Основные единицы СИ


Таблица

Наименование Единица измерений Обозначение Размерность
международное русское
Длина Метр m м L
Масса Килограмм kg кг М
Время Секунда S с Т
Сила электрического тока Ампер А А I
Термодинамическая температура Кельвин К К Θ
Количество вещества Моль mol моль N
Сила света Кандела kd кд J

 

Универсальность СИ обеспечивается тем, что 7 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.

Преимущества СИ перед другими системами единиц следующие:

1) СИ является универсальной, охватывая все области науки, техники, производства.

2) Принцип построения системы. Она построена для некоторой системы величин, позволяющих представить явления в форме математических уравнений; некоторые из физических величин приняты основными и через них выражены все остальные – производные физические величины.

Для основных величин установлены единицы, размер которых согласован на международном уровне, а для остальных величин образуются производные единицы.

3) Построенная таким образом система единиц и входящие в нее единицы называются когерентными (связанными, согласованными). Коэффициенты пропорциональности в физических уравнениях, определяющих единицы производных величин, равны безразмерной единице. Когерентной система единиц физических величин может быть, когда все производные единицы когерентны.

Когерентность единиц СИ при их применении позволяет до минимума упростить расчетные формулы за счет освобождения их от переводных коэффициентов.

4) В СИ устранена множественность единиц (унификация единиц для всех видов измерений) для выражения величин одного и того же ряда. Например, вместо большого числа единиц давления, применявшихся на практике, единицей давления в СИ принята только одна единица – паскаль.

В области тепловых измерений произведен переход от раздельного измерения работы к количества теплоты в джоулях и калориях к единому измерению в джоулях.

5) Установление для каждой физической величины своей единицы позволило разграничить понятие массы (кг) и веса (Н).

Понятие массы следует использовать во всех случаях, когда имеется в виду свойство тела или вещества, характеризующие его инертность и способность создавать гравитационные поля, а также понятие веса следует использовать в случаях, когда имеется в виду сила, возникающая вследствие с гравитационным полем.

6) Определение основных единиц СИ возможно с высокой степенью точности, что в конечном счете не только позволяет повысить точность измерений, но и обеспечить их единство. Это достигается путем «материализации» единиц в виде эталонов и передачи от них размеров рабочим средствам измерении с помощью комплекса эталонов.

Международная система единиц благодаря своим преимуществам получила широкое распространение в мире. Так, все страны Европейского Союза перешли на единицы СИ. Страны, где ранее традиционно применялась английская система мер (Великобритания, Австралия, Канада, США и др.) также внедряют единицы СИ.

Всеобщее использование единой системы позволяет достичь такого состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах. При этом, если погрешности измерений известны с заданной вероятностью, по такое состояние называется единством измерений.

Обеспечение единства измерений – это деятельность метрологических и других служб, направленная на достижение единства измерений при требуемой точности.

Создание государственных эталонов, воспроизводящих единицы с наивысшей точностью, и разработка методов передачи размеров единиц с установленной точностью являются залогом равенства размеров единиц при использовании рабочих средств измерений. Соответствие размеров единиц, воспроизводимых государственными эталонами, международным эталонам или национальным эталоном других стран – основа единства измерений на международном или на уровне нескольких стран.

Погрешность измерения – отклонение результата измерения () от действительного (истинного) значения измеряемой величины (), определяемое по формуле , где – погрешность измерения. Погрешность измерений не должка превышать установленный предел. Не установив предел погрешности измерений, вытекающий из конкретной измерительной задачи, нельзя решить вопрос о правильном выборе средства измерений, дать верную оценку результатов измерений, выполненных в разных местах, т.е. трудно соблюсти единство измерений.

Основными характеристиками измерений являются: принцип, метод, погрешность измерений, точность, сходимость и воспроизводимость результатов измерений.

Дадим определения этим характеристикам.

Принцип измерений – физическое явление или эффект, положенное в основу измерений. Например, измерение температуры с использованием термоэлектрического эффекта.

