Шкалы, их виды и особенности

Тема 2.4. Занятие № 13.

Система воспроизведения единиц физических величин

1. Физическая величина и её размерность

2. Шкалы их виды и особенности

3. Эталоны

1. Физическая величина и её размерность

Основным объектом измерения в метрологии являются физические величины.

Физическая величина (краткая форма термина — «величина») при­меняется для описания материальных систем и объектов (явлений, про­цессов и т.п.), изучаемых в любых науках (физике, химии и др.). Как известно, существуют основные и производные величины. В качестве основных выбирают величины, которые характеризуют фундаменталь­ные свойства материального мира. Механика базируется на трех основ­ных величинах, теплотехника — на четырех, физика — на семи. ГОСТ 8.417 устанавливает семь основных физических величин — длина, мас­са, время, термодинамическая температура, количество вещества, сила света, сила электрического тока, с помощью которых создается все многообразие производных физических величин и обеспечивается опи­сание любых свойств физических объектов и явлений.

Измеряемые величины имеют качественную и количественную ха­рактеристики.

Формализованным отражением качественного различия измеряемых величин является их размерность. Согласно международному стандарту ИСО размерность обозначается символом dim(размерность). Размерность основных величин — длины, массы и времени — обозначается соответствующи­ми заглавными буквами:

dim l = L; dim m = M; dim t=T.

Размерность производной величины выражается через размерность основных величин с помощью степенного одночлена:

где L, М, Т— размерности соответствующих основных физических величин; a, b, g — показатели размерности (показатели степени, в ко­торую возведены размерности основных величин).

Каждый показатель размерности может быть положительным или отрицательным, целым или дробным, нулем. Если все показатели раз­мерности равны нулю, то величина называется безразмерной. Она мо­жет быть относительной, определяемой как отношение одноименных величин (например, относительная диэлектрическая проницаемость), и логарифмической, определяемой как логарифм относительной величи­ны (например, логарифм отношения мощностей или напряжений).

Количественной характеристикой измеряемой величины служит ее размер. Получение информации о размере физической или нефизичес­кой величины является содержанием любого измерения.

Шкалы, их виды и особенности

Измерения различных величин, характеризующих свойства систем, явлений и других процессов занимают важное место в повседневной жизни. Разнообразные про­явления (количественные или качественные) любого свой­ства образуют множества, отображения элементов кото­рых образуют шкалы измерения этих свойств. Шкала измерений количественного свойства является шкалой физической величины. Шкала физической величины — это упорядоченная совокупность значений физической величины, служащая исходной основой для измерений данной величины.

Различают следующие типы шкал измерений:

шкалы наименованийхарактеризуются оценкой (от­ношением) эквивалентности различных качественных проявлений свойства. Эти шкалы не имеют нуля и еди­ницы измерений, в них отсутствуют отношения сопостав­ления типа «больше — меньше». Это самый простой тип шкал. Пример шкалы наименований: шкалы цветов, пред­ставляемые в виде атласов цветов. При этом процесс из­мерений заключается в достижении (например, при визу­альном наблюдении) эквивалентности испытуемого образца с одним из эталонных образцов, входящих в атлас цве­тов;

шкалы порядкаописывают свойства величин, упоря­доченные по возрастанию или убыванию оцениваемого свойства, т.е. позволяют установить отношение больше/ меньше между величинами, характеризующими это свой­ство. В этих шкалах может в ряде случаев иметься нуль (нулевая отметка), но принципиальным для них являет­ся отсутствие единицы измерения, поскольку невозмож­но установить, в какое число раз больше или меньше проявляется свойство величины. Примеры шкал поряд­ка: шкалы измерения твердости, баллов силы ветра, зем­летрясений;

шкалы интервалов (разностей)описывают свойства величин не только с помощью отношений эквивалентно­сти и порядка, но также и с применением отношений суммирования и пропорциональности интервалов (разно­стей) между количественными проявлениями свойства. Шкалы интервалов могут иметь условно выбранное на­чало — нулевую точку. К таким шкалам, например, от­носятся летоисчисление по различным календарям, в ко­торых за начало отсчета принято либо сотворение мира, либо Рождество Христово, температурные шкалы Цель­сия, Фаренгейта, Реомюра.

Шкала интервалов величины Q описывается уравне­нием:

Q = Q₀ + q[Q],

где q — числовое значение величины, Q₀ - начало отсчета шкалы; [Q] — единица рассматриваемой величины. Такая шкала определяется заданием начала отсчета Q₀ шкалы и еди­ницы величины [Q];

шкалы отношений описывают свойства величин, для множества количественных проявлений которых приме­нимы логические отношения эквивалентности, порядка и пропорциональности, а для некоторых шкал также от­ношение суммирования. В шкалах отношений существу­ет естественный нуль и по согласованию устанавливается единица измерения.

Шкалы отношений описываются уравнением:

Q = q [Q],

где Q— физическая величина, для которой строится шкала, а переход одной шкалы отношений к другой осуществляется че­рез уравнение:

Примерами шкалы отношений являются шкалы мас­сы и термодинамической температуры;

абсолютные шкалыкроме всех признаков шкал от­ношений обладают дополнительным признаком: в них присутствует однозначное определение единицы измере­ния. Такие шкалы присущи таким относительным еди­ницам, как коэффициенты усиления, ослабления, полез­ного действия и т.д. Ряду абсолютных шкал, например, коэффициентов полезного действия, присущи границы, заключенные между нулем и единицей;

условные шкалы— шкалы величин, в которых не определена единица измерения. К ним относятся шкалы наименований, и порядка.

Шкалы интервалов, отношений и абсолютные называ­ются обычно метрическими (физическими), а шкалы наименований и порядка — неметрическими. Практическая реализация шкал измерений осуществляется путем стан­дартизации как самих шкал и единиц измерений, так и способов и условий их однозначного воспроизведения.

Эталоны

Система воспроизведения единиц величини передачи информации об их размерах всем без исключения СИ в стране составляет техничес­кую базу обеспечения единства измерений.

Воспроизведение единиц величин. В соответствии с основным уравне­нием измерения измерительная процедура сводится к сравнению не­известного размера с известным, в качестве которого выступает размер соответствующей единицы Международной системы. Воспроизведение единицы представляет собой совокупность операций по материализации единицы физической величины с наивысшей в стране точностью с по­мощью государственного эталона или исходного рабочего эталона. Раз­личают воспроизведение основных и производных единиц. Размеры единиц могут воспроизводиться там же, где выполняются измерения (децен­трализованный способ), либо информация о них должна передаваться с централизованного места их хранения или воспроизведения (централи­зованный способ).

Децентрализовано воспроизводятся единицы многих производных физических величин. Основные единицы сейчас воспроиз­водятся только централизованно.

Централизованное воспроизведение единиц осуществляется с помо­щью специальных технических средств, называемых эталонами. Эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же единицы) точностью, называется первичным эталоном. Первичные эталоны — это уникальные средства измерений, часто представляющие собой сложнейшие измерительные комплексы, созданные с учетом новейших достижений науки и техники на данный период. Эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы в особых условиях и служащий для этих условий, называется специальным эталоном. Официально утвержденные в качестве исходного для страны первичный или специальный эталоны называются государственными.

Эталон, получающий размер единицы путем сличения с первичным эталоном рассматриваемой единицы, называется вторичным эталоном.

Эталон должен отвечать трем основным требованиям: неизменность (способность удерживать неизменным размер воспроизводимой им еди­ницы в течение длительного интервала времени); воспроизводимость (воспроизведение единицы с наименьшей погрешностью для данного уровня развития измерительной техники); сличаемостью (способность не претерпевать изменений и не вносить каких-либо искажений при про­ведении сличений).

