Особенность метрологии как науки

Литература

Введение

Наша жизнь постоянно связанна с измерениями. В суете, мы даже не замечаем их. Утром, собираясь в институт или вечером, спеша на свидание, вы смотрите на часы - производите измерение интервалов времени. Выходя на улицу, вы смотрите на термометр за окном - измеряете температуру воздуха. Приходите в магазин и просите взвесить вам один финик или три орешка - продавец производит измерение массы. Приходите на рынок и выбираете себе вещь при этом, оценивая (то есть, измеряя) ее привлекательность и качественность. Таких бытовых примеров можно привести множество.

Вы - будущие инженеры - прибористы и для вас «измерение» составляет, по сути, основу вашей будущей специальности.

Современное производство требует строжайшего соблюдения технологии и широкого внедрения автоматизированного управления производственными процессами. Это можно обеспечить лишь путем измерения параметров характеризующих отдельные участки технологического процесса.

Метрология как наука охватывает круг проблем связанных с измерениями. В дословном переводе с древнегреческого «метрология» означает - «наука о мерах». В настоящее время под метрологией понимается наука об измерениях методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Основные задачи изучаемой дисциплины:

1. подведение теоретических основ под изучение специальных дисциплин по специальности;

2. освоение методов получения достоверной измерительной информации и правильного ее использования;

3. ознакомление с методами и средствами обеспечения единства измерений;

4. ознакомление с основными формами практической метрологической деятельности;

5. изучение теоретических основ и получение практических навыков обеспечения заданной точности средств измерений на этапе их проектирования.

Курс «Основы метрологии» базируется на знаниях полученных при изучении дисциплин: «Физика», «Высшая математика», «Моделирование расчетов на ЭВМ», «Химия». Изучается параллельно с дисциплинами: «Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения», «Физические основы измерений».

В результате изучения дисциплины необходимо:

Знать: общие законы и правила измерений; методы обеспечения их единства и достоверности; правила обработки измерительной информации и оценки точности средств измерений; основные виды метрологической деятельности, организационные и нормативно-правовые основы метрологической деятельности.

Уметь: организовывать измерительный эксперимент; правильно выбрать и использовать средства измерений; обрабатывать экспериментальные данные; оценивать точность средств измерений на этапе их проектирование; грамотно использовать измерительную информацию.

Иметь представление: о перспективах развития метрологии; об обогащении этой науки достижениями других наук; о различных формах международного сотрудничества в области метрологии.

Основная и дополнительная литература:

За последние два десятилетия произошли существенные изменения в области метрологии. И это не дань моде. В процессе изучения дисциплины мы рассмотрим особенности этого процесса, а сейчас отметим, что изменения касаются основных положений метрологии, то есть ее содержания. По этому в учебниках изданных в разные годы есть отличия. По этому при подготовке к экзамену рекомендуется пользоваться конспектом лекций, лабораторными и практическими занятиями.

1. Основные понятия в области метрологии

Основные термины в области техники регламентируются соответствующим государственными стандартами (ГОСТ), которые требуют применения только рекомендованных терминов и не разрешают использовать не рекомендованные термины. В настоящее время стандарты на термины и определения переведены в разряд рекомендованных документов. Это дает право применять как гостированные, так и произвольные термины.

Указанное обстоятельство является в основном прогрессивным фактором, поскольку не все гостированные термины удобны в конкретных обстоятельствах. Некоторые из них устаревают и не соответствуют международной терминологии, некоторые не приживаются на практике. В то же время, существующее положение с терминами и определениями в области техники привод к неоднозначности, когда одни и те же вещи называются разными именами, а один и тот же термин разными людьми понимается по разному; каждый вкладывает в этот термин разное содержание.

Не обошли эти проблемы и метрологию. Наука не стоит на месте. Метрология претерпевает сейчас существенные изменения, поэтому в технической и учебной литературе вы можете встретить различные термины и определения к ним, порой противоречивые.

В то же время, изучая метрологию, вы должны усвоить целый ряд новых понятий, без которых невозможно изучать последующие специальные курсы по приборостроению - вы просто не будите понимать преподавателя.

Таким образом, нам необходимо на чем-то остановиться, принять общую терминологию и пользоваться ею в дальнейшем. Рассмотрим некоторые основные понятия метрологии.

Измерение - это процесс приема и преобразования информации об измеряемой величине для получения количественного результата ее сравнения с единицей измерения в форме наиболее удобной для использования.

Когда мы смотрим на термометр за окном, мы считываем показания термометра и определяем значение измеряемой величины - температуры.

В связи с широким развитием автоматизации измерений, их результат может восприниматься не только человеком, но и управляющей машиной или другой системой автоматического регулирования. При этом, как правило, процедура сравнения включает в себя сравнение неизвестной измеряемой величины с известной величиной, которую принимают за единицу.

Об особенностях измерений мы поговорим в следующих темах, а сейчас отметим, что измерить величину абсолютно точно невозможно (исключение составляют лишь измерения дискретных величин - количества).

Точность измерений - это качество измерений, отражающее близость их результатов к значению измеряемой величины.

