Методички 3-й курс 1-й семестр / ДЛЯ ТЕХ КТО МЕТРОЛОГИЮ ЗАВАЛИЛ / sergeev_a_g_metrologiya_istoriya_sovremennost_p

Глава 6. Международная система единиц (СИ)

ной. Приставки для образования кратных и дольных единиц приведены в табл. 6.7.

К внесистемным единицам СИ следует отнести и дюйм – единицу длины английской дюймовой системы мер на основе ярда (1 ярд = 36 дюймов, 1 дюйм = 25,4 мм). Эта система до сих пор применяется в России в сфере жилищно-коммунального хозяйства при ремонте и обслуживании водопроводных и газовых сетей (табл. 6.8).

Таблица 6.8

Соотношение дюймовой и метрической систем

В последнее время применяются безразмерные счетные единицы, обязанные своему появлению информатике. Это в первую оче- редь бит и байт. Они хорошо сочетаются с традиционными единицами СИ: пропускная способность канала связи – байт/с, плотность записи – байт/мм или байт/мм2 и др. Поскольку в информатике и вычислительной технике используется двоичная система счисления, то байт равен не 10 битам, а 23, т. е. восьми; килобайт – 210, ò. å. 1024 áàé-

174

6.3. Этапы внедрения Международной системы единиц

та, мегабайт – 220, т. е. 1024 килобайта; гигабайт – 230, или 1024 мегабайта. Кроме того, в СИ приставка «кило» обозначается строч- ной буквой, а в информатике – заглавной (прописной), например 1 Кбайт = 1024 байт; 1 Мбайт = 1024 Кбайт; 1 Гбайт = 1024 Мбайт.

6.3. Этапы внедрения Международной системы единиц

Â1954 г. была организована Международная комиссия по разработке системы единиц. Комиссия за десять лет своего существования проделала большую работу:

Ш к 1956 г. представила проект единой системы, назвав ее Международной системой единиц – Systeme International (SI) или СИ; Ш к 1958 г. определила правила образования кратных и дольных

единиц;

Ш к 1960 г. подготовила доклад о новой системе к XI Генеральной конференции по мерам и весам.

Âоктябре 1960 г. XI Генеральная конференция утвердила эту систему. Комиссия по системе единиц выполнила свою роль и была заменена Консультативным комитетом по единицам, который занялся уточнением отдельных вопросов внедрения СИ. Так, XIV Генеральная конференция по мерам и весам в 1971 г. приняла новое наименование для единиц давления – паскаль вместо Н · м2, единицы электропроводности – сименс вместо Ом–1. Тогда же в качестве седьмой основной единицы СИ был принят моль – единица коли- чества вещества.

Международная организация по стандартизации приняла СИ для основного использования и рекомендовала государствам – членам МОЗМ ввести СИ в законодательном порядке и градуировать в

ååединицах все измерительные приборы. Организация Объединенных Наций по образованию, науке и культуре (ЮНЕСКО) призвала все страны – члены организации принять СИ.

ÂСССР в 1961 г. вышел ГОСТ 9867–61 «Международная система единиц», которым устанавливалось предпочтительное применение единиц СИ во всех сферах народного хозяйства. Введение этого ГОСТа предусматривалось с 1 января 1963 г. Внедрение же СИ в СССР осуществлялось в несколько этапов и сформировалось лишь

175

Глава 6. Международная система единиц (СИ)

к 1 января 1982 г., когда вышла окончательная редакция ГОСТ 8.417–2002 (СТ СЭВ 1052–78) «ГСИ. Единицы физических вели- чин». Все другие системы с этого времени подлежали изъятию. Правда, система СГС (симметричная или гауссова) может использоваться в точных науках – физике и астрономии.

Каковы же достоинства СИ? Их немало:

Øуниверсальность – охват всех областей науки и техники, поскольку единицы СИ не имеют никакого отношения к свойствам конкретного материала;

Øунификация всех областей и видов измерений;

Øкогерентность – все производные единицы СИ получаются из уравнений связи между величинами, в которых коэффициенты равны единице;

Øвозможность воспроизведения единиц с высокой точностью;

Øупрощение записей формул в физике, химии и технических расчетах в связи с отсутствием переводных коэффициентов;

Øуменьшение числа допускаемых единиц;

Øединая система образования кратных и дольных единиц, имеющих собственные наименования;

Øоблегчение процесса обучения, так как отпадает необходимость в изучении множества систем единиц для различных по природе параметров;

Øлучшее взаимопонимание при взаимодействии с партнерами других стран.

