3 Относительные и логарифмические величины и единицы

В науке и технике широко распространены относительные и логарифмические единицы измерения.

Относительная величина представляет собой безразмерное отношение физической величины к одноименной физической величине, принимаемой за исходную.

Логарифмическая величина представляет собой логарифм (десятичный, натуральный) безразмерного отношения двух одноименных физических величин. Логарифмические величины применяют для выражения уровня звукового давления, усиления, ослабления, выражения частотного интервала.

Единицей логарифмической величины является бел (Б), определяемый соотношением:

при , (2)

где P1 и P2 - одноименные энергетические величины.

Если берется логарифмическая величина для отношения двух одноименных «силовых» величин F2 и F1 (напряжения, силы тока, давления, напряженности поля), бел определяется по формуле

при . (3)

Дольной единицей от бела является децибел (дБ), равный 0,1 Б.

4 Воспроизведение единиц физических величин и передача их размеров

При проведении измерений необходимо обеспечить их единство. Под единством измерений понимается характеристика качества измерений, заключающаяся в том, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам воспроизведенных величин, а погрешности результатов измерений известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы. На государственном уровне деятельность по обеспечению единства измерений регламентируется стандартами Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ) или нормативными документами органов метрологической службы.

Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, в которых проградуированы все существующие средства измерений (СИ) одной и той же величины. Это достигается путем точного воспроизведения и хранения в специализированных учреждениях установленных единиц ФВ и передачи их размеров применяемым СИ.

Воспроизведение единицы физической величины - это совокупность операций по материализации единицы ФВ с наивысшей точностью посредством государственного эталона или исходного образцового СИ. Различают воспроизведение основных и производных единиц.

Воспроизведение основной единицы - это воспроизведение единицы путем создания фиксированной по размеру ФВ в соответствии с определением единицы. Оно осуществляется с помощью государственных первичных эталонов. Например, единица массы - 1 килограмм (точно) воспроизведена в виде платиноиридиевой гири, хранимой в Международном бюро мер и весов (МБМВ) в качестве международного эталона килограмма. Розданные другим странам эталоны имеют номинальное значение 1 кг. На основании последних международных сличений (1979) платиноиридиевая гиря, входящая в состав государственного эталона РФ, имеет массу 1,000000087 кг.

Воспроизведение производной единицы - это определение значения ФВ в указанных единицах на основании косвенных измерений других величин, функционально связанных с измеряемой. Так, воспроизведение единицы силы - ньютона - осуществляется на основании известного уравнения механики

F = mg, (4)

где m - масса; g - ускорение свободного падения.

Передача размера единицы - это приведение размера единицы, хранимой поверяемым средством измерений, к размеру единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном, осуществляемое при поверке или калибровке. Размер единицы передается «сверху вниз» - от более точных СИ к менее точным.

Хранение единицы - совокупность операций, обеспечивающих неизменность во времени размера единицы, присущего данному СИ. Хранение эталона единицы ФВ предполагает проведение взаимосвязанных операций, позволяющих поддерживать метрологические характеристики эталона в установленных пределах. При хранении первичного эталона выполняют его регулярные исследования, включая сличения с национальными эталонами других стран с целью повышения точности воспроизведения единицы и совершенствования методов передачи ее размера. Для руководства работ по хранению государственных эталонов устанавливают специальную категорию должностных лиц - ученых хранителей государственных эталонов, назначаемых из числа ведущих в данной области специалистов-метрологов.

Эталон - средство измерений (или комплекс СИ), предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме СИ и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке.

Конструкция эталона, его свойства и способ воспроизведения единицы определяются природой данной физической величины и уровнем развития измерительной техники в данной области измерений.

Различают следующие виды эталонов:

- первичный - обеспечивает хранение и воспроизведение с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами) точностью. Первичные эталоны - это уникальные СИ, часто представляющие собой сложнейшие измерительные комплексы, созданные с учетом новейших достижений науки и техники. Они составляют основу государственной системы обеспечения единства измерений. Достаточно часто одним первичным эталоном технически нецелесообразно охватывать весь диапазон измеряемой величины. Тогда создают несколько первичных эталонов, охватывающих части этого диапазона с таким расчетом, чтобы был охвачен весь диапазон. В этом случае проводят согласование размеров единиц, воспроизводимых соседними первичными эталонами.

- международный эталон - эталон, принятый по международному соглашению в качестве международной основы для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами. Например, международный прототип килограмма, хранимый в МБМВ, утвержден 1-й Генеральной конференцией по мерам и Весам (ГКМВ).

- государственный первичный эталон - первичный эталон, признанный решением уполномоченного на то государственного органа в качестве исходного на территории государства. Например, государственные эталоны метра, килограмма, секунды, ампера, Кельвина, канделы, ньютона, паскаля, вольта, беккереля.

- национальный эталон - эталон, признанный официальным решением служить в качестве исходного для страны. Данное определение по существу совпадает с определением понятия государственный эталон, т.е. термины государственный и национальный эталон отражают одно и то же понятие. Вследствие этого термин национальный эталон применяют в случаях проведения сличения эталонов, принадлежащих отдельным государствам, с международным эталоном или при проведении так называемых круговых сличений эталонов ряда стран.

- вторичный - эталон, получающий размер единицы непосредственно от первичного эталона данной единицы. Он получает размер единицы путем сличения с первичным эталоном соответствующей ФВ. Вторичные эталоны являются частью подчиненных средств хранения единиц и передачи их размеров, создаются и утверждаются в тех случаях, когда это необходимо для организации поверочных работ, а также для обеспечения сохранности и наименьшего износа государственного эталона. Совокупность государственных первичных или вторичных эталонов, являющихся основой обеспечения единства измерений в стране, составляет эталонную базу страны.

- эталон сравнения - применяется для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличаемы друг с другом.

- рабочий эталон - применяется для передачи размера единицы рабочим средствам измерений. Это самые распространенные эталоны. В целях упорядочения терминологии и приближения ее к международной термином рабочий эталон был заменен термин образцовое средство измерений.

Рабочие эталоны применяются во многих территориальных метрологических органах и лабораториях министерств и ведомств. Рабочие эталоны при необходимости подразделяются на разряды 1, 2 и т.д., определяющие порядок их соподчинения в соответствии с поверочной схемой. В этом случае передачу размера единицы осуществляют через цепочку соподчиненных по разрядам рабочих эталонов. При этом от последнего рабочего эталона в этой цепочке размер единицы передают рабочему средству измерений.

- исходный эталон - эталон, обладающий наивысшими метрологическими свойствами (в данной лаборатории, организации, на предприятии), от которого передают размер единицы подчиненным эталонам и имеющимся средствам измерений. Исходным эталоном в стране служит первичный эталон, исходным эталоном для республики, региона, министерства (ведомства) или предприятия может быть вторичный или рабочий эталон. Вторичный или рабочий эталон, являющийся исходным эталоном для министерства (ведомства) нередко называют ведомственным эталоном. Эталоны, стоящие в поверочной схеме ниже исходного эталона, обычно называют подчиненными эталонами.

- одиночный эталон - эталон, в составе которого имеется одно средство измерений (мера, измерительный прибор, эталонная установка) для воспроизведения и (или) хранения единицы.

- групповой эталон - эталон, в состав, которого входит совокупность средств измерений одного типа, номинального значения или диапазона измерений, применяемых совместно для повышения точности воспроизведения единицы или ее хранения. Групповые эталоны подразделяют на групповые эталоны постоянного или переменного составов. За результат измерений принимают обычно среднее арифметическое значение результатов измерений однотипными средствами измерений или эталонными установками.

- эталонный набор - эталон, состоящий из совокупности средств измерений, позволяющих воспроизводить и (или) хранить единицу в диапазоне, представляющем объединение диапазонов указанных средств. Эталонные наборы создаются в тех случаях, когда необходимо охватить определенную область значений физической величины. Например, эталонные разновесы (наборы эталонных гирь) и эталонные наборы ареометров.

- транспортируемый эталон - эталон (иногда специальной конструкции), предназначенный для его транспортирования к местам поверки (калибровки) средств измерений или сличений эталонов данной единицы.

Число эталонов не является постоянным, а изменяется в зависимости от потребностей экономики страны. Обычно прослеживается увеличение их числа во времени, что обусловлено постоянным развитием рабочих средств измерения.

Эталон может состоять из нескольких эталонных установок. Например, в состав государственного первичного эталона единицы активности радионуклидов входит шесть эталонных установок.

Эталон должен обладать тремя свойствами: неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью.

Неизменность - свойства эталона удерживать неизменным размер воспроизводимой им единицы в течение длительного интервала времени.

Воспроизводимость - возможность воспроизведения единицы ФВ (на основе ее теоретического определения) с наименьшей погрешностью для существующего уровня развития измерительной техники. Это достигается путем постоянного исследования эталона в целях определения систематических погрешностей и их исключения путем введения соответствующих поправок.

Сличаемость - возможность сличения с эталоном других СИ, нижестоящих по поверочной схеме, в первую очередь вторичных эталонов, с наивысшей точностью для существующей техники измерения. Это свойство предполагает, что эталоны по своему устройству и действию не вносят каких-либо искажений в результаты сличений и сами не претерпевают изменений в результате сличений.