Какие системы измерения существуют

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 см 3 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 • 10 12 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(Х_ИЗМ) 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 – Х_И или Δ = Х – Х_Д. (1-2)

Относительная –отношение измеряемой величины к её истинному значению в долях или процентах:

δ = ± Δ/ Х_И или δ =(± Δ/ Х_И ) *100. (1-3)

Приведенная –отношение абсолютной погрешности к разности её максимального и минимального отклонений – в долях или процентах:

γ = ± Δ/ (Х _max – Х_min) или γ = ± Δ/ (Х _max – Х_min) * 100 (1-4)

При многократных измерениях в качестве истинного значения используют, как правило, среднее арифметическое значение:

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

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.

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?

В мире существовало и существует до сих пор множество различных систем измерения величин. Они служат для того, чтобы люди могли обмениваться различной информацией, например, при совершении сделок, назначении препаратов или разработке руководств к использованию техники. Для того чтобы не возникало путаницы, была разработана Интернациональная система измерения физических величин.

Что такое система измерения физических величин?

Такое понятие, как система единиц физических величин, или просто система СИ, часто может встретиться не только на школьных уроках физики и химии, но и в повседневной жизни. В современном мире люди как никогда нуждаются в том, чтобы определенная информация – например, время, вес, объем – была выражена наиболее объективно и структурировано. Именно для этого и была создана единая система измерений – совокупность официально принятых единиц измерений, рекомендуемых для использования в быту и науке.

Какие системы измерения существовали до появления системы СИ

Конечно, потребность в мерах существовала у человека всегда, однако, как правило, эти меры не были официальными, определялись через подручные материалы. А значит, не имели эталона и могли различаться от случая к случаю.

Ярким примером может служить принятая на Руси система мер длины. Пядь, локоть, аршин, сажень – все эти единицы изначально были привязаны к частям тела – ладони, предплечью, расстоянию между раскинутыми руками. Конечно, в результате конечные измерения были неточными. Впоследствии государство прилагало усилия, чтобы стандартизировать эту систему измерения величин, но она все равно оставалась неидеальной.

В других странах существовали свои системы измерения физических величин. Например, в Европе была распространена английская система мер – футы, дюймы, мили и др.

Зачем нужна система СИ?

В XVIII-XIX веках процесс глобализации стал активным. Все больше стран начали устанавливать международные контакты. Кроме того, своего апогея достигла научно-техническая революция. Ученые по всему миру не могли эффективно обмениваться результатами своих научных изысканий из-за того, что они пользовались разными системами измерения физических величин. Во многом из-за таких нарушений связей внутри мирового научного сообщества многие физические и химические законы «открывались» несколько раз разными учеными, что сильно тормозило развитие науки и техники.

Таким образом, сформировалась потребность в единой системе измерения физических единиц, которая бы не только позволила ученым по всему миру сверять результаты своих трудов, но и оптимизировала процесс мировой торговли.

История возникновения Международной системы измерения

Для того чтобы структурировать физические величины и измерение физических величин, система единиц, единая для всего мирового сообщества, стала необходима. Однако создать такую систему, которая бы отвечала всем требованиям и была наиболее объективной, – это действительно трудная задача. Основой будущей системы СИ стала метрическая система, которая получила свое распространение в XVIII веке после Великой французской революции.

Точкой отсчета, с которой началось развитие и совершенствование Интернациональной системы измерения физических величин, можно считать 22 июня 1799 года. Именно в этот день были утверждены первые эталоны – метр и килограмм. Они были выполнены из платины.

Несмотря на это, официально Международная система единиц была принята только в 1960 году на 1-й генеральной конференции по мерам и весам. В нее были включены 6 основных единиц измерения физических величин: секунда (время), метр (длина), килограмм (масса), кельвин (термодинамическая температура), ампер (сила тока), кандела (сила света).

В 1964 году к ним была добавлена седьмая величина – моль, которой измеряется количество вещества в химии.

Кроме того, существуют также производные единицы, которые могут быть выражены через основные с помощью простейших алгебраических действий.

Основные единицы измерения в системе СИ

Так как основные единицы системы физических величин должны были быть максимально объективными и не зависеть от внешних условий, таких как давление, температура, расстояние от экватора и другие, то к формулированию их определений и эталонов нужно было отнестись фундаментально.

Рассмотрим каждую из основных единиц системы измерения физических величин подробнее.

