Transcript ระบบหน่วยและมาตรฐานของการวัด System of Units & Standard of Measurements ปิยดนัย ภาชนะพรรณ์

ระบบหน่ วยและมาตรฐานของการวัด
System of Units & Standard of Measurements
ปิ ยดนัย ภาชนะพรรณ์
เนื้อหา
1. ระบบหน่วยของการวัด
3. มาตรฐานของการวัด
4. มาตรฐานของหน่วยทางไฟฟ้า
หน่ วย (Unit)
หน่ วย (Unit)
• ปริ มาณที่กาหนดไว้คงที่ เพื่อใช้ในการคานวณ (การวัด) ค่า
ปริ มาณที่ยงั ไม่ทราบค่า
• ค่าที่จากการวัด จะเป็ นจานวนเท่า (times)ของปริ มาณหน่วย
• ระบบหน่วยวัดต้องถูกต้อง เชื่อถือได้ และใช้สะดวก
หน่ วยพืน้ ฐาน (Fundamental Unit)
• เป็ นหน่วยเบื้องต้น ของปริ มาณต่างๆ ดังนี้
- ปริ มาณทางกล (mechanics, 3)
- ปริ มาณทางความร้อน (thermal, 1)
- ปริ มาณทางไฟฟ้า (electrical, 1)
- ปริ มาณทางแสง (Illumination, 1)
- ปริ มาณทางเคมี (chemical, 1)
primary
üï
ïï
ïï
ïï
ý
ïï
ïï
ïï
ïþ
auxiliary
• ปริ มาณทางกล
ระบบอังกฤษ
ความยาว (ฟุต)
แรง (ปอนด์)
เวลา (วินาที)
ระบบเมตริก
ความยาว (cm, m)
มวล (g, kg)
เวลา (s)
- การเลือกหน่วยพื้นฐานไม่มีกฎเกณฑ์ สามารถเลือกได้ตามสะดวก
หน่วยพื้นฐานในระบบ SI
หน่ วยสื บทอด (Derived Unit)
• หน่วยที่กาหนดมาจากกฎทางฟิ สิ กส์ (Physical Law)
• นาหน่วยพื้นฐาน มากาหนดเกี่ยวกับ “มิติ (Dimension)”
เช่น
พื้นที่ (A)
=
=
กว้าง x ยาว
mxm
=
m2
ถ้ากาหนดสั ญลักษณ์ สาหรับหน่วยพื้นฐาน เป็ น
ความยาว (Length)

L
มวล (Mass)

M
เวลา (Time)

T
สามารถเขียนสัญลักษณ์แสดงมิติของหน่วยสื บทอด เป็ น
พื้นที่
ปริ มาตร
L2
L3
แรง
LMT -2
æML ö
çç 2 ÷
÷
èT ÷
ø
(kg.m / s 2 )
สรุป หน่วยพื้นฐาน
หน่วยพื้นฐานเสริ ม
หน่วยสื บทอด
ระบบหน่ วยของการวัด (System of Unit)
ระบบหน่วยหลักๆ ในปัจจุบนั มี 2 ระบบ คือ
• ระบบอังกฤษ (Imperial or British System)
• ระบบเมตริ ก (Metric System)
ระบบอังกฤษ
• ใช้ในประเทศเครื อจักรภพอังกฤษและอเมริ กา
• ความยาว  หลา และ มวล  ปอนด์
• หน่วยของการวัดอาศัยมิติทางกายภาพของร่ างกายคน
- 1 หลา คือ ความยาวจากจมูกของคนถึงปลายนิ้วกลาง
มีความยืดหยุน่ และ ผิดเพี้ยนได้ง่าย
ข้ อเสี ยของระบบอังกฤษ
• ความสัมพันธ์ของหน่วยที่ใช้วดั ปริ มาณเดียวกันดูไม่เป็ นระบบ
- น้ าหนัก  pound, ounces, dram และ grain
- ความยาว  inch, foot, yard และ mile
• มีหลายนิยามในชื่อเดียวกัน
- Pound Troy และ Pound Avoirdupois
• ปริ มาณของหน่วยเดียวกัน ในแต่ละประเทศไม่เท่ากัน
Comparison of Imperial and U.S. volume measures
= 29.573 529 562 5 mililitres
≈ 1.041 Imperial fluid ounces
= 28.413 062 5 mililitres
≈ 0.961 U.S. fluid ounce
= 3.785 411 784 litres
≈ 0.833 Imperial gallon
1 Imperial gallon
= 4.546 09 litres
≈ 1.201 liquid U.S. gallons
1 dry U.S. gallon
= 4.404 842 803 2 litres
≈ 0.968 Imperial gallon
1 Imperial gallon
= 4.546 09 litres
≈ 1.032 dry U.S. gallons
1 U.S. fluid ounce
1 Imperial fluid ounce
1 liquid U.S. gallon
Ex. ขนาดที่แตกต่างกันของหน่วยไมล์
ระบบเมตริก
• ใช้พ้นื ฐานจากระบบเลขฐาน 10
ในการค้นคว้าและจัดตั้งระบบ ได้กาหนดพื้นฐาน 3 ประการคือ
1. Universal System of Weights & Measures ไม่ควรขึ้นกับ
Man-made Reference Standard แต่ควรขึ้นกับ Permanent
Measure ที่ได้จากธรรมชาติ
2. หน่วยอื่นๆ ควรสื บทอดมาจากหน่วยพื้นฐาน คือ ความยาว
มวล และ เวลา
3. ตั้งระบบ Prefix ขึ้น
ระบบหน่ วยที่ใช้ ระบบเมตริก
- CGS Electrostatic
- CGS Electromagnetic
- TMS
- MKS, MKSA
- Gaussian
- Heaviside – Lorentz
หมายเหตุ
CGS  (Centimeter, Gram, Second)
MKSA  (Mete, Kilogram, Second, Ampere)
ตารางความสัมพันธ์ระหว่างหน่วยอังกฤษกับหน่วยเมตริ ก
ตัวอย่ างที่ 1
จงหาพื้นที่หอ้ งขนาด 5,000 m2 ในหน่วยของ ft2
วิธีทา
จากตาราง พบว่า 1 ft = 30.48 cm
จะได้
1 ft 

