Обозначение физических величин

В качестве обозначений физических величин используются буквы латинского и греческого алфавитов, снабженные в случае необхо­димости индексами. Индексы не должны содержать больше трех букв. Левые индексы используются главным образом в атомной и ядерной физике.

Допускаются к применению сложные индексы, являющиеся сочета­нием

- двух-трех сокращенных русских слов; их отделяют одно от другого точками, после последнего сокращения точку не ставят; например, частота граничная верхняя v_гр.в; коэффициент стоячей волны к _с.в;

- нескольких чисел в цифровой форме, их отделяют друг от друга запятой, например U _1,2,3;

- десятичной дроби и сокращенного слова или буквы; дробь отделя­ют от сокращенного слова или буквы точкой с запятой, например σ_0,2;пл.

4.6.7. Измерительные шкалы

Измерительная шкала - это принятая по соглашению упорядо­ченная последовательность значений измеряемой величины. Ос­новные термины и определения теории шкал измерений изложены в документе МИ 2365-96.

Шкала наименований (номинальная шкала, шкала классификации) используется для классификации объектов (в номинальных измере­ниях). Этот тип шкал основан на приписывании качественным свой­ствам объектов чисел, играющих роль имен. При этом качественную характеристику объекта относят к тому или иному классу эквива­лентности. Классы эквивалентности должны надежно различаться наблюдателями, экспертами, оценивающими данное свойство. Для шкалы отсутствуют понятия «нуль», «больше», «меньше», единицы измерений, математические операции. Пример шкалы - атлас цве­тов, предназначенный для идентификации цвета.

Шкала порядка (шкала рангов) используется для количественной оценки проявления свойства, позволяющей установить отношение больше/меньше между величинами, характеризующими указанное свойство (порядковые измерения), например, в случаях, когда уровень знаний об объекте не позволяет установить соотношения меж­ду сравниваемыми характеристиками или, если применение шкалы удобно и достаточно для решения данной измерительной задачи. Понятие единицы измерения как единицы пропорциональности в таких шкалах отсутствует, но довольно широко распространено по­нятие условной единицы (например, балл по шкале Бофорта). Опе­рацию по приписыванию числа измеряемой величине называют оцениванием; расстановку размеров в порядке их возрастания или убывания - ранжированием.

Шкала интервалов (шкала разностей) состоит из одинаковых интер­валов, имеет единицу измерений и произвольно выбранное начало - нулевую точку. Выделяют два способа получения таких шкал:

1. Выбирается основной интервал, границы которого (два значе­ния) относительно просто реализуются физически. (Эти значе­ния называют опорными (реперными) точками.) Основной ин­тервал разбивается на n одинаковых интервалов, принимаемых за единицу. Одна из опорных точек принимается за начало от­ счета.

2. Единица воспроизводится непосредственно как интервал (на­пример, год), а начало отсчета выбирают в зависимости от кон­кретных условий (например, летоисчисление от сотворения мира или от рождества Христова).

Шкала отношений формально является шкалой интервалов с ес­тественным началом отсчета, т.е. для таких шкал существует есте­ственный критерий нулевого количественного проявления свойства. Используется на уровне пропорциональных и кардинальных измере­ний.

Абсолютная шкала в отличие от шкалы отношений имеет естест­венное однозначное определение единицы измерений, не завися­щее от принятой системы единиц. Чаше всего это относительные величины: коэффициент усиления, относительная деформация и др. Используется крайне редко.

Свойства шкалы порядка, шкалы интервалов и шкалы отношений для сравнения приведены в таблице. Ниже предлагаются примеры шкал.

4.6.8. Единицы измерения

Единица физической величины — физическая величина фикси­рованного размера, которой условно присвоено числовое значе­ние, равное 1, и применяемая для количественного выражения од­нородных физических величин.

Числовое значение физической величины — отвлеченное число, входящее в значение величины. Для конкретной физической вели­чины ее числовое значение зависит от размера выбранной единицы и может быть выражено произведением числового значения величи­ны на выбранную для этой величины единицу. Размер единицы величины может быть любым, однако произвол в выборе единиц ведет к несопоставимости результатов измерений. Поэтому единицы измерения устанавливаются по определенным правилам и закрепляются законодательным путем.

4.6.9. Системы единиц физических величин

Система единиц физических величин (система единиц)—совокуп­ность основных и производных единиц физических величин, образо­ванная в соответствии с принятыми принципами для заданной сис­темы физических величин.

Впервые понятие системы единиц физических величин было вве­дено немецким математиком К.Гауссом (1832). Все последующие системы единиц строились на предложенных им принципах.

Естественные системы единиц

Естественными системами единиц называют системы, в которых за основные единицы приняты фундаментальные физические по­стоянные, такие, например, как элементарный электрический заряд (заряд протона) е, масса электрона т_е, постоянная Планка h и ћ, скорость света в вакууме с, гравитационная постоянная G, посто­янная Больцмана к.

Особенности естественных систем:

• в естественных системах размер основных единиц определя­ется явлениями природы;

• при построении естественных систем единиц фундаментальные постоянные, выбранные в качестве основных единиц, формально полагаются равными безразмерной единице;

• удобство введенных естественных систем единиц состоит в том, что параметры атомных объектов в этих системах по размеру не сильно отличаются от единицы и в то же время упрощаются ос­новные уравнения теории;

• естественные системы единиц находят применение в некоторых разделах теоретической физики, в квантовой электродинамике.

Международная система единиц

Необходимость перехода к Международной системе единиц диктовалась требованиями повышения точности измерений, унифи­кации и уточнения единиц физических величин.

Решение о введении Международной системы единиц было принято XI Генеральной конференцией по мерам и весам (1960). Международное сокращенное наименование «SI» (в русской тран­скрипции «СИ»). Последующими Генеральными конференциями по мерам и весам в первоначальный вариант СИ внесены некоторые изменения. В СССР Международная система единиц (СИ) введена с 1 января 1963 г, а с 1 января 1980 г. являлась обязательной.

Правила написания обозначений единиц СИ регламентирова­ны ГОСТ 8.417—81.

Международная система единиц построена на основе системы величин L М Т I Θ J N.

Размер основных единиц международной системы единиц (СИ) ус­танавливается определением этих единиц Генеральными конфе­ренциями по мерам и весам.

По сравнению со всеми существовавшими до нее системами единиц Международная система имеет несомненные преимущества :

• Она является универсальной т. е. охватывает все области из­мерений.

• Семь ее основных единиц позволяют образовывать единицы для любых физических величин во всех областях науки и отраслях техники.

• Международная система является когерентной системой, что позволяет максимально упростить расчетные формулы за счет освобождения их от переводных коэффициентов.

• Как основные, так и подавляющее большинство производных единиц СИ по своему размеру удобны для практического их применения. Многие производные единицы Международной сис­темы (ватт, ампер, вольт, ом и др.) задолго до ее введения на­шли широкое распространение.

Производные единицы Международной системы

Производные единицы Международной системы образуются из ос­новных и дополнительных единиц при помощи определяющих урав­нений в соответствии с принципами построения систем единиц.

2.5.10. Внесистемные единицы

Внесистемными называются единицы физических величин, кото­рые не входят в системы-единиц ни как основные, ни как производ­ные.

К числу внесистемных единиц относятся:

• единицы величин, характеризующих отношение двух одноимен­ных физических величин (процент, промилле, миллионная доля, бел-децибел);

• единицы различного происхождения, находящиеся в десятичном отношении к единицам СИ: единицы массы (тонна, центнер), еди­ница площади - гектар, единица вместимости - литр;

• кратные (но не десятичные) единицы времени: (минута, час, сут­ки), и связанные с ними единицы скорости(километр в час), энергии (киловатт-час), электрического заряда(ампер-час);

• применяемые в навигации единица длины - морская миля, и еди­ница скорости - узел;

• единица плоского угла - полный угол, минута, секунда;

• применяемые в астрономии единицы длины – астрономическая единица длины, световой год, парсек;

• единицы давления - миллиметр ртутного столба, миллиметр во­дяного столба, техническая атмосфера, бар;

• единица количества теплоты - калория;

• единица мощности - лошадиная сила;

• - единицы величин, характеризующие ионизирующие излучения: доза излучения - рад, эквивалентная доза излучения - бар, экспо­зиционная доза излучения - рентген, активность нуклида в радио­активном источнике - кюри

• и многие другие единицы различных физических величин.

