Метрология единицы физических величин. Система си



Скачать 427,08 Kb.
страница1/2
Дата24.08.2017
Размер427,08 Kb.
  1   2
МЕТРОЛОГИЯ

1. Единицы физических величин. Система СИ

Основным предметом измерения в метрологии являет­ся физическая величина.

Физическая величина применяется для описания сис­тем и объектов, относящихся к любым наукам и сферам деятельности.

Физические величины подразделяются на два вида: основные и производные.

Совокупность физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами, создает систему физических величин, при этом одни величины принима­ются как независимые, а другие определяются как функ­ции независимых величин.

Основная физическая величина— это величина, вхо­дящая в систему величин и условно принятая в качестве независимой от других величин этой системы.

Производная физическая величина — величина, вхо­дящая в систему величин и определяемая через основные величины этой системы. В качестве примера производ­ных величин механики системы LJV1T может быть сила F, приложенная к материальной точке и определяемая урав­нением:

F = т·а,

где т — масса точки; а — ускорение, вызванное действием силы F.

Основным величинам соответствуют основные едини­цы измерений, а производным — производные единицы измерений.

Важной характеристикой физической величины явля­ется ее размерность — выражение в форме степенного одночлена, составленного из произведений символов ос­новных физических величин в различных степенях и от­ражающее связь данной физической величины с физичес­кими величинами, принятыми в данной системе величин за основные с коэффициентом пропорциональности, рав­ным 1. В соответствии с международным стандартом ИСО 31/0, размерность величин следует обозначать знаком dim (dimension — размер). Так, например, для системы вели­чин механики (LMT), в которой в качестве основных физических величин приняты длина L, масса М и время Ту размерность величины Q будет:

dimQ = La·Mb·Tγ

Размерная, безразмерная физиче­ская величина Физическая величина, в размерности которой хотя бы одна из основных физических величин возведена в сте­пень, не равную нулю, называется размерной физиче­ской величиной.

Безразмерной называется такая физическая величи­на, в размерности которой основные физические величи­ны входят в степени, равной нулю.

В метрологии существуют два вида уравнений, связы­вающих между собой различные физические величины: уравнение связи между величинами и уравнение связи между числовыми значениями.

Уравнения связи между величинами имеет вид:

Q = f(Q1, Q2, …Qm)

где Q1, Q2,…Qm — величины, связанные с измеряемой величи­ной Q некоторым уравнением связи. Они представляют соотно­шение между величинами в общем виде, независимо от еди­ниц.

Любая система единиц физических величин представ­ляет собой совокупность основных и производных еди­ниц. Единица измерения физической величины — это фи­зическая величина фиксированного размера, которой ус­ловно присвоено числовое значение, равное 1, и приме­няемая для количественного выражения однородных с ней физических величин.

В настоящее время в Российской Федерации используется система единиц физических величин СИ, введен­ная ГОСТ 8.417-2002 «ГСИ. Единицы физических ве­личин», которая соответствует международной системе SI (начальные буквы французского наименования Systeme International). В качестве основных единиц приняты метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела.



Производная единица — это единица производной фи­зической величины системы единиц, образованная в со­ответствии с уравнением, связывающим ее с основными единицами или с основными и уже определенными произ­водными. Например, м/с — единица скорости, образо­ванная из основных единиц СИ — метра и секунды.

Система единиц СИ — единственная система единиц физических величин, которая сегодня принята и исполь­зуется в большинстве стран мира. Она обладает несом­ненными достоинствами и преимуществами перед други­ми системами единиц.



.

2. Основные, дополнительные, кратные, дольные и внесистемные единицы

В настоящее время система единиц СИ состоит из 7 основных и ряда производных единиц физических вели­чин. Приняты следующие определения основных еди­ниц СИ.



Единица длины ~ метр — длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299792458 доли секунды.

Единица массы — килограмм — масса, равная массе международного прототипа килограмма (платиноиридиевый цилиндр (90%Pt, 10%Ir)).

Единица времени ~ секунда — продолжительность 9192631770 периодов излучения, соответствующих пе­реходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133, не возмущенного внешними полями.

Единица силы электрического тока — ампер — сила не изменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, создает между этими про­водниками силу взаимодействия, равную 2 * 10" Н на каж­дом участке проводника длиной 1 м.

Единица термодинамической температуры — кельвин (до 1967 г. имел наименование градус Кельвина) — 1/273,16 часть термодинамической температуры трой­ной точки воды. Допускается выражение термодинами­ческой температуры в градусах Цельсия.

Единица количества вещества — моль — количе­ство вещества системы, содержащей столько же структур­ных элементов, сколько атомов содержится в 0,012 кг углерода с атомной массой 12.

Структурные элементы — это атомы, молекулы, ионы или другие частицы, из которых состоит данное веще­ство. Число структурных элементов Z в веществе можно определить по формуле:

Z = v·NA,

где NA= 6,022 • 1023 моль'1 — число Авогадро, определяю­щее число структурных элементов, содержащихся в 1 моле любого вещества; v — количество вещества в молях.



Единица силы света — кандела — сила света в за­данном направлении источника, испускающего монохро­матическое излучение частотой 540 • 1012 Гц, энергети­ческая сила света которого в этом направлении составля­ет 1/683 Вт-ср'1.

Кратные и дольные единицы. Размеры единиц систе­мы СИ часто бывают неудобны, — или слишком велики или очень малы. Поэтому пользуются кратными и доль­ными единицами, т.е. единицами, в подходящее целое число раз большими или меньшими единицы данной сис­темы. Широко применяются десятичные кратные и доль­ные единицы, которые получаются умножением исход­ных единиц на число 10, возведенное в степень.

Кратная единица — это единица физической величи­ны, в целое число раз превышающая системную или вне­системную единицу.

Дольная единица — это единица физической величи­ны, значение которой в целое число раз меньше систем­ной или внесистемной единицы.

Для образования наименований десятичных кратных и дольных единиц используются соответствующие при­ставки (табл. 6.3).

Например, в радиоэлектронике широко применяются следующие кратные и дольные единицы:

частота — 106Гц=1МГц; 109Гц=1ГГц; 1012Гц=1ТГц;

напряжение — 103В=1кВ; 10^В=0,1мВ; 10"6В=1мкВ;

длительность импульса — 10"6с=1мкс; 10"9с=1нс; 1012с=1пс;

емкость — 10 12Ф=1пФ.

Внесистемные единицы — это такие единицы физи­ческих величин, которые не входят в принятую в каж­дом конкретном случае систему единиц. Они подразделя­ются на:


  • допускаемые к применению наравне с единицами СИ;

  • допускаемые к применению в специальных облас­тях;

  • временно допускаемые;

  • устаревшие (не допускаемые).



3. Основные понятия и задачи метрологии
Метрология в ее современном понимании — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их един­ства и способах достижения требуемой точности (ГОСТ 16263-70, МИ 2247-93, РМГ 29-99).

Метрология состоит из трех самостоятельных и взаи­модополняющих разделов — теоретического, прикладно­го и законодательного.



Теоретическая метрология занимается общими фун­даментальными вопросами теории измерений, разработ­кой новых методов измерений, созданием систем единиц измерений и физических постоянных.

Законодательная метрология устанавливает обяза­тельные технические и юридические требования по при­менению единиц физических величин, эталонов, методов и средств измерений, направленные на обеспечение един­ства и точности измерений в интересах общества.

Прикладная метрология изучает вопросы практиче­ского применения результатов разработок теоретической и законодательной метрологии в различных сферах дея­тельности.

Предметом метрологии является получение 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.

Главными задачами метрологии являются:

  • обеспечение единства измерений;

  • унификация единиц и признание их законности;

  • разработка систем воспроизведения единиц и передача их размеров рабочим средствам измерений.

Основное понятие метрологии — измерение. Измере­ние — это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Значимость измерений выражается в трех ас­пектах: философском, научном и техническом.

Философский аспект заключается в том, что измере­ния являются важнейшим универсальным методом по­знания физических явлений и процессов. Научный ас­пект измерений состоит в том, что с их помощью осуще­ствляется связь теории и практики, без них невозможны проверка научных гипотез и развитие науки. Техниче­ский аспект измерений — это получение количественной информации об объекте управления и контроля, без ко­торой невозможно обеспечение заданных условий техно­логического процесса, качества продукции и эффектив­ного управления процессом.

Термин «измерение» связывается преимущественно с физическими величинами. Физическая величина (ФВ) — одно из свойств физического объекта (системы, явления, процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.

Единица физической величины — это физическая ве­личина, которой по определению присвоено числовое зна­чение, равное единице. Различают истинное значение физической величины, идеально отражающее свойство объекта, и действительноенайденное эксперименталь­но, достаточно близкое к истинному значению физиче­ской величины и которое можно использовать вместо него.
4. Основное уравнение измерения

Измерение некоторой физической величины производят путем ее сравнения в ходе физического эксперимента с вели­чиной, принятой за единицу физической величины. Резуль­татом измерения будет число, показывающее соотношение измеряемой величины с единицей физической величины.

Значение физической величины получают в результате ее измерения или вычисления в соответствии с уравнением:

Q = q [Q], (1)

которое называют основным уравнением измерения,

где Q — значение физической величины — это оценка ее раз­мера в виде некоторого числа принятых для нее единиц; q — числовое значение физической величины — отвлеченное чис­ло, выражающее отношение значения величины к соответству­ющей единице данной физической величины; [Q] — выбран­ная для измерения единица физической величины.