Основным недостатком СИ является то, что в систему входят только единицы величин, описываемых метрическими шкалами разностей (интервалов) и отношений. Величины же, описываемые неметрическими шкалами наименований и порядка, ею не охватываются. Они по отношению к СИ являются внесистемными.

Л.Н. Брянский обращает внимание на то, что СИ все еще не стала единственной глобальной международной системой единиц. Хотя

â2000 г. Англия перешла на СИ, многие англоязычные страны, и США в их числе, все еще пользуются системой фут–фунт–секун- да. Причин этому несколько: и привычки людей, и громадные денежные расходы. Надо признать, что время перехода РСФСР (а позднее – СССР) на метрическую систему было выбрано очень удачно. Во-первых, метрическая система факультативно применялась в Рос-

176

6.3. Этапы внедрения Международной системы единиц

сии уже с 1899 г., и к ней постепенно привыкали. Немало значил и авторитет Д.И. Менделеева. Во-вторых, после Первой мировой и Гражданской войн измерительное хозяйство находилось в упадке. Поэтому, по словам управляющего Главной палатой Н.Г. Егорова, «представлялась возможность сравнительно легко, посредством изготовления метрических мер, обеспечить ими страну, тем самым с меньшими трудностями совершить переход к метрической системе» [35]. Англоязычные страны наиболее удобный момент для этого пропустили.

Свидетельством метрологической грамотности является правильное использование наименований и обозначений единиц физи- ческих величин. Вот некоторые важнейшие правила:

1.Собственные наименования имеют все основные и некоторые производные единицы. Наименования остальных производных единиц образуют из наименований основных и имеющих собственные наименования производных единиц.

2.Для написания значений физических величин применяют обозначения единиц буквами или специальными знаками. Допущены к применению два вида буквенных обозначений: международные – латинскими буквами (исключение составляет обозначение единицы

электрического сопротивления ома – Ω и приставка «микро» – , для которых используются греческие буквы) и национальные – русскими буквами. В одном тексте (за исключением текстов, посвященных единицам физических величин) следует применять обозначения одного вида – либо международные, либо русские. Для текстов на русском языке предпочтительны русские обозначения.

3.Обозначения единиц пишутся со строчных (малых) букв, за исключением обозначений единиц, названных по фамилиям уче- ных. Эти обозначения пишутся с прописной (заглавной) буквы.

4.В обозначениях единиц точка как знак сокращения не ставится. Исключение составляют некоторые допущенные к применению внесистемные единицы, в наименование которых входят слова, не являющиеся наименованием единицы, например мм рт. ст.

5.Обозначения единиц применяют только после числовых зна- чений величин и помещают в одну строку с ними – перенос обозна- чений на следующую строку не допускается. Между числовым зна- чением и обозначением единицы оставляют пробел (исключение –

177

Глава 6. Международная система единиц (СИ)

угловые единицы). Применять обозначения единиц без численных значений допускается только в заголовках граф и строк таблиц и в пояснениях обозначений величин в формулах. Помещать обозначе- ния единиц в строку с формулами не допускается.

6.При указании значений величин с предельно допускаемыми отклонениями обозначения единиц ставят после каждого значения, например 20±3 °С, или заключают числовые значения в скобки, а обозначения единиц ставят после них: (20±3)°С.

7.Обозначение кратной или дольной приставки пишут слитно

ñобозначением единицы, если наименование единицы состоит из

одного слова, например нанометр – нм, микроампер – A .

8. Обозначения единиц, входящих в произведение, разделяют точками на средней линии как знаками умножения, например единица полной (кажущейся) мощности В · А (вольт-ампер).

6.4. Передача размеров единиц физических величин

Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, в которых проградуированы все существующие средства измерения одной и той же величины. Это достигается путем точного воспроизведения и хранения в специализированных учреждениях установленных единиц ФВ и передачи их размеров применяемым средствам измерения.

Воспроизведение единицы физической величины – это совокупность операций по материализации единицы ФВ с наивысшей точ- ностью посредством государственного эталона или исходного образцового средства измерения. Различают воспроизведение основной и производной единиц.

Воспроизведение основной единицы – это создание фиксированной по размеру ФВ в соответствии с определением единицы. Оно осуществляется с помощью государственных первичных эталонов. Например, единица массы – 1 кг (точно) воспроизведена в виде платиноиридиевой гири, хранимой в Международном бюро мер и весов в качестве международного эталона килограмма. Розданные другим странам эталоны имеют номинальное значение 1 кг. На основании последних международных сличений (1979) платиноириди-

178

6.4. Передача размеров единиц физических величин

евая гиря, входящая в состав государственного эталона Российской Федерации, имеет массу 1,000000087 кг.

Воспроизведение производной единицы – это определение значе- ния ФВ в указанных единицах на основании косвенных измерений других величин, функционально связанных с измеряемой. Так, воспроизведение единицы силы – ньютона осуществляется на основании известного уравнения механики F = mg, где m – масса; g – ускорение свободного падения.

Передача размера единицы – это осуществляемое при проверке или калибровке приведение размера единицы, хранимой поверяемым средством измерений, к размеру единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном. Размер единицы передается сверху вниз – от более точных средств измерения к менее точным.

Хранение единицы – совокупность операций, обеспечивающих неизменность во времени размера единицы, присущего данному средству измерения. Хранение эталона единицы ФВ предполагает проведение взаимосвязанных операций, позволяющих поддерживать метрологические характеристики эталона в установленных пределах. При хранении первичного эталона выполняются регулярные его исследования, включая сличения с национальными эталонами других стран с целью повышения точности воспроизведения единицы и совершенствования методов передачи ее размера.

Эталон – средство измерений (или комплекс средств измерения), предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке. Классификацию, назначение и общие требования к созданию, хранению и применению эталонов устанавливает ГОСТ 8.057–80. Эталонная база является материальной основой государственной системы единства измерений. Эта база предназначена для воспроизведения и хранения единиц физических величин и передачи их размера посредством совокупности образцовых поверочных устройств всем применяемым в стране рабочим средствам измерений.

Создание эталонной базы на современном уровне требует использования всех новейших достижений науки и техники, привле- чения высококвалифицированных физиков-метрологов.

179

Глава 6. Международная система единиц (СИ)

Говоря о развитии эталонной базы, необходимо подчеркнуть следующее важное обстоятельство. Быстрый прогресс науки и техники привел за последние годы к тому, что по сравнению с положением, существовавшим в недавнем прошлом, сейчас резко сократился и все еще уменьшается разрыв между точностью эталонов и образцовых средств измерений, т.е. постоянно уменьшается запас точности эталонов. Требования практики прецизионных измерений в современной науке и технике «наступают на пятки» существующим эталонам. Возможности же повышения точности эталонов ча- сто ограничиваются современным уровнем знания фундаментальных констант. В этой связи в метрологии, как ни в одной другой области науки, очень остро встает вопрос о необходимости проведения глубоких фундаментальных исследований, направленных на достижение качественно нового уровня познания законов природы и на этой основе на существенное повышение точности эталонов единиц физических величин.

Перечень эталонов не повторяет перечень ФВ. Для ряда единиц эталоны не создаются из-за того, что нет возможности непосредственно сравнивать соответствующие ФВ, например отсутствует эталон площади. Не создаются эталоны и в том случае, когда единица ФВ воспроизводится с достаточной точностью на основе сравнительно простых средств измерений других ФВ.

Конструкция эталона, его физические свойства и способ воспроизведения единицы определяются физической величиной, единица которой воспроизводится, и уровнем развития измерительной техники в данной области измерений. Эталон должен обладать по крайней мере тремя взаимосвязанными свойствами: неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью.

Неизменность – свойство эталона удерживать неизменным размер воспроизводимой им единицы в течение длительного интервала времени. При этом все изменения, зависящие от внешних условий, должны быть строго определенными функциями величин, доступных точному измерению. Реализация этих требований привела к идее создания естественных эталонов различных величин, основанных на фундаментальных физических постоянных.

Воспроизводимость – возможность воспроизведения единицы ФВ (на основе ее теоретического определения) с наименьшей по-

180

6.4. Передача размеров единиц физических величин

грешностью для существующего уровня развития измерительной техники. Это достигается путем постоянного исследования эталона

âцелях определения систематических погрешностей и исключения их путем введения соответствующих поправок.

Сличаемость – возможность сличения с эталоном других средств измерения, нижестоящих в поверочной схеме, в первую очередь вторичных эталонов, с наивысшей точностью для существующей техники измерения. Это свойство предполагает, что эталоны по своему устройству и действию не вносят каких-либо искажений

âрезультаты сличений и сами не претерпевают изменений в результате сличений.

Различают следующие виды эталонов (РМГ 29–99):

Øпервичный – обеспечивает хранение и воспроизведение с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами) точностью. Первичные эталоны – это уникальные средства измерения, часто представляющие собой сложнейшие измерительные комплексы, созданные с учетом новейших достижений науки и техники. Они составляют основу государственной системы обеспечения единства измерений;

Øмеждународный – эталон, принятый по международному соглашению в качестве международной основы для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами;

Øгосударственный или национальный – это первичный или специальный эталон, официально утвержденный в качестве исходного для страны. Государственные эталоны создаются, хранятся и применяются центральными метрологическими научными институтами страны. Точность воспроизведения единицы должна соответствовать уровню лучших мировых достижений и удовлетворять потребностям науки и техники. В состав государственных эталонов включаются средства измерения, с помощью которых воспроизводят и (или) хранят единицу ФВ, контролируют условия измерений и неизменность воспроизводимого или хранимого размера единицы, осуществляют передачу размера единицы. Государственные эталоны подлежат периодическим сличениям с государственными эталонами других стран. Термин «национальный эталон» применяется в случаях проведения сличения эталонов, принадлежащих

181

Глава 6. Международная система единиц (СИ)

отдельным государствам, с международным эталоном или при проведении так называемых круговых сличений эталонов ряда стран;

Øвторичный – хранит размер единицы, полученной путем сли- чения с первичным эталоном соответствующей ФВ. Вторичные эталоны являются частью подчиненных средств хранения единиц и передачи их размеров, создаются и утверждаются в тех случаях, когда это необходимо для организации поверочных работ, а также для обеспечения сохранности и наименьшего износа государственного эталона. В состав вторичных эталонов включаются средства измерения, с помощью которых хранят единицу ФВ, контролируют условия хранения и передают размер единицы. Вторичный или рабо- чий эталон, являющийся исходным для министерства (ведомства), иногда называют ведомственным. Совокупность государственных первичных или вторичных эталонов, являющихся основой обеспе- чения единства измерений в стране, составляет эталонную базу страны;

Øэталон сравнения – применяется для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам нельзя сличить друг с другом;

Øрабочий эталон – применяется для передачи размера единицы рабочим средствам измерений. Это самые распространенные эталоны. С целью повышения точности измерений ФВ рабочие эталоны применяются во многих территориальных метрологических органах и лабораториях министерств и ведомств.

В зависимости от количества приборов, входящих в эталон, различают:

Øодиночный эталон, в составе которого имеется одно средство измерения (мера, измерительный прибор, эталонная установка) для воспроизведения и (или) хранения единицы;

Øгрупповой эталон, в состав которого входит совокупность средств измерения одного типа, номинального значения или диапазона измерений;

Øэталонный набор, состоящий из совокупности средств измерений, позволяющий воспроизводить и (или) хранить единицу в диапазоне, представляющем объединение диапазонов указанных средств, например эталонные разновесы (набор эталонных гирь), эталонные наборы ареометров.

182

6.4. Передача размеров единиц физических величин

Если эталон (иногда специальной конструкции) предназначен для транспортирования к местам поверки (калибровки) или сличе- ний эталонов данной единицы, то он называется транспортируемым.

Способы выражения погрешности эталонов устанавливает ГОСТ 8.381–80. Погрешности государственных первичных и специальных эталонов характеризуются неисключенной систематической погрешностью и нестабильностью. Неисключенная систематическая погрешность описывается границами, в которых она находится. Случайная погрешность определяется средним квадратическим отклонением (СКО) результата измерений при воспроизведении единицы с указанием числа независимых измерений. Нестабильность эталона задается изменением размера единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном, за определенный промежуток времени.

Оценки погрешностей вторичных эталонов характеризуются отклонением размеров хранимых ими единиц от размера единицы, воспроизводимой первичным эталоном. Для вторичного эталона указывается суммарная погрешность, включающая случайные погрешности сличаемых эталонов и погрешности передачи размеров единицы от первичного (или более точного) эталона, а также нестабильность самого вторичного эталона. Суммарная погрешность вторичного эталона характеризуется либо СКО результата измерений при его сличении с первичным эталоном или вышестоящим в поверочной схеме вторичным эталоном, либо доверительной границей погрешности с доверительной вероятностью 0,99.

Передача размеров единиц ФВ от эталонов рабочим мерам и измерительным приборам осуществляется с помощью рабочих эталонов. До недавнего времени в нашей стране вместо термина «рабочие эталоны» использовался термин «образцовые средства измерений», который в большинстве других стран не применяется.

Рабочие эталоны при необходимости подразделяются на разряды (1, 2 и т. д.), определяющие порядок их соподчинения в соответствии с поверочной схемой. Для различных видов измерений устанавливается, исходя из требований практики, различное число разрядов рабочих эталонов, определяемых стандартами на поверочные схемы для данного вида измерений.

183