Физические величины и единицы

Совокупность ФВ, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины принимаются за независимые, а другие являются их функциями, называется системой физических величин. Обоснованно, но произвольным образом выбираются несколько ФВ, называемые основными. Остальные величины, называемые производными, выражаются через основные на основе известных уравнений связи между ними.

 Комиссия по разработке единой Международной системы единиц разработала проект Международной системы единиц, который был утвержден 9-й генеральной конференцией по мерам и весам. Принятая система была названа Международная система единиц СИ (SI – System International). Специалисты исходили из того, чтобы охватить системой все области науки и техники; принять удобные для практики размеры основных единиц, уже получившие распространение; выбрать в качестве основных единиц таких величин, воспроизведение которых возможно с наибольшей точностью.

В системе СИ в качестве основных единиц приняты :

Метр – единица длины, килограмм – единица массы, кельвин – единица температуры, кандела – единица сила света, ампер – единица силы тока, секунда – единица времени, моль – количество вещества.

Остальные единицы являются производными.

    Для измерения результатов измерений в узаконенных единицах, размер последних должен либо хранится или воспроизводится на месте, либо передаваться каким-то образом с места хранения или воспроизведения. В зависимости от этого различают централизованное и децентрализованное воспроизведение единиц физических величин. В первом случае оно осуществляется с помощью специальных технических средств, называемых эталонами, а для передачи размера единиц используются образцовые средства измерений. Во втором случае единица производной физической величины (например площади) воспроизводится на месте через единицы основных физических величин. Последние хранятся и воспроизводятся только централизованно в соответствии с их определением.

Главной задачей современной метрологии является создание полной системы взаимосвязанных естественных эталонов на основе использования фундаментальных физических констант и высокостабильных квантовых явлений. Важный шаг в решении этой задачи сделан 18-й Генеральной конференцией по мерам и весам, принявшей в 1983 году новое определение метра – как длины пути, проходимого светом в вакууме за промежуток времени равный 1/299792458 с.

При таком подходе единица длины может воспроизводится децентрализовано, с помощью фундаментальной физической константы – скорости света и единицы времени секунды, определяемой через период эталонной частоты, передаваемой по радио. Единицы времени и частоты воспроизводятся сейчас с наименьшей погрешностью.

Таблица 1.1 Основные и дополнительные единицы физических величин системы СИ

Таблица 1.2. Производные единицы системы СИ, имеющие специальное название

Таблица 1. 3 .Внесистемные единицы, допускаемые к применению наравне с единицами СИ

Лекция 2. Основы измерений

Измерение – получение информации о размере физической или нефизической величины.

Модель измерения и основные постулаты метрологии

В простейшем случае модель измерения (рис. 2.1) может быть описана функциональной зависимостью изменения выходного сигналауот изменения входного сигнала х,как

у = f(x).

Рис. 2.1. Модель измерения

ТС – техническая система. СИ – средство измерения.

Однако в процессе измерений возникают различные внешние и внутренние помехи т.. z_r..,которые вносят погрешность в результат измерения. Причем каждая из составляющих имеет свою плотность вероятности f(x) , fly), f(z).Это определяет тот факт, что при многократном измерении одной и той же величины xодним и тем же средством измерения в одинаковых условиях результаты измерения, как правило, различаются между собой и не совпадают с истинным х_ц значением физической величины

Под истинным значением физической величины понимается значение, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующие свойства ТС через ее выходной параметр.

Поскольку истинное значение есть идеальное значение, то в качестве наиболее близкого к нему используют действительное значение х_д, найденное экспериментальным методом, например с помощью более точных СИ.

Изложенное позволяет сформулировать основные постулаты метрологии.

• Истинное значение определяемой величины существует, и оно постоянно.

• Истинное значение измеряемой величины отыскать невозможно. Отсюда следует, что результат измерения у, как правило, математически связан с измеряемой величиной вероятностной зависимостью.

Классификация измерений

По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения делятся на статические и динамические.

Статические измерения соответствуют случаю, когда измеряемая величина остается постоянной.

Динамические – когда измеряемая величина изменяется.

По способам получения результатов различают прямые, косвенные, совокупные и совместные измерения.

Прямыми называются измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. При этом измеряемую величину сравнивают с мерой измерительными приборами, градуированными в требуемых единицах (сила тока – А – метром).

При косвенных измерениях искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Косвенные измерения широко распространены в тех случаях, когда искомую величину невозможно или сложно измерить непосредственно или когда прямое измерение дает менее точный результат.

 При совокупных измерениях одновременно измеряют несколько однотипных величин и искомые значения величин находят путем решения системы уравнений, полученных при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.

Совместные измерения – производимые одновременно измерения двух или нескольких одноименных величин для нахождения зависимости между ними.

По способу выражения результатов измерений различают абсолютные и относительные измерения.

Абсолютное измерение основано на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант (измерение напряжения в Вольтах).

Относительнымназывается измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

По используемому методу измерения – совокупности приемов использования принципов и средств измерений различают :

 Метод непосредственнойоценки, в котором значение величины определяется непосредственно по отсчетному устройству измерительного преобразователя прямого действия.

 Метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Этот метод имеет следующие модификации: противопоставления, дифференциальный, нулевой, замещения, совпадений.

Метод дополнения – значение измеряемой величины дополняется мерой этой же величины с таким расчетом, на прибор воздействовала их сумма

Метод противопоставления – измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения с помощью которого устанавливаются соотношения между этими величинами.

 Метод дифференциальный – на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой.

 Метод нулевой – результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля.

 Метод замещения – измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой.

 Метод совпадений – разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов.