石油仪器技术-第7章标准与测量误差分析1.pptx
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石油仪器技术-第7章标准与测量误差分析1.pptx
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中国石油大学(华东),石油仪器仪表主讲:
廖明燕E-Mail:
2011年09月,第7章计量与测量误差,7.1概述7.2计量与单位制7.3测量误差知识复习思考题,中国石油大学(华东)工业训练中心,“新技术革命的关键技术是信息技术。
信息技术由测量技术、计算机技术和通讯技术三部分组成。
测量技术则是关键和基础。
”没有测量就没有科学,计量科学是准确测量的基础。
如果测量涉及实现单位统一和量值准确可靠则被称为计量,因此研究测量、保证测量统一和准确的科学被称为计量学。
计量科学研究一切有关测量的理论和实践问题。
其内容包括研究确定计量单位和单位制、计量单位的复现方法和建立基准标准体系、量值传递和溯源方法,误差理论及测量结果的质量保证。
科学发展的历史表明,无论是自然科学还是社会科学,在初始阶段都是从定性描述发展起来的,后来又都向定量描述阶段过渡,最后以理论来表述。
数学表达是对自然规律最严谨的描述,没有定量的实验观测便难以证明这种表达的正确性。
中国石油大学(华东)工业训练中心,7.1概述,7.1概述,中国石油大学(华东)工业训练中心,自然科学为技术发展奠定了基础。
但技术科学的成果倘若没有可供工程计算的基本数据就不可能进行工程设计,也不可能形成规模生产能力,不言而喻,测量是获取基本数据必不可少的手段。
显然生产过程的自动化是当前提高生产劳动效率的主要途径,而节约原材料和能源除了有赖于设计和工艺方法的改进外,还与生产过程的控制有关。
自动测量不但替代了人的感官功能,而且在灵敏度、量程以及忍受的环境条件方面早已超出了人类感官的范围,有些人类尚无法感觉到的物质和现象可以靠传感器探测出来。
所以测量是人类获取生产过程信息的唯一途径。
中国石油大学(华东)工业训练中心,7.1概述,信息科学是获取信息、传递信息和处理信息的科学。
人们获取信息,对自然的认识是由感性到理性,由定性到定量的过程。
现代科学对自然的探索主要靠更精密、更高级的传感技术及测量仪器定量而精确的获得信息。
从确保其测量结果的准确可靠来讲,计量科学是准确获取信息的基础和保证。
美国国家科学技术委员会1997年发表的技术与国家利益中指出:
“不论是今天还是将来,基础科学技术对美国开发和利用新技术的能力都是至关重要的。
美国必须继续保证国家的标准研究、测量和测试能力跟上技术创新的实践。
”,中国石油大学(华东)工业训练中心,1可测的量(MeasurableQuantity)量是可以定性区别并能定量确定的现象、物体或物质的属性。
通常所说的量是指可以测量的量。
可相互比较并按大小排序的量称为同种量。
若干同种量合在一起可称为同类量,如:
功和热能。
量可以是标量如质量;也可以是矢量(或向量)如速度、加速度等。
广义的量如:
长度、时间、电阻;特定意义的量如:
杆的长度、导线的电阻。
量可以用符号表达。
如功率:
量在特定情况下总是可测知的。
此外,物理量也可以用数值和单位的乘积表示。
如:
济南柴油机厂生产的12V190型柴油机的功率为1200马力,可以写成:
P982kW(千瓦),7.2计量测试基础7.2.1基本概念,中国石油大学(华东)工业训练中心,2量制(QuantitySystem)彼此间存在确定关系的一组量,即在特定科学领域中的基本量和相应导出量的特定组合。
一个量制可以有不同的单位制。
3单位(Unit)在同类量中,选出一个特定的量作为参考量,用这个参考量与其他同类量进行比较(或对比),以表示同类量的大小,则这个参考量就叫单位。
单位是量度各种物理量数值大小的标准量,是“量”的表征。
例如为了表达长度、宽度、高度、半径和距离的大小,我们可以用市尺、市丈、米、英尺或码作为参考量度量其大小。
