ккк. I. метрологиягл. Основные понятия и термины метрологии. Воспроизведение единиц фв и единство измерений
 Скачать 0.49 Mb.
|
|
1.5. Эталоны единиц системы СИ Эталонная база России имеет в своем составе 114 ГЭ и более 250 вторичных эталонов единиц ФВ. Из них 52 находятся во ВНИИ метрологии им. Д.И. Менделеева, Санкт-Петербург, в том числе эталоны метра, килограмма, ампера, кельвина и радиана; 25 - во ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ, Москва), в том числе эталоны единиц времени и частоты; 13 - во ВНИИ оптико-физических измерений, в том числе эталон канделлы; соответственно 5 и 6 - в Уральском и Сибирском НИИ метрологии. 32 Единица времени — секунда впервые определялась через период вращения Земли вокруг оси или Солнца. До недавнего времени секунда равнялась 1/86400 части солнечных средних суток. Однако продолжительные наблюдения показали, что вращение Земли подвержено нерегулярным колебаниям, которые не позволя- ют рассматривать его в качестве достаточно стабильной естественной основы для определения единицы времени. Средние солнечные сутки определяются с погреш- ностью до 10 -7 с. Эта точность недостаточна при нынешнем состоянии техники. Проведенные исследования позволили создать новый эталон секунды, основанный на способности атомов излучать и поглощать энергию во время перехода между двумя энергетическими состояниями в области радиочастот. В 1967 г. IX Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение секунды как интервала времени, в течение которого совершается 9 192 631 770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения внешними полями. Данное определение реализуется с помощью цезиевых реперов частоты. Диапазон значений интервалов времени, воспроизводимых эталоном, составляет 1 ´10 -10 ¸1´10 8 с, диапазон значений частоты 1 ¸1´10 14 Гц. Воспроизведение единиц времени обеспечивается со средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 1 ´10 -14 за три месяца, НСП не превышает 5 ´10 -14 . Нестабильность частоты эталона за интервал времени от 1000 с до 10 суток не превышает 5 ´10 -15 Метр - был в числе первых единиц, для которых были введены эталоны. Первоначально в период введения метрической системы мер за первый эталон метра была принята одна десятимиллионная часть четверти длины Парижского меридиана. В 1799 г. на основе ее измерения изготовили эталон метра в виде платиновой концевой меры (метр Архива), представлявший собой линейку шириной около 25 мм, толщиной около 4 мм с расстоянием между концами 1 м. До середины XX в. проводились неоднократные уточнения принятого эталона. Так, в 1889г. был принят эталон в виде штриховой меры из сплава 33 платины и иридия. Он представлял собой платиноиридиевый брусок длиной 102 см, имеющий в поперечном сечении форму буквы X, как бы вписанную в воображаемый квадрат, сторона которого равна 20 мм. Требования к повышению точности эталона длины (платиноиридиевый прототип метра воспроизводится с точностью не выше 0,1 - 0,2 мкм), а также целесообразность установления естественного и неразрушимого эталона привели к принятию (1960) в качестве эталона метра длины, равной 1 650 763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2р 10 и 5d 5 атома криптона-86 (криптоновый метр). Этот эталон мог воспроизводиться в отдельных метрологических лабораториях, точность его по сравнению с платиноиридиевым прототипом была на порядок выше. Дальнейшие исследования позволили создать более точный эталон метра, основанный на длине волны в вакууме монохроматического излучения, генерируемого стабилизированным лазером. За эталон метра в 1983 г. было принято расстояние, проходимое светом в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды. Данное определение метра было законодательно закреплено в декабре 1985 г. после утверждения единых эталонов времени, частоты и длины. Другой важной основной единицей в механике является килограмм. При становлении метрической системы мер в качестве единицы массы приняли массу одного кубического дециметра чистой воды при температуре ее наибольшей плотности (4°С). Изготовленный при этом первый прототип килограмма предс- тавляет собой платиноиридиевую цилиндрическую гирю высотой 39 мм, равной его диаметру. Данное определение эталона килограмма действует до сих пор. В области термодинамических величин действуют: • два первичных и один специальный эталоны, воспроизводящие единицу температуры — кельвин в различных диапазонах; • 11 государственных эталонов теплофизики — количества теплоты, удельной теплоемкости, теплопроводности и др. Погрешность воспроизведения точки кипения воды составляет 0,002 - 0,01 о С, точки таяния льда — 0,0002 - 0,001 о С. Тройная точка воды, являющаяся 34 точкой равновесия воды в твердой, жидкой и газообразной фазах, может быть воспроизведена в специальных сосудах с погрешностью не более 0,0002°С. В 1954 г. было принято решение о переходе к определению термодинамической температуры Т по одной реперной точке - тройной точке воды, равной 273,16К. Таким образом, единицей термодинамической температуры служит кельвин, определяемый как 1/273,16 части тройной точки воды. В сентябре 1989 г. на 17-й сессии Консультативного комитета по термомет- рии была принята международная практическая температурная шкала МТШ-90. В области измерений электрических и магнитных величин (включая радиотехнические) созданы и функционируют 32 эталона. Это государственные первичные эталоны единиц ЭДС, сопротивления и электрической емкости. До последнего времени единицу силы электрического тока - ампер на практике приходилось определять по тем действиям, которые ток оказывал в окружающей среде, например выделение теплоты при прохождении тока через проводник, осаждение вещества на электродах при прохождении тока через электролит, механические действия тока на магнит или проводник с током. ГПЭ ампера состоит из аппаратуры, выполненной на основе квантовых эффектов Джозефсона и квантования магнитного потока (эффект Холла), включая меру напряжения, меру электрического сопротивления, сверхпроводящий компа- ратор тока и регулируемые источники тока (ГОСТ 8.027-89, ГОСТ 8.022-91). В 1979 г. на XVI Генеральной конференции мер и весов было принято новое определение, по которому канделла воспроизводится путем косвенных измерений. В России единство измерений световых величин обеспечивает ГОСТ 8.023-90. Современный государственный эталон канделлы имеет диапазон номинальных значений 30-110 кд, среднее квадратическое отклонение результата измерений — 1 ´10 -3 кд; НСП составляет 2,5 ´10 -3 кд. Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для измерения плоского угла устанавливаются ГОСТ 8.016-81. Первичный эталон обеспечивает воспроизведение градуса с НСП не более 0,02". 35 Приложение Таблица 1.1 - Признаки и особенности шкал различных типов Признак типа шкалы измерений Тип шкалы измерений Наименов аний Порядка Разностей (интервалов) Отношений Абсолютные 1-го рода 2-го рода Допустимые логические и математические соотношения между проявлениями свойств Эквив алентность , различие свойств Эквив алентность , различие , порядок Эквив алентность , порядок , суммиров ание интерв алов Эквив алентность , порядок , пропор - цион альность Эквив алентность , порядок , суммиров ание Эквив алентность , порядок , про - порци ональность , иног да суммиров ание Наличие нуля Не имеет смысла Необяза- тельно По соглашению Имеется естественное определение нуля Наличие единицы измерений Не имеет смысла Размер единицы по соглашению Размер единицы по естественному критерию Допустимые преобразования Изоморф- ное отобра- жение Монотон- ные преобра- зования Линейные преобразован ия Умножение на число Отсутствуют Таблица 1.2 - Особенности реализации шкал измерений Особенности реализации шкалы Тип шкалы измерений Наименований Порядка Разностей (интервалов) Отношений Абсолютные Введение единиц измерений