A  5000  

0.3048
m


 53,820 ft 2
2
= 0.3048 m
ระบบหน่ วยไฟฟ้าและแม่ เหล็ก (Electric and Magnetic Units)
• หน่วยทางไฟฟ้า เช่น Volt, Ampere, Ohm ล้วนหามาจาก
ระบบหน่วย CGS (แรกเริ่ มสุ ด)
- ความยาว (L) คือ Centimeter (C)
- มวล (M)
คือ Gram (G)
- เวลา (T)
คือ Second (S)
• ระบบ CGS ที่ใช้หาหน่วยทางไฟฟ้า แบ่งได้เป็ น
- CGS electrostatic system
- CGS electromagnetic system
CGS electrostatic system
• หาหน่วยของประจุไฟฟ้า (Q)
• อาศัยกฎของ Coulomb’s Law ที่วา่
Q1Q2
F k 2
r
เมื่อ
F
คือ
Q1,Q2 คือ
r
คือ

คือ
Q1Q2

 r2
แรงระหว่างประจุ (ดายน์, dyne)
ขนาดของประจุไฟฟ้า
ระยะห่างระหว่างประจุ
ค่า Permittivity ของตัวกลางที่ประจุอยู่
Coulomb’s law
นิยาม 1 หน่วยประจุ
• ขนาดของประจุที่เมื่อวางห่ างจากประจุขนาดเท่ากันออกไป 1
เซนติเมตรในสุ ญญากาศ (Free Space) จะมีแรงกระทา 1 ดายน์
•
   r 0
0
r
คือ permittivity ของสุ ญญากาศ
คือ permittivity จาเพาะ (specific)
• กาหนด  เป็ นหน่วยพื้นฐาน ตัวที่ 4 (นอกจาก ความยาว, มวล
และ เวลา)
มิติของ Q
จาก
F
Q1Q2
 r2
LM
Q2

2
T
 0 L2
Q
 01 2 M 1 2 L3 2
T
ระบบ CGS
- ความยาว (L) คือ Centimeter, cm (C)
- มวล (M)
คือ Gram, g (G)
- เวลา (T)
คือ Second, s (S)
จะได้หน่วยของ Q เป็ น
Q  cm3/ 2 g1/ 2 s 1
เรี ยกว่า Statcoulomb
จากค่า Q ที่ได้ สามารถนามาหาหน่วยปริ มาณทางไฟฟ้าอื่นๆ ได้
จาก
Q
I
t
หน่วย
I
Statcoulomp
sec
 cm3/ 2 g1/ 2 s 2
Statampere
CGS electromagnetic system
• หาหน่วยของ magnetic polestrength
• อาศัยกฎของ Coulomb’s Law ที่วา่
m1m2
F k 2
r
เมื่อ
F
คือ
m1, m2 คือ
r
คือ

คือ
m1m2

r 2
แรงระหว่างขั้วแม่เหล็ก 2 ขั้ว
ขนาดของ magnetic polestrangth
ระยะห่างขั้วแม่เหล็ก
permeability
• ขั้วแม่เหล็กอยูใ่ น Free space ระยะห่างระหว่างขั้วแม่เหล็ก 1
cm จะมีแรงกระทาอยู่ 1 ดายน์
•
   r 0
0
r
คือ permeability ของสุ ญญากาศ
คือ permeability จาเพาะ (specific)
• กาหนด  เป็ นหน่วยพื้นฐาน ตัวที่ 4 (นอกจาก ความยาว, มวล
และ เวลา)
มิติของ m
จาก
F
m1m2
r 2
LM m 2

2
T
0 L
m
01 2 M 1 2 L3 2
T
ระบบ CGS
- ความยาว (L) คือ Centimeter, cm (C)
- มวล (M)
คือ Gram, g (G)
- เวลา (T)
คือ Second, s (S)
จะได้หน่วยของ m เป็ น
m  cm3/ 2 g1/ 2 s 1
นาไปใช้หาหน่วยอื่นๆ ทาง
สนามแม่เหล็กต่อได้
หน่ วยทางไฟฟ้า ระบบอื่นๆ
• หน่ วยปฏิบัติ (Practical Unit)
- อาศัยพื้นฐานจากหน่วยกระแส และ แรงดัน มานิยามให้
สัมพันธ์กบั ระบบ CGS electromagnetic
• หน่ วยนานาชาติ (International Unit)
- หน่วยมาตรฐานที่สามารถสร้างได้อย่างอิสระใน
ห้องปฏิบตั ิการใดๆ
• หน่ วยนานาชาติ (International Unit)
มาตรฐานกระแส
วัดกระแสโดยอัตราการแยกของเงินออกจาก
สารละลายซิลเวอร์ไนเตรท อัตราที่หมายถึงกระแส 1 แอมแปร์
คือ 0.001118 กรัม / วินาที ภายใต้เงื่อนไขแวดล้อมที่กาหนด
• หน่ วยสั มบูรณ์ (Absalute Unit)
- หน่วยที่เกิดจากการพัฒนาเทคนิคการวัดมากขึ้น
- ความถูกต้องเท่าเทียม หรื อ ดีกว่าหน่วยนานาชาติ
- เริ่ มใช้วนั ที่ 1 มกราคม คศ. 1948
การแปลงค่าปริ มาณไฟฟ้าในหน่วยนานาชาติ เป็ นค่าในหน่วยสัมบูรณ์
• หน่ วยระบบ MKS
- หน่วยสื บเนื่องจาก หน่วยปฏิบตั ิ (practical)
- ใช้ เมตร กิโลกรัม และ วินาที เป็ นหน่วยพื้นฐาน
- กาหนดค่า Permeability เป็ น 10-7 (เดิม = 1)
• หน่ วยระบบ SI
- ปี 1950 IEC ได้ถือว่า Ampere เป็ นหน่วยตัวที่ 4 ของ MKS
- ปี 1954 ระบบ SI ถูกจัดตั้ง จึงอาศัยระบบ MKSA มากาหนด
หน่วยปริ มาณทางไฟฟ้า
หน่วยสาหรับ
ไฟฟ้าในระบบ SI
หน่วยสาหรับ
ไฟฟ้าในระบบ SI
มาตรฐาน (Standard)
มาตรฐานของการวัด (Measurement Standard)
• วัตถุทางกายภาพ ที่แทนแนวคิดเกี่ยวกับหน่วยที่ตอ้ งการ
กล่าวถึง และสามารถทาการวัดได้
• มีความเป็ นสากลทัว่ โลก
• มีคาจากัดความที่ชดั เจนเกี่ยวกับหน่วยวัด
• มีวธิ ีการคานวณปรับเทียบกับระบบวัด
ตัวอย่ าง มาตรฐานการวัด
มวล 1 กิโลกรัม จะถูกแทนโดยทั้งชิ้นของวัสดุที่ถูกรักษาภายใต้
เงื่อนไขที่ถูกนิยามและควบคุมอย่างดี
ระบบ SI
มวลของกระบอกอัลลอย (แพลทินมั 90% - เออริ เดียม 10%)
มีความสู งและเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากัน โดยยึดตามมาตรฐาน
น้ าหนักและการวัดของ International Bureau of Weights and
Measures ที่เมือง Serves, France
ประโยชน์ ของมาตรฐานการวัด
• ใช้เป็ นหลักสาหรับสอบเทียบ (Calibration) กับอุปกรณ์วดั อื่นๆ
เพื่อยืนยันว่าอุปกรณ์เหล่านี้มีระดับความรับผิดชอบในการสอบ
เทียบออกไป
** มาตรฐานที่ใช้เป็ นหลัก ต้องสามารถโยงถึงมาตรฐานแห่งชาติได้
Traceability System
การสอบเทียบ คือ กระบวนการ
ในการตรวจสอบความถูกต้อง
ของเครื่ องมือวัด ด้วยการ
เปรี ยบเทียบกับค่าที่อ่านได้จาก
เครื่ องมือวัดกับค่าจริ งของสิ่ งที่
ถูกวัด
ประเภทของมาตรฐานการวัด
มาตรฐานถูกแบ่งออกเป็ น 4 ประเภทตามหน้าที่และการประยุกต์ใช้งาน
1. มาตรฐานนานาชาติ (International Standard)
2. มาตรฐานชั้นต้น, ปฐมภูมิ (Primary Standard)
3. มาตรฐานชั้นรอง, ทุติยภูมิ (Secondary Standard)
4. มาตรฐานใช้งาน (Working Standard)
