготения, а в 1687 г. - три закона, связавшие параметры движения и силовое взаимодействие тел, силу, массу и ускорение. Так что, к эпохе бурного индустриального развития человечество подошло хорошо вооруженным знаниями в области классической механики. Не следует забывать и о вкладе в развитие механики таких ученых, как Гук, Кепплер, Карно и многих других. Кстати, в честь Ньютона единицу силы назвали ньютоном (Н). В Международной системе единиц за 1 Н принята сила, которая телу массой 1 кг придает ускорение 1 м/с2.
Если до этой эпохи человечество имело дело, как правило, с силами природного происхождения, то теперь быстро появляются все новые промышленные и транспортные средства, нуждающиеся в генераторах силы, приводящей их в движение. Строительство устремилось ввысь, а значит нужны подъемные механизмы, необходим контроль прочности строения. И здесь требуются источники силы. Не будем тиражировать очевидные примеры. Скажем лишь, что пытливый человеческий ум интересуется силами взаимодействия от элементарных частиц до космических объектов, использует силы от микроустройств до тяговых двигателей космических летательных аппаратов.
На практике всегда есть необходимость контролировать величину силы, то есть измерять ее. А когда появляется термин "измерять" - значит необходимо выстраивать систему обеспечения единства измерений. В СССР она появилась в первом варианте в 1973 г. и была построена в традиционном для мировой практики и других видов измерений стиле: государственный первичный эталон для воспроизведения и хранения единицы силы и иерархическая передача ее размера при помощи образцовых средств рабочим средствам измерений.
В 1985 г. вышел ГОСТ 8.065-85, действующий в Украине со второй и последней редакцией поверочной схемы [9]. В соответствии с ним государственный первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы силы в диапазоне 10—1•106
Н со средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 5 10-6 при 15 независимых наблюдениях. Неисключенная систематическая погрешность не превышает 1•10-5.
Параметры некоторых европейских первичных эталонов силы [10-12] для режима сжатия приведены в табл. 2, где символ (*) обозначает использование build-up систем, в которых сила, созданная гидравлическим источником, передается на аттестуемый динамометр через три другие динамометра, соединенные параллельно. Последние предварительно аттестованы, а величина силы определяется как сумма их показаний. У нас этот метод получил название мультипликативного метода наращивания силы.
Таблица 2
|
Организация, страна |
Верхний предел, МН |
Расширенная неопределенность |
|
NPL, Англия PTB, Германия CEM, Испания BNM - LNE, Франция |
1,2 1 1,5 9 |
5•10-6 , k=2 5•10-5 , k=2 2•10-4 , k=2 2•10-4 , k=2 |
В 1991 г. Украина осталась без первичного эталона силы, что серьезно усложнило положение с метрологическим обеспечением измерений силы. Поэтому в ГНПО "Метрология" был создан вторичный этатон единицы силы с наибольшим пределом измерений 1 МН. При условии передачи единицы силы от первичного эталона другой страны с помощью группового эталона сравнения (группа динамометров 1-го разряда) вторичный эталон обеспечивает хранение и передачу значения единицы силы со средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 3•10 -4 при 25 независимых наблюдениях. Неисключенный остаток систематической погрешности не превышает 5-10 -4.
По этим характеристикам нетрудно заметить, что даже в статусе "временного" этому эталону трудно решить проблему отсутствия первичного эталона Поэтому нами предложено проведение работ по его модернизации с целью примерно 10-кратного повышения точности в диапазоне 0,1-2 МН путем реализации мультипликативного метода [13]. Причем build-up системы во Франции, Испании и других странах используются только как одноуровневые. Целесообразно строить их многоуровневыми. И не только с точки зрения дешевизны и простоты систем прямого нагружения. Результаты проведенного анализа погрешностей вселяют уверенность в правильности выбранного направления и реальности перевода этого эталона в ранг первичного.
Воспроизведение и передача единицы массы на примере
весов автомобильных тензометрических.
Структурная схема воспроизведения единицы приведена на рисунке 1.
Рисунок 1
Объект измерения имеет массу, значение которой необходимо определить. Воздействуя через платформу на датчик, с определенным усилием, пропорциональным массе объекта (датчик откалиброван в единицах массы с учетом ускорения свободного падения g применительно к месту установки весов) тензорезистор - (чувствительный элемент датчика) деформируется. Величина деформации пропорциональна напряжению. За установленный промежуток времени замеры производятся несколько раз. Полученный массив данных обрабатывается в измерительном канале, определяется среднее как наиболее вероятное значение измеренной массы. Именно это значение и выводится на индикатор.
Передача размера единицы показана на Государственной поверочной схеме для средств измерения массы ДСТУ 3381-96 путем выделения тех ступеней, которые используются при поверке весов для статического взвешивания [2].
Список используемых источников
1. Glasser M., Ratschko D., Knolle D. // Proc. 14th International Conference “Stafe of the art in force and mass measuremnt”. – Warszawa, Poland. – 1995. – P. 7-12.
2. ДСТУ 3381-96 Державна повір очна схема для засобів вимірювань маси.
3. Quinn T. J. //IEEE Trans. Instrum. Meas.- 1991. – V. 40. – P. 81-85.
4. Koschiek M. //50th CECIP A. G. digest.- Lindau, Germany.- P. 53-60.
5. Taylor B. N. //IEEE Trans. Instrum. Meas.- 1991. – V. 40. – P. 86-91.
6. Robinson I. A., Kibble B. P. //ibid. -1997.-V. 46.- P. 596-600.
7. Крылова Н. О., Смирнова Н. А. // Исследования в области измерений массы: Сб. науч. тр. –Л.: НПО «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева». -1978.- С.
11-16.
8. Fujii Y., Shitota F. //IEEE Trans. Instrum. Meas.- 1999. – V. 48. – P. 200-204.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.