3.Международная система единиц физических величин

Физические величины 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 называют производными от них. Например, основная единица – масса, а энергия – это производ­ная единица, зависимость между которой и другими единицами определяет формула. Основным величинам соответст­вуют основные единицы измерений, а производным – произ­водные единицы измерений.

Совокупность основных и производных единиц называется системой единиц физических величин.

Генеральная конференция по мерам и весам (ГКМВ) в 1954 г. определила шесть основных единиц физических вели­чин для их использования в международных отношениях: метр, килограмм, секунда, ампер, градус Кельвина и свеча. XI Гене­ральная конференция по мерам и весам в 1960г. утвердила Международную систему единиц, обозначаемую SI (от началь­ных букв французского названия Systeme International d' Unites), на русском языке – СИ.

В последующие годы Гене­ральная (ГОСТ 8.417) конференция приняла ряд дополнений и изменений, в результате чего в системе стало семь основных единиц, дополнительные и производные единицы физических величин, а также разработала следующие определения основных единиц:

• единица длины – метр – длина пути, которую проходит свет в вакууме за 1/299792458 долю секунды;

• единица массы – килограмм – масса, равная массе меж­дународного прототипа килограмма;

• единица времени – секунда – продолжительность 9192631770 периодов 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 м один от другого в вакууме, создал бы между этими проводниками силу, равную 2 • 10~⁷ Н на каждый метр длины;

• единица термодинамической температуры – кельвин – 1/273,16¹ часть 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 – кандела – сила света в заданном на­правлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 54010¹² Гц, энергетическая сила ко­торого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср².

Международная система СИ считается наиболее совершен­ной и универсальной по сравнению с предшествовавшими ей. Кроме основных единиц, в системе СИ есть дополнительные единицы для измерения плоского и телесного углов – радиан и стерадиан соответственно, а также большое количество произ­водных единиц пространства и времени, механических вели­чин, электрических и магнитных величин, тепловых, световых и акустических величин, а также ионизирующих излучений. Ватт на стерадиан – единица (производная) энергетической силы света. Стера­диан (ср) – единица измерения телесного (пространственного угла). ¹ До 1967г. единица именовалась градус Кельвина.

Лекция 2

Тема: «Общие сведения о метрологии и измерениях»

1. Разновидности эталонов.

2. Система передачи единиц измерений

Тема:» Погрешности измерений»

1. Разновидности погрешностей

2. Распределение случайных величин

1. Разновидности эталонов

По метрологическому назначению все СИ подразделяются на два вида – рабочие СИ и эталоны.

Рабочие СИ (РСИ) предназначены для проведения техничес­ких измерений. По условиям применения они могут быть:

1) ла­бораторными, используемыми при научных исследованиях, проектировании технических устройств, медицинских измере­ниях:

2) производственными, используемыми для контроля ха­рактеристик технологических процессов, контроля качества го­товой продукции, контроля отпуска товаров;

3) полевыми, ис­пользуемыми непосредственно при эксплуатации таких технических устройств, как самолеты, автомобили, речные и морские суда и др.

К каждому виду РСИ предъявляются специфические требо­вания: к лабораторным – повышенная точность и чувствитель­ность; к производственным – повышенная стойкость к ударно-вибрационным нагрузкам, высоким и низким температурам; к полевым – повышенная стабильность в условиях резкого пере­пада температур, высокой влажности.

Эталоны являются высокоточными СИ, а поэтому исполь­зуются для проведения метрологических измерений в качестве средств передачи информации о размере единицы. Размер еди­ницы передается «сверху вниз», от более точных СИ к менее точным «по цепочке»:

– первичный эталон;

– вторичный эта­лон;

– рабочий эталон 0-го разряда;

– рабочий эталон 1-го разряда...;

– рабочее средство измерений.

Передача размера осуществляется в процессе поверки СИ. Целью поверки является установление пригодности СИ к при­менению.

Соподчинение СИ, участвующих в передаче размера единицы от эталона к РСИ, устанавливается в поверочных схемах СИ*.

Среди вторичных эталонов различают: эталоны-сравнения, применяемые для сличения эталонов, которые по тем или иным причи­нам не могут непосредственно сличаться друг с другом; эталоны свидетели* (В настоящее время нз эталонов основных единиц только эталон килограм­ма имеет эталон-свидетель. Его основное назначение – подтверждение посто­янства основного эталона), предназначенные для поверки сохранности и неизмен­ности государственного эталона и для замены его в случае порчи или утраты; эталоны-копии, используемые для передачи информа­ции о размере единицы рабочим эталонам.

Самыми распространенными по численности парка вторич­ными эталонами являются рабочие эталоны различных разря­дов – 1, 2, 3-го (иногда 4-го). От рабочих эталонов низшего разряда размер передается рабочим средствам измерения (РСИ). Число РСИ по каждому из видов измерений достигает сотен тысяч и даже миллионов экземпляров (например, термо­метры, манометры).

РСИ обладает различной точностью измерений: наиболее точные РСИ при поверке (калибровке) получают размер от вто­ричных эталонов или рабочих эталонов 1-го разряда; наименее точные – от эталонов низшего разряда (3-го или 4-го).

На каждой ступени передачи информации о размере едини­цы точность теряется в 3–5 раз (иногда – в 1,25–10 раз). Зна­чит, при многоступенчатой передаче эталонная точность не до­ходит до потребителя. Поэтому для высокоточных СИ число ступеней может быть сокращено вплоть до передачи им инфор­мации непосредственно от рабочих эталонов 1-го разряда.

Госстандарт России располагает самой современной эталонной базой. Она входит в тройку самых совершенных наряду с базами США и Японии. Эталонная база в дальнейшем будет развиваться в количественном и главным образом в качествен­ном отношении. Перспективно создание многофункциональ­ных эталонов, т.е. эталонов, воспроизводящих на единой кон­структивной и метрологической основе не одну, а несколько единиц физических величин или одну единицу, но в широком диапазоне измерений. Так, метрологические институты страны создают единый эталон времени, частоты и длины, который позволит, кстати, уменьшить погрешность воспроизведения единицы длины до 110^–11.

Если технический уровень первичных эталонов в России бла­годаря успехам науки и энтузиазму ученых можно оценить как вполне удовлетворительный, то состояние парка СИ, находя­щихся в практическом обращении, прежде всего рабочих этало­нов и РСИ, внушает тревогу. Если в 80-х гг. срок обновления отечественной измерительной техники, как правило, составлял 5–6 лет (для сравнения в США и Японии – не более 3 лет), то наблюдаемый сейчас регресс в области отечественного прибо­ростроения еще больше увеличил сроки обновления рабочих эталонов и РСИ, что ведет к значительному старению измери­тельной техники.

Другой проблемой отечественных производителей СИ явля­ется высокая стоимость их разработок в сравнении с зарубеж­ными фирмами. Для преодоления традиционного отставания необходимо также в отечественных приборах предусматривать: высокую степень автоматизации на базе микропроцессорной технологии, быстродействие, высокую надежность, понижен­ные массу, габариты и энергопотребление, высокий уровень эс­тетики и эргономики.

Многообразие СИ обусловливает необходимость примене­ния специальных мер по обеспечению единства измерений. Как указывалось выше, одно из условий соблюдения единства изме­рений – установление для СИ определенных (нормированных) метрологических характеристик.