Международная система единиц (СИ)

Международная система единиц – это десятичная система мер и весов, которая основывается на метрической системе и расширяет ее. На всех языках она носит сокращенное наименование СИ. СИ включает семь основных единиц.

Единицей длины в СИ является метр, определяемый как 1.650.763,73 длины волны в вакууме красно-оранжевой линии спектра криптона-86.

Единицей массы в СИ является килограмм, который составляет примерно 2,2 фунта британской системы единиц массы и равен 1.000 граммов (как это определяет платино-иридиевый прототип килограмма, хранящийся в Международном бюро мер и весов в г. Севр, Франция). Это единственная основная единица, которая все еще имеет материальный прототип. Это также единственная единица СИ, имеющая приставку в качестве части наименования и обозначения.

Единицей времени в СИ является секунда, или время, равное 9.192.631.770 периода излучения, соответствующего определенному переходу между уровнями атома цезия-133.

Ампер – единица СИ для электрического тока. Это неизменяющийся ток, вызываемый одним вольтом и поддерживаемый в двух параллельных проводниках, расположенных в вакууме на расстоянии 1 м друг от друга, который генерирует электромагнитную силу в .

Кельвин, который равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды, является единицей СИ для термодинамической температуры. Значение кельвина равно значению градуса Цельсия; однако температура, выраженная в градусах Цельсия, является числовым эквивалентом температуры в кельвинах минус 273,15.

Моль – единица СИ для количества вещества; она содержит столько элементарных частиц вещества, сколько атомов в 0,012 кг углерода-12. Элементарные частицы должны быть точно специфицированы, т.к. они могут быть атомами, электронами, ионами, молекулами, радикалами и др.

Кандела – единица СИ для силы света. Она равна силе излучения черного тела в перпендикулярном направлении с площади в 1/600.000 квадратного метра при температуре затвердевания платины (2.042 кельвина) под давлением 101.325 паскаля, что примерно составляет силу света одной парафиновой свечи.

 

Средства, методы и погрешности измерений

Средства измерения

Для практического измерения единицы величины применяются технические средства, которые имеют нормированные погрешности и называются средствами измерений. К средствам измерений относятся: меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и системы, измерительные принадлежности.

Мерой называют средство измерения, предназначенное для воспроизведения физических величин заданного размера. На практике используют однозначные и многозначные меры, а также наборы и магазины мер. Однозначные меры воспроизводят величины только одного размера (гиря). Многозначные меры воспроизводят несколько размеров физической величины. Например, миллиметровая линейка дает возможность выразить длину предмета в сантиметрах и в миллиметрах.

К однозначным мерам относят 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.

Стандартным образцом является образец чистого цинка, который служит для воспроизведения температуры 419,527°С по международной температурной шкале МТШ-90.

При пользовании мерами следует учитывать номинальное и действительное значения мер, а также погрешность меры и ее разряд. Номинальным называют 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 действительным значениями называется погрешностью меры. Величина, противоположная по знаку погрешности, представляет собой поправку к указанному на мере номинальному значению. Поскольку при аттестации (поверке) также могут быть погрешности, меры подразделяют на разряды (1-го, 2-го и т.д. разрядов) и называют разрядными эталонами (образцовые измерительные средства), которые используют 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 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 это величины. Изменения рода физической величины при этом не происходит. К приборам прямого действия относят, например, амперметры, вольтметры, термометры и т.п.

Приборы сравнения предназначаются для сравнения измеряемых величин с величинами, значения которых известны. Такие приборы широко используются в научных целях, а также и на практике для измерения таких величин, как яркость источников излучения, давление сжатого воздуха и др.

Измерительные установки и системы – это совокупность средств измерений, объединенных по функциональному признаку со вспомогательными устройствами, для измерения одной или нескольких физических 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 величин. Они необходимы для вычисления поправок к результатам измерений, если требуется высокая степень точности.

 

 

Методы измерений

При методе непосредственной оценки численное значение измеряемой величины определяют непосредственно по показанию измерительного прибора (например, измерение напряжения с помощью вольтметра). Быстрота процесса измерения методом непосредственной оценки делает его часто незаменимым для практического использования, хотя точность измерения обычно ограничена.

Метод сравнения – метод измерений, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Это может быть, например, измерение уровня напряжения постоянного тока путем сравнения с ЭДС нормального (эталонного) элемента.

Различают следующие разновидности метода сравнения:

1) Нулевой метод, при котором действие измеряемой величины полностью уравновешивается образцовой.

2) Дифференциальный метод, когда измеряется разница между измеряемой величиной и близкой ей по значению известной эталонной (например, измерение электрического сопротивления методом неуравновешенного моста).

3) Метод замещения, при котором действие измеряемой величины замещается (например, с помощью последовательно проводимых во времени действий) образцовой.

Из всех перечисленных методов нулевой метод обеспечивает наибольшую точность измерений физической величины.

По способу преобразования измеряемой величины и форме представления результата измерения делятся на аналоговые (непрерывные) и цифровые (дискретные).

При аналоговых измерениях измерительный прибор производит непрерывное преобразование измеряемой величины, результатом которого является перемещение указателя относительно шкалы. Заключение о численном значении величины делает оператор, отмечая положение указателя относительно отметок шкалы измерительного прибора. Точность такого измерения ограничивается геометрическими особенностями указателя и шкалы и часто не превышает 0,05 %.

При цифровых измерениях сравнение физической величины с рядом образцовых значений производится в измерительном приборе автоматически, оператор же получает численное значение измеренной величины в цифровой форме. Естественно, что здесь все зависит от точности сравнения в измерительном приборе и, к тому же, исключаются субъективные ошибки оператора. Современные цифровые приборы, как правило, обеспечивают более высокую точность, чем аналоговые.

По характеру изменения измеряемой величины во времени различают статический и динамический режимы измерений.

Статический режим измерений – это режим измерений, при котором средство измерений работает в статическом режиме, т. е. когда выходной сигнал остается неизменным в течение времени его использования.

Динамический режим измерений – это режим измерений, результатом которого является функциональная зависимость измеряемой величины от времени, т.е. когда выходной сигнал средства изменяется во времени, в соответствии с изменением по времени измеряемой величины.

Погрешность измерения

Качество измерений характеризуется: точностью, достоверностью, правильностью, сходимостью и воспроизводимостью измерений.

Точность измерительного прибора это – метрологическая характеристика прибора, определяемая погрешностью измерения, в пределах которой можно обеспечить использование данного измерительного прибора.

Правильность измерений – это качество измерений, отражающее близость к нулю систематических погрешностей в результатах измерений.

Сходимость – это качество измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений одного и того же параметра, выполненных повторно одними и теми же средствами одним и тем же методом в одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью.

Воспроизводимость – это качество измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в различных условиях (в различное время, в различных местах, различными методами и средствами).

Достоверность измерений характеризует степень доверия к результатам измерений. Достоверность оценки погрешностей определяют на основе законов теории вероятностей и математической статистики.

В метрологии используется понятие «класс точности» прибора или меры. Класс точности средства измерений (ГОСТ 8.401-80) является обобщенной характеристикой средства намерений, определяемой пределами основных и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами, влияющими на точность, значения которых устанавливаются в стандартах на отдельные виды средств измерения.

Класс точности характеризует свойства средства измерения, но не является показателем точности выполненных измерений, поскольку при определении погрешности измерения необходимо учитывать погрешности метода, настройки и др.

В зависимости от точности приборы разделяются на классы: первый, второй и т.д. Допускаемые погрешности для разных типов приборов регламентируются государственными стандартами.

Точность – это качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины.

Количественная оценка точности – обратная величина модуля относительной погрешности.

Точность измерения зависит от погрешностей, возникающих в процессе их проведения.

Погрешность метода обуславливается несовершенством метода и приемов использования средств измерений.

Инструментальная погрешность обуславливается погрешностью примененных средств измерений. Например, погрешность из-за неточной градуировки измерительного прибора.

Субъективная погрешность обуславливается несовершенством органов чувств оператора. Основная погрешность – погрешность, возникающая в нормальных условиях применения средства измерения (температура, влажность, напряжение питания и др.), которые нормируются и указываются в стандартах или технических условиях.

Дополнительная погрешность обуславливается отклонением одной или нескольких влияющих величин от нормального значения. Например, изменение температуры окружающей среды, изменение влажности, колебания напряжения питающей сети. Значение дополнительной погрешности нормируется и указывается в технической документации на средства измерения.

Систематическая погрешность – постоянная или закономерно изменяющаяся погрешность при повторных измерениях одной и той же величины в одинаковых условиях измерения. Например, погрешность, возникающая при измерении сопротивления ампервольтметром, обусловленная разрядом батареи питания.

Случайная погрешность – погрешность измерения, характер изменения которой при повторных измерениях одной и той же величины в одинаковых условиях случайный. Например, погрешность отсчета при нескольких повторных измерениях.

Грубая погрешность (промах) – погрешность измерения, которая существенно превышает ожидаемую в данных измерениях.

Статическая погрешность – погрешность при измерении постоянной по времени величины. Например, погрешность измерения неизменного за время измерения напряжения постоянного тока.

Динамическая погрешность – погрешность измерения изменяющейся во времени величины. Например, погрешность измерения коммутируемого напряжения постоянного тока, обусловленная переходными процессами при коммутации, а также ограниченным быстродействием измерительного прибора.

Абсолютная погрешность измерения – разность между результатом измерения и истинным значением измеряемой величины:

Абсолютная погрешность выражается в единицах измеряемой величины.

Относительная погрешность измерения 𝞼 – отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины :

 

𝞼 = =

Относительная погрешность – безразмерная величина. Поскольку истинное значение измеряемой величины неизвестно, то практически используют действительное значение измеряемой величины , и тогда погрешность определяется как разность между измеренным и действительным значением .

∆ =

Действительное значение находят экспериментально, путем применения более точных методов и средств измерений. Обычно за действительное значение принимают показания образцовых средств измерения.
Значение относительной погрешности 𝞼 на практике определяется как отношение абсолютной погрешности к действительному значению:

𝞼 = =

Приведенная погрешность измерения – это отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению :

Нормирующее значение – это установленное значение ширины диапазона или определенное значение, к которому относится выражение значения характеристики.