Кратные и дольные единицы СИ

 

Различают кратные и дольные единицы физической величины [9].

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

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

Таблица 1.2. Множители и приставки для образования кратных

И дольных единиц и их наименований

Множитель	Приставка	Обозначение приставки
Русское	Международное
1018	экса	Э	E
1015	пета	П	P
1012	тера	Т	T
109	гига	Г	G
106	мега	М	M
103	кило	к	k
102	гекто	г	h
101	дека	да	da
10-1	деци	д	d
10-2	санти	с	c
10-3	милли	м	m
10-6	микро	мк	m
10-9	нано	н	n
10-12	пико	п	p
10-15	фемто	ф	f
10-18	атто	а	a

 

Наиболее прогрессивным способом образования кратных и дольных единиц является принятая в метрической системе мер десятичная кратность между большими и меньшими единицами. В соответствии с резолюцией XI Генеральной конференции по мерам и весам десятичные кратные и дольные единицы от единиц СИ образуются путем присоединения приставок.

Например, единица длины километр равна 10³ м, т.е. кратна метру, а единица длины миллиметр равна 10^{-3 м, т.е. является дольной. Множители и приставки для образования кратных и дольных единиц СИ приведены в таблице 1.2.}

Внесистемные единицы [10]– единицы физических величин, которые не входят в принятую систему единиц. Они подразделяются на:

- допускаемые к применению наравне с единицами СИ;

- допускаемые к применению в специальных областях;

- временно допускаемые;

- устаревшие (не допускаемые).

 

 

Измерение физических величин

 

Измерение физических величин заключается в сопоставлении какой-либо величины с однородной величиной, принятой за единицу.

В метрологии используется термин «измерение», под которым понимается совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины. Следует отметить, что термин «измерение» в таком понятии значительно сокращает область его применения, так как широко применяются измерения (органолептические), основанные на использовании органов чувств человека (например, оценка спортивных выступлений в фигурном катании, гимнастике). Другими словами, термин «измерение» не ограничен нахождением значения физической величины, так как часто измеряют и нефизические величины.

 

Области и виды измерений

Область измерений – совокупность измерений физических величин, свойственных какой-либо области науки или техники и выделяющихся своей спецификой.

Вид измерений – часть области измерений, имеющая свои особенности и отличающаяся однородностью измеряемых величин.

В метрологии различают следующие области и виды измерений:

1. Измерение геометрических величин: длин, углов, отклонений формы поверхностей.

2. Измерение механических величин: массы, силы, прочности и пластичности, крутящих моментов.

3. Измерение параметров потока, расхода, уровня, объема веществ.

4. Измерение давления: избыточного, атмосферного, абсолютного, вакуума.

5. Физико-химические измерения: вязкости, плотности, концентрации, влажности.

6. Теплофизические и температурные измерения.

7. Измерение времени и частоты.

8. Измерения электрических и магнитных величин на постоянном и переменном токе: силы тока, ЭДС, напряжения, мощности, сопротивления, емкости, индуктивности.

9. Радиоэлектронные измерения: интенсивности сигналов, параметров формы и спектра сигналов.

10. Измерения акустических величин в различных средах (воздушной, твердой, жидкой).

11. Оптические и оптико-физические измерения: оптической плотности, коэффициента пропускания.

12. Измерения ионизирующих излучений и ядерных констант: дозиметрических и спектральных характеристик ионизирующих излучений.

 

Классификация измерений

Измерения могут быть классифицированы по ряду признаков: по способу получения информации, по характеру изменений измеряемой величины в процессе измерений, по количеству измерительной информации, по отношению к основным единицам.

1) По способу получения информации измерения разделяют на прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямые измерения – измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных (измерения массы на весах, температуры термометром, длины с помощью линейных мер).

Косвенные измерения – измерения, при которых искомое значение находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, полученными прямыми измерениями (определение плотности однородного тела по его массе и объему, удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения).

Совокупные измерения – измерения нескольких однородных величин, при которых искомое значение величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин (измерения, при которых масса отдельных гирь набора находится по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь).

Совместные измерения – одновременные измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимости между ними (проводимые одновременно измерения приращения длины образца в зависимости от изменений его температуры и определение коэффициента линейного расширения по формуле k=Dl/(l×Dt)).

В результате измерения должны быть определены 3 величины [9]:

1. Число, выражающее отношение измеряемой физической величины к общепринятой единице измерения ,

где: A – числовое значение измеряемой величины;

X – измеряемая величина;

x – единица измерения.

2. Погрешность результата измерения.

3. Доверительная вероятность допущенной погрешности (при обычных технических измерениях погрешность определяется с вероятностью 95%).

Пример, иллюстрирующий значение доверительной вероятности. Вероятность того, что спектакль в театре состоится, составляет 95%. Люди, купившие билеты на спектакль, обычно не задумываются о небольшой вероятности (5%), что спектакль может быть отменен или не состоится по какой-либо причине. Ввиду того, что в этой ситуации вероятность отмены спектакля, равная 5%, является низкой, то зрители не задумываются, покупать билет или нет.

С другой стороны, вероятность того, что (когда вы выходите на улицу), с вами ничего плохого не случится (на голову не упадет кирпич, вы не провалитесь в люк и т.п.), составляет 99,9999%. Вероятность обратного составляет 0,0001%, что ничтожно мало. Поэтому нормальный человек, выходя из дома, не задумывается о том, что с ним что-то может случиться. Но если предположить, что и в этом случае, как и в случае со спектаклем, вероятность благополучного похода на улицу составит 95%, то многие начнут сомневаться, а стоит ли выходить на улицу.

Можно сказать, что доверительная вероятность допущенной погрешности зависит от важности производимых измерений (чем более важны и ответственны измерения, тем более высокая доверительная вероятность допущенной погрешности должна быть задана).

2) По характеру изменения измеряемой величины в процессе измерений бывают статистические, динамические и статические измерения.

Статистические измерения связаны с определением характеристик случайных процессов, звуковых сигналов, уровня шумов и т.д.

Статические измерения имеют место тогда, когда измеряемая величина практически постоянна.

Динамические измерения связаны с такими величинами, которые в процессе измерений претерпевают те или иные изменения.

Статические и динамические измерения в идеальном виде на практике редки.

3) По количеству измерительной информации различают однократные и многократные измерения.

Однократные измерения – это одно измерение одной величины, т.е. число измерений равно числу измеряемых величин.

Практическое применение такого вида измерений всегда приводит к большим погрешностям, поэтому следует проводить не менее трех однократных измерений и находить конечный результат как среднее арифметическое значение.

Многократные измерения характеризуются превышением числа измерений количества измеряемых величин.

Обычно минимальное число измерений больше трех. Преимущество многократных измерений – в значительном снижении влияний случайных факторов на погрешность измерения.

 

1.3.3. Шкалы измерений [10]

Шкала физической величины – это упорядоченная совокупность значений физической величины, служащая исходной основой для измерений данной величины.

Различают следующие типы шкал измерений:

Шкалы наименований – характеризуются 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 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 порядка – описывают свойства величин, упорядоченные по возрастанию или убыванию оцениваемого свойства, т.е. позволяют установить отношение больше/меньше между величинами, характеризующими это свойство. В этих шкалах отсутствует единица измерения, т.к. невозможно установить, в какое число раз больше или меньше проявляется свойство величины. Пример: 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. Эти шкалы могут иметь условную нулевую точку. Пример: летоисчисление по различным календарям, температурные шкалы (Цельсия, Фаренгейта, Реомюра).

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. Пример: шкала массы, шкала термодинамической температуры Кельвина.

Абсолютные шкалы – кроме 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.

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

 

1.3.4. Характеристики качества измерений [10]

 

Качество измерений характеризуется точностью, достоверностью, правильностью, сходимостью и воспроизводимостью, а также размером допускаемых погрешностей.

Точность измерений – характеристика качества измерения, отражающая близость к нулю погрешности результата измерения.

Достоверность измерений определяется степенью доверия к результату измерения и характеризуется вероятностью того, что истинное значение измеряемой величины находится в указанных пределах. Данная вероятность называется доверительной.

Правильность измерений – характеристика измерений, отражающая близость к нулю систематических погрешностей результатов измерений.

Сходимость результата измерений – характеристика качества измерений, отражающая близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполняемых повторно одними и теми же методами и средствами измерений и в одних и тех же условиях. Сходимость отражает влияние случайных погрешностей на результат измерения.

Воспроизводимость результатов измерений – характеристика качества измерений, отражающая близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, полученных в разных местах, разными методами и средствами измерений, разными операторами, но приведенных к одним и тем же условиям.

 

1.4. Средства измерений [9]

 

Средства измерений представляют собой совокупность технических средств, используемых при различных измерениях и имеющих нормированные метрологические свойства, т.е. отвечающих требованиям метрологии в части единиц и точности измерений, надежности и воспроизводимости получаемых результатов, а также требованиям к их размерам и конструкции.

Средство измерений – техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.

К средствам измерений относят: меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи, измерительные установки, измерительные системы, измерительные принадлежности.

1. Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью (гиря – мера массы, точный кварцевый генератор – мера частоты электрических колебаний). Меры бывают однозначные и многозначные. Однозначные меры (например, гиря, образцовая катушка сопротивлений) воспроизводят одно значение физической величины. Многозначные меры служат для воспроизведения ряда значений одной и той же физической величины. Примером многозначной меры может служить миллиметровая линейка, воспроизводящая наряду с миллиметровыми также и сантиметровые размеры длины.

Применяются также меры в виде наборов и магазинов мер. Набор мер представляет собой комплект однозначных мер разного размера, предназначенных для применения в различных сочетаниях (например, набор концевых мер длины). Магазин мер – набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором предусмотрено ручное или автоматизированное соединение мер в необходимых комбинациях (например, магазин электрических сопротивлений).

2. Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне.

Различают приборы прямого действия и приборы сравнения.

Приборы прямого действия отображают измеряемую величину на показывающем устройстве, имеющем соответствующую градуировку в единицах этой величины. К таким приборам относятся, например, термометры, амперметры, вольтметры и т.п.

Приборы сравнения предназначены для сравнения измеряемых величин с величинами, значения которых известны. Например, приборы для измерения яркости, давления сжатого воздуха и др. Эти приборы более точные.

По способу отчета значений измеряемых величин приборы подразделяются на показывающие (в том числе аналоговые и цифровые) и регистрирующие. Регистрирующие приборы по способу записи делятся на самопишущие и печатающие. В самопишущих приборах запись показаний представляется в графическом виде, в печатающих – в числовой форме.

3. Измерительный преобразователь – техническое средство с нормированными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи. Преобразуемую величину называют входной, а результат преобразования – выходной величиной. Основной метрологической характеристикой измерительного преобразователя считается соотношение между входной и выходной величинами, называемое функцией преобразования.

Измерительные преобразователи входят в состав измерительных приборов или применяются вместе с каким-либо средством измерений.

Самыми распространенными являются первичные измерительные преобразователи (ПИП), которые служат для непосредственного восприятия измеряемой величины (как правило, неэлектрической) и преобразования ее в другую величину – электрическую. ПИП, от которого поступают измерительные сигналы, конструктивно оформленный как обособленное средство измерений (без отсчетного устройства), называется датчиком.

Промежуточными измерительными преобразователями называются преобразователи, расположенные в измерительной цепи после ПИП и обычно по измеряемой (преобразуемой) физической величине однородные с ним.

По характеру преобразования измерительные преобразователи делятся на аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП). АЦП и ЦАП всегда являются промежуточными.

4.Измерительная установка – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте. Измерительную установку, применяемую для поверки, называют поверочной установкой. Измерительную установку, входящую в состав эталона, называют эталонной установкой. Некоторые большие измерительные установки называют измерительными машинами.

