Классификация физических величин. Международная система физических величин и единиц их измерения (СИ). Внесистемные единицы измерений.

Классификация единиц измерения физических величин представлена на рис. 2.2.

Основная физическая величина — величина, условно приня­тая в качестве независимой от других физических величин. При­мером основной физической величины могут служить длина, масса и т.п. (табл. 2.1).

Основная единица физической величины — единица основной физической величины в данной системе единиц (см. табл. 2.1).

Производная физическая величина — физическая величина, определяемая через основные величины этой системы. К произ­водным величинам относятся объем, площадь, скорость движе­ния, относительная плотность и др.

Производная единица физической величины — единица про­изводной физической величины. Производные физические величины могут быть получены из одноименных или разноименных физических величин. Примером одноименных величин могут служить дольные единицы массы — грамм, миллиграмм или кратные — тонна (т), центнер (ц), а разноименных — метр в секунду (м/с), грамм на дециметр кубический (г/дм³) и т.п.

Таблица 2.1

Основные единицы физических величин, принятые в Международной системе (СИ)

Система физической величины — совокупность взаимосвя­занных основных и производных единиц физических величин.

Первой системой единиц физических величин была метри­ческая система, в которой вначале было две основные единицы: метр — единица длины и грамм — единица веса. Метрическая система сначала была принята во Франции (1840), затем в Гер­мании (1849). В дальнейшем она была допущена наряду с нацио­нальными системами в Великобритании (1864), США (1866), России (1899). Однако наряду с метрической системой в других странах использовались и национальные, исторически сложив­шиеся системы, которые применяются и в настоящее время. Например, в Великобритании, США и Канаде до сих пор исполь­зуются единицы, не имеющие целочисленного десятичного соот­ношения с метрической системой.

В 1960 г. XI Генеральная конференция по мерам и весам утвердила Международную систему единиц, содержащую шесть основных физических величин и обозначаемую сокращенно SI (Systeme International d Unites), в русской транскрипции — СИ. В 1970 г. эта система была дополнена седьмой основной физи­ческой единицей — количеством вещества — молем. В 1980 г. СИ была принята в нашей стране, (см. табл. 2.1)

Единицы измерения являются одним из объектов Федераль­ного закона «Об обеспечении единства измерений» (ст. 6), в котором регламентируются требования к единицам величин. Требования к единицам величин заключаются в следующем: • в Российской Федерации применяются единицы величин Международной системы единиц, принятые Генеральной конференцией по мерам и весам (ГМКВ) и рекомендован­ные к применению Международной организацией законо­дательной метрологии. Правительством РФ могут быть допущены к применению в Российской Федерации наравне с единицами величин Международной системы единиц внесистемные единицы величин. Наименования единиц величин, допускаемых к применению в Российской Федерации, их обозначения, правила написания, а также пра­вила их применения устанавливаются Правительством РФ;

• характеристики и параметры продукции, поставляемой на экспорт, в том числе средств измерений, могут быть выра­жены в единицах величин, предусмотренных договором (контрактом), заключенным с заказчиком;

• единицы величин передаются средствам измерений, техни­ческим системам и устройствам с измерительными функ­циями от эталонов единиц величин и стандартных образ­цов.

В России внесистемными единицами измерений являются, например, градус Цельсия и килокалория наряду с Кельвином и джоулем.

В соответствии с решениями Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ), принятыми в разные годы, действуют следующие определения основных единиц СИ.

Единица длины — метр — длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299792458 доли секунды (решение XVII ГКМВ в 1983 г.).

Единица массы — килограмм — масса, равная массе между­народного прототипа килограмма (решение I ГКМВ в 1889 г.).

Единица времени — секунда — продолжительность 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133, не возмущенного внешними полями (решение XIII ГКМВ в 1967 г.).

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 (одобрено IX ГКМВ в 1948 г.).

Единица термодинамической температуры — кельвин — (до 1967 г. имел наименование градус Кельвина) — 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Допуска­ется выражение термодинамической температуры в градусах Цельсия (резолюция XIII ГКМВ 1967 г.).

Единица количества вещества — моль — количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в нуклиде углевода-12 массой 0,012 кг (резолюция XIV ГКМВ 1971 г.).

Единица силы света — кандела — сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540 • 10¹² Гц, энергетическая сила света кото­рого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср (резолюция XVI ГКМВ 1979 г.).

Как отмечалось, наряду с системными единицами СИ допус­кается применение внесистемных единиц. Примером внесистем­ных единиц массы, являющимися производными от килограмма, могут служить тонна, центнер, пуд, карат, золотник и др.

Производные единицы физических величин подразделяются на системные и внесистемные, а по отношению к основным единицам — на кратные и дольные.

Кратная единица физической величины — единица физической величины, в целое число раз большая системной или внесистем­ной единицы.

Дольная единица физической величины — единица физической величины в целое число раз меньшая системной или внесистем­ной единицы.

Примером кратной единицы длины основной единице — метру — служат километр, а дольной — миллиметр, сантиметр, дециметр.

Для удобства применения единиц физических величин при­няты приставки для образования кратных и дольных единиц, например деци, санти и т.д.

39. Измерение — сравнение неизвестной величины с известной и выражение первой через вторую в кратном или дольном отно­шении.

Измерения подразделяются на виды по определенным клас­сификационным признакам (рис. 2.3):

1) по способу получения информации— на прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямые измерения — измерения, при которых искомое зна­чение величины получают непосредственно от средства измере­ний [3], например измерение длины линейкой.

Косвенные измерения — измерения, при которых искомое значение величины определяется на основании прямых измере­ний других физических величин, связанных с искомой величи­ной известной функциональной зависимостью, и расчета первой через вторые. Например, содержание крахмала в картофеле и соли в рассоле определяют по относительной плотности клубней или рассола.

Совокупные измерения — измерения, при которых определя­ются фактические значения нескольких однородных величин, а действительное значение искомой величины устанавливается путем решения системы уравнений.

Число уравнений системы должно быть меньше числа иско­мых величин. Совокупные измерения являются усложненной разновидностью прямых измерений. Например, при определе­нии объема объекта измеряется три длины: длина (L), ширина (d) и высота (h), при этом объем находят по формуле V= Ldh.

Совместные измерения — измерения, при которых устанавли­ваются фактические значения неоднородных величин с целью нахождения зависимости между ними. Совместные измерения являются разновидностью косвенных. Очень часто совместные измерения применяются для определения коэффициентов.

Например, коэффициент загрузки склада рассчитывают путем измерения массы товаров и занимаемой ими полезной склад­ской площади;

2) по характеру измерения получаемой информации в процессе измерений — на статические, динамические и статистические.

Статические измерения — измерения, которые проводятся при практическом постоянстве искомой величины, например измерение массы металлического объекта.

Динамические измерения — измерения, в процессе которых искомая величина изменяется. Например, при измерении массы растертой влажной навески продукта за счет постоянного испа­рения воды масса уменьшается.

Статистические измерения — измерения, связанные с опре­делением характеристик случайных процессов, шумовых сигна­лов и др., например измерения массы дефектной продукции при окончательном контроле у изготовителя;

3) по количеству измерительной информации — на одно- и многократные.

Однократные измерения — измерения, при которых число измерений равняется числу измеряемых величин. На практике рекомендуется считать однократным усредненный результат не менее двух-трех измерений. Недостатком однократных измере­ний является возможность возникновения грубых, неустранен-ных погрешностей.

Многократные измерения — измерения, при которых число измерений (п) превышает число измеряемых величин (т). Обычно на практике п > 3.

Целью многократных измерений является уменьшение влия­ния случайных погрешностей на результат измерения;

4) по отношению к основным единицам — на абсолютные и относительные.

Абсолютные измерения — измерения при которых результат основывается на прямых измерениях одной или нескольких основных физических величин, например измерение длины, площади, объема и т.п.

Относительные измерения — измерения, при которых дейс­твительное значение искомой величины устанавливается как отношение одной величины к другой однородной или неодно­родной величине. Например, относительная плотность объекта устанавливается как отношение массы к объему.

При измерении определяется размер или количественная характеристика физической величины. Однако в ряде случаев возникает необходимость определить лишь размерность физи­ческой величины, т. е. ее качественную характеристику, напри­мер кислотность (рН) среды, наличие электрического тока или какого-либо вещества в многокомпонентной среде. В таких слу­чаях используют обнаружение.

Обнаружение — установление качественных характеристик искомой физической величины. При обнаружении единицы измерения не устанавливаются, но нуль при обнаружении слу­жит подтверждением отсутствия физической величины. Напри­мер, при обнаружении электрического тока в сети прибор может фиксировать его отсутствие.

Средствами обнаружения чаще всего служат индикаторы, например индикатор электрического тока; химические индика­торы, фиксирующие наличие в растворах определенных веществ (фенолфталеин и метилоранж используются для обнаружения в растворе щелочи; реактив Тильманса—аскорбиновой кислоты и др.).

Таким образом, обнаружение можно рассматривать как раз­новидность измерения физических величин, относящихся к ее качественным характеристикам.

Требования к измерениям устанавливаются в Федеральном законе «Об обеспечении единства измерений» [3]:

• измерения, относящиеся к сфере государственного регули­рования обеспечения единства измерений, должны выпол­няться по аттестованным методикам (методам) измерений, за исключением методик (методов) измерений, предназна­ченных для выполнения прямых измерений, с примене­нием средств измерений утвержденного типа, прошедших поверку. Результаты измерений должны быть выражены в единицах величин, допущенных к применению в Россий­ской Федерации;

• методики (методы) измерений, предназначенные для выполнения прямых измерений, вносятся в эксплуатационную документацию на средства измерений. Подтвержде­ние соответствия этих методик (методов) измерений обяза­тельным метрологическим требованиям к измерениям осуществляется в процессе утверждения типов данных средств измерений. В остальных случаях подтверждение соответствия методик (методов) измерений обязательным метро­логическим требованиям к измерениям осуществляется путем аттестации методик (методов) измерений. Сведения об аттестованных методиках (методах) измерений переда­ются в Федеральный информационный фонд по обеспече­нию единства измерений юридическими лицами и инди­видуальными предпринимателями, проводящими аттеста­цию;

• аттестацию методик (методов) измерений, относящихся к сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, проводят аккредитованные в установ­ленном порядке в области обеспечения единства измере­ний юридические лица и индивидуальные предпринима­тели;

• порядок аттестации методик (методов) измерений и их применения устанавливается федеральным органом испол­нительной власти, осуществляющим функции по выра­ботке государственной политики и нормативно-правовому регулированию в области обеспечения единства изме­рений;

• федеральные органы исполнительной власти, осуществля­ющие нормативно-правовое регулирование в регламенти­руемых областях деятельности, определяют измерения, относящиеся к сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, и устанавливают к ним обязательные метро логические требования, в том числе показатели точности измерений,

• федеральный орган исполнительной власти, осуществляю­щий функции по оказанию государственных услуг и управ­лению государственным имуществом в области обеспече­ния единства измерений, ведет единый перечень измере­ний, относящихся к сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений.