ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Сила воли ведет к действию, а позитивные действия формируют позитивное отношение

Как определить диапазон голоса - ваш вокал

Игровые автоматы с быстрым выводом

Как цель узнает о ваших желаниях прежде, чем вы начнете действовать. Как компании прогнозируют привычки и манипулируют ими

Целительная привычка

Как самому избавиться от обидчивости

Противоречивые взгляды на качества, присущие мужчинам

Тренинг уверенности в себе

Вкуснейший "Салат из свеклы с чесноком"

Натюрморт и его изобразительные возможности

Применение, как принимать мумие? Мумие для волос, лица, при переломах, при кровотечении и т.д.

Как научиться брать на себя ответственность

Зачем нужны границы в отношениях с детьми?

Световозвращающие элементы на детской одежде

Как победить свой возраст? Восемь уникальных способов, которые помогут достичь долголетия

Как слышать голос Бога

Классификация ожирения по ИМТ (ВОЗ)

Глава 3. Завет мужчины с женщиной

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

ПОНЯТТЯ ПРО ЄДНІСТЬ ВИМІРЮВАНЬ

ВСТУП

ОСНОВИ ТЕОРІЇ ВИМІРЮВАНЬ

Вимірювання – це один із найважливіших шляхів пізнання природи людиною.

Наука і промисловість не можуть існувати без вимірювань. За оцінками експертів від 3 до 6 % валового національного продукту передових індустріальних країн тратиться на вимірювання і пов’язані з ним операції.

Діапазон вимірюваних величин і їх кількість постійно зростає. Так, наприклад, довжина вимірюється від10^-10 до 10¹⁷ м; електричний опір – від 10^-6 до 10¹⁷ Ом; сила електричного струму – від 10^-16 до 10⁴ А і т. інше. З ростом діапазону вимірювальних величин зростає і складність вимірювань. Дуже важливо одержати достовірну інформацію про вимірювану величину.

Наука про вимірювання, методи і засоби забезпечення їх єдності і способи досягнення необхідної точності – це метрологія. Грецьке слово «μετρολογοσ» утворене від слова «μετροη» – міра і «λογοσ» – вчення.

Предметом метрології є одержання кількісної інформації про властивості об’єктів і процесів із заданою точністю і достовірністю.

Засоби метрології – це сукупність засобів вимірювань і метрологічних стандартів, які забезпечують їх раціональне використання.

Метрологія має:

Філософський аспект – вимірювання є важливим універсальним методом пізнання фізичних явищ і процесів.

Науковий аспект – за допомогою вимірювання в науці відбувається зв'язок теорії з експериментом.

Технічний аспект – вимірювання забезпечують одержання кількісної і якісної інформації про об’єкт керування чи контролю, достовірності медичної та екологічної діагностики та інше.

Важливою задачею метрології є утворення еталонів фізичних величин, функціонування яких і передачу розмірів фізичних величин забезпечують спеціальні державні служби.

Основне поняття метрології – вимірювання. Вимірювання – це знаходження значення фізичної величини (ФВ) дослідним шляхом за допомогою спеціальних технічних засобів.

Фізичні властивості і величини

Всі об’єкти навколишнього світу характеризуються своїми властивостями.

Властивість – це філософська категорія, яка виражає таку сторону об’єкта (явища, процесу), яка обумовлює його відмінність чи однаковість з іншими об’єктами (явищами, процесами).

Властивість – це категорія якісна. А для кількісного описання різних властивостей процесів і фізичних тіл вводиться поняття величини. Величина не існує сама по собі. Вона має місце тоді, коли існує об’єкт з властивостями, які виражені даною величиною.

Величини поділяють на реальні і ідеальні. Ідеальні головним чином відносяться до математики і є моделлю конкретних реальних понять. Реальні величини поділяють на фізичні і нефізичні.

Фізична величина властива матеріальним об’єктам. Нефізичні величини властиві суспільним (нефізичним) наукам – філософії, соціології.

Фізична величина – це одна із властивостей фізичного об’єкта, в якісному відношенні суспільна для багатьох фізичних об’єктів, а в кількісному – індивідуальна для кожного з них.

