Единицы измерений (ЕИ).

Введение в метрологию. Основные понятия и определения

Термины и определения даны в соответствие с РМГ 29-2013 «Рекомендации по межгосударственной стандартизации. ГСОЕИ. Метрология»

Метрология – синтетическая дисциплина, включающая в себя элементы естественных и инженерных наук, а так же, некоторые аспекты юриспруденции.

Главная задача метрологии – обеспечение единства измерений.

Метрология – учение об измерениях физических величин, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

· Свойство – философская категория, характеризующая такую сторону объекта (процесса или явления), которая обуславливает его различие или общность с другими объектами (процессами или явлениями). Свойство – категория качественная.

· Физическая величина – одно из свойств материального объекта (процесса или явления), качественно общее множеству объектов, но количественно индивидуальное для каждого из них.

· Измерение – основной познавательный процесс науки и техники, посредством которого неизвестная величина количественно сравнивается с однородной с ней известной величиной (единицей величины).

Любая наука начинается тогда, когда решен вопрос измерения изучаемого объекта.

· Измерение (с точки зрения метрологии)– совокупность операций, выполняемых с помощью технического средства, хранящего единицу величины и позволяющего сопоставлять с этой единицей измеряемую величину. Полученное значение величины и есть результат измерения.

Пример: Измерение размера стола:

1. Берем линейку;

2.Сравниваем длину стола с единицей измерений.

3. Определяем количество единиц длины, которые входят в размер стола.

Результатом является числовое значение q:

q= Q/ |Q₀|, где |Q₀| - единица величины, Q – величина.

Таким образом, основное уравнение измерения: Q=q |Q₀|.

Но в метрологии необходимо не только научиться измерять физические величины, главная задача метрологии - обеспечить единство измерений этих величин.

· Единство измерений – такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных (допустимых) единицах величин или в значениях по установленным шкалам измерений, а показатели точности измерений не выходят за установленные границы.

Для обеспечения единства измерений необходимо выполнить два условия:

1. Выразить результаты измерений в общепринятых узаконенных единицах измерения. В РФ, как и в ряде других стран, установлена единая система единиц физических величин СИ (SI). Практические измерения могут проводиться с отклонением от системы СИ, но результаты измерений должны быть переведены в единую систему единиц.

2. Установить допустимые величины погрешности результата измерений, за границы которых не должны выходить действительные погрешности измерений при заданной вероятности и при данном уровне развития науки и техники.

Пример: Точность производства постоянно увеличивается:

60-е годы - 0,03 мм;

80-е годы -0,001 мм;

сейчас 0,0001 мм.

Единицы измерений (ЕИ).

· Единица измерений – это такой размер физической величины, который условно принят за основание масштаба для сравнения с ней величин той же природы.

Изначально люди измеряли время (единицами, связанными с периодами вращением Земли), линейные размеры (единицами, связанными с размерами человеческого тела (Египет: локоть; Русь: аршин, пядь, вершок, сажень; Европа: фут, дюйм, ярд, миля), массу – взвешиванием (единицы измерения разнообразные и условные).

Примеры:

Маховая сажень ≈ росту человека

Косая сажень = от поднятой руки до ступни

Миля ≈ 1,6 км (сухопутная)

Морская миля = 1,852 км соответствует углу 1´ (угловая минута) по поверхности Земли

Русская миля (в 18 веке) ≈ 7,5км

1 дюйм ≈ 3 ячменных зерна положенных в длину.

Но так как размеры у людей разные, то и единицы измерения были нестабильны. Для большего единообразия стремились назначить более стабильные единицы измерений, например, 1фут устанавливался на все время правления короля и приравнивался к длине его ступни.

В конце 18 века во Франции – была введена ЕИ, не связанная с размерами человека, - 1метр. В период Великой Французской революции с 1792 по 1798 г двум астрономам Ж.Б. Деламбру и П.Ф. Мешену было поручено, с наивысшей на тот момент точностью, измерить длину Парижского меридиана.

1 метр приняли равным 1/ 40 милионной меридиана Земли (Парижского). Возможной альтернативой этому метру был «маятниковый метр» -- длина маятника, полупериод качания которого равен 1 с (≈0,981 м).

С 1961 до 1983 г: 1 метр соответствовал длине, равной 1 650 763,73 длин волн в вакууме, излучения, соответствующего переходу между уровнями 2р₁₀и 5d₅атома криптона-86.

С 1983 года метр привязан к скорости света: за 1/ 299 792 458 сек свет в вакууме проходит 1 метр.

В настоящее время для обеспечения единства измерений, а также для развития торговли, науки и международного сотрудничества применяют международную систему единиц SI (system international).

Основные принципы SI:

1. Принято 7 основных единиц (считающихся условно независимыми друг от друга):

1 кг (килограмм) – масса,

1 м (метр) – длина,

1 с (секунда) – время,

1К (Кельвин)– термодинамическая температура;

1 ⁰С = 1 К, но начало отсчета не совпадает.

0 К - абсолютный ноль t⁰ при котором происходит остановка атомов в кристаллических решетках,

1А (ампер) – сила тока,

1 моль – количество вещества,

1 кандела – сила света.

Все остальные единицы системы SI называются производными и получаются по известным зависимостям из основных единиц, обычно без переводных коэффициентов.

Пример: Зная основные формулы механики, где сила F= m*a, работа A=F*s, мощность N=A/t и т.д., можно определить соответствующую соотношению производную единицу измерений:

1H= 1кг*1м/1с², 1Дж= 1H*1м= 1кг*1м²/1с², 1Вт= 1Дж/1с= 1кг*1м²/1с³.

Важным понятием системы единиц является понятие размерности.

Международное обозначение размерности некоторых основных единиц :

кг – M (масса),

с (секунда) – T (время),

м (метр) – L (длина),

К – Q (термодинамическая температура).

В механике размерность любой производной единицы можно описать выражением типа L ^lM ^mT ^t, где l,m,t – степени (целые, дробные, положительные или отрицательные).

Пример:

Размерность описанных в предыдущем примере величин может быть выражена следующим образом:

Сила: L ¹M ¹T ^-2 , Работа: L ²M ¹T ^-2, Мощность: L ²M ¹T ^-3

2. В системе SI единицы физических величин, названные в честь ученых, пишутся с большой буквы: Гц, Дж, Ф, Гн и мн. др.

3. В системе SI удобная дольность и кратность величин:

Увеличивающие:

кило- (к) – 10³, мега- (М)- 10⁶, гига- (Г) – 10⁹; тера- (Т) – 10¹²

Уменьшающие:

Деци- (д) – 10^-1, санти- (с) – 10^-2, мили- (м)- 10^-3, микро- (мк)- 10^-6, нано- (н)- 10^-9.

Пример: 1м = 1 000 000 мкм, 1мм = 10^-3 м = 10³ мкм.

Для хранения и воспроизведения единиц измерения существуют эталоны физических величин.

Эталоны являются исходным звеном в цепи передачи размера единицы измерений рабочим средствам измерений (поверка и калибровка).

Единство измерений подразумевает обеспечение необходимой точности измерений. В метрологии под точностью понимается степень близости результата измерений истинному значению измеряемой величины.

· Точность – понятие качественное (м/б высокой, средней, низкой и т.п.). Для количественной оценки точности применяется понятие погрешность измерений.

Для обеспечения необходимой точности измерений оценивается (вычисляется), определяется величина погрешности измерений, которая и является мерилом точности результата.

· Погрешность измерений – отклонение результата измерений от истинного значения измеряемой величины. Но так как истинное значение величины всегда остается неизвестным, то результатом измерений считается действительное значение величины, определяемое в ходе измерений и имеющее некоторую допустимую погрешность.

Погрешность измерений либо оценивают приближенно, любо вычисляют, используя методы теории вероятности и математической статистики, либо ею пренебрегают, если она достаточно мала.

Пример: при измерении размера детали получили результат 23,97±0,02 мм, где «±0,02» – доверительный интервал, а погрешностью средства измерений пренебрегаем, так как она несущественна (0,005мм).

Строго говоря, результат измерений, это не одна измеренная величина (см. ниже)

· Результатом измерения величины (по РМГ 29-2013) является множество значений величины, приписываемых измеряемой величине вместе с любой другой существенной информацией. В большинстве случаев информация относится к точности измерений или к методике измерений.

Метрология, как область знаний, включает в себя три составляющие:

1. Теоретическая (научная) метрология

1. Законодательная метрология (ЗМ)

3. Практическая (прикладная) метрология

Теоретическая (научная) метрология– раздел метрологии, предметом которого является разработка фундаментальных основ метрологии.

Законодательная метрология (ЗМ) - раздел метрологии, предметом которого является установление обязательных технических и юридических требований по применению единиц величин, эталонов, методов и средств измерений, направленных на обеспечение единства и требуемой точности измерений.

Практическая (прикладная) метрология –раздел метрологии, предметом которого являются вопросы практического применения разработок теоретической метрологии и положений законодательной метрологии.

ЗМ является средством государственного регулирования метрологической деятельности посредством издания законов, законодательных положений, которые вводятся в практику измерений через государственную метрологическую службу и метрологические службы государственных органов управления, метрологические службы предприятий, а также, через физические лица, занимающиеся производственной деятельностью.

К области ЗМ относятся: испытание и утверждение типа средств измерений, их поверка, и калибровка, а также сертификация средств измерений.

Также ЗМ через специальные службы осуществляют государственный метрологический контроль и надзор за всеми средствами измерений (производство не должно запускаться, пока метрологическая служба не произведет проверку приборов).

Метрологические правила и нормы ЗМ гармонизированы с рекомендациями и документами международных организаций по метрологии. Тем самым ЗМ способствует развитию экономических, торговых связей, способствует укреплению международного метрологического сотрудничества.

Законодательной основой в метрологии является закон РФ «Закон об обеспечении единства измерений» (2008г)(первая редакция в 1993г) принят госдумой РФ 11.06.2008, внесены изменения (18.07.2011, 21.07.2014 и 13.07.2015).

В сфере научной и практической метрологии ведущей организацией РФ является ВНИИМ (всероссийский научно исследовательский институт метрологии) им. Д.И.Менделеева* в С-Петербурге, там находятся более 50 государственных первичных эталонов и комплекс прецизионных измерительных средств.

Всего в ведущих метрологических научно-исследовательских иститутах РФ хранится 165 государственных первичных эталонов единиц величин(по состоянию на 13.09.2018г.).

*- Институт носит имя Д.И.Менделеева, в знак признания его великих заслуг, в том числе и в области метрологии. Дмитрий Иванович возглавлял Палату мер и весов России в конце 19 и начале 20 веков.

<== предыдущая лекция	\|	следующая лекция ==>
Определение содержания кальция	\|	Измерительные шкалы

Дата добавления: 2021-01-26; просмотров: 230;