Метод измерений – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Например, определение элементного состава пробы методом атомно-эмиссионного анализа с индуктивно-связанной плазмой.

Методика выполнения измерений – установленная совокупность операций и правил при измерении, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с гарантированной точностью в соответствии с принятым методом.

Обычно методика выполнения измерений регламентируется нормативным или техническим документом.

Погрешность результата измерения – отклонение результата измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины.

Сходимость результатов измерений – близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполненных повторно одними и теми же средствами, одним и тем же методом в одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью.

Воспроизводимость результатов измерений – близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, полученных в разных местах, разными методами, разными средствами, разными операторами, в разное время, но приведенных к одним и тем же условиям измерений (температуре, давлению, влажности и др.).

Точность результата измерений – одна из характеристик качества измерения, отражающая близость к нулю погрешности результата измерения.

Все средства измерений, независимо от их конкретного исполнения, обладают рядом общих свойств, необходимых для выполнения ими своего функционального назначения. Технические характеристики, описывающие эти свойства и оказывающие влияния на результаты и на погрешности измерений, называются метрологическими характеристиками. Перечень важнейших из них регламентируется ГОСТ 8.009-84 «ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений». Комплекс нормируемых метрологических характеристик устанавливается таким образом, чтобы с их помощью можно было установить погрешность средств измерений в известных рабочих условиях эксплуатации.

Одной из основных метрологических характеристик измерительных преобразователей является статическая характеристика преобразования (иначе называемая функцией преобразования или градуировочной характеристикой). Она устанавливает зависимость y=f(x) информативного параметра у выходного сигнала измерительного преобразователя от информативного параметра х входного сигнала. Нормируется она путем задания в форме уравнения, графика или таблицы некоторой номинальной статической характеристики. Понятие статической характеристики применимо и к измерительным приборам, если под независимой переменной х понимать значение измеряемой величины или информативного параметра входного сигнала, а под зависимой величиной – показание прибора.

Если статическая характеристика преобразования линейна у=К∙х, то коэффициент К называется чувствительностью измерительного прибора. В противном случае под чувствительностью следует понимать производную от статической характеристики.

Важной характеристикой шкальных приборов является цена деления, т.е. то изменение измеряемой величины, которому соответствует перемещение указателя на одно деление шкалы. Если чувствительность постоянна в каждой точке диапазона измерений, то шкала называется равномерной. При неравномерной шкале нормируется наименьшая цена деления шкалы измерительного прибора. У цифровых приборов указывается цена единицы младшего разряда.

Важнейшей метрологической характеристикой средств измерений является погрешность. Под абсолютной погрешностью измерительного прибора понимают разность между его показанием и действительным значением измеряемой величины:

 

.

 

Однако в большей степени точность измерительного прибора характеризуется относительной погрешностью, т. е. выраженным в процентах отношением абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины:

 

.

 

Если диапазон измерения прибора охватывает и нулевое значение измеряемой величины, то относительная погрешность обращается в бесконечность в соответствующей ему точке шкалы. В этом случае пользуются понятием приведенной погрешности, равной отношению абсолютной погрешности прибора к некоторому нормирующему значению :

 

.

 

В качестве нормирующего значения принимается значение, характерное для данного вида измерительного прибора. Это может быть, например, диапазон измерений, верхний предел измерений, длина шкалы и т. д.

Погрешности измерительных средств принято подразделять на статические, имеющие место при измерении постоянных величин, и динамические, появляющиеся при измерениях переменных величин и обусловленные инерционными свойствами средств измерений.

Согласно общей классификации, статические погрешности измерительных средств делятся на систематические и случайные. Систематические погрешности являются в общем случае функцией измеряемой величины, влияющих величин (температура, влажность, напряжение питания и пр.) и времени. Выделение систематических погрешностей в отдельную группу обусловливается тем, что при поверке измерительных средств они могут быть определены для каждой точки шкалы и исключены из результатов последующих измерений.

Важной характеристикой средств измерений является стабильность – качество, которое отражает неизменность во времени их метрологических свойств. Она определяется, главным образом, вариацией в показаниях прибора.

Вариацией называется наибольшая полученная экспериментально разность между многократными показаниями прибора, соответствующими одному и тому же действительному значению измеряемой величины при неизменных внешних условиях. Причиной вариации являются трение и мертвый ход подвижных частей прибора, неполная упругость пружин и других деталей, подверженных действию сил, изменяющих их форму или размеры, а также совместное действие всех этих факторов.

Погрешности, вызываемые нестабильностью, могут значительно ограничить полезную область применения прибора, и поэтому следует предварительно установить степень их влияния на результаты измерений. Нестабильность должна полностью соответствовать чувствительности средств измерений, а также градуировке шкалы. Так, например, не имеет смысла градуировать шкалу индикатора в микрометрах, если нестабильность достигает сотой доли миллиметра.

Очень важной характеристикой любого средства измерения, определяющей в первую очередь его пригодность для тех целей, для которых оно предназначено, являются пределы измерения, то есть наименьшее и наибольшее значения величины, которые могут быть измерены данным средством измерения.

Нижний и верхний пределы измерения ограничивают диапазон измерения. Под диапазоном понимается область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерения.

Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, в которых проградуированы все средства измерений одной и той же физической величины.

Самым существенным средством поддержания единства измерений в стране является воспроизведение и хранение единиц величин с помощью эталонов. Эталоны являются высшим звеном в метрологической цепи передачи размеров единиц. Эталон представляет собой средство измерений (или комплекс средств измерений), предназначенное для воспроизведения и хранения единицы физической величины и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке.

Международные эталоны единиц физических величин хранятся в Международном бюро мер и весов (МБМВ).

Эталон, официально утвержденный в качестве исходного для страны, называют государственным. Государственные эталоны подразделяются на:

первичные, обеспечивающие воспроизведение единицы с наивысшей в стране точностью;

специальные, обеспечивающие воспроизведение единицы в особых условиях и заменяющие для этих условий первичные эталоны.

Необходимость создания государственных эталонов определяется широким распространением эталонных средств более низкого уровня и рабочих средств измерений, градуированных в данных единицах, а также целесообразностью воспроизведения единицы величины с необходимой точностью в конкретной метрологической службе.

В настоящее время в нашей стране создана достаточно полная в мире эталонная база – высшее звено всего измерительного дела страны. Она является центральным, важнейшим элементом системы метрологического обеспечения. По точности национальных эталонов можно судить о достигнутом уровне развития науки, техники и промышленности страны, об ее научно-техническом потенциале. Эталонная база России включает в себя около 120 государственных первичных и около 500 вторичных (главным образом – рабочих) эталонов. Эти эталоны обеспечивают воспроизведение и хранение единиц около 70 величин во всех наиболее массовых видах и областях измерений: геометрических и механических, температурных и теплофизических, электрических и магнитных, оптических и радиотехнических, измерений параметров ионизирующих излучений и отчасти – в области физико-химических измерений.

Государственные первичные эталоны сосредоточены в метрологических институтах Ростехрегулирования. Кроме первичных и специальных эталонов, утвержденных в качестве государственных, имеется большое число вторичных эталонов, эталонов-копий, эталонов-свидетелей, эталонов сравнения и рабочих эталонов, с помощью которых выполняются основные метрологические работы. К вторичным эталонам – относятся также эталоны сравнения, предназначенные, главным образом, для сличения государственного эталона с другими, в том числе международными эталонами, если по техническим возможностям такое сличение не может быть проведено непосредственно.

Достижение единообразия средств измерений обеспечивается их поверкой или калибровкой на предприятиях-изготовителях, а при эксплуатации – периодической поверкой или калибровкой, в процессе которых определяется соответствие метрологических характеристик, в первую очередь, погрешностей средств измерений установленным в документации на них нормам. Если эти нормы нарушены, средство измерения изымается из эксплуатации и после проведенного ремонта заново поверяется или калибруется. Для поверки (калибровки) измерительной техники используются заведомо исправные, более точные средства измерений (эталоны), которые и передают воспроизводимый (хранимый) размер единицы соответствующей величины рабочим средствам измерений. Поскольку число последних по каждому из видов измерений может достигать сотен тысяч и даже миллионов экземпляров (например, манометры, термометры), то государственный эталон не в состоянии обеспечить передачу размера воспроизводимой (хранимой) единицы даже небольшой части рабочих средств измерений. Размер единицы физической величины передается от государственного эталона, своеобразного дирижера точности, другим средствам измерений с помощью «многоэтажной» системы эталонов и рабочих средств измерений. Эту систему образно можно представить в виде пирамиды, в основании которой находится вся совокупность однородных (по ориентации на измерение соответствующей величины) рабочих средств измерений, вершину занимает государственный эталон, а на промежуточных этажах расположены эталоны 1-го, 2, 3 (иногда 4-го) разрядов.

Обеспечение правильности передачи-размера единиц величин регламентируется специальным документом – поверочной схемой, устанавливающей метрологическое соподчинение государственного эталона, разрядных эталонов и рабочих средств измерений, а также порядок передачи размера единицы величины.

Поверочные схемы разделяются на государственные и локальные. Государственная поверочная схема распространяется на все средства измерений данного вида, применяемые в стране. Локальные схемы предприятий и организаций распространяются на средства измерений, применяемые на этих предприятиях (в организациях). Все локальные поверочные схемы должны соответствовать требованиям соподчиненности, определяемой государственной поверочной схемой.

Государственные поверочные схемы (ГПС) разрабатываются государственными научными метрологическими центрами – научно-исследовательскими институтами Ростехрегулирования – держателями государственных эталонов.


Лекция 3. Утверждение типа средств измерений(слайды 23 – 41)

Необходимость утверждения типов средств измерений определена законом Российской Федерации «Об обеспечении единства измерений».

В сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора средства измерений подвергаются обязательным испытаниям последующим утверждением типа средств измерений.

Решение об утверждении типа средств измерений принимается Ростехрегулированием и удостоверяется сертификатом об утверждении типа средств измерений. Срок действия этого сертификата устанавливается при его выдаче (предельный срок – 5 лет, возможно продление).

Утвержденный тип средств измерений вносится в Государственный реестр средств измерений, который ведет Ростехрегулирование.

Испытания средств измерений для целей утверждения их типа проводятся государственными научными метрологическими центрами Ростехрегулирования, аккредитованными им в качестве государственных центров испытаний средств измерений.

Для проведения испытаний образцы средств измерений с соответствующими нормативными и эксплуатационными документами должны быть представлены в установленном Ростехрегулирования порядке.

Итогом проведения указанных испытаний является (при положительных результатах) включение типа средства измерений в Государственный реестр средств измерений и выдача государственного сертификата об утверждении типа средств измерений, приложение к сертификату имеет полное описание данного типа со всеми, в т.ч. метрологическими, характеристиками. По своей сути эта процедура и ее результаты направлены на включение конкретного средства измерений в национальную систему измерений при определенных гарантиях метрологического обеспечения выполняемых этим средством измерений.

Соответствие средств измерений утвержденному типу на территории Российской Федерации контролируется органами Государственной метрологической службы по месту расположения изготовителей или пользователей.

На средство измерений утвержденного типа и на эксплуатационные документы, сопровождающие каждый экземпляр, наносится знак утверждения типа средств измерений установленной формы.

Информация об утверждении типа средств измерений и решение о его отмене публикуются в официальных изданиях Ростехрегулирования.

Порядок проведения испытаний и утверждения типа средств измерений установлен документом ГСИ ПР 50.2.009-94 «ГСИ. Порядок проведения испытаний и утверждения типа средств измерений». Испытания проводятся по специально оформляемым программам, которые соответствуют МИ 2146-95 «ГСИ. Порядок разработки и содержание программ испытаний средств измерений для целей утверждения их типа».