Кожна фізична величина відображує яку-небудь одну властивість, притаманну певній множині об’єктів матеріального всесвіту. Наприклад, маса як фізична величина характеризує інертні та гравітаційні властивості всіх тіл матеріального світу, що оточує нас; механічна сила є характеристикою взаємодії між тілами або їх частинами; прискорення відображує зміну швидкості тіл і т.д.

ФВ розрізняють за родом, розміром, розмірністю, їм установлюються найменування, матеріальні позначення. Залежно від області фізичних явищ ФВ об’єднають у системи. Деякі з ФВ приймають а основні, інші називають похідними. Все це регламентується державними стандартами та іншими нормативними документами державної системи забезпечення єдності вимірювань.

Розміром ФВ називається кількісний вміст в даному матеріальному об’єкті властивості, що відповідає поняттю «фізична величина».

Системою ФВ називається сукупність величин, пов’язаних між собою певними залежностями. В такій системі кілька величин приймаються як незалежні (вони називаються основними), а решта визначаються як залежні від них (похідні).

Розмірністю ФВ називають вираз, який в умовних позначеннях відображує її зв'язок з основними величинами системи.

За міжнародним стандартом ISO 31/0-74 розмірність похідної величини Х в системі, розмірності основних величин якої А₁, А₂, …, А_n, виражається так:

,

де dim – знак розмірності (скорочення слова dimension – розмірність);

α₁, α_2, …, α_n – показники розмірності величини Х відносно розмірностей основних величин (цілі додатні та від’ємні числа).

Одиниця ФВ – це фізична величина фіксованого розміру, якій умовно присвоєне числове значення, що дорівнює одиниці.

Системи фізичних величин і їх одиниць

Для того щоб можна було встановити для кожного об’єкта відмінність в кількісному складі властивості, що відображається фізичною величиною, в метрології введені поняття розміру ФВ і значення ФВ.

Розмір ФВ – це кількісних вміст в даному об’єкті якоїсь властивості.

Значення ФВ (x_n) – це оцінка її розміру в вигляді деякого числа прийнятих для неї одиниць:

де q_x – міра (одиниця ФВ); N_x – число, яке дорівнює відношенню значення величини до відповідної одиниці.

Істинне значення ФВ (Х) – значення ФВ, яке ідеальним чином виражало би якісні та кількісні характеристики властивостей об’єкта. Експериментально визначити його неможливо.

Дійсне значення ФВ (х_д) – значення виміряне експериментально, яке настільки наближається до істинного, що для даної задачі може бути прийнято замість нього. Визначають його по зразкових мірах і приладах, похибка яких порівняно з похибкою приладів, якими проводиться вимірювання, нехтовно мала.

В залежності від розміру одиниці буде змінюватись числове значення ФВ, в той час як розмір її буде тим самим.

Одиниця ФВ – це фізична величина фіксованого розміру, якій умовно присвоєно числове значення, що дорівнює одиниці.

Сукупність ФВ, коли одні величини приймаються за незалежні, а інші є їх функціями, називається системою ФВ. В назві системи ФВ використовують символи величин, прийнятих за основні. Наприклад, система величин механіки, в якій в якості основних використовується маса (M), довжина (L) і час (T), називається системою MLT.

Міжнародна система одиниць (СІ) (System International – SI) прийнята XI Генеральною конференцією мір і ваг у 1960 році є універсальною системою, уніфікованою по відношенню до всіх галузей вимірювань і використовує зручні для практики розміри основних і більшості похідних величин. Система CI позначається символами LMTIQNJ, в ній обрано 7 основних ФВ: довжина (L), маса (M), час (T), сила електричного струму (I), температура (Q), кількість речовини (N) і сила світла (J); 2 додаткові і 111 похідних величин, з яких для вимірювання простру і часу – 11, механічних вимірювань – 19, електричних і магнітних – 31, теплових – 15, світлових – 15, акустичних – 10, вимірювань іонізуючого випромінювання – 10. Основні, додаткові та похідні, що мають спеціальні назви, величини системи СІ приведені в табл. 1.1.

Таблиця 1.1

Основні, похідні та додаткові одиниці системи СІ

Одиниці ФВ поділяють на системні і позасистемні. Системна одиниця входить в одну з прийнятих систем. Всі основні, похідні, кратні і дольні одиниці є системними. Позасистемні одиниці не входять ні в одну з прийнятих систем одиниць. Приклади позасистемних одиниць наведені в табл. 1.2.

Таблиця 1.2

Позасистемні одиниці

Величина	Одиниця
Назва	Розмірність	Вираз через одиниці СІ
Час	Хвилина	хв	60 с
Година	год	3600 с
Доба	д	86400 с
Вага	Тонна	Т	103кг
Об’єм	Літр	л	10-3м3
Кут на площині	Плоский кут	градус (°)	рад
Оптична сила	Діоптрія	дптр	1м-1
Площа	Гектар	га	104м2
Енергія	Електрон-вольт	еВ	1,6´10-19Дж
Відстань	Миля		1609,3 м
Морська миля		1852 м
Температура Цельсія	Градус Цельсія	°С	t°C = T – 273,15 K

Розміри метричних одиниць для багатьох випадків практики є незручними: вони дуже великі або дуже малі. Тому користуються кратними і дольними одиницями, які утворюються від початкової величини за принципом десяткової кратності і дольності – помноженням початкової величини на 10, яке піднесене в додатну або від’ємну степінь. Кратні – це одиниці, що в ціле число разів перевищують системну одиницю. Наприклад, кілометр дорівнює 10³м, тобто кратно метру. Дольна – це одиниця, значення якої в ціле число разів менше системної і позасистемної одиниці. Наприклад, міліметр дорівнює 10^-3м, тобто дольно метру.

Для утворення назв таких десяткових кратних і дольних використовують приставки, див. табл. 1.3.

Таблиця 1.3

Множники і приставки для утворення кратних і дольних одиниць і їх назви

Наведемо у скороченому вигляді сучасне визначення основних і додаткових одиниць фізичних величин:

Метр – це довжина шляху, який проходить світло у вакуумі за проміжок часу, що дорівнює секунди.

Секунда дорівнює 9 192 631 770 періодам випромінювання, що відповідає переходові між двома надтонкими рівнями основного стану цезію-133.

Кілограм дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму – циліндр зі сплаву платини і ірідія.

Ампер– дорівнює силі незмінного струму, який під час проходження двома паралельними прямолінійними проводами нескінченної довжини і нехтовно малої площі поперечного перерізу, розміщених у вакуумі на відстані 1м один від одного, викликав би на кожній ділянці провідника завдовжки 1м силу взаємодії у 2´10^-7 Н.

Кельвін дорівнює частині термодинамічної температури потрійної точки води.

Моль дорівнює кількості речовини, яка вміщує стільки ж структурних елементів, скільки міститься атомів у вуглеці – 12 масою 0,012 кг.

Кандела дорівнює силі світла у заданому напрямі джерела, що випускає монохроматичне випромінювання частотою 540´10¹² Гц, енергетична сила світла якого у цьому напрямі становить Вт/ср.

Радіан дорівнює куту між двома радіусами кола, дуга між якими дорівнює радіусу.

Стерадіан дорівнює тілесному куту з вершиною у центрі сфери, який вирізає на поверхні сфери площу, що дорівнює площі квадрата зі стороною, яка дорівнює радіусу сфери.

Децибел – логарифмічна величина, яка представляє собою десятинний логарифм безрозмірного відношення двох однойменних ФВ. Одиницею логарифмічної величини є бел. Наприклад, Для силових величин:

ШКАЛИ ВИМІРЮВАНЬ

У практичній діяльності необхідно проводити вимірювання різних величин, які характеризують властивості тіл, речовин, явищ і процесів. Деякі властивості проявляються тільки якісно, інші – кількісно. Різноманітні прояви будь-якої властивості створюють множини. Відображення елементів цих множин на впорядковану множину чисел або умовних знаків створюють шкали вимірювань.

Шкала вимірювань– це послідовний ряд значень однорідної фізичної величини, які присвоєні цій величині відповідно до узгоджених правил. Наприклад, шкала міцності матеріалів, температурна шкала тощо.

У метрології застосовують такі види шкал вимірювань:

- шкали назв (шкали класифікації);

- рангові шкали (шкали порядку);

- реперні рангові шкали;

- шкали інтервалів;

- шкали відношень.

1. Шкала назв. Такі шкали використовуються для класифікації емпіричних об’єктів. Цей тип шкал найпростіший і нумерація здійснюється за принципом «не приписуй одну й ту саму цифру різним об’єктам». У таких шкал відсутнє поняття нуля, «більше» чи «менше» і одиниці вимірювань. Наприклад, атлас кольорів, призначений для ідентифікації кольору; перелік систем вимірювальних механізмів: магнітоелектрична, електромагнітна, випрямна, термоелектрична, електродинамічна, електростатична та ін.

2. Шкала порядку (рангів).Якщо властивість даного об’єкта проявляє себе кількісно за зростанням чи спаданням, то для неї можна побудувати шкалу порядку. У шкалах порядку зазвичай використовується бальна система (сила землетрусу; 12-бальна шкала Бофорта для сили морського вітру: штиль – 0 балів, ураган – 12 балів). Широке розповсюдження одержали шкали з нанесеними на них реперними точками. Наприклад, шкала Мооса для визначення твердості мінералів, яка має 10 опорних (реперних) мінералів з різними числами твердості: тальк – 1, кальцій – 3, кварц – 7, алмаз – 10.

3. Шкала інтервалів. Шкала інтервалів утворена з чітко визначених інтервалів. Наприклад, час вимірюють за шкалою, розділеною на інтервали, які дорівнюють періоду обертання Землі навколо Сонця – роки. Ці інтервали в свою чергу розділяють на менші – доби, які дорівнюють періоду обертання Землі навколо своєї осі; доби розділяють на години; години – на хвилини; хвилини – на секунди.

Шкали інтервалів у деяких випадках одержують пропорційним поділом інтервалів між двома реперними точками. Наприклад, у температурній шкалі Цельсія один градус (˚С) дорівнює 1/100 інтервалу між температурою плавлення льоду, прийнятою за початок відліку (0˚С), і температурою кипіння води (100˚С). На шкалі температур Фаренгейта той самий інтервал між точками замерзання й кипіння води розбитий на 180 градусів, а початок відліку зміщений відносно 0˚С на 32˚F у бік низьких температур. Отже, 180˚F = 100˚С, тобто 1˚F < 1˚C і дорівнює , звідки або Наприклад, +20°С = 68°F.

За шкалою інтервалів можна визначити наскільки один розмір більший чи менший від іншого. Однак визначити у скільки разів – неможливо, оскільки початок відліку вибраний довільно. Тому визначити за шкалою інтервалів абсолютне значення неможливо.

4. Шкали відношень.Шкала, в якій за початок відліку прийнята реперна точка з дійсно нульовим розміром величини, називається шкалою відношень. Прикладом шкали відношень є температурна шкала Кельвіна. В ній за початок відліку прийнятий абсолютний нуль температури, за якої, вважається, припиняється тепловий рух молекул. Нижчої температури, ніж абсолютний нуль, в принципі не може бути. Другою реперною точкою прийнята температура плавлення льоду. За шкалою Цельсія інтервал між цими реперними точками дорівнює 273,16˚С. Тому на шкалі Кельвіна його ділять на рівні частини, одна з яких дорівнює 1/273,16 інтервалу між реперними точками і називається кельвіном.

Шкали відношень є найдосконалішими з усіх вимірювальних шкал. На них можна виконувати всі арифметичні дії (додавання, віднімання, множення та ділення). Ці шкали найширше застосовують у метрології, зокрема для вимірювання електричних величин: сили електричного струму, електричного опору тощо.

ПОНЯТТЯ ПРО ЄДНІСТЬ ВИМІРЮВАНЬ

Під єдністю вимірювань розуміють характеристику якості вимірювань, яка полягає в тому, що результати вимірювань виражаються в узаконених одиницях, а похибки вимірювань відомі з заданою ймовірністю і не виходять за встановлені границі. Поняття „єдності вимірювань” обіймає такі найважливіші задачі метрології: уніфікацію одиниць фізичних величин, розробку систем відтворення величин і передачу їх розмірів робочим засобам вимірювань з установленою точністю та інш. На досягнення і підтримку на потрібному рівні єдності вимірювань направлена діяльність державних і відомчих метрологічних служб. На державному рівні діяльність по забезпеченню єдності вимірювань регламентується стандартами Державної системи забезпечення єдності вимірювань або нормативними документами органів метрологічної служби.