Принципиально невозможно ввести единицы измерений Есть возможность ввести единицы измерений Необходимость эталона реализуемой шкалы Шкалы могут быть реализованы без специального технического эталонного устройства Большинство шкал может быть реализовано только посредством специального технического эталонного устройства Шкалы могут быть реализованы без эталонов Эталон должен воспроизводить (при его наличии) Весь используемый участок шкалы Какую-либо часть или точку шкалы и условный нуль Какую-либо часть или точку шкалы Обязательные требования отсутствуют 36 Таблица 1.3 Множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц Мн ож и те ль П ри ст ав ка Обозначение приставки Мн ож и те ль При ста вк а Обозначение приставки м еж ду н а- ро дн ое ру сс ко е М ежд ун а- род ное ру сс ко е 10 18 экса Е Э 10 -1 деци d д 10 15 пета Р П 10 -2 санти с с 10 12 тера Т Т 10 -3 милли m м 10 9 гига G Г 10 -6 микро m мк 10 6 мега М М 10 -9 нано n н 10 3 кило k к 10 -12 пико p п 10 2 гекто h г 10 -15 фемто f ф 10 1 дека da да 10 -18 атто а а Таблица 1.4 Основные единицы физических величин системы СИ Величина Единица Наименование Размер- ность Рекомендуемое обозначение Наименование Обозначение русское международное Длина L l метр м m Масса М m килограмм кг kg Время Т t секунда с s Сила электричес- кого тока I I ампер А А Термодинамическая температура Q Т кельвин К К Кол-во вещества N n, v моль моль mol Сила света J J канделла кд cd Примечания 1. Кроме термодинамической температуры (обозначение T), допускается применять также температуру Цельсия (обозначение t), определяемую выражением t=T-T 0 , где T 0 = 273,15 К. Термодинамическую температуру выражают в кельвинах, температуру Цельсия — в градусах Цельсия. По размеру градус Цельсия равен кельвину. Градус Цельсия — это специальное наименование, используемое в данном случае вместо наименования «кельвин». 2. Интервал или разность термодинамических температур выражают в кельвинах. Интервал или разность температур Цельсия допускается выражать как в кельвинах, так и в градусах Цельсия. 37 Таблица 1.5 Производные единицы системы СИ, имеющие специальное название Величина Единица Наименование Размер- ность Наиме- нование Обозначение Выражение через основные и производные единицы СИ Междуна- родное Рус- ское Плоский угол 1 радиан rad рад м·м –1 =1 Телесный угол 1 стерадиан sr ср м 2 ·м –2 =1 Частота T -1 герц Hz Гц с –1 Сила LMT -2 ньютон N Н м·кг·с –2 Давление L –1 MT -2 паскаль Pa Па м –1 ·кг·с –2 Энергия, работа, количество теплоты L 2 MT -2 джоуль J Дж м 2 ·кг·с –2 Мощность L 2 MT -3 ватт W Вт м 2 ·кг·с –3 Электрический заряд, количество электричества TI кулон C Кл с·A Электрическое напряжение, электрический потенциал, разность электрических потенциалов, электродвижущая сила L 2 MT -3 I -1 вольт V В м 2 ·кг·с –3 ·A –1 Электрическая емкость L –2 M -1 T 4 I 2 фарад F Ф м –2 ·кг –1 ·с 4 ·A 2 Электрическое сопротивление L 2 MT -3 I -2 ом Ом м 2 ·кг·с –3 ·A –2 Электрическая проводимость L –2 M -1 T 3 I 2 сименс S См м –2 ·кг –1 ·с 3 ·A 2 Поток магнитной индукции, магнитный поток L 2 MT -2 I -1 вебер Wb Вб м 2 ·кг·с –2 ·A –1 Плотность магнитного потока, магнитная индукция MT -2 I -1 тесла T Тл кг·с –2 ·A –1 Индуктивность, взаимная индукция L 2 MT -2 I -2 генри H Гн м 2 ·кг·с –2 ·A –2 Температура Цельсия Q градус Цельсия °C °С K Световой поток J люмен lm лм кд·ср Освещенность L –2 J люкс lx лк м –2 ·кд·ср Активность нуклида в радиоактивном источнике (активность радионуклида) T -1 беккерель Bq Бк с –1 Поглощенная доза ионизирующего излучения, керма L 2 T -2 грей Gy Гр м 2 ·с –2 Эквивалентная доза ионизирующего излучения, эффективная доза ионизирующего излучения L 2 T -2 зиверт Sv Зв м 2 ·с –2 Активность катализатора NT -1 катал kat кат моль·с –1 Примечания 1. В таблицу включены единица плоского угла - радиан и единица телесного угла - стерадиан. 3. Единица катал введена в соответствии с резолюцией 12 XXI ГКМВ. 38 Таблица 1.6 Внесистемные единицы, допускаемые к применению наравне с единица СИ Наименование величины Единица Наименование Обозначение Соотношение с единицей СИ область применения Междуна- родное Русс-кое Масса тонна t Т 1·10 3 кг (везде) атомная единица массы 1), 2) u а.е.м. 1,6605402·10 –27 кг (приблизительно) (ядерная физика) Время 2), 3) минута час сутки min h d мин ч сут 60 с 3600 с 86400 с Плоский угол 2) градус 2), 4) минута 2), 4) секунда 2), 4) …° …’ …’’ …° … …» ( /180) рад = 1,745329…·10 –2 рад ( /10800) рад = 2,908882…·10 –4 рад ( /648000) рад = 4,848137…·10 –6 рад град (гон) gon град ( /200) рад = 1,57080…·10 –2 рад (геодезия) Объем, вместимость литр 5) l л 1·10 –3 м 3 Длина Астрономическа я единица световой год парсек ua ly pc а.е. св.год пк (астрономия) 1,49598·10 11 м (приблизительно) 9,4605·10 15 м (приблизительно) 3,0857·10 16 м (приблизительно) Оптическая сила диоптрия - дптр 1 м –1 (оптика) Площадь гектар ha га 1·10 4 м 2 (сельское хоз) Энергия электрон-вольт eV эВ 1,60218·10 –19 Дж (приблизительно) киловатт-час kW·h кВт·ч 3,6·10 6 Дж Полная мощность вольт-ампер V·A В·А Реактивная мощность вар var вар Электрический заряд, количество электричества ампер-час A·h А·ч 3,6·10 3 Кл Примечания 1) Здесь и далее см. ГСССД 1–87. 2) Наименование и обозначения единиц времени (минута, час, сутки), плоского угла (градус, минута, секунда), астрономической единицы, диоптрии и атомной единицы массы не допускается применять с приставками. 3) Допускается также применять другие единицы, получившие широкое распространение, например неделя, месяц, год, век, тысячелетие. 4) Обозначения единиц плоского угла пишут над строкой. 5) Не рекомендуется применять при точных измерениях. При возможности смешения обозначения l («эль») с цифрой 1 допускается обозначение L. 39 Таблица 1.7 Внесистемные единицы, временно допустимые к применению Наименование величины Единица Область применения Наименование Обозначение Соотношение с единицей СИ международное русское Длина морская миля n mile миля 1852 м (точно) Морская навигация Масса карат - кар 2·10 –4 кг (точно) Добыча и производство драгоценных камней и жемчуга Линейная плотность текс tex текс 1·10 –6 кг/м (точно) Текстильная промышленность Скорость узел kn уз 0,514(4) м/с Морская навигация Ускорение гал Gal Гал 0,01 м/с 2 Гравиметрия Частота вращения оборот в секунду оборот в минуту r/s r/min об/с об/мин 1 с –1 1/60 с – 1 = 0,016(6) с –1 Электротехника Давление бар bar бар 1·10 5 кг Физика Единицы количества информации Таблица А.1 Наименование величины Единица Примечание Наименование Обозначение Значение международное русское Количество информации 1) бит 2) байт 2), 3) bit B (byte) бит Б (байт) 1 1 Б = 8 бит Единица информации в двоичной системе счисления (двоичная единица информации) 1. Термин „количество информации“ используют в устройствах цифровой обработки и передачи информации, например в цифровой вычислительной технике (компьютерах), для записи объема запоминающих устройств, количества памяти, используемого программой. 2. В соответствии с международным стандартом МЭК 60027–2 единицы „бит“ и „байт“ применяют с приставками СИ. 3. Исторически сложилась такая ситуация, что с наименованием „байт“ некорректно (вместо 1000 = 10 3 принято 1024 = 2 10 ) использовали (и используют) приставки СИ: 1 Кбайт = 1024 байт, 1 Мбайт = 1024 Кбайт, 1 Гбайт = 1024 Мбайт и т.д. При этом обозначение Кбайт начинают с прописной буквы в отличие от строчной буквы „к“ для обозначения множителя 10 3 40 Контрольные вопросы 1) Основные задачи метрологии. Дать определение понятиям свойство, величина (классификация величин). 2) Классификация физических величин. 3) Дать определение термину шкала измерений. Классификация шкал измерений. 4) Международная система единиц (система СИ (SI)). Основные и производные единицы. 5) Воспроизведение единиц физических величин и передача их размеров. Понятие эталон. Классификация эталонов. |