Измерване

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене
Шублер, средство за измерване

Измерването е процесът за определяне на отношението на една (измервана) физична величина (например дължина или маса) към друга еднородна величина, приета за единица (например, метър или килограм), и въведена в техническо средство (средство за измерване). Измерванията са основен елемент в наблюденията, използвани от научния метод. Науката за измерването, методите и средствата му се нарича метрология. Точността на всяко измерване е свързано с определена грешка или несигурност.

Видове[редактиране | редактиране на кода]

Преки и непреки измервания[редактиране | редактиране на кода]

Измерванията, включително и във физиката, се делят на преки и косвени (непреки). Преки измервания се наричат тези, които се извършват с прости измерителни уреди, при което се определя дадената физична величина. При това директно се отчита стойността на измерваната величина като например отчитане на линеен размер върху линия или ролетка. При косвените измервания е трудно да се измери непосредствено търсената величина, затова се измерват други, свързани с нея величини, след което се използва формула за определяне на търсената величина чрез еднозначна зависимаст. Косвените измервания са характерни на ниво атоми, с други думи в микросвета или макроизмервания като в космоса. Например определяне на температурата на звездите по техния спектър на излъчване. Някои величини позволяват както пряко, така и непряко измерване.

Аналогови и цифрови измервания[редактиране | редактиране на кода]

При аналоговото измерване измерваната стойност се определя в директно преобразуване на измервателния сигнал, а при цифровото измерване чрез преобразуване в цифров сигнал. При това сигнала е преобразуван на стъпки и се отчита на цифрова скала.

История на измерването[редактиране | редактиране на кода]

Индската цивилизация (3000 – 1500 пр.н.е.) е първата известна цивилизация, която използва надеждни мерки и теглилки и стандартизира измерването.[1] Оттогава датира и калибрирането на инструментите. Тази цивилизация достига голяма точност при определянето на дължина, маса и време. На слонова кост са отбелязани мерки с точност до 1,704 mm (1/16 инча). Намерените измерителни уреди ползват инчове и футове. Традиционните архитектурни форми са построени с точност до 1/16 от инча, най-доброто приближение на бронзовата ера. Намерени са пръчки за измерване, които са точно 33 инча и са разграфени на 24 еднакви участъка.

Теглилките са кратни на 0,05, 0,1, 0,2, 0,5, 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200 и 500, като единицата е приблизително 28 g, подобна на английската или римската унция. Съществуват и други системи за мерене на дължина като например отделни части на тялото като естествени измерителни уреди.

Във Вавилон и Древен Египет се използват педя, аршин или лакът за дължина, а за време периодичността на слънцето и луната.

Системи от единици[редактиране | редактиране на кода]

За да могат величините от дадена категория да се сравняват помежду си, една конкретна величина, притежаваща постоянна стойност, се избира за величина за сравнение и се нарича единица. Така всяка друга величина от въпросната категория може да бъде изразена като функция на тази единица чрез умножаването ѝ с едно число. Това число се нарича числена стойност на величината, изразена с тази единица. Всяка измерителна система има свои единици, които се наричат основни, те измерват фундаментални физични величини. Всички останали единици се получават на базата на тези и се наричат производни.

Метрична система[редактиране | редактиране на кода]

Службата за мерки и теглилки в Англия

Старата метрична система включва няколко разряда единици. SI е разработена през 1960 г., по-скоро на базата на старата система метър-килограм-секунда (MKS), отколкото на конкурентната система сантиметър-грам-секунда, която е имала няколко разновидности. Самата SI не е фиксирана, а дефинициите за единиците се променят, когато могат да бъдат по-ясно и точно предефинирани, по силата на международна конвенция, щом напредъкът на науката и технологиите позволяват извършването на по-точни измервания от времето, по което единиците са били дефинирани.

SI се използва на практика навсякъде по света, като повечето държави дори не поддържат официални дефиниции на други мерни системи. Важно изключение са САЩ, които продължават да използват Имперска мерна система в допълнение към SI. В Обединеното кралство преминаването към SI е правителствена политика, но стари единици все още се използват. Мерните единици на държавите, използващи различна мерна система (напр. САЩ), са изразени в единици от SI.

Дефинициите на единиците от SI се разглеждат и преразглеждат на Международната конференция по мерките и теглилките, в която участват страните, подписали Конвенцията за метъра (в сила от 1875 г. и многократно изменяна), и която се организира веднъж на всеки 4 години в Париж[2].

SI[редактиране | редактиране на кода]

Международната система от единици (съкр. SI от Système international d'unités[3]) е съвременната форма на метричната система и е най-широко използваната мерна система както в науката, така и в търговията и инженерното дело.

Системата SI е разработена през 1960 г. от системата метър-килограм-секунда, като по време на разработката са представени някои нови единици, които не са били преди това част от метричната система. Оригиналната система SI имат седем базови физични единици:

Базова физична величина Базова единица Символ Настояща константа в SI Ново предложение
Време секунда s Делене на Цезий-133 също като настоящата система SI
Дължина Метър m Скорост на светлината във вакум, c също като настоящата система SI
Маса килограм kg масата на международния еталон (прототип) на килограма. Константа на Планк, h
Електрически ток Ампер A Пермеабилитет във вакум или магнитна константа Заряд на електрона, e
Температура Келвин K Тройна точка на водата, Абсолютна нула Константа на Болцман
Количество вещество Мол mol Моларната маса на Въглерод-12 Число на Авогадро NA
Интензитет на светлината Кандела cd Източник на светлина с честота 540 THz също като настоящата система SI

Особеност на тази система е въвеждането едновременно на единица за маса: Килограм и единица за сила: Нютон (N). Определението на нютон е, че това е силата, придаваща импулс от 1 kg·m/s. Това означава, че ако сила от 1 нютон е постоянно приложена към тяло с маса 1 kg, то всяка секунда скоростта му ще се увеличава с 1 m/s.

Има два вида единици SI, базови единици и производни единици. Базовите единици са за измерването на време, дължина, маса, температура, количество вещество, електрически ток и интензитета на светлината. Производните единици се получават от базовите единици като например единицата за мощност ват, определена от базовите единици като m²·kg·s-³. Друга физична величина например е плътност на материалите, измервани в kg/m³.

В България системата се въвежда официално със стандарт БДС 3952 – 65. От 2009 г. се въвежда Международният стандарт ISO 80000 или IEC 80000, който е официален и в България и включва единиците SI.

CGS[редактиране | редактиране на кода]

Системата CGS (сантиметър-грам-секунда) е кохерентна система единици, която през 19 век постепенно се наложила при измерванията във физиката. Подобно на използваната днес международна система SI, и тя почива на метричните единици метър, килограм и секунда (поради това SI е наричана по-рано система MKS), но основните ѝ единици имат други десетични представки. В областта на механиката тя е разширена с единиците келвин, кандела и мол. Днес се прилага рядко, като е забранено да се използва заедно с единиците от международната система SI.

Производни на системата CGS са единиците дина, ерг, поаз, стокс, гаус, оерстед и максуел. Те също не трябва да се използват едновременно с единиците от SI.

През 1954 г. международна комисия препоръча системата MKS като основа за една обща единна система в областта на науката и техниката. През следващите десетина години системата CGS постепенно бе изместена от системата SI в учебниците и в практиката на специалистите. Някои физици обаче продължили да ползват системата CGS заради по-удобните в отделни случаи изчисления. Системата се поддържа от Международния съюз за чиста и приложна физика (International Union of Pure and Applied Physics, IUPAP).

Имперска система единици[редактиране | редактиране на кода]

Имперски единици обикновено се наричат единиците от почти излязлата от употреба британска (или английска) система от единици, основаваща се на фунт, ярд и галон. Приета е от английския парламент през 1824 г. и е използвана в Обединеното кралство и в бившите британски колонии, включително в т. нар. Британска общност. През 1963 и 1985 г. имперските единици се предефинират в единици от SI.

Официално имперските единици се използват само в 4 страни в света: Либерия, Мианмар, Обединено кралство Великобритания и Северна Ирландия и САЩ, като в Либерия и Мианмар на практика се използва метричната система.

Обединеното кралство е в процес на нейно приемане. Във Великобритания, особено с навлизане на законодателството на ЕС, имперските единици биват постепенно измествани от употреба от метричната система SI.

Имперската система и в момента активно се употребява в САЩ (където се използва по-старият стандарт Wine gallon със същите наименования). Още през 60-те години на миналия век започва широка кампания (инициирана от Конгреса) за преминаване към SI, но процесът е бавен. Днес се отчита, че в много области, преди всичко в науката, преходът е завършил (НАСА например изцяло работи само с единици SI). В други области, като медицината, ползването на единиците е смесено. Строителството също бавно преминава към „новата“ система, а нормативните документи са едновременно в SI и в имперски единици. В обществото преобладава мнението, че приемането на метричната система е в интерес на нацията, но има и много инерционни нагласи.

Процедура на измерването[редактиране | редактиране на кода]

При извършване на измерването се изпълняват следните стъпки:

  • Еднозначно определяне на задачата на измерването (проблем на измерването) и измерваната величина. Определят се обекта на измерването и физическата величина за измерване.
  • Установяване на измервателната единица. Единицата по принцип трябва да бъде от SI и трябва да се определи десетичната точка във величината, като например при измерването на дължина в mm, cm, m или km. При измерване с уреди това е важно за определяне на подходящия обхват.
  • Установяване на граничните условия като свойствата на обекта (веществото от което е изработен обекта, качеството на повърхността на обекта) и условия на околната среда (температура, вибрации и др.).
  • Избор на измервателен уред или измервателно съоръжение.
  • Калибриране на измервателното съоръжение или уред. За извършването на измерването трябва да се използват калибрирани от съответна сертифицирана организация уреди. Калибрирането се извършва през определени интервали от време.
  • Установяване на процеса на измерване. Установяване на времевата и пространствената последователност на измерването, като например последователност на отделните измервания, повторения, точки на измерване и други.
  • Провеждане на измерването и определяне на резултата от измерването. Може да се направи едно измерване или няколко при едни и същи условия. След това се определят средната стойност и отклоненията. Обикновено се получава Гаусова крива на разпределение.
  • Определяне на влиянието на външни фактори. Определяне на системна грешка и корекция на същата.
  • Определяне на окончателния резултат. Резултатът се определя от стойността на измерването или средната стойност от повече измервания и отчитане на грешката от измерването.

Грешки при измерването[редактиране | редактиране на кода]

За да се направи оценка на верността на измерването е необходимо да се определи степента на погрешност. В зависимост от от причините грешките се разделят на систематични, груби и случайни. [4]

  • Систематичните грешки са постоянните или изменящи се по определен закон грешки, причините за възникването и характерът на които са известни. Влиянието на тези грешки се изключва чрез многократно измерване и изчисление на съответните поправки, изчислени и получени по опитен път.
  • Груби грешки
  • Случайни грешки

Уреди за измерване на най-разпространените величини[редактиране | редактиране на кода]

Маса[редактиране | редактиране на кода]

Лабораторна везна

За измерване на масата на даден предмет се използва уред, наричан кантар (или наричан още везна). Различните видове везни използват или пружина, която всъщност мери сила, или метод на сравнение с познати маси, при което се изисква гравитационно поле. Съществуват също така пневматични и хидравлични везни. Кантарите се използват в медицината, търговията и научните лаборатории и преди употреба трябва да се калибрират.

Дължина[редактиране | редактиране на кода]

Дърводелски метър 2 m
Навит шивашки метър в няколко цвята

Измерваните дължини в природата могат да бъдат от наноразмери до светлинни години. За всеки размер се използват подходящите измервателни уреди и физични методи. Това могат да бъдат оптически уреди като измервателни микроскопи, лазерни далекомери или други подходящи уреди. Най-елементарният уред за измерване на дължина е линийката, изобретена още 1500 г. пр.н.е. и изработена от слонова кост от индската цивилизация. Днес се прави от пластмаса и се използва в геометрията, картографията, техническото чертане, инженерните науки и други за измерване на дължини или построяване на прави линии. Тя е вече разграфена и калибрирана.

Други уреди за измерване на дължина са дърводелският метър, шивашкият метър и ролетката. Дърводелският метър всъщност е дълъг един или два метра, но може да се сгъва до дължина от само 20 cm, което го прави много удобен за носене в джоба. От друга страна шивашкият метър е направен от мек материал, вид пластмаса, така че да се навива и да измерва кривини, като обиколка на кръст и други и също заема много малко място и може да се носи в джоба. Ролетката е инструмент за измерване на дължини, който е направен най-често от метална лента, широка от 1 до 2 cm, с деления (може да бъде например от едната страна в сантиметри, от другата в инчове), която се навива и затваря в пластмасов корпус. Обикновено е снабдена с пружина за връщане обратно на лентата и с механизъм за застопоряване. Използва се в строителството, промишлеността, бита и земемерството. Дължината на ролетката достига до 100 m.

Време[редактиране | редактиране на кода]

Уредът за измерване на времето се нарича часовник. Служи за измерване на времетраенето на дадено събитие или процес и за по-добро планиране на отделните дейности. Той е е едно от най-старите човешки изобретения. В съвременната си форма часовникът е изобретен около 14 век. Днес най-точните устройства за измерване и отчитане на времето са атомните часовници, които могат да запазят точността си до секунда в продължение на милиони години.

Температура[редактиране | редактиране на кода]

Уредите за измерване на температурата се наричат термометри. За практическо измерване на температурата се избира някой термодинамичен параметър (например температурното разширение) на определено термометрично вещество (например течност, като живак или спирт). Изменението на този параметър еднозначно се свързва с изменението на температурата. Съществуват термометри, които използват и други физични свойства, например електричното съпротивление.

Хумористични единици за измерване[редактиране | редактиране на кода]

Вижте също[редактиране | редактиране на кода]

Външни препратки[редактиране | редактиране на кода]

Източници[редактиране | редактиране на кода]

  1. History of measurement
  2. Conférence Générale des Poids et Mesures
  3. Bureau International des Poids et Mesures
  4. Справочник по елементи и средства за автоматично измерване, регулиране и управление София 1973 ДИ "Техника" Инж. Пандуров и др. стр. 20