Международная система единиц физических величин. Виды и методы измерений. Виды контроля

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Санкт-Петербургский государственный технологический институт
(технический университет)»
УГНС
18.00.00 Химические технологии
Направление
18.05.01 Химическая технология энергонасыщенных
подготовки
материалов и изделий
Специализация
№1. Химическая технология органических соединений азота
Факультет
Инженерно - технологический
Кафедра
Химии и технологии органических соединений азота
Учебная дисциплина
Метрология, стандартизация и сертификация
Курс 4
Группа 570
Реферат
«Международная система единиц физических величин. Виды и методы
измерений. Виды контроля»
Студент
Ершов Иван Станиславович
Преподаватель
Коваленко Евгений Петрович
Санкт-Петербург
2021
Содержание
ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................... 3
1. МЕЖДУНАРОДНАЯ СИСТЕМА ЕДИНИЦ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ... 3
1.1 Основные сведения о системе СИ ................................................................. 3
1.2 Основные единицы ......................................................................................... 4
1.3 История ........................................................................................................... 5
1.4 Универсальность СИ ...................................................................................... 5
1.5 Производные единицы ................................................................................... 6
1.6 Преимущества международной системы единиц СИ .................................. 7
2. ВИДЫ ИЗМЕРЕНИЙ ..................................................................................... 8
3. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ ............................................................................. 11
3.1 Метод непосредственной оценки ................................................................ 11
3.2 Нулевой метод измерений ........................................................................... 11
3.3 Дифференциальный метод измерений ........................................................ 12
3.4 Метод измерений замещением .................................................................... 12
4. ВИДЫ КОНТРОЛЯ ...................................................................................... 12
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................................................................................................. 14
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ .......................................... 15
2
ВВЕДЕНИЕ
Важной задачей метрологии является создание эталонов физических
величин, привязанных к физическим константам и имеющих диапазоны,
необходимые для современной науки и техники. Стоимость поддержания
мировой системы эталонов весьма велика.
В физике и технике единицы измерения (единицы физических величин,
единицы величин) используются для стандартизованного представления
результатов
измерений.
представляется
Численное
как отношение
значение
измеренного
физической
значения
величины
к некоторому
стандартному значению, которое и является единицей измерения. Число с
указанием
единицы
измерения
называется
именованным.
Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, в
которых проградуированы все средства измерения одной и той же физической
величины. Это достигается путем точного воспроизведения и хранения
установленных единиц физических величин и передачи их размеров
применяемым средствам измерения. Воспроизведение, хранение и передача
размеров единиц осуществляется с помощью эталонов и образцовых средств
измерения. Высшим звеном в метрологической цепи передачи размеров
единиц измерений являются эталоны.
Поэтому цель данной работы состоит в следующем:
1.
1.
Рассмотреть эталоны единиц физических величин.
2.
Рассмотреть виды и методы измерений, а также меры контроля.
МЕЖДУНАРОДНАЯ
СИСТЕМА
ЕДИНИЦ
ФИЗИЧЕСКИХ
ВЕЛИЧИН
1.1 Основные сведения о системе СИ
Международная система единиц (СИ) — система единиц, основанная на
Международной
системе
величин,
вместе
с
наименованиями
и
3
обозначениями, а также набором приставок и их наименованиями, и
обозначениями вместе с правилами их применения, принятая Генеральной
конференцией по мерам и весам (CGPM). [1]
1.2 Основные единицы
Основные единицы измерения Международной системы единиц СИ. Всего
их семь:
 Единица длины – метр – длина пути, которую проходит свет в вакууме
за 1/299792458 долю секунды;
 Единица массы – килограмм – масса, равная массе международного
прототипа килограмма;
 Единица времени – секунда – продолжительность 9192631770 периодов
излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями
сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 при
отсутствии возмущения со стороны внешних полей;
 Единица силы электрического тока – ампер – сила, не изменяющегося
тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам
бесконечной
длинны
и
ничтожно
малого
кругового
свечения,
расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, создал бы
между этими проводниками силу, равную 0.2 мкН на каждый метр
длинны;
 Единица термодинамической температуры – Кельвин – 1/273,16 часть
термодинамической температуры тройной точки воды. Допускается
также шкалы Цельсия;
 Единица количества вещества – моль – количество вещества системы,
содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов
содержится в нуклиде углирода-12 массой 0,012 кг;
 Единица силы света – кандела – сила света в заданном направлении
источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540
4
ТГц, энергетическая сила которого в этом направлении составляет 1/683
Вт/ср2.
