Система відтворення одиниць фізичних величин
1. Фізична величина і її розмірність
2. Шкали їх види та особливості
1. Фізична величина і її розмірність
Основним об'єктом вимірювання в метрології є фізичні величини.
Фізична величина (коротка форма терміна - «величина») при-змінюється для опису матеріальних систем і об'єктів (явищ, про-процесів і т.п.), що вивчаються в будь-яких науках (фізиці, хімії та ін.). Як відомо, існують основні і похідні величини. В якості основних вибирають величини, які характеризують фундаменталь-ні властивості матеріального світу. Механіка базується на трьох основ-них величинах, теплотехніка - на чотирьох, фізика - на семи. ГОСТ 8.417 встановлює сім основних фізичних величин - довжина, мас-са, час, термодинамічна температура, кількість речовини, сила світла, сила електричного струму, за допомогою яких створюється все різноманіття похідних фізичних величин і забезпечується опи-сание будь-яких властивостей фізичних об'єктів і явищ.
Вимірювані величини мають якісну і кількісну ха-рактеристики.
Формалізованим відображенням якісного відмінності вимірюваних величин є їх розмірність. Згідно з міжнародним стандартом ІСО розмірність позначається символом dim (розмірність). Розмірність основних величин - довжини, маси і часу - позначається відповідними до-ми великими літерами:
Розмірність похідної величини виражається через розмірність основних величин за допомогою статечного одночлена:
де L, М, Т - розмірності відповідних основних фізичних величин; a, b, g - показники розмірності (показники ступеня, в ко-торую зведені розмірності основних величин).
Кожен показник розмірності може бути позитивним або негативним, цілим або дробовим, нулем. Якщо всі показники раз-мірності дорівнюють нулю, то величина називається безрозмірною. Вона мо-же бути відносною, яка визначається як відношення однойменних величин (наприклад, відносна діелектрична проникність), і логарифмічною, яка визначається як логарифм відносної величи-ни (наприклад, логарифм відносини потужностей або напруги).
Шкали, їх види та особливості
Вимірювання різних величин, що характеризують властивості систем, явищ і інших процесів займають важливе місце в повсякденному житті. Різноманітні про-явища (кількісні або якісні) будь-якого свій-ства утворюють безлічі, відображення елементів кото-яких утворюють шкали вимірювання цих властивостей. Шкала вимірювань кількісного властивості є шкалою фізичної величини. Шкала фізичної величини - це впорядкована сукупність значень фізичної величини, що служить вихідною основою для вимірювань даної величини.
Розрізняють такі типи шкал вимірювань:
шкали найменувань характеризуються оцінкою (від-носінням) еквівалентності різних якісних проявів властивості. Ці шкали не мають нуля і оди-ниці вимірювань, в них відсутні відносини сопостав-лення типу «більше - менше». Це найпростіший тип шкал. Приклад шкали найменувань: шкали кольорів, пред-ставлять у вигляді атласів квітів. При цьому процес через вимірювань полягає в досягненні (наприклад, при візу-ному спостереженні) еквівалентності випробуваного зразка з одним з еталонних зразків, що входять в атлас коль-тов;
шкали порядку описують властивості величин, упор-доченние за зростанням або спаданням оцінюється властивості, тобто дозволяють встановити відношення більше / менше між величинами, що характеризують це свій-ство. У цих шкалах може в ряді випадків бути нуль (нульова відмітка), але принциповим для них являє-ся відсутність одиниці виміру, оскільки неможливість-но встановити, в яке число разів більше або менше проявляється властивість величини. Приклади шкал поряд-ка: шкали вимірювання твердості, балів сили вітру, зем-летрясеній;
шкали інтервалів (різниць) описують властивості величин не тільки за допомогою відносин еквівалентно-сти і порядку, але також і з застосуванням відносин підсумовування і пропорційності інтервалів (різниць) між кількісними проявами властивості. Шкали інтервалів можуть мати умовно вбрання на-чало - нульову точку. До таких шкалами, наприклад, від-носяться літочислення з різних календарів, в ко-торих за початок відліку прийнято або створення світу, або Різдво Христове, температурні шкали Мета-ся, Фаренгейта, Реомюра.
Шкала інтервалів величини Q описується уравне-ням:
де q - числове значення величини, Q0 - початок відліку шкали; [Q] - одиниця даної величини. Така шкала визначається завданням початку відліку Q0 шкали і оди-ниці величини [Q];
шкали відносин описують властивості величин, для безлічі кількісних проявів яких примі-Німи логічні відносини еквівалентності, порядку і пропорційності, а для деяких шкал також від-носіння підсумовування. У шкалах відносин суті-ет природний нуль і за погодженням встановлюється одиниця виміру.
Шкали відносин описуються рівнянням:
де Q- фізична величина, для якої будується шкала, а перехід однієї шкали відносин до іншої здійснюється че-рез рівняння:
Прикладами шкали відносин є шкали мас-си і термодинамічної температури;
абсолютні шкали крім всіх ознак шкал від-носіння володіють додатковою ознакою: в них присутня однозначне визначення одиниці вимірювань-ня. Такі шкали притаманні таким відносним оди-ніцам, як коефіцієнти посилення, ослаблення, поліз-ного дії і т.д. Ряду абсолютних шкал, наприклад, коефіцієнтів корисної дії, притаманні кордону, укладені між нулем і одиницею;
умовні шкали - шкали величин, в яких не визначена одиниця виміру. До них відносяться шкали найменувань, і порядку.
Шкали інтервалів, відносин і абсолютні називаючи-ються зазвичай метричними (фізичними), а шкали найменувань і порядку - Неметричні. Практична реалізація шкал вимірювань здійснюється шляхом стан-стандартизації як самих шкал і одиниць вимірювань, так і способів і умов їх однозначного відтворення.
Система відтворення одиниць величин і передачі інформації про їх розмірах всім без винятку СІ в країні становить технічного-кую базу забезпечення єдності вимірювань.
Відтворення одиниць величин. Відповідно до основного уравне-ням вимірювання вимірювальна процедура зводиться до порівнянню не-відомого розміру з відомим, в якості якого виступає розмір відповідної одиниці Міжнародної системи. Відтворення одиниці являє собою сукупність операцій по матеріалізації одиниці фізичної величини з найвищою в країні точністю за по-міццю державного еталона або вихідного робочого еталона. Раз-розрізняють відтворення основних і похідних одиниць. Розміри одиниць можуть відтворюватися там же, де виконуються вимірювання (Децен-тралізованний спосіб), або інформація про них повинна передаватися з централізованого місця їх зберігання або відтворення (централі-зовано спосіб).
Децентралізовано відтворюються одиниці багатьох похідних фізичних величин. Основні одиниці зараз програвання водяться тільки централізовано.
Централізоване відтворення одиниць здійснюється за допомогою на-гою спеціальних технічних засобів, які називаються еталонами. Еталон, що забезпечує відтворення одиниці з найвищою в країні (в порівнянні з іншими зразками тієї ж одиниці) точністю, називається первинним еталоном. Первинні еталони - це унікальні засоби вимірювань, часто представляють собою складні вимірювальні комплекси, створені з урахуванням новітніх досягнень науки і техніки на даний період. Еталон, що забезпечує відтворення одиниці в особливих умовах і службовець для цих умов, називається спеціальним еталоном. Офіційно затверджені як початковий для країни первинний або спеціальний еталони називаються державними.
Еталон, який одержує розмір одиниці шляхом звірення з первинним еталоном даної одиниці, називається вторинним еталоном.
Еталон повинен відповідати трьом основним вимогам: незмінність (здатність утримувати незмінним розмір відтворюється їм оди-ниці протягом тривалого інтервалу часу); відтворюваність (відтворення одиниці з найменшою похибкою для даного рівня розвитку вимірювальної техніки); слічаемостью (здатність не зазнавати змін і не вносити будь-яких спотворень при про-веденні звірень).
Державні еталони є національне досто-яние і тому повинні зберігатися в метрологічних інститутах стра-ни в спеціальних еталонних приміщеннях, де підтримується строгий режим по вологості, температурі, вібраціям і іншим параметрам. Для забезпечення єдності вимірювань фізичних величин в міжнародному масштабі велике значення мають міжнародні звірення націо-нальних державних еталонів. Ці звірення допомагають виявити систематичні похибки відтворення одиниці національні-ми еталонами, встановити, наскільки національні еталони відповід-обхідних міжнародному рівню, і намітити шляхи вдосконалення національних (державних) еталонів.
Передача розміру одиниці є приведення розміру одиниці фізичної величини, що зберігається вивіреним СІ, до роз-ру одиниці, що відтворюється або зберігається еталоном. Передача раз-міра здійснюється при звіряння цих одиниць. При передачі інформації про розмір одиниць великому парку СІ доводиться при-бігати до багатоступеневої процедури.
За розміром одиниці, воспроизводимому державним еталоном-ном, встановлюються значення фізичних величин, що відтворюються вторинними еталонами.
Серед вторинних еталонів розрізняють: еталони-порівняння, примі-няемое для звірення еталонів, які з тих чи інших причин не можуть безпосередньо звіряти один з одним; еталони-свідки, призначені для повірки збереження і незмінності государ-ственного еталона і для заміни його у разі псування або втрати; еталоном-ни-копії, використовувані для передачі інформації про розмір одиниці робочим еталонам.
Найпоширенішими за чисельністю парку вторинними еталонами є робочі еталони різних розрядів - 1,2, 3-го (іноді 4-го). Від робочих еталонів нижчого розряду розмір передає-ся робочим засобам вимірювання (РСІ). Число РСІ по кожному з ві-дов вимірювань досягає сотень тисяч і навіть мільйонів екземплярів (наприклад, термометри, манометри).
РСІ має різною точністю вимірювань: найбільш точні РСІ при перевірці (калібруванню) отримують розмір від вторинних еталонів або робочих еталонів 1-го розряду; найменш точні - від еталоном-нів нижчого розряду (3-го або 4-го).
В якості методів передачі інформації про розмір одиниць использу-ють методи безпосереднього звірення (тобто звірення заходи з заходом або свідчень двох приладів), а також звірення за допомогою компаратора.
Безпосереднє звірення застосовують, як правило, для менш точ-них заходів. Безпосередньо звіряти можна тільки штрихові міри довжини (лінійки, брускові метри, рулетки), заходи місткості (вимірювальні циліндри, бюретки, піпетки, мірні колби і т.п.). Для більш тонною повірки використовують прилади-порівняння - компарірующіе пристрою. Найбільш часто застосовують такі компаратори: зразкові ваги різних розрядів (при перевірці гир), мости постійного і змінного струму (при звіряння заходів опору і ЕРС нормальних елементів).
На кожному ступені передачі інформації про розмір одиниці точ-ність втрачається в 3-5 разів (іноді - в 1,25-10 разів). Значить, при багато-ступінчастою передачі еталонна точність не доходить до споживача. Тому для високоточних СІ число ступенів може бути скорочено аж до передачі їм інформації безпосередньо від робочих еталоном-нів 1-го розряду.
Перевірочні схеми СІ є документ, який ус-новлюють супідрядність СІ, що беруть участь в передачі розміру оди-ниці від еталону до робочих СІ з вказівкою методів і погрішності при передачі. Розрізняють державні і локальні перевірочні схеми. Державні схеми регламентують передачу інформації про раз-мірі одиниці всьому парку СІ в країні. На чолі цієї схеми знаходить-ся державний еталон.
Державні перевірочні схеми закладаються в основу дер-жавних стандартів. Локальні перевірочні схеми поширені-ються на СІ, що підлягають повірці, яку організує МС міністерства (ве-домства) або МС юридичної особи.
Систему передачі образно представляють у вигляді піраміди (рис. 1): в основі знаходиться сукупність РСІ; вершину займає державний еталон; на проміжних площинах - робочі еталони раз-особистих розрядів. Від заснування до вершини зменшується похибка СІ, зростає їх вартість, знижується «тираж» виготовлення.
Рис.1. Схематичне зображення системи передачі розміру одиниць величин
Процес передачі розміру одиниць відбувається при перевірці і Каліб-ровке СІ. Повірка та калібрування є набором операцій, що виконуються з метою визначення та підтвердження відповідності СІ встановленим технічним вимогам.
Принципова відмінність повірки від калібрування полягає в тому, що перевірка:
1) є обов'язковим до виконання і проводиться в рамках державного метрологічного контролю;
2) проводиться в відно-шении СІ, які застосовуються в законодавчо встановлених (Закон РФ «Про забезпечення єдності вимірювань») сферах, головним чином невиробничих - охорона здоров'я, охорона навколишнього-щей середовища, торгові операції, державні облікові операції, забезпечення оборони держави, банківські , податкові, митниць-ні операції тощо.
1. Визначення фізичної величини, класифікація фізичних величин.
2. У чому полягає сутність єдності вимірювань?
3. Що таке шкали вимірювань? Які типи шкал існують?
4. Для чого потрібні еталони фізичних величин?
5. Розкрийте основні поняття, що входять до визначення еталону.