Физические основы измерений и эталон

3. механика;

4. теплота;

5. электричество и магнетизм;

6. свет и связанные с ним электромагнитные излучения;

7. акустика;

8. физическая химия и молекулярная физика;

9. ионизирующие излучения.

Международная система единиц, СИ (фр. Le Systиme International d'Unitйs, SI) -- система единиц физических величин, современный вариант метрической системы. СИ является наиболее широко используемой системой единиц в мире, как в повседневной жизни, так и в науке и технике. В настоящее время СИ принята в качестве основной системы единиц большинством стран мира и почти всегда используется в области техники, даже в тех странах, в которых в повседневной жизни используются традиционные единицы. В этих немногих странах (например, в США) определения традиционных единиц были изменены таким образом, чтобы связать их фиксированными коэффициентами с соответствующими единицами СИ.

Полное официальное описание СИ вместе с её толкованием содержится в действующей редакции Брошюры СИ (фр. Brochure SI, англ. TheSIBrochure) и Дополнении к ней, опубликованных Международным бюро мер и весов (МБМВ) и представленных на сайте МБМВ^[1][2]. Брошюра СИ издаётся с 1970 года, с 1985 года выходит на французском и английском языках, переведена также на ряд других языков, однако официальным считается текст только на французском языке.

Даты перехода на метрическую систему. Страны, которые не приняли систему СИ в качестве основной или единственной (Либерия, Мьянма, США), отмечены чёрным цветом

Общие сведения

Строгое определение СИ формулируется таким образом:

Международная система единиц (СИ) -- система единиц, основанная на Международной системе величин, вместе с наименованиями и обозначениями, а также набором приставок и их наименованиями и обозначениями вместе с правилами их применения, принятая Генеральной конференцией по мерам и весам (CGPM).

-- Международный словарь по метрологии[3]

СИ была принята XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 году, некоторые последующие конференции внесли в СИ ряд изменений.

СИ определяет семь основных и производные единицы физических величин (далее -- единицы), а также набор приставок. Установлены стандартные сокращённые обозначения для единиц и правила записи производных единиц.

Основные единицы: килограмм, метр, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела. В рамках СИ считается, что эти единицы имеют независимую размерность, то есть ни одна из основных единиц не может быть получена из других.

Производные единицы получаются из основных с помощью алгебраических действий, таких как умножение и деление. Некоторым из производных единиц в СИ присвоены собственные названия, например, радиану.

Приставки можно использовать перед названиями единиц; они означают, что единицу нужно умножить или разделить на определённое целое число, степень числа 10. Например, приставка «кило» означает умножение на 1000 (километр = 1000 метров). Приставки СИ называют также десятичными приставками.

Названия и обозначения единиц

Дорожный указатель в Китае с использованием международного обозначения километра, кратной единицы от единицы СИ

Согласно международным документам (Брошюра СИ, ISO 80000, Международный метрологический словарь^[3]), единицы СИ имеют названия и обозначения. Названия единиц могут записываться и произноситься по-разному на разных языках, например:фр. kilogramme, англ. kilogram, порт. quilograma, валл. cilogram, болг. килограм, греч. чйлйьгсбммп, кит. ђзЌЋ, яп. ѓLѓЌѓOѓ‰ѓЂ. В таблице даны французские и английские названия, указанные в международных документах. Обозначения единиц, согласно Брошюре СИ, являются не сокращениями, а математическими объектами (фр. entitйs mathйmatiques, англ. mathematical entities). Они входят в международную научную символику ISO 80000 и от языка не зависят, например: kg. В международных обозначениях единиц используются буквы латинского алфавита, в отдельных случаях греческие буквы или специальные символы.

Однако на постсоветском пространстве (СНГ, СНГ-2, Грузия) и в Монголии, где принят алфавит на основе кириллицы, наряду с международными обозначениями (а фактически -- вместо них) используются обозначения, основанные на национальных названиях: «килограмм» -- кг, груз. ????????? -- ??, азерб. kiloqram -- kq. С 1978 года русские обозначения единиц подчиняются тем же правилам написания, что и международные (см. ниже).

В России действует ГОСТ 8.417--2002, предписывающий обязательное использование единиц СИ. В нём перечислены единицы физических величин, разрешённые к применению, приведены их международные и русские обозначения и установлены правила их использования.