1. มาตรฐานนานาชาติ (International Standard)
• กาหนดขึ้นโดยข้อตกลงระหว่างประเทศ
• เก็บรักษาอยูท่ ี่ International Bureau of Weights and Measures,
Paris
• มีการตรวจและทดสอบค่าอย่างสม่าเสมอ
• ความถูกต้องใกล้เคียงและเที่ยงตรงที่สุดเท่าที่เทคโนโลยีจะ
อานวย
2. มาตรฐานชั้นต้ น, ปฐมภูมิ (Primary Standard)
• ลอกแบบมาตรฐานมาจากมาตรฐานนานาชาติ
• เก็บรักษาไว้ที่หอ้ งปฏิบตั ิการมาตรฐานแห่งชาติในประเทศ
ต่างๆ
• ใช้เพื่อสอบเทียบและพิสูจน์ค่าของมาตรฐานชั้นรอง
3. มาตรฐานชั้นรอง, ทุตยิ ภูมิ (Secondary Standard)
• เป็ นมาตรฐานอ้างอิงที่ใช้สาหรับห้องปฏิบตั ิการด้านการวัด
และสอบเทียบในโรงงานอุตสาหกรรม
4. มาตรฐานใช้ งาน (Working Standard)
• เป็ นอุปกรณ์หลักในห้องปฏิบตั ิการด้านการวัด
• มักใช้เพื่อตรวจสอบและปรับเทียบเครื่ องมือต่างๆ ที่ใช้ใน
ห้องปฏิบตั ิการโดยทัว่ ไป
ความสามารถในการสอบย้ อน (Traceability)
• คุณสมบัติของผลการวัดที่สามารถความสัมพันธ์กบั มาตรฐาน
ที่เหมาะสม ซึ่งโดยทัว่ ไปได้แก่ มาตรฐานระหว่างประเทศหรื อ
มาตรฐานแห่งชาติ โดยการเปรี ยบเทียบอย่างต่อเนื่องกันเป็ น
ลูกโซ่
มาตรฐานอ้างอิงสมบูรณ์เป็ นที่ยอมรับกันระหว่างประเทศ
มาตรฐานชั้นต้น
องค์กรมาตรฐานระดับชาติ
มาตรฐานชั้นรอง
ห้องปฏิบตั ิการมาตรฐาน
มาตรฐานใช้งาน
ห้องปฏิบตั ิการเครื่ องมือวัดของบริ ษทั
เครื่ องมือวัดกระบวนการ
หน่ วยงานด้ านมาตรฐานการวัดของประเทศไทย
• กองชัง่ ตวงวัด กรมทะเบียนการค้า กระทรวงพาณิ ชย์
• สถาบันวิจยั วิทยาศาสตร์ และเทคโนโลยีแห่ งประเทศไทย
• กรมวิทยาศาสตร์บริ การ
• กรมอุทกศาสตร์ทหารเรื อ
• กรมสื่ อสารการทหาร
มาตรฐานสาหรับมวล ความยาว และปริ มาตร
มวล
กิโลกรัม (kg) คือ มวลของกระบอกอัลลอย (แพลทินมั 90%
- เออริ เดียม 10%) มีความสู งและเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากัน โดยยึด
ตามมาตรฐานน้ าหนักและการวัดของ International Bureau of
Weights and Measures ที่เมือง Serves, France
ความยาว
เมตร (m) คือ ความยาวของเส้นทางเดินของแสงใน
สุ ญญากาศระหว่างช่วงเวลา 1/299,792,458 ต่อวินาที
ปริ มาตร
• ไม่มีการแทนโดยมาตรฐานนานาชาติ
• เป็ นมาตรฐานชั้นต้นของ National Bureau of Standard
มาตรฐานสาหรับเวลา และ ความถี่
จากความสัมพันธ์
เวลา = 1 / ความถี่
เวลา ระบบ SI
วินาที (s) กาหนดช่วงเวลาเป็ น 9,192,631,770 ช่วง
ของการแกว่งรังสี ที่เปล่งจาก caesium-133 atom ภายใต้
สภาวะที่กาหนดไว้อย่างเที่ยงตรงของเรโซแนนซ์
มาตรฐานของหน่ วยไฟฟ้า
1. กระแสมาตรฐาน
2. แรงดันมาตรฐาน
3. ความต้านทานมาตรฐาน
4. ความจุไฟฟ้ามาตรฐาน
5. ความเหนี่ยวนามาตรฐาน
กระแสมาตรฐาน
• SI Ampere
0 I 2l
F
2 d
electromagnetic
( F = 2 x 10-7 นิวตัน)
ดุลกระแส
dM 12
F G  I
dx
การ ปป.ของ
Mutual Inductance
2
จะได้
I
G
dM 12
dx
x 0
x 0
มาตรฐานกระแส
• International Ampere
วัดกระแสโดยอัตราการแยกของเงินออกจาก
สารละลายซิลเวอร์ไนเตรท อัตราที่หมายถึงกระแส 1 แอมแปร์
คือ 0.001118 กรัม / วินาที ภายใต้เงื่อนไขแวดล้อมที่กาหนด
แรงดันมาตรฐาน
• มาตรฐานนานาชาติ
ผลของ josephson
e - ประจุอิเล็กตรอน
h - ค่าคงที่ของ Plank
ผลของ Josephson
• สองส่ วนของวัตถุตวั นายิง่ ยวดแยกจากกันด้วยฉนวนที่บางมาก
• เมื่อได้รับการแผ่รังสี ในย่านไมโครเวฟ ที่ความถี่ f ความสัมพันธ์
ระหว่างกระแสและแรงดันจะมีลกั ษณะเป็ นขั้นบันได
• ขนาดของแต่ละขั้นของแรงดัน คือ
f
V 
KJ
h

  f
 2e 
ค่า KJ เพื่อกาหนดระดับแรงดัน 1 โวลต์
ปัจจุบนั
483,597.9  0.2 GHz/V
(เริ่ มปี 1990)
แรงดันมาตรฐาน
• มาตรฐานชั้นต้น (NPL) - ใช้เซลล์มาตรฐานเวสตัน
แรงเคลื่อนไฟฟ้า 1.01865 V ที่ 20o
Weston Cadmium Cell : emf of 1.0193, accuracy of 0.1 %
แรงดันมาตรฐาน
• มาตรฐานการทางาน (laboratory working)
มาตรฐานถ่ายโอนกระแสตรง (DC Transfer Standard)
ความต้านทานมาตรฐาน
• มาตรฐานชั้นต้น (NBS, NPL)
ทาจากลวดแมงกานิน (ทองแดง 85 %, แมงกานีส 11 %, นิเกล 4 %)
ความจุไฟฟ้ามาตรฐาน
• มาตรฐานชั้นต้น (Primary Standard)
- NIST ใช้ตวั เก็บประจุแบบคานวณได้ (Thompson – Lampard)
ค่าความจุไฟฟ้าประมาณ 2 pF ต่อเมตร
ความจุไฟฟ้ามาตรฐาน
A Maxwell dc commutated bridge  Measuring Capacitance
ใช้เปรี ยบเทียบความจุไฟฟ้ากับตัวเก็บประจุมาตรฐาน
• Standard Capacitor
- สร้างจากแผ่นโลหะที่มีอากาศเป็ นสารไดอิเล็คตริ ก
- ขนาดของแผ่นโลหะและขนาดของสารไดอิเล็กตริ กจะถูก
กาหนดไว้อย่างถูกต้อง
• Working Standard Capacitor
- ใช้ตวั เก็บประจุ Silver-mica เป็ นมาตรฐาน
ความเหนี่ยวนามาตรฐาน
• มาตรฐานชั้นต้น (Primary Standard)
- NIST (NBS, U.S.A.) ปรับเทียบตัวเหนี่ยวนาโดยใช้บริ ดจ์
ชนิดพิเศษ
- ใช้บริ ดจ์เปรี ยบเทียบความเหนี่ยวนากับมาตรฐานอ้างอิง
สาหรับความจุไฟฟ้าและความต้านทาน
แผนภูมิสืบทองมาตรฐานหน่วยทางไฟฟ้า
แผนภูมิการสอบย้อนของมาตรฐาน