Погрешность измерения - это отклонение результата измерения от значения измеряемой величины.

Измеряемая величина - эта величина подлежащая измерению, измеряемая или измеренная в соответствии с основной целью измерительной задачи.

Измерительная техника - это обобщающее понятие, охватывающее технические средства, специально предназначенные для измерений.

Единство измерений - это такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешность измерений известна с заданной точностью.

Таким образом, основной задачей метрологии является обеспечение единства и требуемой точности измерений.

1.1 Роль метрологии в современном эксперименте и в управлении качеством продукции

Под единством измерений понимается такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах величин и погрешности величин не выходят за установленные границы с заданной вероятностью.

Вопросы обеспечения единства измерений являются обязательными к исполнению, поэтому они регламентированы законодательством. 27 апреля 1993 года был принят закон РФ «Об обеспечении единства измерений» (№4871-1)

Согласно этому закону, управление деятельностью по обеспечению единства измерений осуществляет государство. Для этого создан Государственный Комитет РФ по стандартизации, метрологии и сертификации (Госстандарт России). К компетенции Госстандарта относятся:

1. представление правительству предложений по применяемым единицам величин;

2. межрегиональная и межотраслевая координация деятельности по обеспечению единства измерений;

3. установление правил создания, утверждения, хранения и применения эталонов единиц величин;

4. определение общих метрологических требований к средствам измерений (СИ), методам и результатам измерений;

5. осуществление государственного метрологического контроля и надзора;

6. контроль и регулирование международной деятельности в области метрологии;

7. руководство деятельностью Государственной метрологической службы (ГМС) и метрологических служб (МС) организаций по обеспечению единства измерений.

1.2.2 Метрологические службы

Метрологическая служба - это совокупность субъектов (организаций) и видов работ, направленных на обеспечение единства измерений.

Государственная метрологическая служба находится в ведении Госстандарта и включает в себя:

1. государственные научные метрологические центры (НИИ);

2. органы ГМС на территории республик в составе России, автономной области, автономных округов, краев и областей, городов Москвы и С. Петербурга.

Госстандарт России осуществляет руководство:

1. государственной службой времени и частоты и определения параметров вращения Земли (ГСВЧ);

2. государственной службой стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов (ГСССД);

3. государственной службой стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов (ГССО).

Государственные научные метрологические центры занимаются:

1. созданием, совершенствованием, хранением и применением государственных эталонов единиц величин, а также разработкой НТД по обеспечению единства измерений.

Органы ГМС осуществляют государственный метрологический контроль и надзор на соответствующих территориях.

ГСВЧ производит межрегиональную и межотраслевую координацию работ по обеспечению единства измерений времени и частоты.

ГСССД осуществляет координацию работ по разработке и внедрению стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов в науке и технике.

ГССО производит межрегиональную и межотраслевую координацию работ по разработке и внедрению стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов.

Метрологические службы государственных органов управления и юридических лиц создаются для выполнения работ по обеспечению единства измерений и требуемой точности измерений. В их функции входит:

1. Калибровка средств измерений - совокупность операций, выполняемых с целью определения и подтверждения действительных значений метрологических характеристик и (или) пригодности к применению СИ, не подлежащих государственному метрологическому контролю и надзору;

2. Надзор за состоянием и применением СИ, аттестованными методиками выполнения измерений, эталонами единиц, применяемыми для калибровки СИ, соблюдением правил и норм по обеспечению единства измерений;

3. Проверка своевременности представления СИ на испытания в целях утверждения типа СИ, а также на поверку и калибровку.

1.2.3 Государственный метрологический контроль и надзор

Это деятельность, осуществляемая органом ГМС или метрологической службой лица в целях проверки соблюдения установленных метрологических правил и норм.

Виды ГМКН

ГКМН включает в себя контроль за:

1. утверждением типа СИ;

2. поверкой СИ;

3. лицензированием деятельности физических и юридических лиц по изготовлению, ремонту, продаже и прокату СИ.

Государственный метрологический надзор осуществляется за:

1. выпуском, состоянием и применением СИ, аттестованными методиками выполнения измерений, эталонами, соблюдением метрологических правил и норм;

2. за количеством товаров при совершении торговых операций;

3. за количеством фасованных товаров при упаковке любого товара для продажи.

Сферы распространения ГМКН:

1. здравоохранение, ветеринария, охрана окружающей среды, обеспечение безопасности труда;

2. торговые операции и взаимные расчеты (включая операции с применением игровых автоматов);

3. государственные учетные операции;

4. обеспечение обороны государства;

5. геодезические и гидрометеорологические работы;

6. банковские, налоговые, таможенные и почтовые операции;

7. производство продукции для государственных нужд;

8. испытания и контроль качества продукции в целях определения соответствия обязательным требованиям стандартов;

9. обязательная сертификация;

10. регистрация рекордов;

11. измерения, проводимые по поручению органов суда и т.п.

1.2.4 Утверждение типа средства измерений

В сферах распространения ГМКН СИ подвергаются обязательным испытаниям с последующим утверждениям типа средств измерений.

Решение об утверждении типа СИ принимает Госстандарт России и удостоверяет его сертификатом об утверждении. Срок действия сертификата устанавливается при выдаче.

Утвержденный тип СИ вносится в Государственный реестр СИ.

Испытания проводят научными центрами, аккредитованными в качестве государственных испытательных центров.

Испытаниям подвергают образцы СИ, которые представляются с соответствующей НТД.

Соответствие СИ утвержденному типу контролируется органами ГМС по месту расположения изготовителя или пользователя.

При утверждении типа СИ на каждом экземпляре и в документации на СИ наносится соответствующий знак. Информация об утверждении типа СИ публикуется.

1.2.5 Поверка средств измерений

Поверка средств измерений - это совокупность операций, выполняемых органами ГМС (и другими уполномоченными органами) с целью определения и подтверждения соответствия СИ установленным техническим требованиям.

Обязательной поверке подвергаются СИ, подлежащие ГМКН при выпуске из производства и ремонта, при ввозе по импорту и эксплуатации. Допускается продажа и прокат только поверенных СИ.

По решению Госстандарта право поверки может быть предоставлено аккредитованным МС юридических лиц (предприятий). Деятельность таких служб контролируется органом ГМС по месту расположения. Поверка СИ осуществляется человеком, аттестованным в качестве поверителя.

Ответственность за результаты поверки несет орган ГМС или поверитель.

Положительные результаты поверки удостоверяются поверительным клеймом или свидетельством о поверке.

1.2.6 Лицензирование деятельности по изготовлению, ремонту, продаже и прокату СИ

Любая деятельность по продаже, ремонту, изготовлению и прокату СИ, применяемых в сферах распространения ГМКН, может осуществляться предприятием или частным лицом только при наличии лицензии, выдаваемой в установленном порядке Госстандартом России (документ, удостоверяющий право заниматься указанной деятельностью).

Лицензирование указанной деятельности осуществляется после проверки органом ГМКН наличия необходимых для этой деятельности условий, а также соблюдения установленных метрологических норм и правил.

При нарушении указанных условий лицензия аннулируется.

1.2.7 Государственный инспектор по обеспечению единства измерений

ГМКН осуществляют должностные лица Госстандарта - главные государственные инспекторы и государственные инспекторы по обеспечению единства измерений. Они обладают большими правами и полномочиями.

1.2.8 Калибровка и сертификация средств измерений

СИ, не подлежащие поверке, могут подвергаться калибровке при выпуске из производства или ремонта, при ввозе по импорту, при эксплуатации, прокате или продаже.

Калибровка производится МС юридических лиц с использованием эталонов, соподчиненных государственным.

Результаты калибровки удостоверяются калибровочным знаком, наносимым на СИ, или сертификатом о калибровке, а также записью в документах на СИ.

Юридические лица должны пройти аккредитацию на право проведения калибровки.

Ответственность за проведение калибровочных работ несет юридическое лицо, МС которого проведены работы.

1.3.1 Измеряемые величины

Предметом познания в современном представлении являются объекты и явления окружающего нас мира, которые характеризуются совокупностью различных свойств. Например, если считать объектом пространство, то его свойством будет протяженность. Протяженность может характеризоваться различными способами. Общепринятой характеристикой пространственной протяженности является длинна. Протяженность - это сложное свойство, и она может характеризоваться не только длинной. Пространство многомерно, и в качестве его характеристик можно использовать, например протяженность по нескольким направлениям или другие характеристики: угол, площадь, объем.

Любые события и не могут произойти мгновенно, а следовательно, имеют некоторую протяженность (длительность). Общепринятой характеристикой длительности события является время.

Любое физическое тело обладает свойством инерции - способностью сохранять состояние покоя или равномерного движения при отсутствии внешних воздействий. Мерой инерции является масса. Причем свойство инерции присуще всем физическим телам, но проявляется это свойство для каждого тела по своему, то есть каждое тело имеет свою массу.

Физическая величина - это общепринятая или установленная законодательным путем характеристика физического объекта (физической системы, явления или процесса), общая в качественном отношении для множества физических объектов, а в количественном отношения индивидуальная для каждого из них.

Таким образом, физическими величинами являются: длинна, время, масса, термодинамическая температура, сила, давление, электрическое сопротивление и т.д.

Наряду с физическими величинами к измеряемым величинам относится целый комплекс нефизических величин. Переход к количественным методам исследований на основании измерительной информации в таких областях человеческой деятельности как медицина, биология, спорт, искусство, социология стал отличительной чертой современности. Привычным стало измерение качества исполнения художественных произведений (конкурсы исполнителей, художников) мастерства спортсменов, уровня знаний студентов. Все мы стали свидетелями конкурсов красоты.

Применительно к инженерной деятельности существенное место среди нефизических измеряемых величин занимают показатели качества.

Качество продукции - это степень, с которой совокупность собственных характеристик изделия выполняет предъявляемые ему требования (в соответствии со стандартом ИСО9000 версии 2000 года).

