Принципи побудови міжнародної системи одиниць. Відносні та логарифмічні величини та одиниці
Принципи побудови системи одиниць величин ØСистема фізичних величин – Сукупність фізичних величин, утворена відповідно до прийнятих принципів, коли одні величини приймають за незалежні (основні величини), інші (похідні величини) визначають як функції незалежних величин. ØСистеми фізичних величин, що існували в різні часиі в різних державах, мали багато відмінностей: вони використовували різні заходи, вони мали різні кратності використовуваних одиниць, вони мали різну кількість основних і похідних одиниць. 2
Системи одиниць, які застосовувалися до запровадження міжнародної системи Система Гауса (LMT – міліметр, міліграм, секунда); 2. Система СГС (LMT+QJ – сантиметр, грам, секунда + кельвін, кандела) поширюється область теплових і оптичних величин; 3. Система МКС (LMT+QJ – метр, кілограм, секунда + кельвін, кандела) поширюється на область теплових та світлових величин; 4. Система МТС (LMT – метр, тонна, секунда); 5. Система МКГСС (LFT – метр, кілограм-сила, секунда). Область поширення – механіка, теплотехніка. Кілограм-сила - сила, що дорівнює вазі тіла масою 1 кг при нормальному прискореннівільного падіння g 0 = 9, 80 665 м/с2 1 кгс = 9, 80 655 Н 1. 3
Системи одиниць електромагнітних величин Електростатична система одиниць (система СГСЕ) При побудові цієї системи першою похідною електричною одиницею вводиться одиниця електричного заряду з закону Кулона як визначального рівняння. При цьому абсолютна діелектрична проникність розглядається безрозмірною електричною величиною. Як наслідок цього, в деяких рівняннях, що зв'язують електромагнітні величини, з'являється в явному виглядікорінь квадратний із швидкості світла у вакуумі. n Електромагнітна система одиниць (система СГСМ). При побудові цієї системи першою похідною електричною одиницею вводиться одиниця сили струму з використанням закону Ампера як визначальний рівняння. При цьому абсолютна магнітна проникність розглядається безрозмірною електричною величиною. У зв'язку з цим, в деяких рівняннях, що зв'язують електромагнітні величини, з'являється в явному вигляді квадратний корінь зі швидкості світла у вакуумі. n 4
Симетрична система одиниць (система СГС). Ця система є сукупністю систем СДСЄ та СДСМ. У системі СГС як одиниці електричних величин використовуються одиниці системи СГСЭ, а як одиниць магнітних величин – одиниці системи СГСМ. В результаті комбінації двох систем у деяких рівняннях, що зв'язують електричні та магнітні величини, з'являється у явному вигляді корінь квадратний зі швидкості світла у вакуумі. n 5
Принципи побудови системи одиниць величин При всіх цих відмінностях, що існували системи фізичних величин мали спільні риси: наявність загальновизнаних (узаконених для даної держави) заходів для відтворення одиниць фізичних величин, наявність зв'язків між окремими заходами для утворення похідних одиниць, наявність системи передачі розмірів одиниць фізичних величин. ØПередача розміру одиниці – приведення розміру одиниці фізичної величини, що зберігається засобом вимірювань, до розміру одиниці, яка відтворюється або зберігається еталоном 6
Принципи побудови системи одиниць величин Взаємозв'язки фізичних величин у системі відбиваються з допомогою такого важливого поняття як розмірність – (від dimension). Розмірність величини є виразом у формі статечного многочлена, що розкриває зв'язок фізичної величини Q з основними фізичними величинами. Наприклад, в системі LMT, прийнятої в механіці, в якій як основні одиниці використовуються довжина L, маса M, час T, розмірність має вигляд: Показники a, b, g називаються показниками розмірності. Зокрема, розмірність швидкості а розмірність сили, 7
Принципи побудови системи одиниць величин Над розмірностями можна робити дії: множення, поділу, зведення у ступінь та витяг кореня. Поняття розмірності широко використовується: для перекладу одиниць з однієї системи в іншу; Ø для перевірки правильності розрахункових формул, одержаних у результаті теоретичного висновку; Ø при з'ясуванні залежності між ними; Ø теоретично фізичного подоби. 8
Принципи побудови системи одиниць величин Розмірність похідної величини – найпростіше рівняння зв'язку, що визначає величину, з коефіцієнтом пропорційності рівним одиниці. Однак у своїй розмірність не відбиває фізичну природу величини. Зокрема, у різних за природою величин розмірності виявляються однаковими. Наприклад, робота і момент сили мають ту саму розмірність: Крім того, розмірність не розкриває спосіб вимірювання величини, за винятком найпростіших випадків, коли рівняння зв'язку збігається з виразом розмірності, що характерно для площі квадрата. 9
Принципи побудови системи одиниць величин 1. Рівняння зв'язку між величинами, у яких під буквеними символами розуміються фізичні величини: X = f (X 1, X 2, … Xm) (1) X 1, X 2, … Xm – величини, пов'язані з вимірюваною величиною Х деяким рівнянням зв'язку. 2. Рівняння зв'язку між числовими значеннями величин, у яких під буквеними символами розуміються числові значення фізичних величин: n X = q [X]; X 1 = q 1; X 2 = q 2; X m = q m [X m] Де q, q 1, … qm - Чисельні значення; [X], , …, – одиниці величин Рівняння зв'язку між числовими значеннями можна призвести до рівняння розмірності. 10
Принципи побудови системи одиниць величин Залежності між одиницями вимірів, які у фізичних законах, дозволяють отримувати похідні одиниці системи, поняття яких уперше запроваджено До. Гауссом. Найменування та позначення похідних величин можуть бути отримані: Ø із найменувань та позначень основних одиниць; Ø з використанням спеціальних найменувань та позначень; Ø із найменувань та позначень основних та спеціальних найменувань та позначень похідних одиниць; Ø з використанням кратних та дольних приставок та множників. 11
Принципи побудови системи одиниць величин Похідні одиниці бувають: когерентними та некогерентними. Когерентною називається похідна одиниця, пов'язана з іншими одиницями системи рівнянням, в якому числовий множник прийнято рівним одиниці. Наприклад, одиницю швидкості утворюють за допомогою рівняння, що визначає швидкість прямолінійного рівномірного руху точки: v = L / t, де L - Довжина пройденого шляху; t – час руху. Підстановка замість L та t їх одиниць дає v = 1 м/с. Отже, одиниця швидкості є когерентною. 12
Принципи побудови системи одиниць величин n n n n При побудові системи фізичних величин підбирається така послідовність визначальних рівнянь, у якій кожне наступне рівняння містить лише одну нову похідну величину, що дозволяє виразити цю величину через сукупність раніше визначених величин, а, зрештою, через основні величини системи величин. Щоб знайти розмірність похідної фізичної величини в деякій системі величин, треба в праву частинувизначального рівняння цієї величини замість позначень величин підставити їх розмірності. Так, наприклад, поставивши визначальне рівняння швидкості рівномірного руху v = ds/dt замість ds розмірність довжини L і замість dt розмірність часу T, отримаємо dim v = L / T = LT-1 Підставивши в визначальне рівняння прискорення a = dv/dt замість dt розмірність часу T і замість dv знайдену вище розмірність швидкості LT-1 отримаємо dim a = LT-2 Знаючи розмірність прискорення за визначальним рівнянням сили F = ma, отримаємо: dim F = M∙LT-2 = LMT-2 Знаючи розмірність сили , можна знайти розмірність роботи, потім 13 розмірність потужності і т.д.
Принципи побудови системи одиниць величин Примітка: Якщо рівняння зв'язку містить числовий коефіцієнт, відмінний від одиниці, то для утворення когерентної одиниці SI праву частину рівняння підставляють величини зі значеннями в одиницях SI, що дають після множення на коефіцієнт загальне числове значення, що дорівнює одиниці. 14
Принципи побудови системи одиниць величин Наприклад, якщо освіти когерентної одиниці енергії застосовують рівняння де m – маса тіла; v – його швидкість, то когерентну одиницю енергії можна утворити двома шляхами: Отже, когерентною одиницею SI є джоуль, що дорівнює ньютону, помноженому на метр. У розглянутих випадках він дорівнює кінетичній енергії тіла масою 2 кг, що рухається зі швидкістю 1 м/с, або тіла масою 1 кг, що рухається зі швидкістю м/с. 15
Міжнародна система одиниць (SI) На території РФ система одиниць (СІ) діє з 01. 1982 р. Відповідно до ГОСТ 8. 417 -81 (Зараз ГОСТ 8. 417 -2002) В даний час включає 7 основних одиниць 16
Визначення та зміст основних одиниць СІ n n n Визначення та зміст основних одиниць СІ. Відповідно до рішень Генеральної конференції з заходів та ваг (ГКМВ), прийнятих у різні голи, нині діють такі визначення основних одиниць СІ. Одиниця довжини - метр-довжина шляху, що проходить світлом у вакуумі за 1/299792458 частки секунди (рішення XVII ГКМВ в 1983 р.). Одиниця маси - кілограм - маса, що дорівнює масі міжнародного прототипу кілограма (рішення I ГКМВ у 1889 р.). Одиниця часу – секунда – тривалість 9192631770 періодів випромінювання, що відповідає переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію-133, не обуреного зовнішніми полями (рішення XIII ГКМВ у 1967 р.). Одиниця сили електричного струму- ампер -сила незмінного струму, який при проходженні двома паралельними провідниками нескінченної довжини і мізерно малого кругового перерізу, розташованим на відстані 1 м один від одного у вакуумі, створив би між цими провідниками силу, рівну 2 10 -7 Н на кожен метр довжини (схвалено IX ГКМВ 1948 р.). 17
Визначення та зміст основних одиниць СІ n n n Одиниця термодинамічної температури – кельвін (до 1967 р. мав найменування градус Кельвіна) – 1/273, 16 частина термодинамічної температури потрійної точки води. Допускається вираз термодинамічної температури в градусах Цельсія (резолюція XIII ГКМВ 1967 р.). Одиниця сили світла - кандела - сила світла в заданому напрямку джерела, що випускає монохроматичне випромінювання частотою 540 1012 Гц, енергетична сила світла якого в цьому напрямку становить 1/683 Вт/ср (резолюція XVI ГКМВ в 1979). Одиниця кількості речовини - моль - кількість речовини системи, що містить стільки ж структурних елементів, скільки атомів міститься в нукліді вуглецю-12 масою 0,012 кг (резолюція XIV ГКМВ 1971 р.) 18
Визначення та зміст основних одиниць СІ n n Моль не є у чистому вигляді основною одиницею, оскільки має зв'язок з іншою основною одиницею – кілограмом. Взагалі, широкого застосування, як інші основні одиниці СІ, одиниця кількості речовини не отримала. Еталони молячи досі не створені. Однією з причин тут є те, що маса одного молячи для різних речовин (структурних елементів) різна. У Останніми рокамиметрологи на наукових конференціях пропонують виключити моль із числа основних одиниць СІ, перевівши їх у розряд спеціальної одиниці маси чи похідної величини. Однак останніми роками відбувся «поворот» у діяльності з оцінки кількості речовини, пов'язаний із застосуванням метрології в медицині, хімії, фармацевтиці, харчовій промисловості, охороні. довкілля: Міжнародний комітет заходів і ваг створив новий Консультативний комітет з кількості речовини, ведеться міжнародний «проект Авогадро» з метою створення нового еталону маси на базі чистого ізотопу кремнію, з 1999 р. виміру каталітичної активності ферментів. Одиниця була прийнята за клопотанням Консультативного комітету з одиниць (ККЄ), Міжнародної федерації клінічної хімії та лабораторної медицини, Міжнародної спілки біохіміків. 19
ГОСТ 8. 417-2002 ГСІ. Одиниці величин Утворення похідних одиниць величин: 1. з найменувань та позначень основних одиниць: Позначення Одиниця вимірів міжнародне е російське Розмірність Вираз через основні одиниці Площа квадратний метр m 2 м 2 L 2 m 2 кубічний метр m 3 м 3 L 3 m 3 Швидкість метр за секунду m/s м/с LT-1 m-1∙kg∙s-2 Щільність кубічний метр на кілограм m 3/kg м 3/кг L 3 M-1 m 3 ∙kg-1 Найменування величини 20
ГОСТ 8. 417-2002 ГСІ. Одиниці величин Утворення похідних одиниць величин: 2. з використанням спеціальних найменувань і позначень: Позначення Найменування величини Одиниця виміру міжнародно е російська Розмірність Вираз через основні одиниці Частота герц Hz Гц T-1 s-1 Сила ньютон N Н LMT-2 m∙ kg∙s-2 Тиск паскаль Pa Па L-1 MT-2 m-1∙kg∙s-2 Енергія, робота, джоуль кількість теплоти J Дж L 2 MT-2 m 2∙kg∙s-2 Потужність ват W Вт L 2 MT-3 m 2∙kg∙s-3 Електричний заряд кулон C Кл TI s∙A 21
ГОСТ 8. 417-2002 ГСІ. Одиниці величин Утворення похідних одиниць величин: 3. з найменувань та позначень основних та спеціальних найменувань та позначень похідних одиниць: Позначення Одиниця вимірів міжнародно російська Розмірність Вираз через основні одиниці Момент сили ньютон-метр N∙m Н∙м L 2 M -2 T m 2∙kg-2∙s Теплоємність джоуль на кельвін J/К Дж/К L 2 MT-2 -1 m∙kg∙s-2 Напруженість електричного поля вольт на метр V/m В/м LMT-3 I-1 m∙kg∙s-3∙A-1 Яскравість канделя на квадратний метр kd/m 2 кд/м 2 L-2 J m-2∙kd Найменування величини 22
ГОСТ 8. 417-2002 ГСІ. Одиниці величин Утворення похідних одиниць величин: 4. з використанням кратних і дольних приставок і множників: Десятичний множник Приставка Позначення Десяміж- російське тичний множинонародне ло Приставка Позначення між- російське народне 1015 пета Р П 10 -1 деци d д 1 2 санти c з 109 гіга G Г 10 -3 мілі m м 106 мега М М 10 -6 мікро μ мк 103 кіло k до 10 -9 нано n н 102 гекто h г 10 -12 пико p п 101 дека da так 10 15 фемто f ф 23
ГОСТ 8. 417-2002 ГСІ. Одиниці величин З правил написання одиниць величин: Правило Правильно Неправильно 100 к. Вт 20 ° С 80 % 100 к. Вт 20 ° С 80 % 30 ° 30 ° За наявності десяткового дробуу числовому значенні позначення поміщають за всіма цифрами 423, 06 м 423 м, 06 Числові значення з граничними відхиленнями укладають у дужки, а позначення одиниць поміщають за дужками (100, 0 ± 0, 1) кг 100, 0 ± 0, 0 останньою цифрою числа та позначенням одиниці залишають пропуск Винятки становлять позначення у вигляді знака, піднятого над рядком, перед яким пропуск не залишають 24
Проблема вибору системи одиниць фізичних величин нещодавно не могла повністю ставитися до нашого свавілля. З погляду матеріалістичної філософії нам непросто було переконати будь-кого в тому, що великий розділ природничих наук, що відноситься до забезпечення єдності вимірів, в основі своїй спирається на залежність основних моментів від нашої свідомості. Можна обговорювати, добре чи погано складено систему одиниць фізичних одиниць, але факт, що в основі своєї будь-яка система величин і одиниць має свавілля, пов'язане з людською свідомістю, залишається безперечним.
У цьому розділі на різних прикладах ми розглянемо можливості побудови систем одиниць фізичних величин, щоб у подальшому в описі системи одиниць СІ чи інших систем можна було б оцінити позитивні і негативні моменти кожної їх.
Насамперед почнемо з визначень.
Одиниці фізичних величин поділяються на основні та похідні. До 1995 р. мали місце ще додаткові одиниці - одиниці плоского і тілесного кута, радіан і стерадіан, але з метою спрощення системи ці одиниці були переведені в категорію безрозмірних похідних одиниць.
Основними фізичними величинами є величини, вибрані довільно незалежно один від одного.
Основні одиниці вибираються те щоб користуючись закономірним зв'язком між величинами можна було б утворити одиниці інших величин. Відповідно, утворені таким чином величини та одиниці називаються похідними.
Найголовніше питання при побудові систем одиниць у тому, скільки має бути основних одиниць чи, точніше, якими принципами потрібно керуватися під час побудови тієї чи іншої системи? Частково в метрологічній літературі можна знайти твердження, що головний принцип системи має полягати у мінімальній кількості основних одиниць. Насправді такий підхід є невірним, оскільки за цим принципом така величина і одиниця може бути одна. Наприклад, через енергію можна виразити практично будь-яку фізичну величину, тому що в механіці енергія дорівнює:
кінетична енергія
(1.3)
де m – маса, -о – швидкість руху тіла;
потенціальна енергія
(1.4)
де m – маса, д – прискорення, Н – висота (довжина).
В електричних вимірах енергія заряду
(1.5)
де q – заряд, U – різниця потенціалів.
В оптиці та квантовій механіці енергія фотона
де П – постійна Планка, v – частота випромінювання.
У теплофізиці енергія теплового руху частинок
(1.7)
де до – постійна Больцмана, Т – температура.
Використовуючи зазначені закони та спираючись на закон збереження енергії, можна визначити будь-яку фізичну величину, незалежно від того, до яких явищ вона відноситься - до механічних, електричних, оптичних або теплових.
