Системы единиц измерения.
Объектом измерения являются физические величины, которые делятся на основные и производные.
Основные физ. величины входят в систему величин и не зависят друг от друга. Они используются для установления связей с другими физ. величинами.
Производные физические величины входят в систему величин и определяются через уравнения, связывающие их с основными физическими величинами.
Основным величинам соответствуют основные единицы измерений, а производным - производные единицы измерений.
Совокупность основных и производных единиц называют системой единиц физических величин.
Первой системой единиц считается метрическая система, где за основную единицу длины был принят метр, за единицу массы — грамм, т. е. масса 1 см3 химически чистой воды при температуре плюс 4 °С. В 1799г. были изготовлены первые прототипы (эталоны) метра и килограмма. Кроме этих единиц метрическая система в своем первоначальном варианте включала еще единицу площади - ар (площадь квадрата со стороной 10 м), единицу объема — стер (куб с ребром 10 м) и единицу емкости — литр (куб с ребром 0,1 м).
В 1832г. было введено понятие системы единиц (совокупность основных и производных единиц). В качестве основных единиц были приняты: единица длины миллиметр, единица массы - миллиграмм, единица времени - секунда. Эту систему единиц назвали абсолютной.
В 1881г. была принята система единиц физических величин СГС, названная по начальным буквам основных величин: сантиметр, грамм, секунда.
В начале XX в. была предложена еще одна система единиц, получившая название МКСА (в русской транскрипции). Основные единицы этой системы: метр, килограмм, секунда, ампер; производные: единица силы — ньютон, единица энергии — джоуль, единица мощности - ватт.
Необходимость в единстве измерений появилась давно, но даже сейчас некоторые страны не отказались от исторически сложившихся у них единиц измерения. Так в Великобритании, США, Канаде основной единицей массы считается фунт, причем его величина в Системе британских имперских мер и старой Системе винчестерских мер различна.
Сегодня широкое распространение получила Международная система единиц СИ, основными единицами которой являются:
· единица длины - метр, равен длине пути, которую проходит свет в вакууме за 1/299792458 долю секунды;
· единица массы — килограмм, равен массе международного прототипа килограмма, представляющего собой цилиндр из сплава платины и иридия;
· единица времени – секунда, равна продолжительности9192631770 периодов излучения, соответствующих переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения со стороны внешних полей;
· единица силы электрического тока — ампер, равен силе неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызывает на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия,равную 2 • 10 -7 Н;
· единица термодинамической температуры - кельвин, равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды (допускается также применение шкалы Цельсия);
· единица количества вещества - моль, количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в углероде-12 массой 0,012 кг;
· единица силы света — кандела, сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540 • 1012 Гц, энергетическая сила излучения которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср (ватт на стерадиан).
Кроме основных единиц в системе СИесть дополнительные единицы для измерения плоского и телесного углов - радиан и стерадиан соответственно, а также большое число производных единиц пространства и времени, физических величин в механике, электронике, акустике и т. д. Используются также и внесистемные единицы, например, тонна, сутки, литр, гектар и др.
1.2.3 Средства измерения.Для измерения физической величины применяют технические средства, которые называются средствами измерений.
Средство измерения — это техническое средство, предназначенное для измерения, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени. Средства измерения — это основа метрологического обеспечения, они имеют нормированные погрешности.
Средства измерения основаны на использовании различных физических эффектов, например, пьезо- и термоэлектрические, эффекты Холла и Фарадея, фотоэлектрические и др.
К средствам измерений относятся: меры, измерительные преобразователи, приборы, системы и установки, принадлежности.
Измерительный преобразователь — это техническое средство, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Основной метрологической характеристикой измерительного преобразователя считается соотношение между входной и выходной величинами, которое называется функцией преобразования. К измерительным преобразователям относятся термопары, измерительные трансформаторы и усилители, преобразователи давления.
Не следует отождествлять измерительные преобразователи с преобразовательными элементами, например, трансформатор не имеет метрологических характеристик.
Первичные преобразователи непосредственно воспринимают информацию об измеряемой величине; передающие — преобразуют информацию в форму, удобную для ее регистрации или передачи на расстояние; промежуточные преобразователи работают как первичные или передающие, так и в их сочетании, не изменяя вид физической величины.
Измерительные приборы – средства измерений, предназначенные для переработки сигнала измерительной информации в другие формы, доступные для непосредственного восприятия наблюдателем. Различают приборы прямого действия и приборы сравнения.
Приборы прямого действия отображают измеряемую величину на показывающем устройстве, имеющем градуировку в соответствующих единицах физической величины, например, амперметры, вольтметры и т. п.
Приборы сравнения (компараторы) сравнивают измеряемые величины с величинами, значения которых известны, например, электроизмерительные потенциометры.
Измерительные системы и установки — это совокупность функционально объединенных автоматизированных или автоматических средств измерения, предназначенных для измерения одной или нескольких физических величин объекта измерений.
Измерительные принадлежности - вспомогательные средства, используемые для обеспечения необходимых условий чтобы выполнить измерения с требуемой точностью. Например, психрометр используется при измерении параметра объекта, если оговаривается влажность окружающей среды.
По метрологическому назначению средства измерений делятся на рабочие средства измерения и эталоны.
По способу отсчета измеряемой величины средства измерения, как правило, делятся на показывающие (например, аналоговые и цифровые) и регистрирующие (бумажная или магнитная лента).
1.2.4 Погрешности измерений. ПрименениеСИдля получения значения некоторой измеряемой величины неразрывно связано с понятием точности измерений. Точность измерения– это степень приближения результатов измерения к некоторому действительному значению физической величины. Чем меньше точность, тем больше погрешность (и наоборот). Даже самые точные приборы не могут показать действительного значения измеряемой величины. Обязательно существует погрешность измерения, причиной которой могут быть различные факторы.
Погрешности могут быть:
· систематические, например, неисправность в самом СИ (градуировка, калибровка, настройка СИ);
· случайные, вызванные неправильным функционированием механических или электрических элементов СИ;
· грубые, допускаемые самим исполнителем измерений; грубая неисправность СИ или резкое изменение условий измерений.
Полностью исключить погрешности практически невозможно, но можно установить пределы допустимых и возможных погрешностей измерения, которые м.б. учтены при проведении измерений.
Погрешностью Δ(ХИЗМ) называют отклонение результата измерения от истинного или действительного значения измеряемой величины.
Погрешность может быть абсолютной, относительной и приведенной.
Абсолютная – разность между измеренной величиной и её истинным или действительным значением, т.е.
Δ = Х – ХИ или Δ = Х – ХД. (1-2)
Относительная –отношение измеряемой величины к её истинному значению в долях или процентах:
δ = ± Δ/ ХИ или δ =(± Δ/ ХИ ) *100. (1-3)
Приведенная –отношение абсолютной погрешности к разности её максимального и минимального отклонений – в долях или процентах:
γ = ± Δ/ (Х max – Хmin) или γ = ± Δ/ (Х max – Хmin) * 100 (1-4)
При многократных измерениях в качестве истинного значения используют, как правило, среднее арифметическое значение:
ХСР = (Х1 + Х2 + Х3 +Х4 + . . + ХN ):N = 1/N(Σ Хi) (1-5)
Абсолютная погрешность, в отличие от относительной и приведенной, всегда имеет ту же размерность, что и измеряемая величина.
Для более точной оценки истинности измеряемой величины определяют среднеквадратическое отклонение.
1.2.5 Эталоны. Эталон - это высокоточная мера, предназначенная для воспроизведения и хранения единицы физической величины для передачи ее размера другим средствам измерения. От эталона единица физической величины передается разрядным эталонам, а от них к рабочим средствам измерения.
Государственный (национальный) эталон единицы величины - эталон единицы величины, признанный решением уполномоченного на то федерального органа в качестве исходного на территории своего государства.
Эталоны классифицируют на первичные, вторичные и рабочие.
Первичный эталон — это эталон, воспроизводящий единицу физической величины с наивысшей точностью.
Первичному эталону соподчинены вторичные и рабочие (разрядные) эталоны.
Вторичные эталоны иногда называют «эталоны — копии».
Рабочие эталоны воспринимают размер единицы от вторичных эталонов и служат для передачи размера менее точному рабочему эталону (если существует эталон более низкого разряда) или рабочим средствам измерений, инструменту.
Стандартные образцы состава, свойств веществ и материалов внесены в российский государственный Реестр средств измерений, который содержит около 10 тыс. типов стандартных образцов (СО), используемых для метрологического обеспечения контроля — градуировки средств измерений.
Стандартные справочные данные внесены в банк данных о свойствах материалов и веществ, ведение которого поручено Государственной службе стандартных справочных данных (ГСССД) о физических константах и свойствах материалов и веществ.
Уровни точности измерений приведены на рисунке 1.3
 |
Наивысшая точность
Высшая точность
Высокая точность
Рисунок 1.3 Уровни точности измерений
1.2.6 Поверка и калибровка СИ.Поверка средств измерений это совокупность операций, выполняемых органами Государственной метрологической службы или другими уполномоченными органами и организациями с целью определения пригодности и подтверждения соответствия СИ - установленным обязательным требованиям.
Поверку средств измерений производят при их выпуске или после ремонта, при ввозе в страну и в процессе эксплуатации.
Результатом поверки является подтверждение пригодности средств измерений к применению или признание их непригодными к применению. Поверенным СИ выдается Свидетельство о поверке и (или) ставится поверительное клеймо.
Калибровка средства измерений (калибровочные работы) — это совокупность операций, выполняемых с целью определения и подтверждения действительных значений метрологических характеристик и (или) пригодности к применению СИ, не подлежащего государственному метрологическому контролю и надзору.
Для проведения калибровочных работ создана Российская система калибровки(РСК) — совокупность субъектов деятельности и калибровочных работ, направленных на обеспечение единства измерений в сферах, не подлежащих государственному метрологическому контролю и надзору. Система калибровки действует на основе специально установленных требований к организации и проведению калибровочных работ. Российская система калибровки заменяет ведомственную поверку и метрологическую аттестацию средств измерений.
Контрольные вопросы
1. Что такое «измерение», цель измерений?
2. Основное уравнение измерений и его смысл
3. Классификация видов измерений по способу, методам, точности и другим критериям, назовите основные виды измерений
4. Назовите виды физических величин, основные и производные физические величины
5. Назовите основные единицы физических величин Международной системы единиц СИ
6. Дайте определения понятию «средство измерений»
7. Погрешность, виды погрешностей
8. Что такое «эталон», какие виды эталонов бывают
9. В чем разница между понятиями «калибровка» и «поверка» применительно к средствам измерений?
Дата добавления: 2015-11-26; просмотров: 6971;