Количественными характеристиками качества являются показатели качества. В соответствии с РД 50-64-84, можно выделить 11 основных групп показателей качества:

1. Показатели назначения. Характеризуют свойства продукции, определяющие основные функции, для выполнения которых она предназначена, и обуславливает область ее применения.

2. Показатели надежности. Характеризуют свойства безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.

3. Показатели экономического использования сырья, материалов, топлива, энергии и трудовых ресурсов. Характеризуют свойства, отражающие техническое совершенство продукции по количеству нужных для ее работы материалов и энергии.

4. Эргономические показатели. Характеризуют качество взаимодействия человека и изделия. Учитывают комплекс гигиенических и антропометрических, физиологических и психологических свойств человека, проявляющихся в производственных и бытовых процессах.

5. Эстетические показатели. Характеризуют информационную выразительность, рациональность формы, целостность композиции и совершенство производственного исполнения,

6. Показатели технологичности. Характеризуют свойства продукции, определяющие ее приспособленность к достижению минимальных затрат при ее производстве, эксплуатации и восстановлении.

7. Показатели транспортабельности. Характеризуют приспособленность продукции к перемещению в пространстве.

8. Показатели стандартизации и унификации. Характеризуют насыщенность продукции стандартными, унифицированными и оригинальными составными частями, а также уровень унификации с другими изделиями.

9. Патентно-правовые показатели. Характеризуют степень обновления технических решений, их патентную защиту, а также возможность беспрепятственной реализации продукции в стране или за рубежом.

10. Экологические показатели. Характеризуют уровень вредных воздействий на окружающую среду, возникающих при эксплуатации или потреблении продукции.

11. Показатели безопасности. Характеризуют безопасность обслуживающего персонала при использовании продукции.

К числу показателей качества также относится обобщенный показатель эффективности использования продукции. Это интегральный показатель качества, определяют как, соотношение суммарного полезного эффекта от эксплуатации или потребления продукции и суммарных затрат на ее создание эксплуатацию и потребление.

Внутри каждого вида показателей можно выделить группы и отдельные показатели качества. Это еще раз доказывает, что качество, как и физические объекты (например, пространство) многомерно.

1.3.2 Качественные и количественные характеристики измеряемых величин

Изучение физических объектов, явлений и закономерностей связано с обязательным измерением самых различных физических величин, которые можно разделить на две группы: величины, характеризующие свойства и состояние объектов (масса объем, давление, температура, электрическое сопротивление и др.) и величины, характеризующие процессы и явления, изменяющиеся во времени (скорость, ускорение, работа и т.п.).

Для того чтобы можно было установить различия в количественном содержании в каждом данном объекте свойства, отображаемого физической величиной, вводится понятие размер физической величины.

Размер физической величины - это понятие, отражающее количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию физическая величина.

Размер физической величины не следует путать со значением величины, под которым понимают оценку физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Число, входящее в значение физической величины, называется числовым значением. Например, 12кг - значение массы тела.

Размер величины - это объективная реальность. При измерении размер величины выражают в виде ее числового значения. Если размер величины есть нечто постоянное и не зависящее от способа измерения, то ее числовое значение может меняться. Так, например, расстояние между городами Москва и Орел может быть выражено различным числом километров, миль, верст и др.

Процесс измерения математически можно выразить формулой:

где Q - измеряемая величина; q - числовое значение; [Q] - единица физической величины.

Единица физической величины - это физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение равное единице.

Единицы одной и той же величины могут быть различными. Например, длину можно измерять в метрах, футах, дюймах, верстах, милях, ярдах и т.д. таким образом, числовое значение величины зависит от размера принятой единицы.

Между физическими величинами существуют определенные зависимости, закономерные связи, которые могут быть выражены в виде математических формул. Эта возможность обуславливается наличием объективно существующих взаимосвязей между свойствами объектов. Выявляя эти взаимосвязи и переводя их на математический язык, получают формулы.

Однородные величины допускают над собой в общем случае все виды алгебраических действий. Например, можно складывать сопротивления двух резисторов, вычитать их, делить, возводить в степень. При этом не следует забывать о физическом смысле выполняемых действий.

Разнородные величины можно умножать и делить друг на друга, учитывая физический смысл этих действий. Например, произведение ассы тела на его ускорение определяет силу, вызывающую это ускорение. Произведение тока в цепи на ее сопротивление определяет электрическое напряжение, вызывающее этот ток.

В общем случае физическая величина Q может быть представлена через другие величины A, B, C … уравнением вида:

где k - коэффициент пропорциональности; , , , … - показатели степени.

Показатели степени могут быть целыми или дробными. Значение k определяется характером связи величин, входящих в уравнение. Так, если в формуле (1.2) под A, B, C понимать обобщающие символы величин, входящих в уравнение, то k зависит от выбора единиц измерения. Например, крутящий момент выраженный в кгс·см определяющийся формулой , где N - мощность (в лошадиных силах); щ - частота (об/мин).

В уравнения между величинами входят универсальные постоянные и физические константы. Они отличаются от коэффициентов пропорциональности тем, что характеризуют какие-то определенные свойства объектов (например, площадь круга в формулу, которой входит число р). Коэффициенты же появляются в формулах лишь из-за несогласованности единиц измерения величин или характеризуют свойства симметрии физических законов.