Единство измеренийтакое состояние измерений, при котором их результать1 выражены в узаконенных еди­ницах, размеры которых в установленных пределах рав­ны размерам единиц воспроизводимых первичными этало­нами, а погрешности результатов измерений известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные (допускаемые) пределы. Единство измерений необходимо для того, чтобы можно было сопоставить результаты из­мерений, выполненных в разных местах, в разное время, с использованием разных методов и средств измерений.
5. Области и виды измерений

Область измерений — совокупность измерений физи­ческих величин, свойственных какой-либо области на­уки или техники и выделяющихся своей спецификой.

Вид измерений — часть области измерений, имеющая свои особенности и отличающаяся однородностью измеряемых величин.

Принято различать следующие области и виды изме­рений.



  1. Измерение геометрических величин: длин, откло­нений формы поверхностей, параметров сложных поверхностей, углов.

  2. Измерение механических величин: массы, силы, крутящих моментов, прочности и пластичности, пара­ метров движения, твердости.

  3. Измерение параметров потока, расхода, уровня, объема веществ: массового и объемного расхода жидко­стей в трубопроводах, расхода газов, вместимости, пара­метров открытых потоков, уровня жидкости.

  4. Измерение давления, вакуумные измерения: избы­ точного давления; абсолютного давления, переменного давления, вакуума.

  5. Физико-химические измерения: вязкости, плотности, содержания (концентрации) компонентов в твердых, жидких и газообразных веществах, влажности газов, твер­дых веществ, электрохимические измерения.

  6. Теплофизические и температурные измерения: тем­пературы, теплофизических величин.

  7. Измерения времени и частоты: методы и средства воспроизведения и хранения единиц и шкал времени и частоты; измерения интервалов времени; измерения ча­стоты периодических процессов; методы и средства пере­
    дачи размеров единиц времени и частоты.

  1. Измерения электрических и магнитных величин на постоянном и переменном токе: силы тока, количества электричества, электродвижущей силы, напряже­ния, мощности и энергии, угла сдвига фаз; электричес­кого сопротивления, проводимости, емкости, индуктивности и добротности контуров электрических цепей; па­раметров магнитных полей; магнитных характеристик материалов.

  2. Радиоэлектронные измерения: интенсивности сигналов; параметров формы и спектра сигналов; параметров трактов с сосредоточенными и распределенными постоянными; свойств веществ и материалов радиотехни­ческими методами; антенные измерения.

  1. Измерения акустических величин: акустические — в воздушной среде и в газах; акустические — в водной среде; акустические — в твердых телах; аудиометрия и измерения уровня шума.

  2. Оптические и оптико-физические измерения: световые, измерения оптических свойств материалов в видимой области спектра; энергетических параметров не­когерентного оптического излучения; энергетических па­-
    раметров пространственного распределения энергии и мощности непрерывного и импульсного лазерного и ква­зимонохроматического излучения; спектральных, частот­ных характеристик, поляризации лазерного излучения; параметров оптических элементов, оптических характе­ристик материалов; характеристик фотоматериалов и оптической плотности.

  3. Измерения ионизирующих излучений и ядерных констант: дозиметрических характеристик ионизирующих излучений; спектральных характер и стик ионизирующих излучений; активности радионуклидов; радиометрических характеристик ионизирующих излучений.

Объектом измерения являются физическая система, "процесс, явление и т.д., которые характеризуются одной или несколькими измеряемыми физическими величина­ми. Примером объекта измерений может быть технологи­ческий химический процесс, во время которого измеряют температуру, давление, энергию, расход веществ и мате­риалов.
6. Шкалы измерений

Измерения различных величин, характеризующих свойства систем, явлений и других процессов занимают важное место в повседневной жизни. Разнообразные про­явления (количественные или качественные) любого свой­ства образуют множества, отображения элементов кото­рых образуют шкалы измерения этих свойств. Шкала измерений количественного свойства является шкалой физической величины. Шкала физической величины —

это упорядоченная совокупность значений физической величины, служащая исходной основой для измерений данной величины.

Различают следующие типы шкал измерений:



шкалы наименований характеризуются оценкой (от­ношением) эквивалентности различных качественных проявлений свойства. Эти шкалы не имеют нуля и еди­ницы измерений, в них отсутствуют отношения сопостав­ления типа «больше — меньше». Это самый простой тип шкал. Пример шкалы наименований: шкалы цветов, пред­ставляемые в виде атласов цветов. При этом процесс из­мерений заключается в достижении (например, при визу­альном наблюдении) эквивалентности испытуемого образца с одним из эталонных образцов, входящих в атлас цве­тов;

