Туяхов И.А. Практическая метрология

Подождите немного. Документ загружается.

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

дана координирующая организация – Международное бюро мер и ве-

сов, где хранятся международные прототипы мер (метра и килограм-

ма), международные эталоны электрических и световых единиц и ра-

диоактивности. Эта организация выполняет международные сличения

национальных эталонов длины, массы, электродвижущей силы, элек-

трического сопротивления, силы света, светового потока, источника

ионизирующих излучений, а также производит сличения отдельных

международных образцовых мер.

В Украине создана эталонная база, которая насчитывает более

150 государственных эталонов, а также несколько сот вторичных эта-

лонов. В областных центрах существует большой парк образцовых

средств измерений, связанных с эталонами.

Государственную поверочную систему можно упрощенно пред-

ставить на схеме (рисунок 1.1), где от одного исходного начала – го-

сударственного эталона единицы какой – либо физической величины

распространяется при помощи вторичных эталонов и образцовых

средств измерений всем рабочим средствам измерений. Следователь-

но, государственные эталоны являются основой обеспечения единства

измерений.

Рисунок 1.1 – Схема государственной поверочной системы еди-

ниц измерений.

На каждом предприятии, где достаточное количество технологи-

ческого оборудования и необходимо контролировать большое разно-

образие физических величин, создана метрологическая служба, в за-

Государственный эталон

Вторичные эталоны Вторичные эталоны

Образцовые

средства

измерения

Образцовые

средства

измерения

Образцовые

средства

измерения

Образцовые

средства

измерения

Рабочие средства измерений

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

дачу которой входит:

- заказывать необходимые средства измерения для различных

технологических объектов предприятия;

- осуществлять непрерывный контроль и поверку всей измери-

тельной техники на предприятии;

- осуществлять приемку новых систем измерительной техники;

- непрерывное повышение квалификации операторов, обслужи-

вающих сложные измерительные системы и комплексы.

1.2 Физическая величина

Материальный мир в виде физической системы обычно описыва-

ется заданием значений многих физических величин. Так, при опреде-

лении основных термодинамических характеристик любой газовой

среды измеряется температура, давление, энтальпия, энтропия и дру-

гие физические величины.

Метрология имеет дело с измеримыми физическими величинами,

присущими конкретным предметам, явлениям, процессам. В понятие

"измерение" входят такие главные признаки:

- измерять можно свойства реально существующих объектов

познания, т.е. физические величины,

- измерение требует проведение опытов, т.е. теоретические

рассуждения или расчёты не могут заменить эксперимент;

- для проведения опытов требуются особые технические сред-

ства - "средства измерений", приводимые во взаимодействия с мате-

риальным объектом;

- результатом измерения является значение физической величины.

Количественная оценка измеряемой величины должна быть обя-

зательно именованным числом, то есть результат измерения должен

быть выражен в определённых единицах, принятых для данной вели-

чины. Только в этом случае результаты измерений, полученные раз-

личными средствами и разными экспериментаторами, сопоставимы.

Результат измерения всегда отличается от истинного значения

физической величины, которое, согласно метрологическому постула-

ту, определить невозможно. В результате измерений получают значе-

ние физической величины, близкое к истинному, которое называют

действительным значением физической величины или действительное

значение. Оно определяется экспериментальным путём и настолько

близко к истинному значению, что для поставленной измерительной

задачи оно может его заменить. За действительное значение при мно-

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

гократных измерениях принимают среднее арифметическое значение,

а при однократных измерениях - значение величины, полученное в

результате измерений более точным техническим средством.

Отличие результата измерения от истинного значения объясняет-

ся несовершенством средств измерений, несовершенством способа

применения средств измерений, влияние условий выполнения измере-

ния, участием человека с его ограниченными возможностями и т. д.

Отклонения результата измерения от истинного значения измерения

величины называется погрешностью измерения. Ценность определе-

ния погрешности имеет смысл только в том случае, если дана оценка

погрешности при измерении той или иной физической величиной.

При этом чаще всего определяют не конкретную погрешность резуль-

тата, а степень недостоверности, то есть границы зоны, в которой на-

ходится погрешность.

Физические величины в зависимости от множества размеров, ко-

торые они могут иметь при изменении в ограниченном (или заданном)

диапазоне, подразделяются на непрерывные (аналоговые) и дискрет-

ные, то есть квантованные по размеру (уровню). Аналоговая величина

может иметь в заданном диапазоне бесконечное множество размеров, и

подавляющее большинство физических величин относится к этой кате-

гории, такие как температура, давление, напряжение, сила тока и др.

Дискретная величина имеет в заданном диапазоне только определён-

ное, (счётное) количество размеров, например, электрический заряд,

который определяется числом входящих в него зарядов электронов.

Физическую величину, которой по определению присвоено чи-

словое значение, равное единице, называют единицей физической ве-

личины. Размер единицы физической величины может быть любым.

Однако измерения должны выполняться в общепринятых единицах.

Общность единиц в международном масштабе устанавливают ме-

ждународными соглашениями. В Украине действует ГОСТ 8.417-81

"Государственная система обеспечения единства измерений, единицы

физических величин", согласно которому в нашей стране введена к обя-

зательному применению международная система единиц (СИ).

1.3 Единица физической величины

Издавна человек пользовался различными единицами для коли-

чественного оценивания расстояния между населенными пунктами,

площади земельных участков, продолжительности дня и т. п. Так, на-

пример, на Руси длительное время применялись такие меры длины как

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

"вершок" - длина фаланги указательного пальца от слова "верх" - верх

перста; "пядь малая" - расстояние между концами раздвинутых боль-

шого и указательного пальцев руки; "пядь большая" - расстояние ме-

жду концами раздвинутых большого пальца и мизинца; "пядь с ку-

вырком" - получается добавлением к малой пяди еще трех суставов

указательного пальца; "локоть" или по-персидски арш, то есть "ар-

шин" - расстояние от локтевого сустава до конца среднего пальца вы-

тянутой руки; "маховая сажень" — расстояние между концами сред-

них пальцев вытянутых в противоположные стороны рук; "косая са-

жень" - расстояние от пятки одной ноги до конца пальцев разжатой

ладони поднятой вверх руки.

Как видно из приведенного примера, использовались субъектив-

ные единицы длины, которые отождествлялись с названиями частей

человеческого тела. Во многих странах Западной Европы также ис-

пользовался этот принцип установления единиц длины как "дюйм" -

длина второго сустава большого пальца руки, "фут" - длина ступни

человека, "ярд" - расстояние от кончика носа короля Англии Генриха I

(XI - XII вв.) до конца среднего пальца его вытянутой руки.

Многие государства в Европе вплоть до XVIII века использовали

в повседневной жизни различные единицы физических величин, что

тормозило развитие торговли, промышленности, науки и других сфер

человеческой деятельности в расширяющихся межгосударственных

отношениях. Попытки решения этой проблемы привели к созданию

метрической системы мер, которая зародилась во Франции в середине

XVIII века и была принята французским национальным собранием 8

мая 1790 г.

Метрическая система мер состояла из единиц длины, площади,

объёма и массы. Основанная на единице длины - метре, она получила

наименование метрической.

Метр был получен путем измерения длины парижского меридиа-

на триангуляционным методом (то есть измерение части меридиана от

Барселоны до Дюнкерка с использованием триангуляционных релей-

ных вышек) и определен как одна сорокамиллионная часть парижско-

го меридиана.

Единица массы - килограмм - первоначально была определена

как масса чистой воды в объёме 1 дм

при температуре 4°С (вода при

этой температуре имеет максимальную плотность). В качестве единиц

площади и объёма были приняты 1 м

и 1 м

. Одновременно было вве-

дено десятичное подразделение кратных и дольных единиц и приняты

приставки: мили (10

–3

), санти (10

–2

), деци (10

–1

), дека (10

), гекто (10

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

кило (10

Во второй половине XIX века, после подписания Метрической

конвенции (20 мая 1875 г.), метрическая система получила междуна-

родное признание. Комиссия Международного комитета мер и весов

подготовила предложение по международной системе единиц, которая

была принята в 1960 г. на XI Генеральной конференции по мерам и

весам. Система получила название: Международная система единиц

(сокращенно SI, СИ). В Международную систему единиц вошло 7 ос-

новных единиц:

- метр – равен длине пути, проходимого в вакууме светом за

1/299792458 долю секунды;

- килограмм – равен массе международного прототипа кило-

грамма;

- секунда – равна 9192631770 периодам излучения соответст-

вующего перехода между двумя сверхтонкими уровнями основного

состояния атома цезия-133;

- ампер – равен силе неизменяющегося тока, который при про-

хождении по двум прямолинейным параллельным проводникам бес-

конечной длины и ничтожно малого круглого сечения, расположен-

ным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызвал бы на каж-

дом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную

2⋅10

-7

Н;

- кельвин – равен 1/273,16 части термодинамической темпера-

туры тройной точки воды;

- канделла – равна силе света в заданном направлении источни-

ка, испускающего монохроматическое излучение частотой 540⋅10

Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет

1/683

ср

Вт

(Вт/ср - ватт на стерадиан);

- моль – равен количеству вещества системы, содержащей

столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в уг-

лероде-12 массой 0,012 кг.

Кроме того, в состав Международной системы единиц вошли 29

производных величин.

Обозначения основных, дополнительных и производительных

величин приведены в таблицах 1.1 и 1.2.

Одновременно с принятием Международной системы единиц

XI Генеральная конференция по мерам и весам приняла двена-

дцать десятичных кратных и дольных приставок, к которым в

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

Таблица 1.1 – Обозначения основных и дополнительных единиц.

ВеличинаЕдиница

ОбозначениеНаименованиеРазмерность

Рекомендуемое

обозначение

Наименова-

ние

РусскоеМеждународное

Основные единицы

Длина Ll, L метрмт

Масса Mmкилограммкг kg

Время Tt, Тсекундас s

Сила электрического тока IiамперАА

Термодинамическая температура

T, Θ

кельвинКК

Сила света JIv канделлакд cd

Количество вещества NN, v мольмоль mol

Дополнительные единицы

Плоский угол

радианрад rad

Телесный угол

Ω

стерадианср sr

ПРАКТИЧЕСКАЯ МЕТРОЛОГИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

Таблица 1.2 – Обозначение производных единиц, имеющих специальные (собственные) наименования.

Величина

Единица

Обознач

ние

НаименованиеРазмерностьРекомендуемое

обозначение

Наименова-

ние

Ру

ское

Междунаро

ное

Частота

-1

герц

Гц

Сила, вес

LMT

-2

F, G, P

ньютон

Давление

-1

-4

паскаль

Па

Энергия, работа,

количество те

лоты

-2

Е, W, Q, A джоульДж J

Мощность, поток энергии L

МT

-3

P, N ваттВт W

Количество электричества TIQ, N кулонКлС

Электрическое напряжение L

-3

-1

U, V вольтВV

Электрическая емкость L

-2

-1

СфарадФF

Электрическое сопротивление L

МТ

-3

-1

R, r омОм

Ω

Электрическая проводимость L

-2

-1

G сименсСм S

Поток магнитной индукции,

ма

нитный поток

-1

ФвеберВб W

Плотность магнитного потока,

магнитная инду

ция

МТ

-2

-1

ВтеслаТл T

Индуктивность

МT

-1

генри

Гн

Световой п

ток

люмен

лм

Освещенность

-2

люкс

лк

Активность радионукл

да

-1

беккерель

Бк

Полевая п

глощенная доза

-2

грей

Гр

Эквивалентная доза излуч

ния

-2

зиверт

Зв

ПРАКТИЧЕСКАЯ МЕТРОЛОГИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

дальнейшем были добавлены новые. Приставки СИ дают возмож-

ность образовывать десятичные кратные и дольные единицы от

единиц СИ и от других единиц. В таблице 1.3 приведены наиме-

нования и обозначения приставок СИ.

Таблица 1.3 – Наименования и обозначения приставок СИ для

образования десятичных кратных и дольных еди-

ниц и их множители.

Приставка

Обозначение

Наиме-

нование

МеждународноеРусское

МножительПримеры

ЭксаЕЭ10

эксабекерель – Эбк

ПетаРП10

петаджоуль – ПДж

ТераТТ10

терагерц – ТГц

Гита G Г 10

гигаватт – ГВт

МегаММ10

мегаом – МОм

Кило k к 10

километр – км

Гекто h г 10

гектолитр – гл

Дека da да 10

декалитр – дал

Деци d д 10

-1

дециметр – дм

Сантисс10

-2

сантиметр – см

Милли m м 10

-3

милливольт – мВ

Микро

мк 10

-6

микроампер – мкА

Нано n н 10

-9

наносекунда – нс

Пико p п 10

-12

пикофарад – пФ

Фемто f ф 10

-15

фемтокулон - фКл

Аттоаа10

-18

аттограмм – аг

Внесистемные единицы.

Внесистемные единицы подразделяются на три вида:

- единицы, получившие распространение наравне с единицами

СИ и в сочетании с ними (табл. 1.4);

- единицы, применяемые в специальных областях науки и техни-

ки (табл. 1.5.);

- единицы, временно допускаемые к применению (табл. 1.6).

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

Таблица 1.4 – Единицы, применяемые в сочетании с единицами СИ.

Обозначение

Наименование

МеждународноеРусское

Соотношение с единицей СИ

Тонна t Т 10

кг

Минута min мин 60 с

Час h ч 3600 с

Сутки d сут 86400 c

Градус

Минута

Секунда

…°

…'

…"

…°

…'

…"

(π/180)рад

(π/10800)рад

(

/б48000)рад

Литр l л 10

-3

Градус Цельсия

…°С ...°С

По размеру градус Цельсия равен градусу Кельви-

на

Таблица 1.5 – Единицы, применяемые в специальных областях науки и техники.

Обозначение

Наименование

МеждународноеРусское

Соотношение с

единицей СИ

Область

применения

Астрономическая единица

световой год

парсек

uа

рс

а. е.

св. год

пк

1,49598⋅10

9,4505⋅10

3,0857

⋅

Астрономия

Диоптрия — дитр 1 м

-1

Оптика

Гектар ha га 10

Сельское и лесное хозяйство

Электронвольт ev эВ

1,60219⋅10

-19

Дж

Физика

ПРАКТИЧЕСКАЯ МЕТРОЛОГИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

Таблица 1.6 – Единицы, временно допускаемые к применению

ОбозначениеНаименование

Между-

народное

Русское

Соотношение

с единицей

СИ

Область

применения

Морская миля n mile миля 1852 мВ морской

навигации

Караткар

2⋅10

-4

кг

При взвешива-

нии драгоцен-

ных камней

Узел kn уз 0,514 м/сВ морской

навигации

Оборот в секунду

оборот в минуту

r/s

r/min

об/с

об/мин

1 с

-1

1/60 с

-1

Измерение

частоты

вращения

Бар bar бар 10

ПаИзмерение

давления

1.4 Правила написания наименований и обозначений единиц

Наименования единиц, включая специальные наименования в

честь известных ученых, пишут со строчной буквы. Например, "один

ампер (1 А)".

При склонении наименований производных единиц, состоящих

из произведения единиц, изменяют только последнее наименование и

относящееся к нему прилагательное. Например, "килограмм-метр в

квадрате (кг. м

)", "килограмм-метра в квадрате", "килограмм-метру в

квадрате", "ньютон-секунда (Н⋅с) ", "ньютон–секунды" и т. д.

При склонении наименований единиц, представляющих собой

дробь, изменяют только последнее наименование числителя и отно-

сящееся к нему прилагательное. Например: квадратный метр на се-

кунду, квадратного метра на секунду, квадратным метром на секунду,

килограмм-метр в секунду (кг⋅м/с), килограмм-метр в секунду.

В родительном падеже множественного числа окончания должны

быть:

- у несклоняемых единиц (генри, кюри, промиле, тесла) неиз-

менные, т. е. пять генри, три тесла и т. д.,

- у единиц женского рода, оканчивающихся на "а" (кандела,

тонна) нулевые, т. е. десяти кандел, пяти тонн и т. д.;