则市尺、市丈、米、英尺或码就叫作长度的单位。
在国际单位制中,长度选定米为基本单位。
同类量的量纲必然相同,但相同量纲的量未必同类。
7.2计量测试基础7.2.1基本概念,中国石油大学(华东)工业训练中心,4基本量和基本单位1)基本量(FundamentalQuantity)一组彼此相互独立的量称之为基本量。
在制定一种单位之前,首先要选定一组彼此相互独立的量为基础,其他的量则由这一组彼此相互独立的量通过物理方程导出。
在单位制发展的历史上,有各种单位制及相应的基本量。
例如,在工程上常见的单位制及其基本量如表7.21。
7.2计量测试基础7.2.1基本概念,表7.21各种单位制的基本量及基本单位,中国石油大学(华东)工业训练中心,2)基本单位(FundamentalUnit)在每一类基本量中,虽然有大小若干个单位,但有独立定义的单位只有一个,这个单位称之为基本单位。
而其他单位则以基本单位为基础给予定义。
基本单位的选择应符合下述几项原则:
(1)基本单位的定义应该是科学的、严格的和明确的;
(2)基本单位必须能以很高的精度复现和保持长期稳定不变;(3)基本单位应便于和导出单位建立联系,也就是便于用它来检验导出单位的准确度。
7.2计量测试基础7.2.1基本概念,中国石油大学(华东)工业训练中心,5辅助量及辅助单位除基本量外,还具有独立意义的量和单位为辅助量及辅助单位。
如SI辅助量是平面角和立体角,对应的SI辅助单位为弧度和球面度。
6导出量及导出单位1)导出量(DerivedQuantity)由基本量通过物理方程导出的物理量叫导出量。
导出量是以基本量的函数来定义的。
例1密度是单位体积内所含有的质量:
密度是基本量质量与基本量长度的三次方之比,密度就是导出量。
除基本量外,物理学中的其他物理量都是导出量。
如力、功、功率、电荷、电阻、磁通等都是导出量。
7.2计量测试基础7.2.1基本概念,中国石油大学(华东)工业训练中心,2)导出单位(DerivedUnit)由基本单位和辅助单位以相乘、相除形式构成的单位叫导出单位。
例2,则,,距离属于长度的量,其SI基本单位是米(m),而时间的SI基本单位是秒(s),所以m/s(米每秒)我们把“米每秒”称之为SI导出单位。
在国际单位制中,导出单位的数量与物理量的数量是相等的。
7.2计量测试基础7.2.1基本概念,中国石油大学(华东)工业训练中心,1SI单位制缘起单位制指为已规定的量制按规则确定的一组基本单位和导出单位。
SI是国际单位制(InternationalSystemofUnits)的简称,取自于法文:
Systmeinternationaldunits(SI)。
1948年召开的第九届国际计量大会作出了决定,要求国际计量委员会创立一种简单而科学的、供所有米制公约组织成员国均能使用的实用单位制。
1954年第十届国际计量大会决定采用米(m)、千克(kg)、秒(s)、安培(A)、开尔文(K)和坎德拉(cd)作为基本单位。
1960年第十一届国际计量大会(CGPM)决定将以这六个单位为基本单位的实用计量单位制命名为“国际单位制”,并规定其符号为“SI”。
1974年的第十四届国际计量大会又决定增加将物质的量的单位摩尔(mol)作为基本单位。
因此,目前国际单位制共有七个基本单位。
7.2计量测试基础7.2.2国际单位制,中国石油大学(华东)工业训练中心,2SI单位SI单位是国际单位制中构成一贯制的那些单位。
除质量外,均不带词头(质量的SI基本单位为千克(kg)。
SI单位由三部分组成:
7.2计量测试基础7.2.2国际单位制,中国石油大学(华东)工业训练中心,3SI词头只有SI单位,还不能满足不同领域需要不同大小的单位。
如长度的SI基本单位为米。
对天文学来说,米的单位就显得太小;而对物质结构的微观世界来说,米的单位又太大了。
为了适应不同领域的需要,国际单位制规定了一套词头,称为SI词头。
把SI词头加在SI单位前就可以构成国际单位制的倍数和分数单位。
词头多用于科学研究和工程技术方面,日常生活中一般不使用词头。
规定使用的词头其名称、符号及所代表的因数见下表7.22。
7.2计量测试基础7.2.2国际单位制,中国石油大学(华东)工业训练中心,表7.22用于构成十进倍数和分数单位的词头,7.2计量测试基础7.2.2国际单位制,中国石油大学(华东)工业训练中心,4国际单位制1)国际单位制的构成国际单位制是由SI单位和SI单位的十进制倍数和分数单位及几部分组成。
7.2计量测试基础7.2.2国际单位制,SI单位的十进制倍数和分数单位,中国石油大学(华东)工业训练中心,2)国际单位制的单位SI是国际单位制的简称,如上所述;SI单位并不是“国际单位制的单位”的同义语;两者的概念不同。
SI单位包括SI基本单位、SI辅助单位和SI导出单位,而国际单位制的单位是指SI单位和SI单位的十进倍数单位的总和。
例如:
长度的SI基本单位是米,而长度的国际单位制的单位不仅包括米,而且也包括米的倍数单位:
千米(km)、厘米(cm)、毫米(mm)、微米(m)、纳米(rim)、皮米(pm)、飞米(fm)等。
所以,SI单位不等于国际单位制的单位,SI单位是国际单位制的单位的一个组成都分。
7.2计量测试基础7.2.2国际单位制,中国石油大学(华东)工业训练中心,
(1)SI基本量及SI基本单位在国际单位制中,考虑了这些要求,根据当代最高的科学技术水平,选定的七个基本量及七个基本单位分别构成国际单位制的基本量及基本单位,称之为SI基本量及SI基本单位,如表7.33所示。
7.2计量测试基础7.2.2国际单位制,表7.23SI基本量及SI基本单位,中国石油大学(华东)工业训练中心,
(2)SI辅助量及SI辅助单位在国际单位中,还确定了两个SI辅助量,它们是平面角和立体角,对应的SI辅助单位为弧度和球面度。
这两个单位即可作为基本单位使用,又可作为导出单位使用。
称之为辅助单位。
如下表表7.24所示。
7.2计量测试基础7.2.2国际单位制,表7.24SI辅助单位,中国石油大学(华东)工业训练中心,3)SI导出量及SI导出单位SI导出单位是指一贯性导出单位。
即在导出量的定义方程中,当各基本量以SI基本单位代入时,定义方程的系数为1的导出单位就叫SI导出单位。
常用的具有专门名称的SI导出单位如表7.25。
7.2计量测试基础7.2.2国际单位制,中国石油大学(华东)工业训练中心,表7.25SI导出单位示例,7.2计量测试基础7.2.2国际单位制,中国石油大学(华东)工业训练中心,例3力的定义方程为:
Fma,这是一个导出量。
力的单位方程为Fma(7.2-1)质量的SI基本单位是千克(kg),加速度是一个导出量,它的定义方程是,加速度的一贯性导出单位为ams2,代入力的单位方程
(1)中,则Flkgms2所以,力的单位“千克米每二次方秒”就叫SI导出单位(或者叫一贯性导出单位)。
综上所述,SI导出单位必须具备两个条件:
其一是导出量中的各基本量必须是SI基本单位,其二是单位方程的系数必须是1。
7.2计量测试基础7.2.2国际单位制,中国石油大学(华东)工业训练中心,例4速度的定义方程为,如果时间的单位取秒(s),长度的单位取厘米(cm),,虽然单位方程的系数为l,时间秒也是SI基本单位,但长度厘米不是SI基本单位,因此,速度单位“厘米每秒”就不是SI导出单位,但“厘米每秒”是国际单位制的单位。
7.2计量测试基础7.2.2国际单位制,中国石油大学(华东)工业训练中心,例5千瓦小时是电工上使用的单位。
电就是用这个单位出售给用户的。
它的定义为:
“在1伏特的电动势下,1千安培电流流动1小时所包含的能量”。
lkWh1伏特1000安培3600秒3.6106kgm2S2在千瓦小时的单位方程中,各基本量都是SI基本单位,但由于单位方程的系数不是l,因此,千瓦小时不能称之为SI导出单位。
7.2计量测试基础7.2.2国际单位制,中国石油大学(华东)工业训练中心,5SI单位的十进制倍数单位由词头加在SI单位之前构成相应的倍数(包括分数)单位。
七个基本单位的十进制倍数(分数)单位见表7.26。
表7.26SI基本单位的十进倍数(分数)单位,7.2计量测试基础7.2.2国际单位制,中国石油大学(华东)工业训练中心,6SI基本单位的定义国际单位制是计量学研究的基础和核心。
特别是七个基本单位的复现、保存和量值传递是计量学最根本的研究课题。
到目前为止,七个基本单位最科学的定义如下。
1)长度:
米(m)米是1/299792458秒的时间间隔内光在真空中行程的长度。
2)质量:
千克(kg)千克定义为国际千克原器的质量。
3)时间:
秒(s)一秒为铯133原子基态两个超精细能级间跃迁辐射9,192,631,770周所持续的时间。
国际原子时是根据以上秒的定义的一种国际参照时标,属国际单位制(SI)。
7.2计量测试基础7.2.2国际单位制,中国石油大学(华东)工业训练中心,4)电流:
安培(A)安培是一恒定电流,若保持在处于真空中相距1米的两无限长,而圆截面可忽略的平行直导线内,则两导线之间产生的力在每米长度上等于2107牛顿。
5)热力学温度:
开尔文(K)以绝对零度(0K)为最低温度,规定水的三相点的温度为273.16K,1K等于水三相点温度的1273.16。
热力学温度T与人们惯用的摄氏温度t的关系是Tt273.16,因为水的冰点温度近似等于273.16K,并规定热力学温度的单位开(K)与摄氏温度的单位摄氏度()完全相同。
7.2计量测试基础7.2.2国际单位制,中国石油大学(华东)工业训练中心,6)发光强度:
坎德拉(cd)坎德拉是一光源在给定方向上的发光强度,该光源发出频率为5401012赫兹的单色辐射,而且在此方向上的辐射强度为1683瓦特每球面度。
定义中的5401012赫兹辐射波长约为555nm,它是人眼感觉最灵敏的波长。
7)物质的量:
摩尔(mol)摩尔是指所包括的基本单元数与0.012千克碳12的原子数目相等的系统的物质的量。
根据科学测定,0.012千克碳12所含的C原子数为6.02209431023(阿伏加德罗常数)。
所以,凡是含有阿伏加德罗常数个基本单元(约6.0221023)的物质,其物质的量为1摩尔。
物质的量单位摩是表示组成物质基本单元数目多少的物理量(物质的量是一个专用名词,不可分割和省略),摩是物理量物质的量的单位,在使用摩时应指明基本单元可以是原子、分子、离子、电子或其它粒子,也可是这些粒子的特定组合。
7.2计量测试基础7.2.2国际单位制,中国石油大学(华东)工业训练中心,7国际单位制的优越性1)统一性国际单位制选定了七个基本量及其相应的基本单位。
每一个基本单位都有严格的定义。
容易复现,并反映了现代科学技术的最新水平。
用这七个基本量和基本单位可构成所有的理论科学和技术科学所用的各种单位,不仅能满足各学科所需单位的要求,并能使各个学科之间的单位得以统一。
例如:
用米、千克、秒可构成几何学、运动学、力学、声学单位,开尔文可构成热力学单位;安培可构成电学、电磁学的单位,坎德拉可构成光学单位,摩尔可构成化学、物理化学单位。
7.2计量测试基础7.2.2国际单位制,中国石油大学(华东)工业训练中心,2)科学性国际单位制对各单位都规定了科学而明确的概念。
澄清了许多量和单位的模糊概念。
例如长期以来,千克在米、千克、秒制中是质量的单位,而在工程单位制中,千克(力)又是三个基本量(即长度、力、秒)之一力的基本单位。
千克(力)是这样定义的,一千克质量的物体在北纬海平面上所受的重力(地球引力)定义为一个力的单位。
因此人们常常分不清千克什么时候是质量的单位,什么时候是力的单位。
实际上,质量和重力(重量)是两个不同性质的量。
现在使用不同单位,就更准确、更科学地表达质量和重量的概念。
7.2计量测试基础7.2.2国际单位制,中国石油大学(华东)工业训练中心,3)继承性国际单位制是在米制基础上发展起来的。
继承了米制的精华,克服了米制的不足之处,使之更加完善。
主要表现在以下几方面。
(1)继承了米制先进的十进位制历史上许多单位制是非十进位制,如我国的老秤就是一斤等于16两。
使用时造成许多不便之处。
国际单位制中的倍数和分数单位是用10进位词头加在SI单位之前构成的。
其命名方法也具有简便的系统性,使用十分方便。
如长度单位m(米)有:
km(千米),cm(厘米),mm(毫米),pm(微米),nm(纳米),pm(皮米),fm(飞米)等。
(2)继承了米制大部分常用单位国际单位制的基本单位和导出单位,大部分是在米制中得到广泛应用的单位。
如基本单位的米、千克、秒、安培都是过去人们所熟悉的;一贯性导出单位的米、米秒、伏特、欧姆、焦耳等也都是常用的单位。
7.2计量测试基础7.2.2国际单位制,中国石油大学(华东)工业训练中心,(4)先进性国际单位制体现了当前世界科学技术的最新水平。
主要体现在:
1)定义先进在七个基本量中,除质量单位千克以外,基它六个基本量的基本单位都实现了自然基准。
其定义都反应了当今科学技术的先进水平。
(2)复现精度高目前七个基本单位复现准确度如下:
米(m)复现精度为10-9千克(kg)复现精度为10-9秒(s)复现精度为10-13安培(A)复现精度为10-6开尔文(K)复现精度为10-8摩尔(mol)复现精度为10-5坎德拉(cd)复现精度为10-4,7.2计量测试基础7.2.2国际单位制,中国石油大学(华东)工业训练中心,我国在1986年7月1日起实施的“中华人民共和国计量法”中规定:
国家采用国际单位制。
国际单位制计量单位和国家选定的其他计量单位,为国家法定计量单位。
国家法定计量单位的名称、符号由国务院公布。
1我国法定计量单位的构成我国的法定计量单位包括:
1)国际单位制的基本单位(见表7.2-3,共7个);2)国际单位制的辅助单位(见表7.2-4,共2个);3)国际单位制中具有专门名称的导出单位(见表7.2-5,共19个);4)国家选定的非国际单位制单位(见表7.2-7,共10个);5)由以上单位构成的组合形式的单位;6)由词头和以上单位所构成的十进倍数和分数单位(词头见表7.2-6)。
7.2计量测试基础7.2.3国家法定单位制,中国石油大学(华东)工业训练中心,表7.27国家选定的非国际单位制单位,7.2计量测试基础7.2.3国家法定单位制,中国石油大学(华东)工业训练中心,2单位的名称和符号在有关量和单位的15个国家标准中,共列出了600多个物理量及相应的单位名称和符号,其中只有19个单位给予了专门名称,见表7.25。
为了说明大量的SI导出单位的名称和符号,列出表7.2-8。
表7.28量和单位的名称及符号,7.2计量测试基础7.2.3国家法定单位制,中国石油大学(华东)工业训练中心,1)凡SI单位名称来源于人名者,原则上都给予音译的中文名称,如力的单位的中文名称为“牛顿”,压力单位的中文名称为“帕斯卡”,电流单位的中文名称为“安培”等。
2)组合单位的中文名称与国际符号表示的顺序一致。
符号中乘号没有对应的名称,除号的对应名称为“每”字,无论分母有几个单位,“每”字都只出现一次。
如比热容单位的国际符号为J/(kgK),这个单位的中文名称是“焦耳每千克开尔文”,而不是“每千克开尔文焦耳”或“焦耳每千克每开尔文”。
3)乘方形式的单位名称,其顺序应是指数名称在前,单位名称在后。
相应指数的名称由数字加“次方”二字构成。
如:
动量矩单位的国际符号是kgm2/s,该单位的中文名称是“千克二次方米每秒”。
7.2计量测试基础7.2.3国家法定单位制,中国石油大学(华东)工业训练中心,4)当长度的二次和三次幂是特指面积和体积时,则相应的指数名称为“平方”和“立方”,并置于长度单位之前,其他情况称之为“二次方和“三次方”。
例如:
体积单位的国际符号为“m3”,这个单位的中文名称是“立方米”,而截面系数单位的国际符号也是“m3”,但它不是指体积,因此,这个单位的中文名称为“三次方米”。
5)书写单位名称不加任何表示乘或除的符号或其他符号。
如:
电阻率单位的符号为“m,这个单位的中文名称为“欧姆米”,而不是“欧姆米”、“欧姆一米”或“(欧姆)(米)”等。