Государственные эталоны представляют собой национальное досто­яние и поэтому должны храниться в метрологических институтах стра­ны в специальных эталонных помещениях, где поддерживается строгий режим по влажности, температуре, вибрациям и другим параметрам. Для обеспечения единства измерений физических величин в международном масштабе большое значение имеют международные сличения нацио­нальных государственных эталонов. Эти сличения помогают выявить систематические погрешности воспроизведения единицы национальны­ми эталонами, установить, насколько национальные эталоны соответ­ствуют международному уровню, и наметить пути совершенствования национальных (государственных) эталонов.

В 2000 г. эталонная база России была представлена 118 государ­ственными эталонами, 250 вторичными эталонами, 70 установками высшей точности и государственными стандартными образцами в ко­личестве более 8000.

Передача размера единицыпредставляет собой приведение разме­ра единицы физической величины, хранимой поверяемым СИ, к разме­ру единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном. Передача раз­мера осуществляется при сличении этих единиц. При передаче информации о размере единиц обширному парку СИ приходится при­бегать к многоступенчатой процедуре.

По размеру единицы, воспроизводимому государственным этало­ном, устанавливаются значения физических величин, воспроизводимые вторичными эталонами.

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, 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).

В качестве методов передачи информации о размере единиц использу­ют методы непосредственного сличения (т.е. сличения меры с мерой или показаний двух приборов), а также сличение с помощью компаратора.

Непосредственное сличение применяют, как правило, для менее точ­ных мер. Непосредственно сличать можно только штриховые меры длины (линейки, брусковые метры, рулетки), меры вместимости (измерительные цилиндры, бюретки, пипетки, мерные колбы и т.п.). Для более тонной поверки используют приборы-сравнения — компарирующие устройства. Наиболее часто применяют следующие компараторы: образцовые весы различных разрядов (при поверке гирь), мосты постоянного и переменного тока (при сличении мер сопротивления и ЭДС нормальных элементов).

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.

Поверочные схемыСИ представляют собой документ, который ус­танавливает соподчинение СИ, участвующих в передаче размера еди­ницы от эталона к рабочим СИ с указанием методов и погрешности при передаче. Различают государственные и локальные поверочные схемы. Государственные схемы регламентируют передачу информации о раз­мере единицы всему парку СИ в стране. Во главе этой схемы находит­ся государственный эталон.

Государственные поверочные схемы закладываются в основу госу­дарственных стандартов. Локальные поверочные схемы распространя­ются на СИ, подлежащие поверке, организуемой МС министерства (ве­домства) или МС юридического лица.

Систему передачи образно представляют в виде пирамиды (рис. 1): в основании находится совокупность РСИ; вершину занимает государственный эталон; на промежуточных плоскостях — рабочие эталоны раз­личных разрядов. От основания к вершине уменьшается погрешность СИ, растет их стоимость, снижается «тираж» изготовления.

Рис.1. Схематическое изображение системы передачи размера единиц величин

Процесс передачи размера единиц происходит при поверке и калиб­ровке СИ. Поверка и калибровка представляют собой набор операций, выполняемых с целью определения и подтверждения соответствия СИ установленным техническим требованиям.

Принципиальное отличие поверки от калибровки состоит в том, что поверка:

1) носит обязательный характер и проводится в рамках государственного метрологического контроля;

2) проводится в отно­шении СИ, которые применяются в законодательно установленных (Закон РФ «Об обеспечении единства измерений») сферах, главным образом непроизводственных — здравоохранение, охрана окружаю­щей среды, торговые операции, государственные учетные операции, обеспечение обороны государства, банковские, налоговые, таможен­ные операции и пр.

Контрольные вопросы

1. Определение физической величины, классификация физических величин.

2. В чём заключается сущность единства измерений?

3. Что такое шкалы измерений? Какие типы шкал существуют?

4. Для чего нужны эталоны физических величин?

5. Раскройте основные понятия, входящие в определение эталона.