Метрология (стр. 1 )

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?T?

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 действительное — найденное эксперименталь­но, достаточно близкое к истинному значению физиче­ской величины и которое можно использовать вместо него.