Поскольку физические величины связанны между собой определенными зависимостями, они образуют некоторую совокупность, которая называется системой физических величин.

Система физических величин - совокупность физических величин связанных между собой зависимостью.

Для удобства и однозначности условно считается, что в системе величин есть группа величин независимых друг от друга. Такие величины называются основными.

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

Производная физическая величина - это физическая величина, входящая в систему и определяемая через основные величины.

Например, основными физическими величинами механики являются: длинна, масса и время. Производными - скорость, сила и импульс.

Каждая физическая величина в системе единиц имеет свою размерность - выражение, отражающее связь величины с основными величинами системы, в котором коэффициент пропорциональности принят равным единице.

Размерность, по сути дела, является формализованным отражением качественного различия измеряемых величин. Размерность обозначается символом dim.

Размерность основных физических величин обозначается соответствующими заглавными буквами, например: длина - L; масса - M; время - T.

Для определения размерности производных величин руководствуются следующими правилами:

1. Размерности правой и левой частей уравнения не могут не совпадать, так как сравнивать можно только одинаковые свойства;

2. алгебра размерностей мультипликативная, то есть состоит из умножения, деления и возведения в степень.

Из этого правила вытекают три следствия:

1. размерность произведения нескольких величин равна произведению размерностей этих величин:

; ;

2. размерность частного при делении одной величины на другую равна отношению их размерностей:

; ;

3. Размерность любой величины возведенной в некоторую степень равна ее размерности возведенной в ту же степень:

; Размещено на http://www.allbest.ru/

.

Теория размерностей повсеместно применяется для оперативной проверки правильности сложных формул. Если размерности правой и левой частей уравнения не совпадают, то есть не выполняется условие (1.1), то в формуле присутствует ошибка.

Формальное применение алгебры размерностей иногда позволяет определить неизвестную зависимость между величинами.

Пример: На основании результатов наблюдения установлено, что центростремительная сила, прижимающая тело к опоре при его движении по окружности, зависит от его скорости v, массы m и радиуса r кривизны окружности. Каков вид этой зависимости?

но ; ; ; ;

,

; ; ,

б = 1, в = 2, г = -1,

.

Аналогично системе физических величин формируется система единиц физических величин, или сокращенно система единиц - совокупность основных и производных единиц, относящихся к некоторой системе величин, и образованная в соответствии принятыми принципами.

Основная единица - единица основной физической величины, выбранная произвольно при построении системы единиц.

Производная единица - единица производной физической величины, образуемая по определяющему эту единицу уравнению из других единиц данной системы.

Кратные единицы - единицы, составляющие целое число основных или производных единиц (кГц, МОм, ГПа).

Дольные единицы - единицы в целое число раз меньшие основной или производной единицы (мкФ, мм, мА).

Правила написания обозначений единиц величин регламентированы ГОСТ 8.417-81.

Следует отметить, что правила выбора единицы в качестве основной не могут быть теоретически обоснованны. Единственным аргументом в пользу выбора может служить лишь эффективность и целесообразность использования данной системы.

Для практических целей измерения в качестве основных величин и единиц следует выбирать такие, которые могут быть воспроизведены с наибольшей точностью. В механике это длина, масса, и время; в электродинамике и фотометрии - тоже самое плюс сила электрического тока и сила света.

Некоторая произвольность в выборе основных величин основных единиц привела исторически к образованию большого числа систем единиц физических величин. Не останавливаясь на подробном описании преимуществ и недостатков отдельных систем, ограничимся их перечислением:

1. система СГС - основные единицы: сантиметр, грамм, секунда.

2. система МКГСС - метр, килограмм сила, секунда;

3. система МТС - метр, тонна, секунда;

4. система СГСМ - сантиметр, грамм, секунда, магнитная проницаемость (безразмерная величина);

5. система МКСА - метр, килограмм, секунда, ампер.

Наряду с системами единиц существуют ряд единиц, не входящих ни в одну из систем - так называемые внесистемные единицы. Их возникновение вызвано удобством измерения и восприятия тех или иных величин.

Примеры: световой год, парсек, гектар, литр, карат, атмосфера, мм. рт. ст., квт*час, тонна.

1.3.3 Международная система единиц СИ

Многообразие отдельные единиц (силу, например, можно было выразить в кг, фунтах и др.) и систем единиц создавало большие трудности во всемирном обмене научными и экономическими достижениями. Поэтому еще в 19 веке отмечалась необходимость в создании единой международной системы, которая бы включала в себя и единицы измерений величин, используемых во всех разделах физики. Однако, соглашение о введении такой системы было принято только в 1960 году.

Международная система единиц - это правильно построенная и взаимосвязанная совокупность физических величин. Она была принята в октябре 1960 года на 11 генеральной конференции по мерам и весам. Сокращенное название системы - SI. В русской транскрипции - СИ. (система интернациональная). В СССР в 1961 году был введен в действие ГОСТ 9867-61, которым устанавливается предпочтительное применение этой системы во всех областях науки, техники, и преподавания. В настоящие время действующим является ГОСТ 8.417-81 «ГСИ. Единицы физических величин». Этот стандарт устанавливает единицы физических величин, применяемые в СССР, их наименования, обозначения и правила применения. Он разработан в полном соответствии с системой СИ и с СТ СЭВ 1052-78.