1.3 История
Впервые понятие системы единиц физических величин ввел К. Гаусс.
Согласно его методу, сначала устанавливаются (выбираются) несколько
произвольных величин, независящих от других. Единицы этих величин
называются основными. Основные единицы выбираются таким образом,
чтобы используя физические законы можно было получить другие производные единицы. Полная совокупность основных и производных единиц
образуют систему единиц ФВ.
Система СИ основана на метрической системе мер, которая была
создана французскими учеными и впервые была широко внедрена после
Великой Французской революции. До введения метрической системы,
единицы измерения выбирались случайно и независимо друг от друга.
Поэтому пересчет из одной единицы измерения в другую был сложным. К
тому же в разных местах применялись разные единицы измерения, иногда с
одинаковыми названиями. Метрическая система должна была стать удобной и
единой системой мер и весов.
В России система СИ принята на уровне стандарта в 1981 году. В 2002
году принята новая версия стандарта: ГОСТ 8.417-2002 «ГСИ. Единицы
физических величин». [2] Стандарт устанавливает единицы физических
величин, наименования, обозначения, определения и правила применения
этих единиц. Стандарт не устанавливает единицы величин, оцениваемых по
условным шкалам, единицы количества продукции, а также обозначения
единиц физических величин для печатающих устройств с ограниченным
набором знаков (ГОСТ 8.430).
1.4 Универсальность СИ
5
Универсальность СИ обеспечивается тем, что семь основных единиц,
положенных в ее основу, являются единицами физических величин,
отражающих основные свойства материального мира и дают возможность
образовывать производные единицы для любых физических величин во всех
отраслях науки и техники. Этой же цели служат и дополнительные единицы,
необходимые для образования производных единиц, зависящих от плоского и
телесного углов.
Преимуществом СИ перед другими системами единиц является принцип
построения самой системы: СИ построена для некоторой системы физических
величин,
позволяющих
представить
физические
явления
в
форме
математических уравнений; некоторые из физических величин приняты
основными и через них выражаются все остальные - производные физические
величины. Для основных величин установлены единицы, размер которых
согласован на международном уровне, а для остальных величин образуются
производные единицы.
Построенная таким образом система единиц и входящие в нее единицы
называются когерентными, так как при этом выдержано условие, что
соотношения между числовыми значениями величин, выраженными в
единицах СИ, не содержат коэффициентов, отличных от входящих в
первоначально выбранные уравнения, связывающие величины. Когерентность
единиц СИ при их применении позволяет до минимума упростить расчетные
формулы за счет освобождения их от переводных коэффициентов.
1.5 Производные единицы
Производные единицы могут быть выражены через основные с
помощью математических операций умножения и деления. Некоторым из
производных единиц, для удобства, присвоены собственные названия, такие
единицы тоже можно использовать в математических выражениях для
образования других производных единиц.
6
Математическое выражение для производной единицы измерения вытекает из
физического закона, с помощью которого эта единица измерения определяется
или определения физической величины, для которой она вводится. Например,
скорость — это расстояние, которое тело проходит в единицу времени;
соответственно, единица измерения скорости м/с (метр в секунду).
метрический эталон длина
Часто одна и та же единица может быть записана по-разному, с помощью
разного набора основных и производных единиц. Однако, на практике,
используются установленные выражения, которые наилучшим образом
отражают физический смысл величины.
Примеры несистемных единиц:
Плоский угол (радиан), телесный угол (стерадиан), температура по
шкале Цельсия (градус Цельсия), частота (герц), сила (ньютон), Энергия
(джоуль), мощность (ватт), давление (Паскаль), световой поток (люмен),
освещённость (люкс), электрический заряд (кулон), разница потенциалов
(вольт), сопротивление (ом), ёмкость (фарад), магнитный поток (Вебер),
магнитная
индукция
(тесла),
индуктивность
(генри),
электрическая
проводимость (Сименс), Радиоактивность (Беккерель), поглощённая доза
ионизирующего
излучения
(грей),
эффективная
доза
ионизирующего
излучения (зиверт), активность катализатора (катал).
1.6 Преимущества международной системы единиц СИ

Данная система охватывает все области измерений и поэтому является
универсальной, в отличие от других систем измерений, например, СГСЭ
(охватывает только раздел электростатики) или МКГСС (охватывает
только область механики).

Позволяет отказаться от большого количества внесистемных единиц
измерения.
7

Система СИ является когерентной - в которой производные единицы
всех величин могут быть получены с помощью определяющих
уравнений с числовыми коэффициентами равными единице. Например,
система СГС, конкурировавшая с СИ в теоретической физике, не
обладает этим преимуществом.

Как основные, так и производные единицы измерения системы СИ
удобны для практического применения.

Значительное число единиц системы СИ (метр, секунда, килограмм,
ватт, ампер, ом, вольт, люкс и др.) использовалось задолго до введения
системы СИ и поэтому не вызвало затруднений и больших финансовых
затрат.

Существенно повысился уровень точности измерений, так как основные
единицы (эталоны) могут быть воспроизведены точнее, чем единицы
других систем.
После принятия Международной системы единиц ГКМВ, практически все
крупнейшие международные организации включили её в свои рекомендации
по метрологии и призвали все страны-члены этих организаций принять её. В
нашей стране система СИ официально была принята путём введения в 1963 г.
соответствующего государственного стандарта.
2. ВИДЫ ИЗМЕРЕНИЙ
В
дисциплине
«Метрология,
стандартизация
и
сертификация»
рассматриваются технические измерения.
Можно выделить следующие виды измерений:
1) По характеру зависимости измеряемой величины от времени виды
измерений подразделяются на:
 статические, при которых измеряемая величина остается постоянной во
времени;
8
 динамические, в процессе которых измеряемая величина изменяется и
является непостоянной во времени.
2) По способу получения результатов измерений (виду уравнений
измерений) виды измерений разделяют на прямые, косвенные, совокупные и
совместные.
А) При прямом измерении искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных (например, измерение диаметра штангенциркулем).
Б) При косвенном измерении искомое значение величины определяют на
основании известной зависимости между этой величиной и величинами,
подвергаемыми прямым измерениям.
Например, значение сопротивления резистора R определяют из уравнения
R = U/I, в которое подставляют значения напряжения U на резисторе и тока I
через него.
В)
Совместными называют
измерения
двух
или
нескольких
не
одноимённых величин, производимые одновременно с целью нахождения
функциональной зависимости между величинами. Например, для нахождения
зависимости сопротивления резистора от температуры, определяемой
выражением Rt=R0 (1+ At), измеряют сопротивление резистора при двух
различных температурах, составляют систему из двух уравнений и находят
значения параметров R0, A.
Г) Совокупные измерения — проводимые одновременно измерения
нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин
определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях
этих величин в различных сочетаниях. Например, выполняют прямые
измерения сопротивлений резисторов, соединенных треугольником, а затем
по результатам этих измерений рассчитывают значения сопротивлений самих
резисторов.
9
3)
По условиям, определяющим точность результата измерения, методы
делятся на три класса:
 Измерения максимально возможной точности (например, эталонные
измерения), достижимой при существующем уровне техники;
 Контрольно-поверочные
измерения, погрешность
которых
с
определенной вероятностью не должна превышать некоторое заданное
значение;
 Технические
измерения, в
которых
погрешность
результата
определяется характеристиками средств измерения.
4)
По способу выражения результатов измерений различают абсолютные
и относительные измерения:
 Абсолютное измерение основано на прямых измерениях величины и
(или) использования значений физических констант;
 При относительных измерениях величину сравнивают с одноименной,
играющей роль единицы или принятой за исходную (например,
измерение
диаметра
вращающейся
детали
по
числу
оборотов
соприкасающегося с ней аттестованного ролика).
5) В зависимости от совокупности измеряемых параметров изделия
различают поэлементный и комплексный методы измерения:
 Поэлементный метод характеризуется измерением каждого параметра
изделия в отдельности (например, эксцентриситета, овальности, огранки
цилиндрического вала);
 Комплексный метод характеризуется измерением суммарного показателя качества (а не физической величины), на который оказывают
влияние
отдельные
его
составляющие
(например,
измерение
радиального биения цилиндрической детали, на которое влияют
эксцентриситет, овальность и др.).
10
3. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Метод измерений — прием или совокупность приемов сравнения
измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с
реализованным принципом измерений. В основе классификации методов
измерения лежит способ применения меры при получении значения
измеряемой
величины.
Выделяют
несколько
основных
методов:
непосредственной оценки и сравнения с мерой, последний, в свою очередь,
подразделяется на нулевой, дифференциальный или разностный, замещением,
дополнением.
3.1 Метод непосредственной оценки
Метод непосредственной оценки — метод измерения, при котором
значение величины определяют непосредственно по показывающему средству
измерений. Результат измерения в этом случае определяется непосредственно
по отсчетному устройству средства измерения. Использование меры в
получении результата происходит опосредовано через процедуру градуировки
шкалы средства измерения на этапе его производства.
3.2 Нулевой метод измерений
Нулевой метод измерений — метод сравнения с мерой, в котором
результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор
сравнения доводят до нуля. Устройство, с помощью которого определяется
равенство нулю указанной разности, называется нульиндикатором. Данный
метод позволяет получить высокую точность измерений, при применении
высокоточных
мер
и
нуль-индикаторов,
обладающих
высокой
чувствительностью. Пример: на рисунке приведена схема, поясняющая
использование нулевого метода, где Uх — измеряемая величина; U0 — мера;
НИ — нуль-индикатор. Изменяя значение меры, добиваются выполнения
равенства Uх =U0 . Признаком равенства этих значений является отсутствие
тока через НИ Iни=0.
11
3.3 Дифференциальный метод измерений
Дифференциальный или разностный метод измерений — метод
измерения, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной
величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от
значения измеряемой величины, и при котором измеряется разность между
этими двумя величинами. Результат определяется, как сумма показаний
средства измерений и значения физической величины воспроизводимой
мерой. Наибольшую точность данный метод позволяет получить при
незначительном отличии между измеряемой величиной и известным
значением, воспроизводимом мерой. Особенностью данного метода является
возможность получить результат измерения с высокой точностью, используя
средство измерения разности сравнительно невысокой точности. Так, если
относительная погрешность измерения разности ΔU составляет 1% и
отношение ΔU/Ux также равно 1%, то измеряемая величина Ux определяется
с погрешностью 0,01%.
3.4 Метод измерений замещением
Метод измерений замещением — метод сравнения с мерой, в котором
измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины. С
помощью средства измерения производится поочередное измерение искомой
величины и величины, воспроизводимой мерой, результат определяется по
этим двум значениям. В качестве примера приведем обобщенную схему
измерения значения сопротивления резистора на основе метода замещения. На
первом шаге измеряется ток Ix через резистор Rx. На втором — ток I0 через
образцовое
сопротивление
R0.
Искомая
величина
определяется
из
соотношения.
