Читать книгу Метрологическое обеспечение производства - Надежда Лаврова - Страница 4

Объектами метрологии являются измерения и величины. Величиной называют свойство измеряемого объекта, которое является общим для всех одноименных объектов в качественном смысле, но специфическим с количественной точки зрения. Величины – это основные объекты метрологии. Какое-то время ученые придерживались позиции, что измерить можно только физические параметры реальности. С развитием науки появилась потребность фиксации нефизических величин, благодаря этому область применения метрологических методик значительно расширилась.

Выделяют два вида величин:

– физические – относятся к категории физических объектов (например, температура, скорость);

– нефизические – не относятся к группе физических объектов. Они измеряются опосредованно, через величины первой группы. Например, экономические параметры можно определить ценой. Она, в свою очередь, рассчитывается через конкретные единицы измерения (метры, килограммы). Быстроту реакции или скорость принятия решения, которые являются психологическими характеристиками личности, можно выразить через единицы времени.

Некоторые ученые склоняются к мнению, что к величинам нефизического характера не целесообразно применять термин «измерение». Они предлагают использовать понятие «оценивание», однако в ФЗ «Об обеспечении единства измерений» используется исключительно слово «измерение».

Величины имеют два признака: количественный и качественный. Качественное описание выражается в размерности. Она обозначается как dim. Например, размерность таких основных объектов метрологии, как время, длина, масса, обозначается соответствующими заглавными буквами: dim t = Т, dim l = L, dim m = М, соответственно. Индекс размерности может иметь знак «плюс» или «минус», быть нулевым или в виде дроби. Когда он становится равным нулю, величина считается безразмерной.

Количественная характеристика величины – это размер. Она выражается в значении изучаемой величины. Получение достоверных данных о размере – конечные цель и результат каждого измерения.

Значение величины для конкретного объекта индивидуально и в каком-то смысле случайно. Однако в метрологии выделяют несколько видов значений:

– действительное – высчитывается экспериментальным путем. Оно близко к истинному значению, поэтому может заменить его в конкретной измерительной задаче. В случае многократных измерений рассчитывается как среднеарифметическая величина;

– истинное – «идеальное» количественное и качественное значение конкретной физической величины. Достижение такого значения невозможно, поэтому на практике всегда пользуются действительными значениями;

– результат наблюдения – это фактическое значение физической величины, определенное в результате однократного эксперимента.

Значения физических величин выражаются в единицах измерения. Измерения величин – это своего рода сравнение конкретного значения с величиной, которая принята за единицу данной величины. Единицы измерения относятся к объектам Федерального Закона «Об обеспечении единства измерений». В документе прописаны правила написания единиц величин и их применения на территории Российской Федерации.

Исходя из определения понятия «физическая величина» единицей физической величины называется такая физическая величина, которой присвоено числовое значение, равное единице.

Единицы физических величин можно выбрать произвольно, получить по формулам, выражающим зависимость между физическими величинами – эти единицы называются производными.

Единицы физических величин объединяются в системы единиц по определенным принципам, т. е. произвольно устанавливаются единицы для некоторых величин, называемых основными единицами, и через них по формулам получают все производные единицы для данной области измерений. Совокупность основных и производных единиц, относящихся к некоторой системе величин, образованная в соответствии с принятыми принципами, составляет систему единиц физических величин.

Развитие метрической системы мер в различных отраслях науки и техники происходило разобщённо и привело к появлению многих систем единиц физических величин и большого количества внесистемных единиц.

Возможность устранения многообразия применяемых единиц появилась после разработки Единой универсальной системы единиц, охватывающей все отрасли науки и техники. Эта система единиц была принята XI Генеральной конференцией по мерам и весам (МОМВ) в 1960 г. и получила наименование «Международная система единиц». В Российской Федерации применяются в настоящее время единицы величин Международной системы единиц, обозначаемой сокращенно SI (начальные буквы французского наименования «Systeme International d Unites»). На территории нашей страны SI действует с 1 января 1982 г. в соответствии с ГОСТ 8.417 «ГСИ. Единицы физических величин».

Основными единицами (их семь) являются следующие: длины – метр (м), массы – килограмм (кг), времени – секунда (с), силы электрического тока – ампер (А), термодинамической температуры – кельвин (К), силы света – кандела (кд), количества вещества – моль (моль).

Первые три единицы (метр, килограмм, секунда) позволяют образовать производные единицы для измерения механических и акустических величин. При добавлении к ним четвертой (кельвина) можно образовать производные единицы для измерений тепловых величин.

Метр, килограмм, секунда, ампер служат основой для образования производных единиц в области электрических, магнитных измерений и измерений ионизирующих излучений, а моль используется для образования единиц в области физико-химических измерений.

Дополнительными в Международной системе являются единица плоского угла (радиан) и единица телесного угла (стерадиан). Они используются для образования производных единиц, связанных с угловыми величинами (например, угловая скорость). В практических задачах для измерения угловых величин используются угловой градус, минута, секунда.

В действующую нормативно-техническую документацию на продукцию должны быть внесены единицы СИ и единицы, допускаемые к применению наравне с этими единицами.

Международная система единиц имеет целый ряд преимуществ, главные из которых следующие.

1. Унификация единиц физических величин на базе SI. Вместо исторически сложившегося многообразия единиц (системных, разных систем и внесистемных) для каждой физической величины устанавливается одна единица и четкая система образования кратных и дольных единиц.

2. Универсальность SI. Система охватывает все области науки, техники и народного хозяйства.

3. Принцип когерентности (согласованности). Выбор основных единиц системы обеспечивает согласованность механических и электрических единиц. Например, ватт – единица механической мощности (равный джоулю в секунду) равняется мощности, выделяемой электрическим током силой 1 ампер при напряжении 1 вольт. В SI, подобно другим когерентным системам единиц, коэффициенты пропорциональности в физических уравнениях, определяющих производные единицы, равны безразмерной единице. Когерентные производные единицы системы SI образуются с помощью простейших (определяющих) уравнений связи между величинами, в которых величины приняты равными единицам SI.

Пример простейшего уравнения связи для получения производной единицы скорости V = l / t, где V – скорость, l – длина пройденного пути, t – время. Подстановка вместо l, t и V их единиц дает [V] = [м] / [с] = 1 м/с. Следовательно, когерентной единицей скорости является метр в секунду.

4. Удобство для практического применения основных и большинства производных единиц SI.

5. Четкое разграничение единиц массы (килограмм) и силы (ньютон).

6. Упрощенная запись уравнений и формул в различных областях науки и техники. Достигается значительная экономия времени при расчетах в силу отсутствия в формулах, составленных с применением единиц SI, пересчетных коэффициентов, вводимых в связи с тем, что отдельные величины в этих формулах выражены в разных системах единиц.

7. Установление одной общей единицы – джоуль для всех видов энергии (механической, тепловой, электрической и др.) в Международной системе единиц.

Преимущества системы обусловливают:

а) повышение эффективности труда проектировщиков, конструкторов, производственников, научных работников;

б) облегчение педагогического процесса в средней и высшей школах;

в) лучшее взаимопонимание при дальнейшем развитии научно-технических и экономических связей между разными странами.

В связи с тем, что национальные стандарты приобрели статус добровольно применяемых документов, возникла необходимость в регламентации применения единиц величин в Российской Федерации с помощью нормативного документа более высокого ранга. Постановлением Правительства РФ от 31.10.2009 г. №879 утверждено «Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации» (с изменениями на 09.03.2022 г.). При разработке этого документа был учтен опыт регламентации применения единиц величин, накопленный в период применения ГОСТ 8.417.

В акте закреплены единицы величин, допускаемые к применению:

– основные единицы международной системы – метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль, кандела;

– производные единицы величин, определенные через основные единицы;

– когерентные единицы;

– десятичные кратные и дольные единицы;

– относительные и логарифмические единицы;

– внесистемные единицы величин, применяемые в отдельных областях деятельности.

Кроме того, в постановлении установлены правила образования наименований производных, когерентных, десятичных кратных и дольных единиц SI, правила применения единиц величин в нормативных правовых актах, нормативно-технических, научно-технических, конструкторских, технологических документах, учебниках и других изданиях.

Следует обратить внимание на отмену применения такой устаревшей величины, как лошадиная сила, и замену ее на современную единицу мощности – киловатт (1 л.с. = = 0,7355 кВт), а также на допуск к применению новых величин, таких как байт, которые необходимы для решения вопроса метрологического обеспечения средств цифровой связи.

До 2016 г. допускались к применению следующие внесистемные единицы величин: грамм-сила, килограмм-сила; килограмм-сила на квадратный сантиметр; миллиметр водяного столба; техническая атмосфера. Почти пятьдесят внесистемных единиц допускаются к применению в различных областях измерений без какого-либо ограничения срока применения.

Внесистемные единицы по отношению к системным единицам разделяют на четыре вида:

1) допускаемые к применению наравне с системными единицами (например, тонна, градус, минута, секунда, литр);

2) допускаемые к применению в специальных областях (например, диоптрия – единица оптической силы в оптике; карат – единица массы в ювелирном деле; тскс – единица плотности в текстильной промышленности и т.д.);

3) временно допускаемые к применению единицы;

4) изъятые из употребления (например, миллиметр ртутного столба – единица давления и некоторые другие).

Хотя SI нашла очень широкое применение в мире, тем не менее, в некоторых странах существуют также другие национальные системы единиц. Например, в США применяются такие единицы, как фунт (1 фунт = 0,454 кг), галлон (1 галлон = 3,785 л), дюйм (1 дюйм = 2,54 см), а также другие внесистемные единицы. Внесистемные единицы могут также использоваться, например, в навигации (1 морская миля = 1852 м) или в торговле сырой нефтью (1 баррель = 159 л).

Дольные и кратные единицы, применяемые в Международной системе единиц СИ (SI) – это единицы, в целое число раз бóльшие исходных (кратные единицы) и в целое число раз меньшие исходных (дольные единицы). Для образования наименований и обозначений соответствующих десятичных долей дольных и кратных единиц используют множители и приставки, приведённые в таблице 1.

Приставку (и её обозначение) пишут слитно с наименованием и обозначением единицы, например, килогерц (кГц), гектопаскаль (гПа). Присоединение подряд двух приставок и более не допускается (например, пикофарад, но не микромикрофарад). Поскольку наименование основной единицы массы СИ (SI) – килограмм – содержит приставку «кило», для образования кратных и дольных единиц массы приставки присоединяются к наименованию грамм (например, миллиграмм, но не микрокилограмм). Дольную единицу массы – грамм, составляющую 10^—3 от единицы массы СИ (SI) – килограмма, применяют без присоединения приставки. Если единица образована как произведение или отношение единиц, приставку присоединяют к наименованию первой единицы, например, килопаскаль – секунда на метр (но не паскаль-килосекунда на метр). Исключения допускаются лишь в обоснованных случаях, например, тонна-километр (но не килотонна-метр).

Таблица 1.

Множители и приставки, используемые для образования наименований и обозначений десятичных кратных и дольных единиц