Раздел 1. Основы метрологии
1.1. Основные положения и задачи метрологии. Термины и определения.
В практической жизни человек всюду имеет дело с измерениями. На каждом шагу встречаются измерения таких величин, как длина, объем, вес, время и др.
Измерения являются одним из важнейших путей познания природы человеком. Они дают количественную характеристику окружающего мира, раскрывая человеку действующие в природе закономерности. Все отрасли техники не могли бы существовать без развернутой системы измерений, определяющих как все технологические процессы, контроль и управление ими, так и свойства и качество выпускаемой продукций.
Наука, систематизирующая и изучающая единицы измерения – метрология.
Как правило, под метрологией подразумевается наука об измерениях, о существующих средствах и методах, помогающих соблюсти принцип их единства, а также о способах достижения требуемой точности.
Происхождение самого термина «метрология» возводя! к двум греческим словам:
metron, что переводится как «мера», и logos – «учение».
Основные термины и определения, используемые в метрологии, приведены в ГОСТ 16263-70 «Метрология. Термины и определения» и уточнены в соответствии с международными терминологическими словарями рекомендованным документом МИ 2247-93 «Рекомендация. Метрология. Основные термины и определения», разработанным ВНИИ метрологии им. Менделеева.
Метрология состоит из трех самостоятельных и взаимодополняющих разделов:
*теоретического;
*прикладного;
*законодательного.
Теоретическая метрология занимается общими фундаментальными вопросами теории измерений, разработкой новых методов измерений, созданием систем единиц измерений и физических постоянных.
Законодательная метрология устанавливает обязательные технические и юридические требования по применению единиц физических величин, эталонов, методов и средств измерений, направленные на обеспечение единства и точности измерений в интересах общества.
Прикладная метрология изучает вопросы практического применения результатов разработок теоретической и законодательной метрологии в различных сферах деятельности.
Предмет метрологии является получение количественной информации о свойствах объектов и процессов с заданной точностью и достоверностью.
Средства метрологии - это совокупность средств измерений и метрологических стандартов, обеспечивающих их рациональное использование.
Метрология изучает:
1) методы и средства для учета продукции по следующим показателям: длине, массе, объему, расходу и мощности;
2) измерения физических величин и технических параметров, а также свойств и состава веществ;
3) измерения для контроля и регулирования технологических процессов.
Основные направления метрологии:
1) общая теория измерений;
2) системы единиц физических величин;
3) методы и средства измерений;
4) методы определения точности измерений;
5) основы обеспечения единства измерений, а также основы единообразия средств измерения;
6) эталоны и образцовые средства измерений;
7) методы передачи размеров единиц от образцов средств измерения и от эталонов рабочим средствам измерения.
Объекты метрологии:
1) единицы измерения величин;
2) средства измерений;
3) методики, используемые для выполнения измерений и т. д.
Метрология включает в себя:
Во-первых, общие правила, нормы и требования,
Во-вторых, вопросы, нуждающиеся в государственном регламентировании и контроле.
И здесь речь идет о:
1) физических величинах, их единицах, а также об их измерениях;
2) принципах и методах измерений и о средствах измерительной техники;
3) погрешностях средств измерений, методах и средствах обработки результатов измерений с целью исключения погрешностей;
4) обеспечении единства измерений, эталонах, образцах;
5) государственной метрологической службе;
6) методике поверочных схем;
7) рабочих средствах измерений.
В связи с этим задачами метрологии становятся: усовершенствование эталонов, разработка новых методов точных измерений, обеспечение единства и необходимой точности измерений.
Схема 1. Метрологическое обеспечение.
Основные определения:
физическая величина, представляющая собой общее свойство в отношении качества большого количества физических объектов, но индивидуальное для каждого в смысле количественного выражения;
единица физической величины, что подразумевает под собой физическую величину, которой по условию присвоено числовое значение, равное единице;
измерение физических величин, под которым имеется в виду количественная и качественная оценка физического объекта с помощью средств измерения;
средство измерения, представляющее собой техническое средство, имеющее нормированные метрологические характеристики. К ним относятся измерительный прибор, мера, измерительная система, измерительный преобразователь, совокупность измерительных систем;
погрешность измерений, представляющую собой незначительное различие между истинными значениями физической величины и значениями, полученными в результате измерения;
точность измерений, трактуемая как числовое значение физической величины, обратное погрешности, определяет классификацию образцовых средств измерений. По показателю точности измерений средства измерения можно разделить на: наивысшие, высокие, средние, низкие.
Контрольные вопросы.
Дайте определение метрологии.
Перечислите разделы метрологии и дайте определение каждому разделу?
Перечислите основные направления метрологии.
Какие области охватывает метрология?
Что Вы понимаете под определением «Средство измерения»?
1.2. Единицы физических величин, система СИ.
В соответствии с Законом «Об обеспечении единства измерений» при измеренияъх применяются единицы величин Международной системы единиц, принятой Генеральной конференцией по мерам и весам, рекомендованные Международной организацией законодательной метрологией.
Единицы физических величин подразделяются на основные и производные. Совокупность основных и производных единиц, используемых для измерений всех величин, образуют систему единиц (СИ).
Основные единицы СИ.
Система включает семь основных единиц, приведенных в таблице 1 .
Таблица 1 — Основные единицы СИ
Величина
|
Единица
|
Наименование
|
Размер-
ность
|
Наименование
|
Обозначение
|
Определение
|
международное
|
русское
|
Длина
|
L
|
метр
|
m
|
м
|
Метр есть длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1/299 792 458 s [XVII ГКМВ (1983 г.), Резолюция 1]
|
Масса
|
М
|
килограмм
|
kg
|
кт
|
Килограмм есть единица массы, равная массе международного прототипа килограмма [I ГКМВ (1889 г.) и III ГКМВ (1901 г.)]
|
Время
|
Т
|
секунда
|
s
|
с
|
Секунда есть время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 [XIII ГКМВ (1967 г.), Резолюция 1]
|
Электрический ток (сила электрического тока)
|
I
|
ампер
|
А
|
А
|
Ампер есть сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолиней-ным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии
1 m один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 m силу взаимодействия, равную 2·10-7 N [МКМВ (1946 г.), Резолю -ция 2, одобренная IX ГКМВ (1948 г.)]
|
Термодинамическая температура
|
θ
|
кельвин
|
К
|
К
|
Кельвин есть единица термо-
динамической температуры, равная 1 /273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды [ХШ ГКМВ (1967 г.), Резолюция 4]
|
Количество вещества
|
N
|
моль
|
mol
|
моль
|
Моль есть количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 kg. При применении моля структурные элементы должны быть специфицированы и могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами и другими частицами или специфицированными группами частиц [XIV ГКМВ (1971 г.), Резолюция 3]
|
Сила света
|
J
|
кандела
|
cd
|
кд
|
Кандела есть сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·1О32 Hz, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 W/sr [XVI ГКМВ (1979 г.), Резолюция 3]
|
Примечания
1 Кроме термодинамической температуры (обозначение Т), допускается применять также температуру Цельсия (обозначение t), определяемую выражением t = Т—Т0 , где То = 273,15 К. Термодинамическую температуру выражают в Кельвинах, температуру Цельсия — в градусах Цельсия. По размеру градус Цельсия равен кельвину. Градус Цельсия — это специальное наименование, используемое в данном случае вместо наименования «Кельвин».
2 Интервал или разность термодинамических температур выражают в Кельвинах. Интервал или разность температур Цельсия допускается выражать как в Кельвинах, так и в градусах Цельсия.
3 Обозначение Международной практической температуры в Международной температурной шкал 1990 г., если ее необходимо отличить от термодинамической температуры, образуют путем добавления обозначению термодинамической температуры индекса «90» (например,Т90 или t90 ) .
|
Физическая величина, входящая в систему и условно принятая в качестве независимой от других величин системы, называется основной физической величиной, а ее единица – основной единицей системы единиц физических величин.