шкалы порядка описывают свойства величин, упоря­доченные по возрастанию или убыванию оцениваемого свойства, т.е. позволяют установить отношение больше/ меньше между величинами, характеризующими это свой­ство. В этих шкалах может в ряде случаев иметься нуль (нулевая отметка), но принципиальным для них являет­ся отсутствие единицы измерения, поскольку невозмож­но установить, в какое число раз больше или меньше проявляется свойство величины. Примеры шкал поряд­ка: шкалы измерения твердости, баллов силы ветра, зем­летрясений;

шкалы интервалов (разностей) описывают свойства величин не только с помощью отношений эквивалентно­сти и порядка, но также и с применением отношений суммирования и пропорциональности интервалов (разно­стей) между количественными проявлениями свойства. Шкалы интервалов могут иметь условно выбранное на­чало — нулевую точку. К таким шкалам, например, от­носятся летоисчисление по различным календарям, в ко­торых за начало отсчета принято либо сотворение мира, либо Рождество Христово, температурные шкалы Цель­сия, Фаренгейта, Реомюра.

Шкала интервалов величины Q описывается уравне­нием:



где q — числовое значение величины, Qo — начало отсчета шкалы; [Q] — единица рассматриваемой величины. Такая шкала определяется заданием начала отсчета Qo шкалы и еди­ницы величины [Q);



шкалы отношений описывают свойства величин, для множества количественных проявлений которых приме­нимы логические отношения эквивалентности, порядка и пропорциональности, а для некоторых шкал также от­ношение суммирования. В шкалах отношений существу­ет естественный нуль и по согласованию устанавливается единица измерения.

Шкалы отношений описываются уравнением:



Q = q [Q],

где Q — физическая величина, для которой строится шкала


Примерами шкалы отношений являются шкалы мас­сы и термодинамической температуры:



абсолютные шкалы кроме всех признаков шкал от­ношений обладают дополнительным признаком: в них присутствует однозначное определение единицы измере­ния. Такие шкалы присущи таким относительным еди­ницам, как коэффициенты усиления, ослабления, полез­ного действия и т.д. Ряду абсолютных шкал, например, коэффициентов полезного действия, присущи границы, заключенные между нулем и единицей;

условные шкалы — шкалы величин, в которых не определена единица измерения. К ним относятся шкалы наименований и порядка.

Шкалы интервалов, отношений и абсолютные называ­ются обычно метрическими (физическими), а шкалы наименований и порядка — неметрическими. Практическая реализация шкал измерений осуществляется путем стан­дартизации как самих шкал и единиц измерений, так и способов и условий их однозначного воспроизведения.


7. Классификация измерений

Все измерения классифицируют:



  • по способу получения информации;

  • по характеру изменения измеряемой величины в процессе измерения;

  • по количеству измерительной информации;

  • по отношению к основным единицам.

По способу получения информации измерения раз­деляются на следующие виды:

1. Прямые измерения, при которых искомое значение физической величины получают непосредственно (путем сравнения величины с ее единицей). При прямых измере­ниях объект исследования приводят во взаимодействие со средством измерений и по его показаниям отсчитыва­ют значение измеряемой величины.



К прямым измерениям относятся измерение массы при помощи весов и гирь, силы тока — амперметром, темпе­ратуры — термометром, измерение длины — линейкой.

2. Косвенные измерения, при которых искомое значение физической величины определяют на основании пря­мых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. Например, плот­
ность тела можно определить по результатам измерений
массы т и объема V:



  1. Совокупные измерения, при которых одновременно проводятся измерения нескольких одноименных величин и искомое значение величины определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях, при этом число уравнений должно быть не меньше числа величин. Например, значение массы отдельных гирь набора определяют по известному значению массы одной из гирь и по результатам измерений (сравнений) масс различных соче­таний гирь.

  2. Совместные измерения, при которых одновременно
    проводятся измерения двух или нескольких неодноимен­ных величин для определения зависимости между ними, например, зависимость длины объекта от температуры.

По характеру изменения получаемой информации в процессе измерений измерения подразделяются на стати­ческие и динамические.

Статические измерения — это такие измерения, когда физическая величина принимается за неизменную на про­тяжении времени измерения, например, измерение раз­меров земельного участка.

Динамические измерения — это измерения, изменяю­щиеся по размеру физической величины.



Развитие средств измерений и повышение их чувстви­тельности позволяет сегодня обнаружить изменение ве­личин, ранее считавшихся постоянными, поэтому разде­ление измерений на динамические и статические можно считать условным.

По количеству измерительной информации измере­ния делятся на однократные и многократные.

Однократные измерения выполняются один раз, а мно­гократные позволяют получить результат из несколь­ких следующих друг за другом измерений одного и того же объекта. При однократных измерениях показания средств измерений являются результатом измерений, по­грешность используемого средства измерений определя­ет погрешность результата измерения. Применение мно­гократных измерений позволяет повысить точность из­мерения до определенного предела.





Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2


База данных защищена авторским правом ©grazit.ru 2017
обратиться к администрации

    Главная страница