Физические величины как объект измерений

Объектами измерений являются физические величины, которые принято делить на основные и производные.

Основные величины не зависимы друг от друга, но они могут служить основой для установления связей с другими физическими величинами, которые называются производными от них. Например, основной величиной может быть масса, а производной от нее - энергия.

Совокупность основных и производных единиц называется системой единиц физических величин.

Первой системой единиц считается метрическая система, где за основную единицу длины принят метр; за единицу веса - вес 1 см³

химически чистой воды при температуре около +4.° С - грамм.

 

Международная система единиц физических величин

Генеральная конференция по мерам и весам (ГКМВ) в 1954 г. определила место основных единиц физических величин для их использования в международных отношениях: метр, килограмм, секунда, ампер, градус Кельвина и свеча. Это явилось Международной системой единиц - СИ. В СИ указанные выше единицы физических величин означают следующее:

- единица длины - метр - длина пути, которую проходит свет в вакууме за 1/299792458 доли секунды;

- единица массы - килограмм - масса, равная массе международного прототипа килограмма;

- единица времени - секунда - продолжительность в 9192631770 периода излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия - 133 при отсутствии возмущения со стороны внешних полей;

- единица силы электрического тока - ампер - сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 метр от другого в вакууме, создал бы между этими проводниками силу, равную 2 * 10"⁷ Н на каждый метр длины;

- единица термодинамической температуры - кельвин - 1/273,1 б¹ часов 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 нуклиде углерода - 12 массой 0,012 кг;

- единица силы света - канделла - сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540* 10 ¹² Гц, энергетическая сила которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср².

Средства измерений

4. 1. Виды средств измерений

Практическое измерение единицы величины производится с помощью технических средств, именуемых средствами измерений. Все они имеют нормированные погрешности.

К средствам измерений относятся: меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и системы, измерительные принадлежности.

Мерой называется средство измерения, предназначенное для воспроизведения физических величин заданного размера. К данному виду средств измерений относятся гири, концевые меры длины и тому подобное. На практике используют однозначные и многозначные меры, а также наборы и магазины мер.

Однозначные меры воспроизводят величины только одного размера (гиря).

Многозначные меры воспроизводят несколькоразмеров физических величин (например, миллиметровая линейка дает возможность выразить длину предмета и в миллиметрах, и в сантиметрах).

Наборы и магазины мер представляют собой объединение (сочетание) однозначных или многозначных мер для получения возможностивоспроизведения некоторых промежуточных или суммарных значений величины.

Набор мер представляет собой комплекс однородных мер разного размера, что дает возможность применять их в нужных сочетаниях, например, набор лабораторных гирь. Магазин мер - сочетание мер, объединенных конструктивно в одно механическое целое, в котором предусмотрена возможностьпосредством ручных или автоматизированных переключателей, связанных с отсчетным устройством, соединять составляющие магазин меры в нужном сочетании. По такому принципу устроены магазины электрических сопротивлений.

К однозначным мерам относятся стандартные образцы и стандартные вещества. Стандартный образец - это должным образом оформленная проба вещества (материала), которая подвергается метрологической аттестации с целью установления количественного значения определенной характеристики. Эта характеристика (или свойство) является величиной с известным значением при установленных условиях внешней среды. К подобным образцам относятся например, наборы минералов с конкретными значениями твердости (шкала Мооса) для определения этого параметра у различных минералов.

При пользовании мерами следует учитывать номинальное и действительное значения мер, а также погрешность меры и ее разряд. Номинальным называется значение меры, указанное на ней. Действительное значение меры должно быть указано в специальном свидетельстве как результат высокоточного измерения с использованием официального эталона.

Разность между номинальным и действительнымзначениями называется погрешностью меры. Величина, противоположная знаку погрешности, представляет собой поправку к указанному на мере номинальному значению. Поскольку при аттестации (поверке) также могут быть погрешности, меры подразделяются на разряды (первый, второй и другие) и называют их разрядными эталонами (образцовыми измерительными средствами), которые используются для поверки измерительных средств. Величина погрешности меры служит основой для разделения мер на классы, что обычно применимо к мерам, употребляемым для технических измерений.

Измерительный преобразователь -это средство измерений, которое служит для преобразования сигнала измерительной информации в форму, удобную для обработки или хранения, а также передачи в показывающее устройство. Измерительные преобразователи либо входят в конструктивную схему измерительного прибора, либо применяются совместно с ним, но сигнал преобразователя не поддается непосредственному восприятию наблюдателем. Например, преобразователь может - быть необходим для передачи информации в память компьютера, для усиления напряжения и так далее. Преобразуемый показатель называют входной величиной, а результат преобразования - выходной величиной. Основной метрологической характеристикой измерительного преобразователя считается соотношение между входной и выходной величинами, называемое функцией преобразования.

Преобразователи могут быть первичными, передающими, промежуточными. К первичным относятся преобразователи, непосредственно воспринимающие измеряемую величину. В передающих преобразователях измеряемая величина на выходе из преобразователя приобретает форму, удобную для регистрации или передачи на расстояние. К промежуточным преобразователям относятся работающие в сочетании с первичными преобразователями и не влияющие на изменение рода физической величины.

Измерительные приборы - это средства измерений, которые позволяют получать измерительную информацию в форме, удобной для восприятия пользователем. Различаются измерительные приборы прямого действия и приборы сравнения.

Приборы прямого действия отображают измеряемую величину на показывающем устройстве, имеющем соответствующую градуировку в единицах этой величины. Изменения рода физической величины при этом не происходит. К приборам прямого действия относятся, например, амперметры, вольтметры, термометры и тому подобное.

Приборы сравнения предназначаются для сравнения измеряемых величин с величинами, значения которых известны. Измеряются такие величины как яркость источников излучения, давление сжатого воздуха и другие.

Измерительные установки и системы - это совокупность средств измерений, объединенных по функциональному признаку со вспомогательными устройствами, для измерений одной или нескольких величин объекта измерений. Обычно такие системы автоматизированы и обеспечивают ввод информации в систему, автоматизацию самого процесса измерения, обработку и отображение результатов измерений для восприятия их пользователем.

Измерительные принадлежности - это вспомогательные средства измерений величины. Они необходимы для вычисления поправок к результатам измерений, если требуется высокая степень точности. По метрологическому назначению средства измерений делятся на два вида -рабочие средства измерений и эталоны.

Рабочие средства измерений применяют для определения параметров (характеристик) технических устройств, технологических процессов, окружающей среды и другие. Рабочие средства могут быть лабораторными (для научных исследований), производственными (для обеспечения и контроля заданных характеристик технологических процессов), полевыми (для самолетов, автомобилей, судов и т.п.). Каждый из видов рабочих средств отличается особыми показателями. Лабораторные средства измерений - самые точные и чувствительные, а их показания характеризуются высокой стабильностью. Производственные средства измерений - обладают устойчивостью к воздействиям различных факторов производственного процесса: температуры, влажности, вибрации и тому подобное, что может сказаться на достоверности и точности показаний приборов. Полевые средства измерений работают в условиях, постоянно изменяющихся в широких пределах внешних воздействий.

Особым средством измерений является эталон.

 

Эталоны, их классификация

Эталон - это высокоточная мера, предназначенная для воспроизведения и хранения единицы величины с целью передачи ее размера другим средствам измерений. От эталона единица величины передается разрядным эталоном, а от них - рабочими средствами измерений.

Эталоны классифицируют на первичные, вторичные и рабочие.

Первичный эталон - это эталон, воспроизводящий единицу физической величины с наивысшей точностью, возможной в данной области измерений на современном уровне научно-технических достижений. Первичный эталон может быть национальным (государственным) и международным.

Национальный эталон утверждается в качестве исходного средства измерения для страны национальным органом по метрологии. В Казахстане национальные (государственные) эталоны утверждает Госстандарт РК.

Международные эталоны хранит и поддерживает Международное бюро мер и весов (МБМВ).

Первичному эталону соподчинены вторичные и рабочие (разрядные) эталоны. Размер воспроизводимой единицы вторичным эталоном сличается с государственным эталоном. Вторичные эталоны (их иногда называют «эталоны-копии») могут, утверждаются либо Госстандартом РК, либо государственными научными метрологическими центрами. Рабочие эталоны воспринимают размер единицы от вторичных эталонов и в свою очередь служат для передачи размера менее точному рабочему эталону (или эталону более низкого разряда) и рабочим средствам измерений.