Производные единицы СИ
Производная физическая величина – физическая величина, входящая в систему и определяемая через основные величины этой системы, а ее единица называется производной и образуется в соответствии с уравнением, связывающим эту единицу с основными единицами.
Производные единицы определяются через основные из уравнений, выражающих зависимость между физическими величинами с основными и производными единицами.
Примеры производных единиц СИ, образованных с использованием основных единиц СИ, приведены в таблице 2.
Таблица 2 — Примеры производных единиц СИ, наименования и обозначения которых образованы с использованием наименований и обозначений основных единиц СИ
Величина
|
Единица
|
Наименование
|
Размерность
|
Наименование
|
Обозначение
|
|
|
|
международное
|
русское
|
Площадь
|
L2
|
квадратный метр
|
m2
|
м2
|
Объем, вместимость
|
L3
|
кубический метр
|
m3
|
м3
|
Скорость
|
LT-1
|
метр в секунду
|
m/s
|
м/с
|
Ускорение
|
LT-2
|
метр на секунду в квадрате
|
m/s2
|
м/с2
|
Волновое число
|
L-1
|
метр в минус первой степени
|
m-1
|
м-1
|
Плотность
|
L-3 M
|
килограмм на кубический метр
|
kg/m3
|
кг/м3
|
Удельный объем
|
L3 M-1
|
кубический метр на килограмм
|
m3/kg
|
м3/кг
|
Плотность электрического тока
|
L-2 I
|
ампер на квадратный метр
|
А/m2
|
А/м2
|
Напряженность магнитного поля
|
L-1 I
|
ампер на метр
|
А/m
|
А/м
|
Молярная концентрация компонента
|
L-3 N
|
моль на кубический метр
|
mol/m3
|
моль/м3
|
Яркость
|
L-2 J
|
кандела на квадратный метр
|
cd/m2
|
кд/м2
|
Производные единицы СИ, имеющие специальные наименования и обозначения, указаны в таблице 3. Эти единицы также могут быть использованы для образования других производных единиц СИ (таблица 4).
Единицы СИ электрических и магнитных величин образуют в соответствии с рационализованной формой уравнений электромагнитного поля. В эти уравнения входит магнитная постоянная µ0 вакуума, которой приписано точное значение, равное 4π 10 -7 Н/m или 12,566 370 614...·10 -7 Н/m (точно).
В соответствии с решениями XVII Генеральной конференции по мерам и весам — ГКМВ (1983 г.) о новом определении единицы длины — метра значение скорости распространения плоских электромагнитных волн в вакууме с0 принято равным 299 792 458 m/s (точно).
В эти уравнения входят также электрическая постоянная ε0 вакуума, значение которой принято равным 8,854 187 817..10 -12 F/m (точно).
С целью повысить точность размеров производных электрических единиц на основе эффекта Джозефсона и квантового эффекта Холла Международным комитетом мер и весов (МКМВ) с 1 января 1990 г. введены условные значения константы Джозефсона KJ-90 = 4,835979·1014 Hz/V (точно) [МКМВ, Рекомендация 1, 1988 г.] и константы Клитцинга RK-90= 25812,807 Ω. (точно) [МКМВ, Рекомендация 2, 1988 г.].
Примечание — Рекомендации 1 и 2 МКМВ не означают, что пересмотрены определения единицы электродвижущей силы — вольта и единицы электрического сопротивления — ома Международной системы единиц.
Таблица 3 — Производные единицы СИ, имеющие специальные наименования и обозначения
Величина
|
Единица
|
Наименование
|
Размерность
|
Наименование
|
Обозначение
|
Выражение через основные и производные единицы СИ
|
международное
|
русское
|
Плоский угол
|
l
|
радиан
|
rad
|
рад
|
m·m-1=1
|
Телесный угол
|
l
|
стерадиан
|
sr
|
cp
|
m2 ·m-2 =1
|
Частота
|
T -1
|
герц
|
Hz
|
Гц
|
s -1
|
Сила
|
LMT -2
|
ньютон
|
N
|
H
|
m·kg·s-2
|
Давление
|
L -1MT -2
|
паскаль
|
Pa
|
Па
|
m-1·kg·s-2
|
Энергия, работа, количество теплоты
|
L2MT -2
|
джоуль
|
J
|
Дж
|
m2 ··kg· s-2
|
Мощность
|
L2 MT -3
|
ватт
|
W
|
Вт
|
m2·kg· s-3
|
Электрический заряд, количество электричества
|
TI
|
кулон
|
С
|
Кл
|
s·A
|
Электрическое напряжение, электрический потенциал, разность электрических потенциалов, электродвижущая сила
|
L2 MT -3I -1
|
вольт
|
V
|
В
|
m2·kg ·s-3·A
|
Электрическая емкость
|
L -2M-1T4I2
|
фарад
|
F
|
Ф
|
m-2·kg-1·s4·A2
|
Электрическое сопротивление
|
L2MT-3I-2
|
ом
|
Ω
|
Ом
|
m2·kg·s-3·A-
|
Электрическая проводимость
|
L-2M-1T3I2
|
сименс
|
s
|
См
|
m-2 ·kg-1·s3·A2
|
Поток магнитной индукции, магнитный поток
|
L2MT-2I-1
|
вебер
|
Wb
|
Вб
|
m2·kg·s-1·A-2
|
Плотность магнитного
потока, магнитная индукция
|
MT-2I-1
|
тесла
|
T
|
Тл
|
kg·s-1·A-1
|
Индуктивность, взаимная индуктивность
|
L2MT-2I-2
|
генри
|
H
|
Гн
|
m2·kg·s-2·A-2
|
Температура Цельсия
|
θ
|
градус Цельсия
|
°C
|
oС
|
К
|
Световой поток
|
J
|
люмен
|
lm
|
лм
|
cd·sr
|
Освещенность
|
L-2J
|
люкс
|
lx
|
лк
|
m-2 cd·sr
|
Поглощенная доза ионизирующего излучения, керма
|
L2T-2
|
грей
|
Gy
|
Гр
|
m-2s-2
|
Эквивалентная доза ионизирующего излучения, эффективная доза ионизирующего излучения
|
L2T-2
|
зиверт
|
Sv
|
Зв
|
m2·s-2
|
Примечания
1. В таблицу 4 включены единица плоского угла — радиан и единица телесного угла — стерадиан.
2. В Международную систему единиц при ее принятии в 1960 г. на XI ГКМВ (Резолюция 12) входило три класса единиц: основные, производные и дополнительные (радиан и стерадиан). ГКМВ классифицировала единицы радиан и стерадиан как «дополнительные, оставив открытым вопрос о том, являются они основными единицами или производными». В целях устранения двусмысленного положения этих единиц Международный комитет мер и весов в 1980 г. (Рекомендация 1) решил интерпретировать класс дополнительных единиц СИ как класс безразмерных производных единиц, для которых ГКМВ оставляет открытой возможность применения или неприменения их в выражениях для производных единиц СИ. В 1995 г. XX ГКМВ (Резолюция 8) постановила исключить класс дополнительных единиц в СИ, а радиан и стерадиан считать безразмерными производными единицами СИ (имеющими специальные наименования и обозначения), которые могут быть использованы или не использованы в выражениях для других производных единиц СИ (по необходимости).
3. Единица катал введена в соответствии с резолюцией 12 XXI ГКМВ .
|
Таблица 4 — Примеры производных единиц СИ, наименования и обозначения которых образованы с использованием специальных наименований и обозначений, указанных в таблице 3
Величина
|
Единица
|
Наименование
|
Размерность
|
Наименование
|
Обозначение
|
Выражение через основные и производные единицы СИ
|
международное
|
русское
|
Момент силы
|
l 2mt -2
|
ньютон-метр
|
N·m
|
Н·м
|
m2·kg·s-2
|
Поверхностное натяжение
|
МТ -2
|
ньютон на метр
|
N/m
|
H/m
|
kg·s -2
|
Динамическая вязкость
|
L-1MT -1
|
паскаль-секунда
|
Pa∙s
|
Па∙с
|
m-1·kg·s-1
|
Пространственная плотность электрического заряда
|
L-3TI
|
кулон на кубический метр
|
C/m3
|
Кл/м3
|
m-3·s·A
|
Электрическое смещение
|
L -2TI
|
кулон на квадратный метр
|
C/m2
|
Кл/м2
|
m-2·s·A
|
Напряженность электрического поля
|
LMT -3I-1
|
вольт на метр
|
V/m
|
В/м
|
m·kg·s-3·A-1
|
Диэлектрическая проницаемость
|
L -3M-1T 4I2
|
фарад на метр
|
F/m
|
Ф/м
|
m-3·kg-1·s4·A2
|
Магнитная проницаемость
|
LMT-2I-2
|
генри на метр
|
H/m
|
Гн/м
|
m·kg·s-2·A-2
|
Удельная энергия
|
L 2Т -2
|
джоуль на килограмм
|
J/kg
|
Дж/кг
|
m2∙s -2
|
Теплоемкость системы, энтропия системы
|
L2MT -2Ө -1
|
джоуль на
кельвин
|
J/K
|
Дж/К
|
m2∙kg∙s -2∙K -1
|
Удельная теплоемкость, удельная энтропия
|
L2T -2Ө -1
|
джоуль на килограмм-кельвин
|
J/(kg∙∙K)
|
Дж/(кг∙К)
|
m2∙s -2 ∙K-1
|
Поверхностная плотность потока энергии
|
MT -3
|
ватт на
квадратный метр
|
W/m2
|
Вт/м2
|
kg∙S -3
|
Теплопроводность
|
LMT-3Ө -1
|
ватт на метр-кельвин
|
W/(m∙K)
|
Вт/(м∙К)
|
m∙kg∙s -3K -1
|
Молярная внутренняя энергия
|
L2MT -2N -1
|
джоуль на моль
|
J/mol
|
Дж/моль
|
m2∙kg∙s -2mol -1
|
Молярная энтропия,
молярная теплоемкость
|
L2MT -2Ө -1N-1
|
джоуль на моль-кельвин
|
J/(mol∙K)
|
Дж/(моль∙К)
|
m2∙kg∙s -2∙mol -1
|
Экспозиционная доза фотонного излучения (экспозиционная доза гамма- и рентгеновского излучений)
|
M -1TI
|
кулон на килограмм
|
C/kg
|
Кл/кт
|
k -1∙s∙A
|
Мощность поглощенной дозы
|
L2T -3
|
грей в секунду
|
Gy/s
|
Гр/с
|
m2∙s -3
|
Угловая скорость
|
T -1
|
радиан в секунду
|
rad/s
|
рад/с
|
s-1
|
Угловое ускорение
|
T -2
|
радиан на секунду в квадрате
|
rad/s2
|
рад/с2
|
s-2
|
Сила излучения
|
L2MT -3
|
ватт на стерадиан
|
W/sr
|
Вт/ср
|
m2∙kg -3 ∙sr -1
|
Энергетическая яркость
|
MT -3
|
ватт на стерадиан -квадратный метр
|
W/(srm2)
|
Вт/(ср∙м2)
|
kg∙s -3∙sr -1
|
Примечание— Некоторым производным единицам СИ в честь ученых присвоены специальные наименования (таблица 3), обозначения которых записывают с прописной (заглавной) буквы. Такое написание обозначений этих единиц сохраняют в обозначениях других производных единиц СИ (образованных с использованием этих единиц) и в других случаях.
|
|