5. Измерительная система – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта и т. п. с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях.

В настоящее время большинство измерительных систем являются автоматизированными. Несмотря на различные наименования (АИС – автоматизированная измерительная система, ИИС – информационно-измерительная система, ИВК – измерительно-вычислительный комплекс), все они обеспечивают автоматизацию процессов измерений, обработки и отображения результатов измерений. Измерительные системы широко используются для автоматизации технологических процессов в различных отраслях промышленности.

6. Измерительные принадлежности – это вспомогательные средства измерений величин. Они необходимы для вычисления поправок к результатам измерений, если требуется высокая степень точности.Например, термометр может быть вспомогательным средством, если показания прибора достоверны только при строго регламентированной температуре; психрометр – если строго регламентируется влажность окружающей среды.

 

Методы измерений

 

Принцип измерения – совокупность физических принципов, на которых основаны измерения.

Метод измерения – это прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерения [1].

Метод измерения – совокупность конкретно описанных операций, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с установленными показателями точности [2].

Метод измерения должен по возможности иметь минимальную погрешность.

Методы измерений классифицируют по следующим признакам.

1. В зависимости от измерительных средств, используемых в процессе измерения [10], различают методы: инструментальный, экспертный, эвристический, органолептический.

Инструментальный метод – основан на использовании специальных технических средств, в т.ч. автоматизированных и автоматических.

Экспертный метод – основан на использовании данных нескольких специалистов. Широко применяется в спорте, искусстве, медицине.

Эвристический метод – основан на интуиции. Широко используется способ попарного сопоставления, когда измеряемые величины сначала сравниваются между собой попарно, а затем производится ранжирование на основании результатов этого сравнения.

Органолептический метод – основан на использовании органов чувств человека (осязание, обоняние, зрение, слух, вкус).

2. По способу получения значений измеряемой величины различают [9]: методнепосредственной оценки и методы сравнения (дифференциальный, нулевой, замещения, совпадений).

Сущность метода непосредственной оценки состоит в том, что о значении измеряемой величины судят по показанию одного (прямые измерения) или нескольких (косвенные измерения) средств измерений, которые заранее проградуированы в единицах измеряемой величины. Это наиболее распространенный метод измерения Его реализуют большинство средств измерений. Простейший пример – измерение напряжения вольтметром.

К методам сравнения относятся все те методы, при которых измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой. Т.о., отличительной особенностью этих методов является непосредственное участие мер в процессе измерения.

При дифференциальном методе измеряемая величина Х сравнивается непосредственно или косвенно с величиной Х_м, воспроизводимой мерой. О значении величины Х судят по измеряемой прибором разности Х=Х-Х_м и по известной величине Х_м, воспроизводимой мерой. Следовательно, Х=Х_м+ Х. При этом методе производится неполное уравновешивание измеряемой величины.

Пример метода – измерение массы весами с набором гирь.

Нулевой метод – разновидность дифференциального метода. Его отличие в том, что разность Х 0, что контролируется специальным прибором высокой точности – нуль-индикатором. В данном случае значение измеряемой величины равно значению, воспроизводимому мерой. Погрешность метода очень мала.

Пример метода – взвешивание на весах, когда на одном плече находится взвешиваемый груз, а на другом – набор эталонных грузов. Или измерение сопротивления с помощью уравновешенного моста.

Метод замещения заключается в поочередном измерении прибором искомой величины и выходного сигнала меры, однородного с измеряемой величиной. По результатам этих измерений вычисляется искомая величина.

Пример метода – измерение большого электрического сопротивления путем поочередного измерения силы тока, протекающего через контролируемый и образцовый резисторы. Питание цепи осуществляется от одного и того же источника постоянного тока.

При методе совпадений разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой метой, определяют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов Этот метод широко используется в практике неэлектрических измерений.

Пример – измерение длины при помощи штангенциркуля.

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: