Шкали, їх види та особливості

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.

Схожі статті