Для того щоб сказане виглядало переконливіше, розглянемо основні механічні одиниці, прийняті в більшості систем - одиниці довжини, часу і маси. Ці величини є основними, тобто обрані довільно та незалежно один від одного. Розглянемо тепер, який ступінь цієї незалежності і чи не можна скоротити кількість довільно вибраних основних механічних одиниць.
Більшість із нас звикла до того, що другий закон Ньютона записується як
(1.8)
де F – сила взаємодії, m – маса тіла, а – прискорення руху, і цей вираз є визначенням інерційної маси. З іншого боку, маса гравітаційна згідно із законом всесвітнього тяжіння визначається із співвідношення
(1.9)
де r - відстань між тілами і γ- гравітаційна постійна, рівна
Розглядаючи, наприклад, рівномірний руходного тіла навколо іншого по колу, коли сила інерції F i дорівнює силі гравітації F g і враховуючи, що маса m в обох законах є одна і та ж величина, отримаємо:
(1.11)
(1.12)
де Т - період звернення, отримаємо
(1.13)
Це є вираз третього закону Кепплера, давно відомого руху небесних тіл, т. е. ми отримали зв'язок між часом Т, довжиною r і масою m як
(1.14)
Це означає, що достатньо покласти коефіцієнт До рівним одиниці, і одиниця маси буде визначена через довжину та час. Значення цього коефіцієнта
(1.15)
є наслідком лише того факту, що ми довільно вибрали одиницю маси і для приведення ситуації у відповідність до фізичних законів зобов'язані в законі Кепплера ввести додатковий множник К. Наведений приклад наочно показує, що кількість основних одиниць може бути змінена як у меншу, так і більшу бік, тобто повністю залежить від нашого вибору, що визначається зручністю практичного використання системи.
Природно, що вибравши будь-яку одиницю в якості основної, ми довільно вибираємо розмір цієї одиниці. У механічних вимірах довжину, час і масу ми маємо можливість порівнювати з будь-якими обраними як вихідні однойменні величини. У міру розвитку метрології визначення розміру величин основних одиниць неодноразово змінювалися, проте ні на фізичних законах, ні на єдності вимірів це не вплинуло.
Покажемо, що свавілля вибору розміру одиниці має місце як основних, довільно обраних величин, але й величин похідних, т. е. що з основним яким-небудь фізичним законом. Як приклад повернемося до визначення сили через інерційні властивості тіл або через гравітаційні властивості. Ми припускаємо, що основними величинами є довжина, час та маса. Ніщо не заважає вважати рівним одиниці коефіцієнт пропорційності в законі всесвітнього тяжіння, тобто вважати, що
(1.16)
Тоді у другому законі Ньютона ми будемо запровадити коефіцієнт пропорційності, званий інерційної постійної, тобто.
(1.17)
Значення інерційної постійної має дорівнювати
(1.18)
Аналогічну картину можна простежити, виражаючи та приймаючи одиницю площі. Ми звикли до того, що одиницею площі вважається площа квадрата зі стороною в одиницю довжини - квадратний метр, квадратний сантиметр і т.д. що
У цьому випадку площа квадрата висловиться
(1.20)
Така одиниця площі, яка називається «круглий метр», дуже зручна у вимірі площ кіл. Очевидно, що «круглий метр» буде в 4/тг разів меншим за «квадратний метр».
Наступне питання проблеми вибору одиниць системи полягає у визначенні доцільності введення нових основних одиниць при розгляді нового класу фізичних явищ. Почнемо з електромагнітних явищ. Добре відомо, що електричні явища спираються на закон Кулона, що зв'язує механічні величини – силу взаємодії та відстані між зарядами – з електричною величиною – зарядом:
(1.21)
У законі Кулона, як та інших законах, де згадуються векторні величини, ми опускаємо одиничний вектор із єдиною метою спрощення. У законі Кулона коефіцієнт пропорційності дорівнює 1. Якщо прийняти це за основу, що і зроблено в деяких системах одиниць, то основна електрична одиниця не потрібна, тому що одиницю сили струму можна отримати зі співвідношення
(1.22)
де q – заряд, визначений законом Кулона; t – час. Всі інші одиниці електричних величин визначаються із законів електростатики та електродинаміки. Проте у більшості систем одиниць, у тому числі й у системі СІ, для електричних явищ вводиться довільно своя основна електрична одиниця. У системі СІ це Ампер. Вибравши Ампер довільно, заряд висловиться із співвідношення як
(1.23)
В результаті повторилася ситуація, розглянута вище, коли та сама фізична величина визначається двічі. Один раз через величини механічні - формула (1.21). Інший раз через Ампер-формула (1.23). Така неоднозначність змушує ввести до закону Кулона додатковий коефіцієнт, який отримав назву «діелектрична проникність вакууму». Закон Кулона набуває вигляду:
(1.24)
Про фізичний сенс діелектричного постійного вакууму часто ставлять питання, коли хочуть з'ясувати ступінь розуміння сутності закону Кулона. З метрологічної точки зору все просто і зрозуміло: вводячи довільно основну одиницю електрики - ампер - ми повинні вжити заходів для того, щоб була відповідність механічних одиниць, введених раніше, їх новим можливим виразом з використанням ампера.
Така сама ситуація може бути простежена в температурних вимірах з введенням довільно основної одиниці - Кельвіна, а також в оптичних вимірахіз запровадженням кандели.
Тут докладно розглянуто ситуацію з вибором одиниць основних фізичних величин і із вибором їхнього розміру у тому, щоб довести суть головного принципу побудови систем одиниць фізичних одиниць.
Цей принцип – зручність практичного використання. Тільки цими міркуваннями визначається число основних одиниць, вибір їх розміру, і всі додаткові, вторинні принципи відштовхуються від цього як від основного. Таким, наприклад, є відомий принцип, що говорить, що як основна величина потрібно вибрати таку, одиниця якої може бути відтворена з найвищою можливою точністю. Однак це бажано, але в ряді випадків недоцільно. Зокрема в механічних вимірах одиниця частоти – герц – відтворюється з найвищою точністю, проте в розряд основних одиниць частота не потрапила.
В електричних вимірах точніше Ампера може бути відтворений Вольт – одиниця різниці потенціалів. В оптиці досягнуто граничної точності у вимірах енергії шляхом рахунку квантів. З зазначених причин загальновизнаність виразу величин і одиниць стає переважаючою над прагненням вибрати за основну одиницю ту, яка найточніше відтворюється.
Остаточним підтвердженням вибору системи одиниць на основі принципу зручності використання є два моменти.
Перший – це факт присутності у міжнародній системі СІ двох основних одиниць кількості речовини – кілограма та моля. Нічим, крім зручності використання у хімічних процесах запровадження ще однієї основної одиниці – молячи, – цей факт не поясниш.
Другий - факт використання в ряді випадків систем одиниць, відмінних від системи СІ. Багато років та десятиліття метрологи намагаються залишити одну єдину систему одиниць. Проте, у розрахунках атомних і молекулярних структур система СІ незручна, і продовжують використовувати атомну систему одиниць, у якій основними є величини, зумовлені розмірами атома і процесами, які у атомі. Під час розгляду різних систем одиниць ми докладно зупинимося на побудові цієї системи. Так само система СІ виявляється незручною при вимірах відстаней до космічних об'єктів. У цій галузі склалася своя специфічна система одиниць та величин.
Узагальнюючи, вибір у метрології системи одиниць фізичних величин в основному пов'язаний із зручністю їх використання та великою мірою спирається на традиції у вирішенні проблеми забезпечення єдності вимірів.
Білет №2
Державний стандарт Метрологія. Терміни та визначення"". ГОСТ 16263-70. Основні метрологічні поняття.
Вимірювання– процес знаходження значення шуканої фізичної величини з допомогою спеціальних технічних засобів.
Засоби виміру– спеціальний технічний засіб, що використовується при вимірах та має нормовані метрологічні властивості.
Еталон– засіб виміру, призначений для відтворення та зберігання одиниці фізичної величини з метою передачі її розміру нижчим за перевірочною схемою засобам виміру та офіційно затверджений у встановленому порядку як зразок.
Державний стандарт– первинний чи спеціальний еталон, прийнятий і затверджений як вихідний для країни.
Перевірка- Визначення похибки засобів вимірювання органами державної метрологічної служби з метою визначення придатності його до подальшого використання.
Калібрівка- Сукупність операцій, що виконуються з метою визначення та підтвердження метрологічних характеристик с.і. Ці с.і. не підлягають державному метрологічному контролю та нагляду.
Метрологічна служба. Цілі і завдання. Структура служби.
Найважливіші завдання ГМС: нагляд за станом та застосуванням засобів вимірювання (с.і.), атестованими методами виконання вимірювань, еталонами одиниць, дотриманням метрологічних правил та норм, нормативними документами (НД) щодо забезпечення єдності вимірювань.
Держстандарт Росії:ВНДІ, НУО(науково-виробниче об'єднання), ТОГостРФ – центри стандартизації та метрології, МС усіх організацій та підприємств.
Білет №3
Визначення поняття " " Одиниця фізичної величини " " . Класифікація одиниць ф.в.: основні та похідні, системна та позасистемна, кратні та подільні, когерентні та некогерентні.
Одиниця фізичної величини– ф.в., якій за визначенням надано числове значення, що дорівнює одиниці.
Фізична величина– властивість, якісно притаманна багатьом фізичним об'єктам, але кількісно індивідуально кожному за.
Основна одиниця ф.– одиниця основної ф.в., обрана довільно під час побудови системи одиниць.
Основна ф. -ф.в., що входить до системи та умовно прийнята як незалежна від інших величин системи.
Система ф.в.- Сукупність ф.в., пов'язаних між собою залежностями.
Похідна одиниця ф.– одиниця похідної ф.в., утворена за рівнем, що визначає цю одиницю, з інших одиниць системи.
Похідна ф.- ф.в., що входить до системи та визначається через основні величини цієї системи.
Системна одиниця ф.– основна чи похідна одиниця системи одиниць.
Позасистемна одиниця ф.– одиниця, яка не входить до жодної системи одиниць.
Система одиниць ф.- Сукупність основних і похідних одиниць, що відноситься до деякої системи величин і утворена відповідно до прийнятих принципів.
Кратна одиниця ф.– одиниця, ціла кількість разів більша системної чи позасистемної одиниці.
Частка одиниця ф.в.. – одиниця, ціла кількість разів менша системної чи позасистемної одиниці.
Когерентна похідна одиниця ф.– похідна одиниця, що з іншими одиницями системи рівняння, у якому коефіцієнт пропорційності прийнятий рівним одиниці.
Структура органів та служб стандартизації.
Держстандарт: ВНДІ, НУО, Територіальні органи – центри стандартизації та метрології, метрологічні служби служби організацій та підприємств.
Білет №4
Система одиниць фізичних величин. Принципи побудови.
1) Метод побудови системи пов'язані з когерентними розмірами основних одиниць. Встановлюються чи вибираються величини, одиниці яких мають стати основою системи. Розміри похідних залежить від розмірів основних.
2) У принципі побудова системи одиниць можливе будь-яких величин, між якими є зв'язок, виражена математичної формулою як рівняння.
3) Вибір величин, одиниця яких мають стати основними обмежується міркуванням раціональності (вибір мінімального числа основних одиниць, який дозволив би утворити максимально більше похідних одиниць).
4) Система має бути когерентна, тобто. у всіх формулах, що визначають похідні одиниці в залежності від основних, коефіцієнт пропорційності завждидорівнює одиниці.
Закон РФ "Про сертифікацію". Основні положення.
Регламент- Документ, що містить обов'язкові правові норми, прийняті органом влади.
Метод випробувань- Встановлений порядок проведення випробувань.
Технічний контроль- Перевірка відповідності об'єкта встановленим технічним вимогам.
Випробування- експериментальне встановлення кількісних та якісних характеристик, властивостей об'єкта в умовах експлуатації, зберігання, транспортування при його функціонуванні або при моделюванні впливу чи об'єкта.
Сертифікація відповідності- дія третьої сторони, що доводить, що забезпечується необхідна впевненість у тому, що належним чином ідентифікована продукція відповідає конкретному стандарту чи т.д.
Відповідність- дотримання всіх встановлених вимог до продукції, процесу чи послуги.
Третя сторона- Особа або орган, який визнаний незалежним від беруть участь у розглядуваному питанні.
Орган з сертифікації- Орган, що проводить сертифікацію відповідності.
Сертифікат відповідності- документ, виданий за правилами системи сертифікації на підтвердження відповідності сертифікованих ПРУ встановленим вимогам.
Знак відповідності- зареєстрований у встановленому порядку знак, яким за правилами, встановленими у цій системі сертифікації, підтверджується відповідність маркованої продукції встановленим вимогам.
Акредитація- офіційне визнання правомочий здійснювати будь-яку діяльність (у сфері сертифікації).
Система якості- Сукупність організаційної структури, методик, процесів та ресурсів, необхідних для здійснення загального керівництва якості.
Схема сертифікації- склад та послідовність дій третьої сторони щодо проведення сертифікації.
Квиток №5
Міжнародна система одиниць СІ: побудова та зміст. Переваги системи СІ над іншими системами одиниць.
Сім основних одиниць: метр (L), кілограм (M), секунда (T), ампер (I), канделла (J), моль (N), кельвін (q).
Спрощене обчислення та виведення багатьох величин, що застосовуються у багатьох науках. Є міжнародною. 1954 – 6 основних одиниць, 1971 – запроваджено моль.
Лекція 1
Вступне заняття. Предмет «метрологія», завдання, принципи, об'єкти та засоби метрології, стандартизації та сертифікації. Закон РФ «Про забезпечення єдності вимірів». Міжнародні організації з метрології.
Слово метрологіяутворено з двох грецьких слів метрон(захід) та логос(Вчення, вміння) і означає - вчення про заходи. Метрологія в сучасному розумінні - наука про виміри, методи та засоби забезпечення їх єдності та способи досягнення необхідної точності.
Єдністю вимірівназивається стан вимірювань, при яких їх результати виражені в узаконених одиницях та похибки відомі із заданою ймовірністю.
Довгий часметрологія була в основному описовою наукою про різні заходи та співвідношення між ними. Але в процесі розвитку суспільства роль вимірів зростала, і з кінця минулого століття завдяки прогресу фізики метрологія піднялася якісно на новий рівень.
Сьогодні метрологія - це наука про вимірах, а й діяльність, яка передбачає вивчення фізичних величин, їх відтворення і передачу, застосування еталонів, основних принципів і методів створення засобів вимірювань, оцінку їх похибки, і навіть метрологічний контроль і нагляд.
Мета метрології полягає у забезпеченні єдності вимірів, тобто. сумісності та узгодженості їх результатів, причому незалежно від того, де, коли та ким були ці результати отримані.
Оскільки за результатами вимірювань приймаються відповідальні рішення, то має бути забезпечена відповідна точність, достовірність та своєчасність вимірів.
Можна виділити три основні функціївимірювань у народному господарстві:
1) облік продукції народного господарства, що обчислюється за масою, довжиною, обсягом, витратою, потужністю, енергією;
2) вимірювання, що проводяться для контролю та регулювання технологічних процесівта для забезпечення нормального функціонуваннятранспорту та зв'язку;
3) вимірювання фізичних величин, технічних параметрів, складу та властивостей речовин, що проводяться при наукових дослідженнях, випробуваннях та контролі продукції в різних галузях народного господарства
Значимість вимірів особливо важлива при переході до ринкових відносин, пов'язаних з конкуренцією виробників і відповідно з підвищеними вимогами до якості та технічних параметрів продукції. Підвищення якості вимірювань та впровадження нових методів вимірювань залежить від рівня розвитку метрології.
Основними завданнями метрології є;
· Забезпечення досліджень, виробництва та експлуатації технічних пристроїв;
· Контроль за станом навколишнього середовища;
· Забезпечення установ організацій відповідними засобами вимірювань.
Метрологію поділяють на
· загальну - теоретичну та експериментальну;
· Прикладну (практичну);
· Законодавчу.
Теоретична метрологіязаймається питаннями фундаментальних досліджень, створенням системи одиниць вимірів, фізичних постійних, розробкою нових методів вимірів.
Експериментальна метрологія- питання створення еталонів, зразків заходів, розробка нових вимірювальних приладів, пристроїв та інформаційних систем.
Прикладна (практична) метрологіязаймається питаннями практичного застосуванняу різних сферах діяльності результатів теоретичних досліджень у рамках метрології.
Законодавча метрологіявключає комплекс взаємопов'язаних та взаємозумовлених загальних правил, а також інші питання, регламентація та контроль яких необхідні з боку держави та для забезпечення єдності вимірів та однаковості системи вимірів.
Метрологічна служба- сукупність суб'єктів діяльності та видів робіт, спрямованих на забезпечення єдності вимірів.
Закон визначає, що Державна метрологічна службазнаходиться у віданні Держстандарту Росії та включає: державні наукові метрологічні центри; органи Державної метрологічної служби біля республік у складі Російської Федерації, автономної області, автономних округів, країв, областей, міст Москви і Санкт-Петербурга.
Держстандарт Росії здійснює керівництво Державною службою часу та частоти та визначення параметрів обертання Землі (ДСВЧ), Державною службою стандартних зразків складу та властивостей речовин та матеріалів (ДССО) та Державною службою стандартних довідкових даних про фізичні константи та властивості речовин та матеріалів (ГСССД) та координацію їхньої діяльності.
Об'єктами державного нагляду є:
1. нормативні документи зі стандартизації та технічна документація;
2. продукція, процеси та послуги;
3. інші об'єкти відповідно до чинного законодавства про державний нагляд.