Так как отдельные внесистемные единицы по своим размерам ока­зались очень удобными для ряда областей науки и отраслей тех­ники и широко распространены в быту, они на определенных усло­виях допущены к применению: одни - наравне с единицами СИ, другие - временно до принятия по ним международных решений, третьи - только в некоторых областях науки и техники (ГОСТ 8.417—81 «Единицы физических величин»). Внесистемные едини­цы, допускаемые к применению, устанавливаются стандартами на единицы по отдельным областям измерений.

4 .8. Методы измерений

Существует много методов измерений. Не всегда бывает возмож­ным четко провести грань между различными методами. Часто при измерении одновременно используются несколько методов. Пере­численные ниже методы применяются наиболее часто.

4.9. Средства измерений

4.9.1. Классификация средств измерения

Классификация средств измерения может быть осуществлена по различным признакам: принципу действия, виду сигнала, способу передачи сигнала и т.д.

Штриховые линии обозначают условность границ между измери­тельной техникой того или иного назначения, т.е. возможность ис­пользования одной и той же аппаратуры в различных условиях экс­плуатации и для решения различных задач.

На результат измерений, а следовательно, и на их точность влияет множество факторов. Это и свойства средств измерений, и характе­ристики окружающей среды, и напряжение питающей сети, и неин­формативные (не связанные функционально с измеряемой величи­ной) параметры измерительного сигнала и другие.

Нормирование характеристик

Нормы на характеристики средств измерений устанавливаются с целью:

1. оценки точности измерений;

2. сравнения средств измерений между собой и выбора из них таких, которые обеспечивают требуемую точность измерений;

3. достижения взаимозаменяемости средств измерений.

Номенклатура нормируемых метрологических характеристик и пол­нота, с которой они должны описывать свойства средств измерений, зависят от их назначения, условий эксплуатации, режима работы и многих других факторов. Комплекс их оговаривается в различного уровня стандартах технических требований и технических условий, технических требованиях и технических условиях на средства изме­рений, в технических заданиях на их разработку. Нормы на отдель­ные метрологические характеристики приводятся в эксплуатацион­ной документации (паспорте, техническом описании, инструкции по эксплуатации и т. п.) в виде номинальных значений, коэффициентов, функций, заданных формулами, таблицами или графиками, преде­лов допускаемых отклонений от номинальных значений и функций. Соответствие метрологических характеристик установленным для них нормам должно проверяться. Проверка метрологическим орга­ном соответствия метрологических характеристик нормам и уста­новление на этой основе пригодности средств измерений к приме­нению называется поверкой. Применение неповеренных средств измерений запрещено.

4 .9.3. Структурные схемы средств измерений

Структурная схема - соединение узлов-звеньев в определенную цепь преобразований.

Звено - узел средства измерения, в котором происходит отдельное . преобразование сигнала, несущего информацию о значении изме­ряемой величины, с целью получения нужного выходного сигнала. При анализе в статическом режиме средство измерений обычно разбивают на звенья, которые представляют интересующие иссле­дователя функции преобразования. При анализе в динамическом режиме звенья выделяются по их динамическим характеристикам (по виду дифференциального уравнения, описывающего их поведе­ние). Отдельный конструктивный узел измерительного устройства не обязательно совпадает со звеном в структурной схеме. В одном конструктивном узле может осуществляться несколько преобразова­ний, а следовательно, один конструктивный узел может соответст­вовать нескольким звеньям.

Виды структурных схем в зависимости от соединения отдельных звеньев:

• прямого преобразования (действия)

• компенсационного преобразования (действия) (схемы с отрица­тельной обратной связью) сравнения.