• Секунда. Единица измерения времени. Это относительно легкая для выражения величина, так как она напрямую связана с периодом обращения Земли вокруг Солнца. Секунда – это 1/31536000 года. Существуют, однако, и более сложные способы замерить эталон секунды, связанные с периодами излучения атома цезия. Этот способ сводит погрешность к минимуму, чего требует современный уровень развития науки и технологий.

• Метр. Единица измерения длины и расстояний. В разное время метр пытались выразить как часть экватора или с помощью математического маятника, но все эти способы были недостаточно точными, так что конечное значение могло варьироваться в пределах миллиметров. Такая погрешность является критической, поэтому долгое время ученые искали более точные способы определения эталона метра. На данный момент за один метр принята длина пути, проходимого светом за (1/299 792 458) секунды.

• Килограмм. Единица измерения массы. На сегодняшний день килограмм является единственной величиной, определяемой через вещественный эталон, который хранится в штаб-квартире Международного бюро мер и весов. Со временем эталон немного изменяет свою массу из-за процессов коррозии, а также скопления пыли и других мелких частиц на его поверхности. Именно поэтому планируется и его величину в скором времени выразить через фундаментальные физические свойства.

• Кельвин. Единица измерения термодинамической температуры. Кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Это такая температура, при которой вода находится сразу в трех состояниях — жидком, твердом и газообразном. Градусы Цельсия переводятся в Кельвины по формуле: t К = t C° + 273
• Ампер. Единица измерения силы тока. Неизменяющийся ток, при прохождении которого по двум параллельным прямым проводникам с минимальной площадью сечения и бесконечной длиной, находящимся на расстоянии 1 метра друг от друга (на каждом участке этих проводников возникает сила, равная 2·10 -7 Н), равен 1 амперу.
• Кандела. Единица измерения силы света – светимости источника в определенном направлении. Специфическая величина, которая крайне редко используется на практике. Значение единицы выводится через частоту излучения и энергетическую силу света.
• Моль. Единица количества вещества. На данный момент моль – это единица, являющаяся разной для разных химических элементов. Она численно равна массе мельчайшей частицы этого вещества. В будущем планируется точно выразить один моль, используя число Авогадро. Для этого, однако, требуется уточнить значение самого числа Авогадро.

Приставки, принятые в системе СИ и что они означают

Для удобства использования основных единиц физических величин в системе СИ на практике был принят перечень универсальных приставок, с помощью которых образуются дробные и кратные единицы.

Производные единицы

Очевидно, что существует намного больше семи физических величин, а значит, нужны и единицы, в которых эти величины должны измеряться. Для каждой новой величины выводится новая единица, которая может быть выражена через основные с помощью простейших алгебраических действий, например деления или умножения.

Интересно, что, как правило, производные единицы называются в честь великих ученых или исторических лиц. К примеру, единица измерения работы – Джоуль или единица измерения индуктивности – Генри. Существует множество производных единиц – всего более двадцати.

Внесистемные единицы

Несмотря на широкое распространение и повсеместное применение единиц системы физических величин СИ, во многих отраслях все еще применяются на практике внесистемные единицы измерения. Например, в судоходстве – морская миля, в ювелирном деле – карат. В повседневной жизни нам известны такие внесистемные единицы, как сутки, процент, диоптрия, литр и многие другие.

Нужно помнить, что, несмотря на их привычность, при решении физических или химических задач внесистемные единицы нужно обязательно переводить в единицы измерения физических величин в системе СИ.

Читайте также:

1. Обработки результатов совместных измерений.
2. Характеристики погрешностей измерений. Формы представления

Классификация видов измерений представлена на рис.3. Измерения различают по способу получения информации, по характеру изменений измеряемой величины в процессе измерений, по количеству измерений, по способу выражения результатов измерения.

По способу получения значений физической величины измерения могут быть прямыми, косвенными, совокупными и совместными, каждое из которых проводится абсолютным и относительным методами (см. п. 3.2.).

Рис. 3. Классификация видов измерений

Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. Примерами прямых измерений являются определения длины с помощью линейных мер или температуры термометром. Прямые измерения составляют основу более сложных косвенных измерений.

Косвенное измерение –измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, полученными прямыми измерениями, например, тригонометрические методы измерения углов, при которых острый угол прямого треугольника определяют по измеренным длинам катетов и гипотенузы или измерение среднего диаметра резьбы методом трех проволочек или, мощности электрической цепи по измеренным вольтметром напряжению и амперметром силе тока, используя известную зависимость. Косвенные измерения в ряде случаев позволяют получить более точные результаты, чем прямые измерения. Например, погрешности прямых измерений углов угломерами на порядок выше погрешностей косвенных измерений углов с помощью синусных линеек.

Совместными называют производимые одновременно измерения двух или нескольких разноименных величин. Целью этих измерений является нахождение функциональной связи между величинами.

Пример 1. Построение градуировочной характеристики y = f(x) измерительного преобразователя, когда одновременно измеряются наборы значений:

Пример 2. Определение температурного коэффициента сопротивления путем одновременного измерения сопротивления R и температуры t, а затем определение зависимости a(t) = DR/Dt:

Совокупные измерения осуществляются путем одновременного измерения нескольких одноименных величин, при которых искомое значение находят решением системы уравнений, получаемых в результате прямых измерений различных сочетаний этих величин.

Пример: значение массы отдельных гирь набора определяют по известному значению массы одной из гирь и по результатам измерений (сравнений) масс различных сочетаний гирь.

Масса первой гири определится следующим образом:

Масса второй гири определится как разность массы первой и второй гирь М_1,2 и измеренной массы первой гири :

Масса третьей гири определится как разность массы первой, второй и третьей гирь (M_1,2,3) и измеренных масс первой и второй гирь ():

Часто именно этим путем добиваются повышения точности результатов измерения.

Совокупные измерения отличаются от совместных только тем, что при совокупных измерениях одновременно измеряют несколько одноименных величин, а при совместных – разноименных.

Совокупные и совместные измерения часто применяют при измерении различных параметров и характеристик в области электротехники.

По характеру изменения измеряемой величины бывают статические, динамические и статистические измерения.

Статические – измерения неизменных во времени ФВ например, измерение длины детали при нормальной температуре.

Динамические – измерения изменяющихся во времени ФВ, например измерение расстояния до уровня земли со снижающегося самолета, или напряжение в сети переменного тока.

Статистические измерения связаны с определением характеристик случайных процессов, звуковых сигналов, уровня шумов и т.д.

По точности существуют измерения с максимально возможной точностью, контрольно-поверочные и технические.

Измерения с максимально возможной точностью – это эталонные измерения, связанные с точностью воспроизведения единиц физической величины, измерения физических констант. Эти измерения определяются существующим уровнем техники.

Контрольно–поверочные – измерения, погрешность которых не должна превышать некоторое заданное значение. К ним относятся измерения, выполняемые лабораториями государственного надзора за внедрением и соблюдением стандартов и состоянием измерительной техники, измерения заводскими измерительными лабораториями и другие, осуществляемые при помощи средств и методик, гарантирующих погрешность, не превышающую заранее заданного значения.

Технические измерения – измерения, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерений (СИ). Это наиболее массовый вид измерений, проводится с помощью рабочих СИ, погрешность которых заранее известна и считается достаточной для выполнения данной практической задачи.

Измерения по способу выражения результатов измерений могут быть также абсолютными и относительными.

Абсолютное измерение – измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин, а также на использовании значений физических констант. При линейных и угловых абсолютных измерениях, как правило, находят одну физическую величину, например, диаметр вала штангенциркулем. В некоторых случаях значения измеряемой величины определяют непосредственным отсчетом по шкале прибора, отградуированного в единицах измерения.

Относительное измерение – измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы. При относительном методе измерений производится оценка значения отклонения измеряемой величины относительно размера установочной меры или образца. Примером является измерение на оптиметре или миниметре.

По числу измерений различают однократные и многократные измерения.

Однократные измерения – это одно измерение одной величины, т.е. число измерений равно числу измеряемых величин. Практическое применение такого вида измерений всегда сопряжено с большими погрешностями, поэтому следует проводить не менее трех однократных измерений и находить конечный результат как среднее арифметическое значение.

Многократные измерения характеризуются превышением числа измерений количества измеряемых величин. Обычно минимальное число измерений в данном случае больше трех. Преимущество многократных измерений – в значительном снижении влияний случайных факторов на погрешность измерения.

Приведенные виды измерений включают различные методы, т.е. способы решения измерительной задачи с теоретическим обоснованием по принятой методике.

|	следующая лекция ==>
Перспективы развития эталонов	|	Методы измерений. Метод измерений – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным видом измерений

Дата добавления: 2014-01-04 ; Просмотров: 5434 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет