Міжнародна система одиниць фізичних величин
Генеральна конференція з мір та ваг (ГКМВ) у 1954 р. визначила шість основних одиниць фізичних величин для використання у міжнародних відносинах: метр, кілограм, секунда, ампер, градус кельвіна і світла.
11-а Генеральна конференція з мір та ваг у 1960 році затвердила міжнародну систему одиниць, що позначається SІ (від початкових літер французької назви Systemе Іnternational СІ Unites), на українській мові - СІ. В наступних роках Генеральна конференція прийняла ряд доповнень і змін, у результаті яких в системі стало сім основних одиниць, додаткові і похідні одиниці фізичних величин, а також розробила наступне визначення основних одиниць:
• одиниця довжини - метр - довжина шляху, котру проходить світло у вакуумі за 1/299792458 долю секунди;
• одиниця маси - кілограм - маса, що дорівнює масі міжнародного прототипу кілограма.
• одиниця часу - секунда - тривалість 9192631770 періодів випромінювання, яке відповідає переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію - 133 при відсутності збурення з боку зовнішніх полів;
• одиниця сили електричного струму - ампер - сила незмінного струму, який при проходженні по двох паралельних провідниках безконечної довжини та мізерно малого кругового перерізу, що знаходяться на відстані 1 м один від одного у вакуумі, створював би між цими провідниками силу, що дорівнює 2*10 (-7) на кожний метр довжини;
• одиниця термодинамічної температури - кельвін -1/273,16 частина термодинамічної температури потрійної точки води. Допускається також застосування шкали Цельсія;
• одиниця кількості речовини - моль - кількість речовини системи, що містить стільки ж структурних елементів, скільки атомів містить нуклід вуглецю - 12, масою 0,012 кг;
• одиниця сили світла - кандела - сила світла у заданому напрямку джерела, що випромінює монохроматичне випромінювання частотою 540*10(12)Гц, енергетична сила якого в цьому напрямку складає 1/683 Вт/ср’
Наведені визначення складні і вимагають достатнього рівня знань, насамперед у фізиці. Але вони дають уявлення про природне походження прийнятих одиниць, а тлумачення їх ускладнювалось в міру розвитку науки і завдяки новим високим досягненням теоретичної і практичної фізики, механіки, математики та інших фундаментальних наук. Це дало можливість, з одного боку. представити основні одиниці як достовірні і точні, а з іншого - як з'ясовані і зрозумілі для всіх країн світу, що є головною умовою для того, щоб система одиниць стала міжнародною.
Міжнародна система СІ вважається найбільш досконалою і універсальною в порівнянні з попередніми. Крім основних одиниць в системі СІ є додаткові одиниці для вимірювання плоского і просторового кута – радіан і стерадіан відповідно, а також велика кількість похідних одиниці. простору і часу, механічних величин, електричних і магнітних величин, теплових, світлових, акустичних величин, а також іонізуючих випромінювань.
Після прийняття Міжнародної системи одиниць ГКМВ практично всі найкрупніші міжнародні організації включили її в свої рекомендації з метрології і закликали всі країни - членів цих організацій прийняти її. В Україні система СІ офіційно була прийнята у 1963 році шляхом введення відповідного державного стандарту, причому слід врахувати, що в той час всі державні стандарти мали силу закону і були суворо обов'язковими для виконання.
На сьогоднішній день система СІ дійсно стала міжнародною, але разом з тим застосовуються і несистемні одиниці, наприклад, тонна, доба, літр, гектар та ін.
Класифікація вимірювань
Вимірювання - це знаходження фізичної величини експериментальним шляхом за допомогою спеціальних технічних засобів.
Основними ознаками класифікації, за якими поділяються вимірювання на види (групи), є:
• час вимірювань;
• спосіб отримання результатів вимірювань;
• спосіб вираження результатів вимірювань;
• спосіб вимірювань;
• точність результатів вимірювання.
Залежно від часу вимірювання величини поділяються на статичні і динамічні.
Статичні - якщо вимірювана величина залишається постійною в часі.
Динамічні - якщо в процесі вимірювання величина змінюється і є несталою в часі.
За способом отримання результатів вимірювань їх поділяють на прямі, побічні, сукупні і спільні.
Прямі - вимірювання, прияких шукане значення фізичної величини знаходять безпосередньо за експериментальними даними.
Побічні - вимірювання, результат яких визначають на основі прямих вимірювань величин, пов'язаних з вимірюваною величиною відомою залежністю.
Сукупні - вимірювання, при яких одночасно проводяться вимірювання кількох однойменних величин, а значення шуканої величини і находять рішенням системи рівнянь, отриманих при прямих вимірюваннях.
Спільні - це вимірювання,що проводяться одночасно для двох абодекількохнеоднойменних величин для знаходження функціональної залежності між ними.
За способом вираження результатів вимірювання їх поділяють на абсолютні і відносні.
Абсолютні - вимірювання, які основані на прямих вимірюваннях однієї або кількох основних величин, або з використанням значень фізичних констант.
Відносні - вимірювання відношення величини до однойменної величини, що відіграє роль одиниці, або вимірювання величини відносно однойменної величини, що прийнята за вихідну.
Середні - вимірювання, які основані на багаторазових вимірюваннях однієї і тієї ж ознаки і узагальнення результату вимірювання в розрахунку на одне в середньому вимірювання.
За умовами, що визначають точність результатів, вимірювання поділяються на три класи:
1. Вимірювання максимально можливої точності.
2. Контрольно-повірочні вимірювання.
3. Технічні вимірювання.
Вимірювання максимально можливої точності, яка може бути досягнута при існуючому рівні техніки. До них відносяться в першу чергу еталонні вимірювання, що пов'язані з максимально можливою точністю відтворення встановлених одиниць фізичних величин, і крім, того, вимірювання фізичних констант, перш за все універсальних
Контрольно-повірочні вимірювання, похибки яких не повинні пере вищу вати певного заданого значення. До них відносяться вимірювання пня, що виконуються територіальними центрами державного нагляду за впровадженням і додержанням стандартів і стану вимірювальної техніки.
Технічні вимірювання, в яких похибка результату визначається характеристиками засобів вимірювання. До них відносяться всі вимірювання, що виконуються в процесі виготовлення виробів. Схема класифікації дана на рис. 1.
Рис. 1. - Схема класифікації вимірювань.
1.Класифікація засобів вимірювання в техніці
Засоби вимірювань - це технічні засоби, що використовуються при вимірюваннях І які мають нормовані метрологічні характеристики. Засоби вимірювань поділяються на міри, вимірювальні прилади, вимірювальні перетворювачі, допоміжні засоби вимірювань, вимірювальні установки та вимірювальні системи.
Міри - засіб вимірювання, розрахований на відтворення фізичної величини заданого розміру.
Однозначна міра відтворює фізичну величину одного розміру, довжини і міри маси (гиря).
Багатозначна міра відтворює ряд однойменних величин різного розміру, наприклад, штрихова міра довжини і кутова міра (багатогранна призма).
Набором мір називається спеціально підібраний комплект мір, що використовується не тільки самостійно, але і в різних поєднаннях з метою відтворення ряду однойменних величин різного розміру.
Наприклад, набори плоскопаралельних кінцевих мір довжини і набори кутових мір.
Вимірювальні прилади - це засоби вимірювань, призначені з метою вироблення сигналу вимірюваної інформації у формі, що доступна для безпосереднього сприйняття спостерігачем.
Основними ознаками вимірювальних приладів є:
• характер показань;
• призначення приладу;
• принцип дії приладу;
• принцип дії вимірювальної системи.
За характером показань вони можуть бутипоказуючими і аналоговими.
В залежності від призначення прилади поділяють на універсальні для вимірювання однакових фізичних величин різних об'єктів, та спеціалізовані, що призначені для вимірювання параметрів однотипних виробів (наприклад, розмірів зубчастих коліс) або одного параметра різних виробів (нерівностей, твердості).
За принципом дії - приладами прямої дії, порівняння, інтегруючими та підсумовуючими,
Залежно від принципу дії, який покладено в основу вимірювальної системи, прилади поділяють намеханічні, оптичні, оптико-механічні, пневматичні, електричні та ін.
В багатьох випадках назва приладу визначається конструкцією вимірювального механізму. Універсальні прилади для лінійних вимірювань з механічною вимірювальною системою поділяються на штанген-прилади з ноніусом, мікрометричні прилади з мікрометричним і митом, важільно-механічні прилади з зубчастими, важільно-зубчастнми та пружинними механізмами. Згідно з установленою термінологією, прості прилади, наприклад, штанген-прилади і мікрометричні прилади, називають також вимірювальним інструментом.
Вимірювальний перетворювач - це засіб вимірювань, котрий служить для перетворення сигналу вимірювальної інформації у форму, зручну для обробки і збереження, а також передачі на показуючий пристрій. Вимірювальні перетворювачі або входять у конструктивну схему вимірювального приладу, або застосовуються разом з ним, але сигнал перетворювача не піддається безпосередньому сприйманню спостерігача. Наприклад, перетворювач може бути необхідним для передачі інформації в пам'ять комп'ютера, для посилення напруги і т.д. Перетворюючу величину називають вхідною, а результат перетворень - вихідною величиною. Основною метрологічною характеристикою вимірювального перетворювача рахують співвідношення між вхідною і вихідною величинами, що називаєтьсяфункцією перетворювання.
Перетворювачі розділяють напервинні (ті, що безпосередньо приймають величину, що вимірюється), іті, що передають, на виході яких величина набуває форму, зручну для реєстрації або передачі на відстань,проміжні, що працюють в поєднанні з первинними і не впливають на зміну роду фізичної величини.
Вимірювальні установки і системи - це сукупність заходів, вимірювань, об'єднаних за функціональною ознакою з допоміжними пристроями, для вимірювання однієї або декількох величин об'єкта вимірювань. Звичайно такі системи автоматизовані і забезпечують ввід інформації в систему, автоматизацію самого процесу вимірювання, обробку і відображення результатів вимірювання для сприймання їх користувачем. Такі установки, системи використовують і для контролю (наприклад виробничі процеси), що особливо актуально для методу статистичного контролю, а також в управлінні якістю.
Вимірювальне приладдя - це допоміжні засоби вимірювань величин. Вони необхідні для вираховування поправок до результатів вимірювань, якщо вимагається високий ступінь точності. Наприклад, термометр може бути допоміжним засобом, якщо показники приладу достовірні при суворо регламентованій температурі, психрометр - якщо суворо обумовлюється вологість навколишнього середовища.
Слід зауважити, що вимірювальні прилади вносять певні похибки в результат вимірювань, пов'язані з похибкою самого допоміжного засобу.
За метрологічним призначенням засоби вимірювання поділяють на два види:робочі засоби вимірювань таеталони. Робочі засоби вимірювань застосовують для визначення параметрів (характеристик) технічних пристроїв технологічних процесів, навколишнього середовища та інше. Робочі засоби можуть бути лабораторними (для наукових досліджень), виробничими (для забезпечення і контролю заданих характеристик технологічних процесів), польовими (для літаків, автомобілів, суден і т.д.). Кожний з цих видів робочих засобів відрізняється особливими показниками. Таклабораторні засоби вимірювань найточніші і чуттєві, а їх показники характеризуються високою стабільністю.
Виробничі мають стійкість до впливу різних факторів виробничого процесу: температури, вологості, вібрації, і т.д., що може вплинути на достовірність і точність показань приладів.Польові працюють в умовах, що постійно змінюються в широких межах зовнішнього впливу.
Схема класифікації засобів вимірювання подана на рис. 1.
Рис. 1 - Схема класифікації засобів вимірювання в техніці.