4. ВИДЫ КОНТРОЛЯ
Метрологический
контроль –
это
совокупность
работ,
в
ходе
выполнения которых устанавливаются или подтверждаются метрологические,
12
технические характеристики СИ, определяется соответствие СИ и методик
выполнения измерений требованиям законодательства об обеспечении
единства измерений.
Процессы метрологического контроля СИ в зависимости от решаемых
задач могут быть классифицированы следующим образом:
 утверждение типа на основе приемочных испытаний;
 метрологическая аттестация;
 поверка;
 калибровка.
Приемочные испытания проводятся для СИ, предназначенных для
применения в сфере законодательной метрологии с целью утверждения типа.
Этим испытаниям подлежат:
 опытные образцы новых СИ;
 СИ, предназначенные для серийного выпуска;
 СИ, изготавливаемые за пределом страны и вводимые из-за границы
партиями.
В процессе проведения испытаний СИ определяются их метрологические и
другие
технические
требованиям
характеристики,
нормативных
проверяется
документов.
соответствие
Положительные
СИ
результаты
испытаний являются основанием для внесения СИ в Государственный реестр
СИ и выдачи сертификата об утверждении типа СИ.
13
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В заключении стоит сказать, что система СИ охватывает все области
измерений и поэтому является универсальной, в отличие от других систем
измерений, например, СГСЭ (охватывает только раздел электростатики) или
МКГСС (охватывает только область механики).
Система
СИ
позволяет
отказаться
от
большого
количества
внесистемных единиц измерения.
Система СИ является когерентной - в которой производные единицы
всех величин могут быть получены с помощью определяющих уравнений с
числовыми коэффициентами равными единице. Например, система СГС,
конкурировавшая с СИ в теоретической физике, не обладает этим
преимуществом.
Как основные, так и производные единицы измерения системы СИ
удобны для практического применения.
Значительное число единиц системы СИ (метр, секунда, килограмм,
ватт, ампер, ом, вольт, люкс и др.) использовалось задолго до введения
системы СИ и поэтому не вызвало затруднений и больших финансовых затрат.
Существенно повысился уровень точности измерений, так как основные
единицы (эталоны) могут быть воспроизведены точнее, чем единицы других
систем.
После принятия Международной системы единиц ГКМВ практически
все
крупнейшие
международные
организации включили
её
в свои
рекомендации по метрологии и призвали все страны-члены этих организаций
принять её. В нашей стране система СИ официально была принята путём
введения в 1963 г. соответствующего государственного стандарта.
14
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Международный словарь по метрологии: основные и общие понятия и
соответствующие термины = International vocabulary of metrology —
Basic and general concepts and associated terms (VIM) / Пер. с англ. и
фр.. — 2-е изд., испр. — СПб.: НПО «Профессионал», 2010. — 82 с. —
ISBN 978-5-91259-057-3
2. ГОСТ 8.417-2002 «ГСИ. Единицы физических величин». Общие
положения
[Электронный
ресурс].
–
Режим
доступа:
https://docs.cntd.ru/document/1200005371, свободный;
3. СТ 8.057-80. Эталоны единиц физических величин. Основные
положения = State system for ensuring the uniformity of measurements.
Standards of the unit for physical quantities. General principles. – Переизд.
1980.- Взамен ГОСТ 8.057-73; Введ.01.01.81.-М.: Государственный
комитет СССР по стандартам, 1980. – 6 с.
4. Шишкин И.Ф. «Метрология, стандартизация и управления качеством.»
М.: Издательство стандартов, 1990г.
5. Исаев Л.К., Малинский В.Д. «Метрология и стандартизация в
сертификации.» М.: ИПК Издательство стандартов, 1996г.
6. Г.Д. Крылова «Основы стандартизации сертификации метрологии» М.:
Издательство Юнити, 2001г.
7. Сергеев А.Г., Крохин В.В. Метрология: Учебное пособие для вузов. –
М.; Логос, 2001.
15