По этим правилам, при договорно-правовых отношениях в области сотрудничества с зарубежными странами, а также в поставляемых за границу вместе с экспортной продукцией технических и других документах разрешается применять только международные обозначения единиц. Применение международных обозначений обязательно также на шкалах и табличках измерительных приборов. В остальных случаях, например, во внутренних документах и обычных публикациях можно использовать либо международные, либо русские обозначения. Не допускается одновременно применять международные и русские обозначения, за исключением публикаций по единицам величин.

Названия единиц подчиняются грамматическим нормам того языка, в котором используются: один моль, два моля, пять молей; рум. cinci kilograme, treizeci de kilograme. Обозначения единиц не изменяются: 1 mol, 2 mol, 5 mol; 1 моль, 2 моль, 5 моль; 5 kg, 30 kg. Грамматической особенностью ряда названий единиц в русском языке является счётная форма: пятьдесят вольт, сто ватт^.

6. Основные единицы Международной системы единиц (СИ)

Семь единиц измерения основных величин Международной системы величин, принятые Генеральной конференцией по мерам и весам. Основными величинами Международной системы величин являются длина, масса, время, электрический ток, термодинамическая температура, количество вещества и сила света. Единицы измерения для них -- основные единицы СИ -- метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и канделасоответственно^[1][2].

Полное официальное описание основных единиц СИ, а также СИ в целом вместе с её толкованием содержится в действующей редакции Брошюры СИ (фр. Brochure SI, англ. TheSIBrochure) и Дополнении к ней, опубликованных Международным бюро мер и весов (МБМВ) и представленных на сайте МБМВ^[1][3].

Остальные единицы СИ являются производными и образуются из основных с помощью уравнений, связывающих друг с другом физические величины Международной системы величин.

Основная единица может использоваться и для производной величины той же размерности. Например, количество осадков определяется как частное от деления объёма на площадь и в СИ выражается в метрах. В этом случае метр используется в качестве когерентной производной единицы^[2].

Наименования и обозначения всех единиц СИ пишутся маленькими буквами (например, метр и его обозначение м). У этого правила есть исключение: обозначения единиц, названных фамилиями учёных, пишутся с заглавной буквы (например, ампер обозначается символом А).

Многие внесистемные единицы, такие, как, например, тонна, час, литр и электронвольт не входят в СИ, но они «допускаются к применению наравне с единицами СИ»^[4].

Основные единицы СИ. Сводная таблица

В таблице представлены все основные единицы СИ вместе с их определениями, обозначениями, физическими величинами, к которым они относятся, а также кратким обоснованием их происхождения.

7. Метрологические характеристики СИ

Оценка пригодности средств измерений для решения тех или иных измерительных задач проводится путем рассмотрения их метрологических характеристик.

Метрологическая характеристика (МХ) - характеристика одного из свойств средства измерений, влияющая на результат измерений и его погрешность. Метрологические характеристики позволяют судить об их пригодности для измерений в известном диапазоне с известной точностью. Метрологические характеристики, устанавливаемые нормативными документами на средства измерений, называют нормируемыми метрологическими характеристиками, а определяемые экспериментально - действи-тельными.

Для каждого типа СИ устанавливаются свои метрологические характеристики. Ниже рассматриваются наиболее распространенные на практике метрологические характеристики.

Диапазон измерений СИ - область значений величины, в пределах которой нормированы его допускаемые пределы погрешности. Для мер это их номинальное значение, для преобразователей -- диапазон преобразования. Различают нижний и верхний пределы измерений, которые выражаются значениями величины, ограничивающими диапазон измерений снизу и сверху.

Погрешность СИ -- разность между показанием средства измерений - Х_п и истинным (действительным) значением измеряемой величины - Х _д.

Существует распространенная классификация погрешностей средств измерений. Ниже приводятся примеры их наиболее часто используемых видов.

Абсолютная погрешность СИ - погрешность средства измерений, выраженная в единицах измеряемой величины: Х = Х_п - Х_д. Абсолютная погрешность удобна для практического применения, т.к. дает значение погрешности в единицах измеряемой величины. Но при ее использовании трудно сравнивать по точности приборы с разными диапазонами измерений. Эта проблема снимается при использовании относительных погрешностей.

Если абсолютная погрешность не изменяется во всем диапазоне измерения, то она называется аддитивной, если она изменяется пропорционально измеряемой величине (увеличивается с ее увеличением), то она называется мультипликативной

Относительная погрешность СИ - погрешность средства измерений, выраженная отношением абсолютной погрешности СИ к результату измерений или к действительному значению измеренной величины: = Х / Х_д. Относительная погрешность дает наилучшее из всех видов погрешностей представление об уровне точности измерений, который может быть достигнут при использовании данного средства измерений. Однако она обычно существенно изменяется вдоль шкалы прибора, например, увеличивается с уменьшением значения измеряемой величины. В связи с этим часто используют приведенную погрешность.

Приведенная погрешность СИ - относительная погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности средства измерений к условно принятому значению величины Х_N, которое называют нормирующим: = Х / Х_N..

Относительные и приведенные погрешности обычно выражают либо в процентах, либо в относительных единицах (долях единицы).

Для показывающих приборов нормирующее значение устанавливается в зависимости от особенностей и характера шкалы. Приведенные погрешности позволяют сравнивать по точности средства измерений, имеющие разные пределы измерений, если абсолютные погрешности каждого из них не зависят от значения измеряемой величины.

По условиям проведения измерений погрешности средств измерений подразделяются на основные и дополнительные.

Основная погрешность СИ - погрешность средства измерений, применяемого в нормальных условиях, т.е. в условиях, которые определены в НТД не него как нормальные. Нормальные значения влияющих величин указываются в стандартах или технических условиях на средства измерений данного вида в форме номиналов с нормированными отклонениями. Наиболее типичными нормальными условиями являются:

- температура (20 5)С;

- относительная влажность (65±15) %;

- атмосферное давление (100±4) кПа или (750±30) мм рт. ст.;

- напряжение питания электрической сети 220 В ± 2 % с частотой 50 Гц.

Иногда вместо номинальных значений влияющих величин указывается нормальная область их значений. Например, влажность (30 - 80) %.

Дополнительная погрешность СИ - составляющая погрешности СИ, возникающая дополнительно к основной погрешности вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин от нормального ее значения. Деление погрешностей на основные и дополнительные обусловлено тем, что свойства средств измерений зависят от внешних условий.

Погрешности по своему происхождению разделяются насистематические и случайные.

Систематическая погрешность СИ - составляющая погрешности средства измерений, принимаемая за постоянную или закономерно изменяющуюся. Систематические погрешности являются в общем случае функциями измеряемой величины и влияющих величин (температуры, влажности, давления, напряжения питания и т.п.).

Случайная погрешность СИ - составляющая погрешности средства измерений, изменяющаяся случайным образом. Случайные погрешности средств измерений обусловлены случайными изменениями параметров составляющих эти СИ элементов и случайными погрешностями отсчета показаний приборов.

При конструировании прибора его случайную погрешность стараются сделать незначительной в сравнении с другими погрешностями. У хорошо сконструированного и выполненного прибора случайная погрешность незначительна. Однако при увеличении чувствительности средств измерений обычно наблюдается увеличение случайной погрешности. Тогда при повторных измерениях одной и той же величины в одних и тех же условиях результаты будут различными. В таком случае приходится прибегать многократным измерениям и к статистической обработке получаемых результатов. Как правило, случайную погрешность приборов снижается до такого уровня, что проводить многократные измерений нет необходимости.

Стабильность СИ -- качественная характеристика средства измерений, отражающая неизменность во времени его метрологических характеристик.

Градуировочная характеристика СИ - зависимость между значениями величин на входе и выходе средства измерений, полученная экспериментально. Может быть выражена в виде формулы, графика или таблицы.

8. Принципы, методы и методики измерений

Наряду с рассмотренными выше основными характеристиками измерений, в теории измерений рассматриваются такие их характеристики, как принцип и метод измерений.

Принципизмерений - физическое явление или эффект, положенное в основу измерения. Например, использование силы тяжести при измерении массы взвешиванием.

Метод измерений - прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Как правило, метод измерений обусловлен устройством средств измерений. Некоторыми примерами распространенных методов измерений являются следующие методы.

Метод непосредственной оценки - метод, при котором значение величины определяют непосредственно по показывающему средству измерений. Например, взвешивание на циферблатных весах или измерение давления пружинным манометром.

Дифференциальный метод - метод измерений, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, и при котором измеряется разность между этими двумя величинами. Этот метод может дать очень точные результаты. Так, если разность составляет 0,1 % измеряемой величины и оценивается прибором с точностью до 1 %, то точность измерения искомой величины составит уже 0,001 %. Например, при сравнении одинаковых линейных мер, где разность между ними определяется окулярным микрометром, позволяющим ее оценить до десятых долей микрона.

Нулевой метод измерений - метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля. Мера - средство измерений, предназначенное для воспроизведения и хранения физической величины. Например, измерение массы на равноплечных весах при помощи гирь. Принадлежит к числу очень точных методов.

Метод сравнения с мерой - метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают величиной, воспроизводимой мерой. Например, измерение напряжения постоянного тока на компенсаторе сравнением с известной ЭДС нормального элемента. Результат измерения при этом методе либо вычисляют как сумму значения используемой для сравнения меры и показания измерительного прибора, либо принимают равным значению меры. Существуют различные модификации этого метода:

- метод измерения замещением (измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины, например, при взвешивании поочередным помещением массы и гирь на одну и ту же чашку весов),

- метод измерений дополнением, в котором значение измеряемой меры дополняется мерой этой же величины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению.

Заключение

Таким образом, в пособии последовательно рассмотрены вопросы измерение физических величин и их единиц измерения. Даны такие понятия, как физическая величина и её числовое значение, размерность, системы единиц измерения физических величин, общие представления о масштабах физических величин. В определенной последовательности представлены физические измерения в модельных и аналоговых экспериментах, различные виды подобий, измерительные устройства, естественные пределы измерений. Рассмотрены некоторые факторы, влияющие на точность измерений (шумы в измерительных устройствах) и причины их возникновения. Большое внимание в конспекте уделено методам и приборам для измерения времени, линейных и угловых размеров, массы, температуры. Довольно просто рассмотрены принцип действия и устройство приборов для измерения различных электрических параметров, применение явления ферромагнетизма в качестве метода и средства измерения, средства и методы дозиметрии. Особо необходимо отметить наличие в пособии раздела по физическим основам акустических измерений и методов контроля, определяющего специфику проведения комплексных измерений при изучении физических свойств вещества. При этом кратко в доступной форме представлены такие вопросы, как физическая модель сплошной среды, уравнение движения и уравнение неразрывности, волновые уравнения для газов, жидкостей и твердых тел, а также звуковые (ультразвуковые) волны, акустические свойства вещества и основанные на них акустические методы измерения и контроля. Представлены методы акустического контроля, основанные на использовании бегущих волн и на регистрации акустических волн, возникающих в материалах и изделиях, достаточно кратко ультразвуковая дефектоскопия материалов и медицинская диагностика. Организация лекционного курса на базе экономичной затраты студенческого и преподавательского времени, предусмотренная настоящим пособием, полностью отвечает основным задачам курса "Физические основы измерений": развитие логического мышления, расширение представлений о многообразии свойств материи, подготовка к усвоению последующих дисциплин рабочего учебного плана.

Библиографический список

1. Михайлов И. Г., Соловьев В. Л., Сырников Ю. П. Основы молекулярной акустики. М.: Наука, 1963. 514с.

2. Шутилов В. А. Основы физики ультразвука. Л.: ЛГУ, 1980. 183 с.

3. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. М.: Из-во. иностр. литерат., 1956. 726 с.

4. Лепендин Л. Ф. Акустика. М.: Высшая школа, 1978, 447 с.

5. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Гл. ред. И.П. Голя- мина. М.: Советская энциклопедия, 1979. 400 с.

6. Ратинская И. А. О затухании звука в эмульсиях //Акуст. журн. 1962. Т.8. № 2. С. 210-23.

7. Полунин В. М. Микронеоднородность магнитной жидкости и распространение звука в ней // Акуст. журн. 1985. Т.32. № 2. С.234-238.

8. Полунин В. М. Влияние внутреннего теплообмена в магнитной жидкости на ее упругие свойства // Магнитная гидродинамика. 1981. № 2. С.138-139.

9. Кольцова И. С., Михайлов И. Г. Ослабление и рассеяние ультразвуковых волн во взвесях. //Акуст. журн. 1975. Т.22. № 17. С. 568-575.

10. Колесников А. Е. Ультразвуковые измерения. М.: Стандартгиз. 1970. 283 с. 11. О методике измерения поглощения ультразвука в магнитной жидкости. Полунин В. М., Чернышова А. А., Аксенова Т. И. и др. М., ВИНИТИ, 1984. - 18 с.

12. Полунин В. М., Рослякова Л. И. О зависимости скорости звука в магнитной жидкости от напряженности магнитного поля и частоты колебаний // Магнитная гидродинамика. 1985. № 17. С. 59- 65.

13. Шутилов В. А. Способы измерений абсолютной интенсивности ультразвука. Л.: ЛДНТП, 1959.

14. Михайлов И. Г., Полунин В. М. О влиянии смачиваемости поверхности, излучающей ультразвук, на отрыв пузырьков от нее // Акустический журнал. 1974. Т.19, 4. С.462-464. Размещено на Allbest.ru