Система Си состоит из семи основных единиц, двух дополнительных и ряда производных. Кроме единиц СИ допускается применение дольных и кратных единиц, получаемых умножением исходных величин на 10n, где n = 18, 15, 12, … -12, -15, -18. Наименование кратных и дольных единиц образуется присоединением соответствующих десятичных приставок:

экса (Э) = 1018; пета (П) = 1015; тера (Т) = 1012; гига (Г) = 109; мега (М) = 106;

кило (к) = 103; гекто (г) = 102; дека (да) = 10; деци (д) = 10-1; санти (с) = 10-2;

мили (м) = 10-3; микро (мк) = 10-6; нано (н) = 10-9; пико (п) = 10-12;

фемто (ф) = 10-15; атто (а) = 10-18;

ГОСТ 8.417-81 разрешает использовать кроме указанных единиц ряд внесистемных единиц, а также единицы, временно разрешенные к применению до принятия соответствующих международных решений.

К первой группе относятся: тонна, сутки, час, минута, год, литр, световой год, вольт-ампер. Ко второй группе относятся: морская миля, карат, узел, об*мин.

1.3.4 Основные единицы СИ

Единица длинны - метр (м)

Метр равен 1650763,73 длин волн в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2p10 и 5d5 атома криптона-86.

В международном бюро мер и весов и в крупных национальных метрологических лабораториях созданы установки для воспроизведения метра в длинах световых волн.

Единица массы - килограмм (кг).

Масса - мера инерции тел и их гравитационных свойств. Килограмм равен массе международного прототипа килограмма.

Государственный первичный эталон килограмма СИ предназначен для воспроизведения, хранения и передачи единицы массы рабочим эталонам.

В состав эталона входят:

1. Копия международного прототипа килограмма - платино-иридиевый прототип №12, представляющий собой гирю в виде цилиндра диаметром и высотой 39мм.

2. Равноплечие призменные весы №1 на 1 кг с дистанционным управлением фирмы Рупхерт (1895 года) и №2 изготовленные во ВНИИМе в 1966г.

Один раз, в 10 лет государственный эталон сравнивают с эталоном-копией. За 90 лет масса государственного эталона увеличилась на 0,02мг из-за пыли, адсорбции и коррозии.

Сейчас масса является единственной величиной единица, которой определяется через вещественный эталон. Такое определение имеет ряд недостатков - изменение массы эталона с течением времени, невоспроизводимость эталона. Ведутся поисковые работы по выражению единицы массы через естественные константы, например через массу протона. Планируется также разработка эталона через определенное число атомов кремния Si-28. для решения этой задачи, прежде всего, должна быть повышена точность измерения числа Авогадро.

Единица измерения времени - секунда (с).

Время является одним из центральных понятий нашего мировоззрения, одним из важнейших факторов в жизни и деятельности людей. Его измеряют с помощью стабильных периодических процессов - годового вращения Земли вокруг Солнца, суточного - вращения Земли вокруг своей оси, различных колебательных процессов. Определение единицы времени - секунды несколько раз менялось в соответствии с развитием науки и требований к точности измерения. Сейчас существует следующее определение:

Секунда - равна 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия 133.

В настоящее время создан лучевой эталон времени, частоты и длинны, используемый службой времени и частоты. Радиосигналы позволяют передавать единицу времени, поэтому она широко доступна. Погрешность эталона секунды 1·10-19с.

Единица силы электрического тока - ампер (А)

Ампер равен силе не изменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным и прямолинейным проводникам бесконечной длинны и ничтожно малой площади поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 метра друг от друга, вызвал бы на каждом участке проводника длинной 1 метр силу взаимодействия, равную 2·10-7Н.

Погрешность эталона ампера 4·10-6А. Эту единицу воспроизводят с помощью так называемых токовых весов, которые приняты в качестве эталона ампера. Планируется использовать в качестве основной единицы 1 вольт, так как погрешность его воспроизведения равна 5·10-8В.

Единица термодинамической температуры - Кельвин (К)

Температура - это величина, характеризующая степень нагретости тела.

Со времени изобретения Галилеем Термометра измерение температуры основано на применении т ого или иного термометрического вещества, изменяющего свой объем или давление при изменении температуры.

Все известные температурные шкалы (Фаренгейта, Цельсия, Кельвина) основаны на каких-либо реперных точках, которым приписываются различные числовые значения.

Кельвин и независимо от него Менделеев высказали соображения о целесообразности построения шкалы температур по одной реперной точке, в качестве которой была взята «тройная точка воды», являющаяся точкой равновесия воды в твердой, жидкой и газообразной фазах. Она в настоящее время может быть воспроизведена в специальных сосудах с погрешностью не более 0,0001 градуса Цельсия. Нижней границей температурного интервала служит точка абсолютного нуля. Если этот интервал разбить на 273,16 частей, то получиться единица измерения называемая Кельвином.

Кельвин - это 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды.

Для обозначения температуры, выраженной в Кельвинах, принят символ Т, а в градусах Цельсия t. Переход производится по формуле: T = t + 273,16. Градус Цельсия равен одному Кельвину (обе единицы имеют право на использование).

Единица силы света - кандела (кд)

Сила света -это величина, характеризующая свечение источника в некотором направлении, равна отношению светового потока к малому телесному углу, в котором он распространяется.

Кандела равна силе света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·1012Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 (Вт/ср) (Ватт на стерадиан).

Погрешность воспроизведения единицы эталоном 1·10-3кд.

Единица количества вещества - моль.

Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде С12 массой 0,012кг.

При применении моля структурные элементы должны быть специфицированы и могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами или специфицированными группами частиц.

Дополнительные единицы СИ

Международная система включает в себя две дополнительные единицы - для измерения плоского и телесного углов. Они не могут быть основными, так как являются безразмерными величинами. Присвоение углу самостоятельной размерности привело бы к необходимости изменений уравнений механики, относящихся к вращательному и криволинейному движению. Вместе с тем они не являются производными, так как не зависят от выбора основных единиц. Поэтому указанные единицы включены в СИ в качестве дополнительных, необходимых для образования некоторых производных единиц - угловой скорости, углового ускорения и т.п.

Единица плоского угла - радиан (рад)

Радиан равен углу между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу. Государственный первичный эталон радиана состоит из 36-гранной призмы и эталонной угломерной автоколлимационной установки с ценой деления отсчетных устройств 0,01''. Воспроизведение единицы плоского угла осуществляется методом калибровки, исходя из того, что сумма всех центральных углов многогранной призмы равна 2р рад.

Единица телесного угла - стерадиан (ср)

Стерадиан равен телесному углу с вершиной в центре сферы, вырезающему на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы. Измеряют телесный угол путем определения плоских углов при вершине конуса. Телесному углу 1ср соответствует плоский угол 65032'. Для пересчета пользуются формулой:

где Щ - телесный угол в ср; б - плоский угол при вершине в градусах.

Телесному углу р соответствует плоский угол 1200, а телесному углу 2р - плоский угол 1800.

Обычно углы измеряют все-таки в градусах - это удобнее.

Преимущества СИ

1. Она является универсальной, то есть охватывает все области измерений. С её внедрением можно отказаться от всех других систем единиц.

2. Она является когерентной, то есть системой, в которой производные единицы всех величин получаются с помощью уравнений с числовыми коэффициентами, равными безразмерной единице (система является связанной и согласованной).

3. Единицы в системе унифицированы (вместо ряда единиц энергии и работы: килограм-сила-метр, эрг, калория, киловатт-час, электрон-вольт и др. - одна единица для измерения работы и всех видов энергии - джоуль).

4. Осуществляется четкие разграничение единиц массы и силы (кг и Н).

Недостатки СИ

1. Не все единицы имеют удобный для практического использования размер: единица давления Па - очень маленькая величина; единица электрической емкости Ф - очень большая величина.

2. Неудобство измерения углов в радианах (градусы воспринимаются легче)

3. Многие производные величины не имеют пока собственных названий.

Таким образом, принятие СИ является очередным и очень важным шагом в развитии метрологии, шагом вперед в совершенствовании систем единиц физических величин.

1.4 Основные виды шкал и разновидности познавательных процедур

1.4.1 Неметрические шкалы

Анализируя познавательную функцию измерения можно считать, что его сущность заключается в переходе от мира физических и социальных реальностей к системе определенных знаков, отображающих эти реальности. В данном случае под измерением понимается не только измерение в собственном смысле этого слова, но и ряд других, близких к нему познавательных процедур, которые можно назвать «обобщенными измерениями»

В зависимости от конкретной измерительной задачи в процессе познания возникает необходимость в получении различной количественной информации. Для этого используют различные шкалы.

Номинальная шкала является простейшей и наиболее слабой шкалой. В номинальной шкале числа служат условными названиями объектов или их классов. Номинальная шкала, применяется для индивидуальных объектов, называется также шкалой наименований. При этом не важно, что одному объекту присвоено большее число, а другому - меньшее, эти числа можно менять местами, потому что они - только «названия» объектов. Процедура присвоения имени объекту - необходимый этап формирования данных. Эта процедура не является познавательной, поскольку нельзя узнать имя нового объекта его нужно присвоить. Такая процедура называется назывательной.

Иначе обстоит дело с именами классов объектов. Сама по себе процедура присвоения имен классам (типам приборов, конструкциям самолетов, маркам автомобилей и т.д.) остается непознавательной, но когда имена классам уже присвоены, может возникнуть вопрос: «К какому классу относится вновь появившийся объект?». Ответ на этот вопрос порой совсем не очевиден и требует выполнения познавательной процедуры классификации, осуществляемой по шкале классификаций.

Познавательная процедура классификации существует во многих разновидностях, например: контроль изделий (классификация на годные и бракованные); проверка приборов; сложные и имеющие свои теоретические основы процедуры распознавания образов, диагностики, профессионального отбора и т.п.