У 1993 р. було прийнято «Закон Російської Федерації про забезпечення єдності вимірів», який встановлює правові основи забезпечення єдності вимірів у Російській Федерації. Закон регулює відносини державних органів управління Російської Федерації з юридичними та фізичними особами з питань виготовлення, випуску, експлуатації, ремонту, продажу та імпорту засобів вимірювань та спрямований на захист прав та законних інтересів громадян, встановленого правопорядку та економіки Російської Федерації від негативних наслідків недостовірних результатів вимірювань .
Закон «Про забезпечення єдності вимірів» складається із семи розділів: загальні положення; одиниці величин, засоби та методики виконання вимірювань; метрологічні служби; державний метрологічний контроль та нагляд; калібрування та сертифікація засобів вимірювань; відповідальність за порушення закону та фінансування робіт із забезпечення єдності вимірів.
У першому розділі Закон «Про забезпечення єдності вимірів» встановлює та законодавчо закріплює основні поняття, що приймаються для цілей Закону: єдність вимірів, засіб вимірів, державний еталон одиниці величини, нормативні документи щодо забезпечення єдності вимірів, метрологічна служба, метрологічний контроль та нагляд, перевірка та калібрування засобів вимірювань, сертифікат про затвердження типу засобів вимірювань, акредитація на право перевірки засобів вимірювань та сертифікат про калібрування. У першій статті закону дається таке визначення поняття «єдність вимірів».
єдність вимірів- стан вимірів, у якому їх результати виражені в узаконених одиницях величин і похибки вимірів не виходять за встановлені межі із заданою ймовірністю.
Поняття «єдність вимірів» охоплює найважливіші завданняметрології: уніфікацію одиниць, розробку систем відтворення одиниць та передачі їх розмірів робочим засобам вимірів звстановленою точністю, проведення вимірювань з похибкою, що не перевищує встановлені межі, та ін. Єдність вимірювань має витримуватися за будь-якої точності вимірювань, необхідної галузі економіки.
Забезпечення єдності вимірів єзавданням метрологічних служб.
Комплекс нормативних, нормативно-технічних та методичних документів міжгалузевого рівня, що встановлюють правила, норми, вимоги, спрямовані на досягнення та підтримання єдності вимірювань у країні за необхідної точності, становить державну систему забезпечення єдності вимірів(ДСІ).
У ДСМ виділяються базові стандарти, що встановлюють Загальні вимоги, правила та норми, а також стандарти, що охоплюють конкретну область чи вид вимірів.
До основних базових стандартів відносяться, наприклад, ГОСТ 8.417 «ДСІ. Одиниці фізичних величин», ГОСТ 16363 «Метрологія. Терміни та визначення». Базові стандарти можна поділити на групи залежно від об'єкта стандартизації:
· Зразки одиниць фізичних величин;
· Передача інформації про розмір одиниці від еталонів до засобів вимірювань;
· Порядок нормування метрологічних характеристик засобів вимірювань;
· Правила виконання та оформлення результатів вимірювань;
· Одноманітність засобів вимірювань;
· метрологічний нагляд за розробкою, станом та застосуванням засобів вимірювань;
· Державна служба стандартних довідкових даних.
В даний час нормативна база ГС І налічує понад 2600 документів, у тому числі 388 ГОСТів, близько 2000 методичних вказівокметрологічних інститутів, 77 керівних документів та 87 інструкцій.
Мережа організацій, куди покладено відповідальність за метрологічне забезпечення вимірювань, становить метрологічну службу. Розрізняють два рівні метрологічної служби – державну метрологічну службу та метрологічні служби юридичних осіб (підприємств та об'єднань).
До складу державної служби входять територіальні органи та державні наукові метрологічні центри (НДІ Держстандарту Росії). До структури державної метрологічної служби включені також спеціалізовані служби: державна служба часу та частоти – ДСВЧ, державна служба стандартних зразків – ДССО, державна служба стандартних довідкових даних – ДСССД.
До основних видів метрологічної діяльності належать метрологічне забезпечення підготовки виробництва, державні випробування засобів вимірів, перевірка засобів вимірів.
Метрологічне забезпечення підготовки виробництва- це комплекс організаційно-технічних заходів, спрямованих на визначення з необхідною точністю параметрів продукції (виробів, вузлів, матеріалів) та сировини, технологічних процесів та обладнання та дозволяють домогтися високої якості продукції, а також зниження непродуктивних витрат на її випуск.
Роботи з метрологічного забезпечення підготовки виробництва виконують метрологічні, конструкторські, технологічні служби підприємств з моменту отримання вихідних документів на виріб, що освоюється.
Випробування засобів вимірів проводяться державними науковими центрами Держстандарту Росії.
До складу комісії входять представники:
· Державного центру випробувань засобів вимірювань;
· Замовника засобів вимірювань;
· Відомчої метрологічної служби;
· Організації-розробника;
· Виробника засобів вимірювань.
У разі успішного випробування засобу вимірювань, в результаті якого підтверджені всі параметри та характеристики засобів вимірювань, документація надається до Держстандарту Росії та приймається рішення про затвердження типу засобу вимірювань. Це рішення засвідчується сертифікатом про затвердження типу засобів вимірювальної техніки. Затверджений тип заноситься до державного реєстру засобів вимірів.
Державний метрологічний контроль та нагляд є технічною і правовою діяльністю, здійснюваної органами державної метрологічної служби з метою перевірки дотримання правил законодавчої метрології - Закону РФ «Про забезпечення єдності вимірів», нормативних актів з питань метрології.
До об'єктів державного метрологічного контролю та нагляду належать:
· Засоби вимірювань;
· Зразки, що застосовуються для перевірки засобів вимірювань;
· Методики виконання вимірювань;
· кількість фасованих товарів в упаковках будь-якого виду при їх продажу та розфасовці.
Державний метрологічний контроль (ГМК) поширюється на:
1. на охорону здоров'я, ветеринарію, охорону довкілля, забезпечення безпеки;
2. торгові операції та взаємні розрахунки між покупцем та продавцем;
3. державні облікові операції;
4. забезпечення оборони;
5. геодезичні та гідрометеорологічні роботи;
6. банківські, податкові, митні та поштові операції;
7. продукцію, що постачається за державними контрактами;
8. випробування та контроль якості продукції на відповідність обов'язковим вимогам стандартів та за обов'язкової сертифікації продукції;
9. виміри, які проводяться за дорученням органів суду, прокуратури, арбітражу, інших органів державного управління;
10. реєстрацію національних та міжнародних спортивних рекордів.
Характеристикавидів державного метрологічного контролю та нагляду.Державний метрологічний контроль та нагляд включає:
1. державний метрологічний нагляд за кількістю товарів, що відчужуються під час здійснення торгових операцій; за кількістю фасованих товарів в упаковках будь-якого виду при їх розфасовуванні та продажу;
2. перевірку засобів вимірів, зокрема еталонів;
3. затвердження типу засобів вимірів;
ліцензування діяльності юридичних та фізичних осіб з виготовлення, ремонту, продажу, прокату засобів вимірювань. Державному метрологічному контролю підлягають торгові операції, під час здійснення яких визначається маса, обсяг, витрата та інші величини, що характеризують кількість товарів, що відчужуються.
Державному метрологічному нагляду у сфері банківських операцій підлягають засоби вимірювання для ідентифікації цінних паперів та валют (наприклад, детектори валют, лічильники банкнот), електронних підписів, заставних цінностей Беручи на депозитне зберігання такі цінності, як, наприклад, благородні метали, дорогоцінне каміння, банки повинні забезпечити вимірювання їх кількості та складу з необхідною точністю.
Державному метрологічному нагляду підлягають фасовані товари в упаковках будь-якого виду під час їх продажу або розфасовки, у випадках, коли вміст упаковки не може бути змінений без її розтину або деформації, а кількість вмісту вказана нанесеним на упаковку значенням маси. При проведенні нагляду перевіряють відповідність дійсного значення маси, обсягу та інших величин кількості фактично міститься в упаковці товару та нанесеному на упаковку значенню.
Засоби вимірювань, що використовуються у зазначених сферах державного метрологічного контролю та нагляду, підлягають повірці органами державної метрологічної служби під час випуску та після ремонту, експлуатації та продажу, ввезення по імпорту. Повірку засобів вимірювань здійснюють особи, атестовані як повірителі в органах державної метрологічної служби. Позитивні результати перевірки засобів вимірювань засвідчують знаком повірного тавра або сертифікатом про перевірку. Знак повірного тавра наносять на засоби вимірювань і в експлуатаційну документацію, а у разі видачі сертифіката про перевірку – на сертифікат. Якщо знак повірного тавра пошкоджений, а також сертифікат втрачено, засіб вимірювань визнається непридатним до застосування.
Засоби вимірювань, призначені для випуску чи ввезення імпорту, піддаються обов'язковим випробуванням з наступним затвердженням типу. Рішення про затвердження типу засобу вимірювань приймається Держстандартом Росії та засвідчується сертифікатом. Затверджений тип вноситься до Державного реєстру засобів вимірів. У необхідних випадках тип засобу вимірювань піддається обов'язкової сертифікації на безпеку застосування відповідно до законодавства про захист здоров'я, життя та майна громадян, охорону праці та навколишнього середовища.
Організація державного метрологічного контролю та нагляду.Контроль та нагляд здійснюються державними інспекторами органів державної метрологічної служби. Держінспектори безперешкодно відвідують об'єкти, де експлуатуються засоби вимірювань, з метою їхньої перевірки, відбору зразків товару для здійснення контролю при їх продажу та розфасовці та інших видів контролю. При виявленні порушення держінспектор має право забороняти застосування засобів виміру незатверджених, а також неповірених типів; гасити тавра або анулювати сертифікат про перевірку, у випадках коли засіб вимірювань дає неправильні показання або прострочений міжповірочний інтервал; давати обов'язкові розпорядження та встановлювати терміни усунення порушення метрологічних правил; складати протоколи про адміністративну відповідальність порушників метрологічних правил для ухвалення рішень щодо застосування санкцій.
Юридичні та фізичні особи зобов'язані сприяти інспектору у виконанні покладених на нього обов'язків. Особи, які перешкоджають здійсненню державного метрологічного контролю та нагляду, несуть відповідальність відповідно до чинного законодавства.
Відповідно до чинного законодавства за порушення правил законодавчої метрології передбачено адміністративну та кримінальну відповідальність, економічні санкції.
Адміністративну відповідальність за порушення правил несуть керівники та посадові особи юридичних осіб, а також фізичні особи, з вини яких було допущено порушення. Адміністративні стягнення накладаються у вигляді штрафу. Підставою для стягнення є недотримання правил метрології при продажу та розфасовці товарів в упаковки, недотримання правил перевірки засобів вимірювань, перешкоджання здійсненню метрологічного контролю та нагляду уповноваженими на те органами.
Кримінальна відповідальність настає у разі застосування неповірених чи інших непридатних засобів вимірювань у роздрібній торговельній мережі чи сфері громадського харчування, охорони здоров'я, охорони навколишнього середовища, забезпечення безпеки. Залежно від рівня порушення метрологічних правил передбачаються великий штраф, виправні роботи, позбавлення права обіймати посади, пов'язані з виміром, позбавлення волі. Економічні санкції застосовуються зазвичай до юридичних осіб. Розмір санкцій визначається чинним законодавством.
| склад Державної метрологічної служби РФ (ГМС). | |||
| Найменування установи | Функції установи | ||
| Федеральне агентство з технічного регулювання та метрології - очолює ГМС | Розробка, обговорення, затвердження та облік технічних регламентів, національних стандартів, загальноросійських класифікаторів, систем каталогізації тощо. Керівництвод_координація діяльності ГМС. Проведення конкурсів на здобуття премій Уряду РФ. | ||
| Державні наукові метрологічні центри (ДНМЦ) -7ВНДІ | Зберігання державних стандартів, проведення дослідження; розробка методів високоточних вимірів та нормативних документів | ||
| Регіональні центри стандартизації, метрології та сертифікації (ЦСМ та С) - більше | Держконтроль та нагляд за забезпеченням єдності вимірювань у регіоні, метрологічне забезпечення підприємств, повірка та калібрування засобів вимірювань, акредитація вимірювальних лабораторій, навчання та атестація повірителів, розробка нових засобів вимірювань, техобслуговування та ремонхср^Д£гв^13з1ер^ний. | ||
| Державна служба часу, частоти та визначення параметрів обертання землі (ДСВЧ) | Міжрегіональна та міжгалузева координація робіт у цій галузі, зберігання та передача розмірів одиниці часу та частоти, координат полюсів землі. Вимірювальну інформацію використовують служби навігації та управління судами, літаками та супутниками та ін. | ||
| Державна служба стандартних зразків складу та властивостей матеріалів (ДССО) | Забезпечують розробку засобів зіставлення стандартних зразків з характеристиками речовин та матеріалів, що виробляються промисловими та сільськогосподарськими підприємствами, для їх ідентифікації та контролю. | ||
| Державна служба стандартних довідкових даних про фізичні константи та властивості речовин та матеріалів (ДСССД) | Забезпечують розробку достовірних даних про фізичні константи, властивості речовин, нафти, газу та ін. Інформацію використовують організації, що створюють нову техніку. | ||
| Міжнародні організації з метрології | ||
| Найменування організації | Цілі, завдання та діяльність організації | |
| 1. Міжнародна організація законодавчої метрології (МОЗМ) | Створена 1955 р. об'єднує понад 80 країн. Цілі: розробка загальних питань законодавчої метрології, в т.ч. встановлення класів точності СІ, забезпечення одноманітності визначення типів та зразків систем СІ, рекомендацій щодо випробувань та підготовки кадрів. Вищий орган Міжнародної конференції законодавчої метрології. Скликається 1 раз на 4 роки. Рішення мають рекомендаційний характер. Росію в МОЗМ представляє Федеральне агентство з технічного регулювання та метрології, а також 12 міністерств та відомств. Участь Росії дозволяє проводити зміст прийнятих рекомендацій, домагаючись їх відповідності російським стандартам, дозволяє вдосконалювати метрологічну роботу. | |
| 2. Міжнародна організація заходів та ваг (МОМБ) | Створено 1875 р. - підписано Метрологічна конвенція. Цілі: уніфікація національних одиниць вимірів та встановлення єдиних фактичних еталонів довжини та маси. МБМВ – науково-дослідна лабораторія, яка зберігає та підтримує міжнародні зразки. ЇЇ Головна задача- звірення національних стандартів з міжнародними, вдосконалення систем вимірів. Вищий орган МОМБ – Генеральна конференція заходів та ваг. (1 раз на 4 роки). Роботою МОБВ між конференціями керує Міжнародний комітет заходів та терезів, до якого входять найбільші фізики та метрологи світу, у т.ч. представники Росії. Усього 18 членів. Найважливіший результат діяльності - перехід держав на єдині одиниці та зразки. | |
| 3. Міжнародна організація зі стандартизації (ІСО) | Створено 1946 р. Члени ІСО - національні організації зі стандартизації країн світу. 135 країн представлено. Сфера діяльності ІСО поширюється на всі області, крім електротехніки та електроніки. Головні завдання: розвиток стандартизації, метрології та сертифікації з метою забезпечення обміну товарами та послугами, розвиток співробітництва у науково-технічній та економічній галузях. Стандарти ІСО - найбільш широко використовуються у світі, їх загальна кількість перевищує 12000. Щорічно приймається та переглядається близько 1000 стандартів. Вони не є обов'язковими для застосування країнами-членами ISO. Все залежить від ступеня участі країни у міжнародному поділі праці та стану її зовнішньої торгівлі. У Росії триває активний процес впровадження стандартів ISO на національну систему стандартизації. | |
| 4. Міжнародна електротехнічна комісія (МЕК) | Створено 1906 р. Автономна організація у складі ИСО. Основна мета визначена Статутом – сприяння міжнародному співробітництву зі стандартизації у галузі електротехніки та радіотехніки шляхом розробки стандартів. Країни представлені в МЕК своїми національними органами по | |
| стандартизації (РФ - Федеральне агентство з технічного регулювання та метрології). Вищий керівний орган МЕК - Рада національних комітетів усіх країн. МЕК прийнято понад 2000 стандартів. Вони конкретніші, ніж стандарти ІСО і тому більш придатні до застосування у країнах - членах МЕК. У Росії її впроваджено більше половини прийнятих МЕК стандартів. | ||
| Європейська організація з метрології (ЄВРОМЕТ) | Регіональна міжнародна організація. Працює в галузі дослідження та розробки національних еталонів, сприяє розвитку перевірочних служб, розробляє методи найвищої точності. | |
Міжнародна організація заходів та ваг(МОМВ) забезпечує зберігання та підтримку міжнародних еталонів різних одиниць та звірення з ними державних еталонів і складається з Генеральної конференції заходів та ваг, Міжнародного комітету з мір і ваг, Міжнародного бюро мір та ваг (МБМВ).
У більшості країн світу заходи щодо забезпечення єдності вимірів встановлені законодавчо. Тому один із розділів метрології називається законодавчою метрологієюі включає комплекс загальних правил, вимог та норм, спрямованих на забезпечення єдності вимірів та однаковості засобів вимірів. Для одноманітності в одиницях вимірів у 1978 р. було затверджено Міжнародний стандарт «Одиниці фізичних величин» (СІ), який запроваджено з 1 січня 1979 р. як обов'язковий у всіх галузях народного господарства, науки, техніки та при викладанні.
Основні поняття та визначення прийняті у метрології. фізичні величини. Типи шкал. Поняття системи фізичних величин.
Основні терміни та визначення сформульовані у низці нормативно-технічних документів.
Фізична величина- властивість фізичного об'єкта, явища чи процесу, загальне якісно для багатьох фізичних об'єктів, але у кількісному вираженні індивідуальне кожному за них, наприклад довжина, маса, електричний опір.
Вимірювання- сукупність операцій із застосування технічного засобу, що зберігає одиницю фізичної величини, які у порівнянні вимірюваної величини з одиницею.
Діапазон вимірювань- область значень величин, у межах яких нормовані межі похибки, що допускаються. Значення величини, що обмежують діапазон вимірювань знизу або зверху (ліворуч або праворуч), називають нижньою межею або верхньою межею вимірів.
Поріг чутливості- Найменше значення вимірюваної величини, що викликає помітну зміну вихідного сигналу. Наприклад, якщо поріг чутливості ваг дорівнює $Q mi» це означає, що помітне переміщення стрілки ваг досягається при такій малій зміні маси, як 10 мг.
ШКАЛИ ВИМІРЮВАНЬ
Шкала вимірів- це впорядкована сукупність значень фізичної величини, які є основою виміру цієї величини. Упорядкування значень фізичної величини можна досягти різними способами.
Шкала найменуваньхарактеризується лише ставленням еквівалентності різних якісних проявів якості. Ці шкали немає нульової позначки, одиниць виміру, вони немає відносин зіставлення типу більше, менше, краще, гірше тощо. Наприклад, у шкалі кольорів процес вимірювань досягається визначенням еквівалентності при візуальному спостереженні зразка з одним з еталонів, що входять в атлас кольорів.
Найпростіший спосіботримання інформації, що дозволяє скласти деяке уявлення про розмір вимірюваної величини, полягає у порівнянні його з іншим за принципом «що більше (менше)?», або «що краще (гірше)?».
При цьому кількість порівнюваних між собою розмірів може бути досить великою. Розташовані в порядку зростання або зменшення розміри вимірюваних величин утворюють шкали порядку.
Операція розміщення розмірів за їх зростанням або зменшенням з метою отримання вимірювальної інформації за шкалою порядку називається ранжуванням . Для полегшення вимірювань за шкалою порядку деякі точки на ній можна зафіксувати як опорні (реперні).Точкам шкали можуть бути присвоєні цифри, які часто називають балами.Наприклад, знання оцінюють за чотирибальною реперною шкалою, що має наступний вигляд: незадовільно, задовільно, добре, відмінно. За реперними шкалами вимірюється твердість мінералів, чутливість плівок та інші величини (інтенсивність землетрусів вимірюється за 12-бальною шкалою, яка називається міжнародною сейсмічною шкалою).
Шкала інтервалів (різниці)описує властивості величини як з допомогою відносин еквівалентності, але й з допомогою підсумовування і пропорційності інтервалів між кількісними проявами властивості. Прикладом може бути шкала виміру часу, яка розбита великі інтервали - року, більш дрібні - добу тощо.
За шкалою інтервалів можна судити не тільки про те, що один розмір більший за інший, а й про те, наскільки більший. Однак за шкалою інтервалів не можна оцінити, у скільки разів один розмір більший за інший. Це пов'язано з тим, що у шкалі інтервалів відомий лише масштаб, а початок відліку може бути обрано довільно.
Найбільш досконалою є шкала стосунків.Прикладом її може бути температурна шкала Кельвіна, шкала Цельсія, шкали маси тощо.
За шкалою відносин можна визначити не тільки, на скільки один розмір більший за інший, а й у скільки разів більше або менше.
ФІЗИЧНІ ВЕЛИЧИНИ
Основним об'єктомВимірювання в метрології є фізичні величини. Фізична величина застосовується для опису матеріальних систем, об'єктів, явищ, процесів, що вивчаються у науках. Існують основні та похідні величини. Як основні вибирають величини, що характеризують фундаментальні властивості матеріального світу. ГОСТ 8.417 встановлює сім основних фізичних величин: довжину, масу, час, термодинамічну температуру, кількість речовини, силу світла, силу струму. Вимірювані величини мають кількісну та якісну характеристики.
Формалізованим відображенням якісної відмінності вимірюваних величин служить їх розмірність.Відповідно до документів ISO розмірність позначається символом dim (від лат. dimension - вимір).
Розмірність основних фізичних величин - довжини, маси, часу - позначається відповідними великими літерами:
dim t= Т.
Розмірність фізичної величини записується у вигляді добутку символів відповідних основних фізичних величин, зведених у певний ступінь – показник розмірності:
де L, М, Т- Розмірності основних фізичних величин;
Показники розмірності (показники ступеня, у якому зведені розмірності основних фізичних величин).
Наприклад: розмірність прискорення - м/с 2
Кожен показник розмірності може бути позитивним або негативним, цілим або дрібним, нулем. Якщо всі показники розмірності дорівнюють нулю, то величина називається безрозмірною.
Кількісною характеристикою вимірюваної величини є її Розмір.Отримання інформації про розмір фізичної величини є змістом будь-якого виміру.
Значення вимірюваної величини- Оцінка розміру фізичної величини у вигляді деякого числа прийнятих для неї одиниць.
Наприклад: L= 1 м = 100 см = 1000 мм.
Абстрактне число, що входить до нього, називається числовим значенням.У наведеному прикладі це 11001000.
Значення фізичної величини одержують в результаті її вимірювання або обчислення відповідно до основного рівняння вимірювання:
де Q – значення фізичної величини;
X- числове значення вимірюваної величини прийнятої одиниці; [Q] – обрана для вимірювання одиниця.
Припустимо, вимірюється довжина відрізка прямий 10 см за допомогою лінійки, що має поділки в сантиметрах і міліметрах. Для цього випадку:
У той самий час застосування різних одиниць (1 див і 1 мм) призвело до зміни числового значення результату вимірів.
Принципи побудови міжнародної системи одиниць. Переваги СІ.
Одиниця фізичної величини- це фізична величина, якій за визначенням надано числове значення, що дорівнює одиниці (1 м, 1 фунт, 1 см). Система одиниць фізичних величин- сукупність основних та похідних одиниць, що належать до деякої системи величин та утворена відповідно до прийнятих принципів.
У Росії її, як у всіх країнах світу, діє Міжнародна система одиниць, основними фізичними величинами якої є метр, кілограм, секунда, ампер, кандела, кельвін, моль. Міжнародна система була затверджена 1960 р. на XI конференції заходів та ваг.
Одиниці фізичних величин міжнародної системи фізичних величин утворюються з урахуванням законів, встановлюють зв'язок між фізичними величинами, чи підставі прийнятих у певних НДІ фізичних величин.
Для одноманітності в одиницях вимірів у 1978 р. було затверджено Міжнародний стандарт «Одиниці фізичних величин» (СІ), який запроваджено з 1 січня 1979 р. як обов'язковий у всіх галузях народного господарства, науки, техніки та при викладанні.
СІ містить сім основних одиниць, які зачіпають вимірювання різноманітних параметрів: механічних, теплових, електричних, магнітних, світлових, акустичних та іонізуючих випромінювань та в галузі хімії. Основними одиницями встановлено: метр (м) – для вимірювання довжини; кілограм (кг) – для вимірювання маси; секунда (с) – для вимірювання часу; ампер (А) – для вимірювання сили електричного струму; Кельвін (К) – для вимірювання температури; кандела (свічка) кд – для вимірювання сили світла, моль – для вимірювання кількості речовини.
До 1960 р. за міжнародний і національний зразок довжини 1 м приймалася відстань між серединами двох штрихів на бруску Х-образного перерізу, зробленому із сплаву платини з іридієм. У цього зразка відстань між серединами штрихів було неможливо виміряти точніше ±0,1 мкм, що не відповідало вимогам сучасного станунауки та техніки. Недоліком еталона було і те, що він був металевим бруском, який при стихійному лиху (наприклад, землетрусі або повені) міг зникнути або втратити з часом точне значення метра.
Принципи побудови Міжнародної системи одиниць
Перша система одиниць фізичних величин, хоча вона і не була ще системою одиниць у сучасному розумінні, була прийнята Національними зборами Франції в 1791 р. Вона включала одиниці довжини, площі, обсягу, місткості і маси, основними з яких були дві одиниці: метр та кілограм.
Систему одиниць як сукупності основних та похідних одиниць вперше у 1832 р. запропонував німецький вчений К. Гаусс. Він побудував систему одиниць, де за основу прийняв одиниці довжини (міліметр), маси (міліграм) та часу (секунда), і назвав її абсолютною системою
Одиниця довжини(метр)- Довжина шляху, що проходить світлом у вакуумі за 1/299 792 458 частку секунди.
Одиниця маси(кілограм)- Маса, що дорівнює масі міжнародного прототипу кілограма.
основних одиниць фізичних величин), і у виборі їх розміру. З цієї причини, визначаючи основні величини та їх одиниці, системи одиниць фізичних величин можуть бути побудовані різні. До цього слід додати, як і похідні одиниці фізичних величин також можуть визначатися по-різному. Сказане означає, що систем одиниць може бути збудовано дуже багато. Зупинимося на загальних рисах усіх систем.
Основна загальна риса - чітке визначення сутності та фізичного змісту основних фізичних одиниць та величин системи. Бажано, але, як вказувалося в попередньому розділі, необов'язково, щоб основна фізична величина могла бути відтворена з високою точністю та могла бути передана засобом вимірювання з мінімальною втратою точності.
Наступний важливий у побудові системи крок - встановити розмір основних одиниць, тобто домовитися та законодавчо закріпити процедуру відтворення основної одиниці.
Оскільки всі фізичні явищапов'язані між собою законами, що записуються у вигляді рівнянь, що виражають зв'язок між фізичними величинами, при встановленні похідних одиниць потрібно вибрати визначальне співвідношення для похідної величини. Потім у такому вираженні слід прирівняти одиниці або іншому постійному числу коефіцієнт пропорційності, що входить у визначальне співвідношення. Таким чином, утворюється похідна одиниця, якій можна дати таке визначення: Похідна одиниця фізичної величини- одиниця, розмір якої пов'язується з розмірами основних одиниць співвідношеннями, що виражають фізичні закони, або визначення відповідних величин».
При побудові системи одиниць, що складається з основних та похідних одиниць, слід підкреслити два найважливіші моменти:
Перше - поділ одиниць фізичних величин на основні та похідні не означає, що перші мають якусь перевагу або важливіші, ніж останні. У різних системах основними можуть бути різні одиниці, і число основних одиниць у системі також може бути різним.
Друге - слід відрізняти рівняння зв'язку між величинами та рівняння зв'язку між їх числовим та значеннями. Рівняння зв'язку є співвідношенням у загальному вигляді, які залежать від одиниць. Рівняння зв'язку між числовими значеннями можуть мати різний виглядзалежно від обраних одиниць кожної з величин. Наприклад, якщо вибрати в якості основних величин метр, кілограм маси і секунду, то співвідношення між механічними похідними одиницями, такими як сила, робота, енергія, швидкість і т. д. будуть відрізнятися від таких, якщо основними одиницями будуть вибрані сантиметр, грам, секунда чи метр, тонна, секунда.
Характеризуючи різні системи одиниць фізичних величин, пригадаємо, що перший крок у побудові систембув із спробою пов'язати основні одиниці з величинами, які у природі. Так, в епоху Великої французької революціїу 1790-1791 рр. було запропоновано одиницею довжини вважати одну сорокамільйонну частку земного меридіана. У 1799 р. ця одиниця була узаконена як прототипу метра - спеціальної платино-иридиевой лінійки з поділами. Одночасно було визначено кілограм як вагу одного кубічного дециметра води за 4°С. Для зберігання кілограма було виготовлено зразкову гиру - прототип кілограма. Як одиниця часу було узаконено 1/86400 частка середньої сонячної доби.
Надалі від природного відтворення цих величин довелося відмовитися, оскільки відтворення пов'язані з великими похибками. Зазначені одиниці були закріплені законодавчо за характеристиками їх прототипів, а саме:
Ця основа всіх сучасних системодиниць фізичних величин збереглася до теперішнього часу. До механічних основних одиниць додавали теплові (Кельвін), електричні (Ампер), оптичні (кандела), хімічні (моль), але основа збереглася досі. Слід додати, що розвиток вимірювальної технікиі особливо відкриття і використання лазерів у виміри дозволили визначити і узаконити нові, дуже точні методи відтворення основних одиниць фізичних величин. На таких моментах ми зупинимося у наступних розділах, присвячених окремим видам вимірів.
Тут же коротко перерахуємо найбільш уживані в природознавстві XX століття системи одиниць, частина з яких існує досі як позасистемні або жаргонні одиниці.
На території Європи за останні десятиліття широко застосовувалися три системи одиниць: СГС (сантиметр, грам, секунда), МКГСС (метр, кілограм-сила, секунда) та система СІ, що є основною міжнародною системою та переважною на території колишнього СРСР «у всіх галузях науки , техніки та народного господарства, а також при викладанні».
Остання цитата, взята в лапки, наведена з державного стандартуСРСР ДЕРЖСТАНДАРТ 9867-61 «Міжнародна система одиниць», введеного в дію з 1 січня 1963 р. Докладніше на цій системі ми зупинимося в наступному параграфі. Тут лише зазначимо, що основними механічними одиницями у системі СІ є метр, кілограм-маса та секунда.
Система СГС існує понад сто років і дуже зручна в деяких наукових та інженерних галузях. Основною перевагою системи СГС є логічність та послідовність її побудови. При описі електромагнітних явищ є лише одна константа - швидкість світла. Ця система була розроблена в період з 1861 по 1870 р.р. Комітетом з електричних стандартів Британії. Засновано систему СГС було на системі одиниць німецького математика Гаусса, який запропонував метод побудови системи, заснованої на трьох основних одиницях - довжини, маси та часу. Система Гауса використовувала міліметр, міліграм та секунду.
Для електричних та магнітних величин було запропоновано два різних варіантисистеми СГС - абсолютна електростатична система СГСЕ та абсолютна електромагнітна система СГСМ. Загалом у розвитку системи СГС існувало сім різних систем, що мали у складі основних одиниць сантиметр, грам та секунду.
Наприкінці минулого століття з'явилася система МКГСС, основними одиницями в якій були метр, кілограм-сила та секунда. Ця система набула широкого поширення в прикладній механіці, теплотехніці та споріднених областях. Ця система має багато недоліків, починаючи з плутанини в назвах основної одиниці - кілограма, що означало кілограм-силу на відміну від широко використовуваного кілограма-маси. Для одиниці маси у системі МКГСС не знайшлося навіть назви та її позначали як т. е. м. (технічна одиниця маси). Проте система МКГСС частково використовується досі хоча б у визначенні потужності двигунів у кінських силах. - Потужність, що дорівнює 75 кгс м/с -досі використовується в техніці як жаргона одиниця.
У 1919 р. у Франції було прийнято систему МТС - метр, тонна, секунда. Ця система також є першим радянським стандартом на механічні одиниці, прийнятим у 1929 р.
У 1901 р. італійський фізик П. Джорджі запропонував систему механічних одиниць, побудовану на трьох механічних основних одиницях - метрі, кілограмі масита секунді. Перевагою цієї системи було те, що її було легко пов'язати з абсолютною практичною системою електричних та магнітних одиниць, тому що одиниці роботи (джоуль) та потужності (ват) у цих системах збігалися. Так було знайдено можливість використовувати переваги всеосяжної та зручної системиСГС із прагненням «пошити» електричні та магнітні одиниці з одиницями механічними.
Досягнуто це було шляхом введення двох постійних - електричної (ε0) проникності вакууму та магнітної проникності вакууму (μ0). З'являється деяка незручність у записі формул, що описують сили взаємодії електричних зарядів, що покояться і рухаються, і, відповідно, у визначенні фізичного сенсу цих констант. Однак ці недоліки великою мірою окупаються такими зручностями, як єдність вираження енергії при описі як механічних, так і електромагнітних явищ, т. до.
1 джоуль = 1 ньютон, метр = 1 вольт, кулон = 1 ампер, вебер.
В результаті пошуків оптимального варіанта міжнародної системи одиниць 1948 р. IX Генеральна конференціяза мірами і вагами на основі опитування країн-членів Метричної конвенції прийняла варіант, в якому пропонувалося як основні одиниці прийняти метр, кілограм маси і секунду. Кілограм-силу та пов'язані з нею похідні одиниці пропонувалося виключити з розгляду. Остаточне рішення на підставі результатів опитування 21 країни було сформульовано на Х Генеральній конференції з заходів та ваг у 1954 р.
Резолюція гласила:
«Як основні одиниці практичної системи для міжнародних зносин прийняти:
Пізніше на вимогу хіміків міжнародна система була доповнена сьомою основною одиницею кількості речовини - молем.
Надалі міжнародна система СІ або в англійській транскрипції Sl (System International) дещо уточнювалася, наприклад, одиниця температури отримала назву Кельвін замість «градус Кельвіна», система еталонів електричних одиниць була переорієнтована з Ампера на Вольт, оскільки був створений еталон різниці потенціалів на основі квантового ефекту - ефект Джозефсона, який дозволив зменшити похибку відтворення одиниці різниці потенціалів - Вольта -більш ніж на порядок. У 1983 р. на XVIII Генеральній конференції з мір і ваги було прийнято нове визначення метра. За новим визначенням метр є відстанню, що проходить світлом за 1/2997925 частку секунди. Таке визначення, точніше перевизначення, знадобилося у зв'язку з використанням еталонної техніки лазерів. Слід одразу зазначити, що розмір одиниці, в даному випадку метра, не змінюється. Змінюються лише методи та засоби її відтворення, що відрізняються меншою похибкою (більшою точністю).