Существенно более сильной является ординальная шкала или шкала порядка. Она учитывает наличие порядка в системе объектов. Так, студенты, сдавшие экзамен разбиваются на классы получивших оценки 2, 3, 4 и 5 в порядке роста их знаний. Здесь существенно то, что более знающему присваивается большее число и переставлять эти числа уже нельзя.

Процедуры формирования данных, основанные на шкалах порядка, могут быть как непознавательными, так и познавательными, в зависимости от того, как упорядочиваются объекты: по внешним для них признакам или по внутренним.

Упорядочивание по внешним признакам называется нумерацией. Так присвоение номеров домам отражает только порядок их следования на улице, но не какие-то их собственные особенности. Нумеруются эксперименты, исследуемые образцы, команды в программах, промышленные изделия, нумеруют студентов в алфавитном списке. Однако нумерация не является познавательной процедурой. Номера - это те же имена, только присвоенные в определенном порядке, а зачастую даже не подряд, а с резервными промежутками (номер командной строки).

Упорядочивание по внутренним свойствам есть познавательная процедура ранжирования. Классический пример - ранжирование образцов минералов. Их можно ранжировать, сравнивая твердости (минерал, наносящий царапину на другом, является более твердым). Таким образом, можно уже говорить о большей или меньшей твердости.

Ранжирование - это расстановка размеров в порядке их возрастания или убывания с целью получения измерительной информации по шкале порядка.

Для измерения по шкале порядка, итогом которого является вывод о том, что размер измеряемой величины больше или меньше какого-то известного значения, некоторые точки на шкале можно зафиксировать в качестве опорных - реперных. Значения, например, оценивают по реперной шкале порядка, имеющей 4 реперные точки: 2, 3, 4, 5. Классический пример шкалы порядка - минеральная шкала порядка твердости минералов - шкала Мооса. В ней определенным стандартным минералам (от талька до алмаза) в порядке возрастания присвоены целые числа от 1 до 10.

Другой пример: Интенсивность землетрясений измеряется по 12 бальной шкале МК-64: 1 - незаметное (отмечается только сейсмическими приборами); 2 - очень слабое (ощущается отдельными людьми находящимися в состоянии покоя); 3 - слабое (ощущается небольшой частью населения; 4 - умеренное; 5 - довольно сильное; 6 - сильное; 7 - очень сильное (трещины в стенах каменных домов, деревянные дома остаются невредимыми); 8 - разрушительное; 9 - опустошительное; 10 - уничтожающее; 11 - катастрофа (широкие трещины в земле, оползни, обвалы, каменные дома разрушаются); 12 - сильная катастрофа.

Недостатком шкалы порядка является неопределенность интервалов между реперными точками. Поэтому баллы нельзя складывать, перемножать, вычитать и делить. Можно сказать, что один размер больше или меньше другого, а на сколько больше или меньше, сказать нельзя.

Рассмотренные шкалы: номинальная (наименований и классификаций) и порядка (ординальная) относятся с неметрическим шкалам.

1.4.2 Метрические шкалы

Более совершенной по отношению к шкале порядка является шкала, составленная из определенных интервалов. Общепринятым, например, является измерение времени по шкале разбитой на интервалы равные периоду обращения земли вокруг солнца - года (летоисчисление). Эти интервалы делятся на более мелкие: сутки (период обращения земли вокруг собственной оси). Такая шкала называется шкалой интервалов.

Шкала интервалов позволяет определить не только то, что один размер больше другого, но и на сколько этот размер больше. Таким образом, на шкале интервалов определены такие действия как сложения и вычитание.

Недостаток шкалы интервалов заключается в том, что нулевая точка шкалы является условной, то есть нельзя сказать во сколько раз один размер больше или меньше другого.

Пример: При любом летоисчислении коренной перелом в ходе 2 мировой войны произошел под Сталинградом спустя 700 лет после разгрома Александром невским немецких рыцарей на льду Чудского озера. Если попытаться определить во сколько раз позже наступило это событие, то окажется следующее:1 - по григорианскому (нашему) календарю 1942/1242 = 1,563; 2 - по юлианскому календарю (от сотворения мира): 7448/6748 = 1,1; 3 - по иудейскому календарю (от сотворения Адама) 5638/4938 = 1,14; 4 - по исламскому календарю (начинается с момента бегства Магомета из Мекки в Медину, где была основана первая мусульманская община) 1320/620 = 2,13.

На шкале интервалов известен только масштаб, а начало отсчета может быть выбрано произвольно. Поэтому абсолютное значение размера величины определить невозможно.

Шкалы интервалов получают путем пропорционального деления интервала между двумя реперными точками. Так, в температурной шкале Цельсия один градус является 1/100 частью интервала между температурой таяния льда (0 градусов) и температурой кипения воды (100 градусов). В температурной шкале Реомюра этот же интервал разбит на 80 интервалов, а в температурной шкале Фаренгейта - на 180 градусов, причем начало отсчета смещено в сторону низких температур на 32 градуса.