7.2计量测试基础7.2.3国家法定单位制,中国石油大学(华东)工业训练中心,3单位的国际符号1)计量单位的符号一律用正体字母。
来源于人名的单位符号要正体大写。
如力的单位的国际符号“N”。
非来源于人名的单位符号要正体小写。
如长度单位的国际符号为“m”,时闻单位的国际符号为“s”等。
但升的国际符号“L”和天文单位距离的符号“A”例外。
来源于人名的单位,且由二个字母构成者,则第一个字母正体大写,第二个字母正体小写。
如压力单位的国际符号为“Pa”。
7.2计量测试基础7.2.3国家法定单位制,中国石油大学(华东)工业训练中心,2)由两个以上单位相乘构成的组合单位,其国际符号有下列两种形式:
例如:
动力粘度单位“帕斯卡秒”的国际符号是Pas或Pas。
若组合单位符号中,某单位符号同时又是词头符号并有可能发生混淆时,则应尽量将该单位的国际符号置于右侧。
例如:
力矩单位“牛顿米”的国际符号应写成“Nm”,而不应写成“mN”。
否则,会被误认为是“毫牛”。
3)由两个以上单位相除所构成的组合单位,其国际符号可采用以下三种形式:
如密度的SI单位为“千克每立方米”,其国际符号可用:
kgm3;kgm-3;kgm-3。
当可能发生误解时,尽量用圆点或斜线的形式。
7.2计量测试基础7.2.3国家法定单位制,中国石油大学(华东)工业训练中心,4)在用斜线表示相除时,单位符号的分子和分母都与斜线处于同一行内。
当分母中包含两个以上单位符号时,整个分母一般应加圆括号;在j个组合单位的符号中,除加括号避免混淆外,斜线不得多于一条。
例如:
传热系数单位的国际符号应是“W/(m2K)”,而不应是“W/m2/K”。
5)单位的名称或符号必须作为一个整体使用,不得拆开。
例如:
摄氏温度单位“摄氏度”表示的量值应写成并读成“20摄氏度”,书写时应写成“20”,而不应写成“20。
C”或“20C”,或读成“摄氏20度。
7.2计量测试基础7.2.3国家法定单位制,中国石油大学(华东)工业训练中心,6)分子无量纲而分母有量纲的组合单位即分子为l的组合单位的符号,一般不用分式而用负数幂的形式。
例如:
波数单位的符号是m-1,一般不用1/m。
7)单位和词头的符号应按其名称或者简称读音,而不得按字母读音。
8)摄氏温度的单位“摄氏度”的符号,可做为中文符号使用,可与其它中文符号构成组合形式的单位。
9)非物理量的单位(如:
件、台、人等)可用汉字与符号构成组合形式单位。
7.2计量测试基础7.2.3国家法定单位制,中国石油大学(华东)工业训练中心,4单位的中文符号1)在初中、小学课本和普及书刊中有必要时,可将单位的中文简称(包括带有中文词头的简称)作为这个单位的中文符号使用。
这样的符号以下简称为“中文符号”。
如:
“开”、“安”、“牛”、“帕”等,分别是“开尔文”、“安培”、“牛顿”、和“帕斯卡”的简称。
都可作为中文符号使用。
2)由两个以上单位相乘所构成的组合单位,其中文符号只用一种形式,即用居中圆点代表乘号。
例如:
动力粘度单位“帕斯卡秒”的中文符号应为“帕秒”,而不应写成“帕秒”、“(帕秒”、“帕(秒”、“帕一秒”或“(帕)(秒)”等。
7.2计量测试基础7.2.3国家法定单位制,3)由两个以上单位相除构成的组合单位,其中文符号可采用以下两种形式,如:
密度单位的中文名称为“千克每立方米”,则它的中文符号可写成“千克/米3”或“千克米-3”。
4)在进行运算时,组合单位中的除号可用水平横线表示,如速度单位可写成:
。
中国石油大学(华东)工业训练中心,。
7.2计量测试基础7.2.3国家法定单位制,中国石油大学(华东)工业训练中心,。
5SI词头使用规则1)按词头定义,SI词头不能单独使用,必须加在单位之前才有意义。
使用时,词头与所紧接的单位(即SI基本单位,SI辅助单位和具有专门名称的SI导出单位,而不是指组合单位的整体),应作为一个整体对待,它们一起组成一个新单位(十进倍数单位)。
如:
力的单位是牛顿(N),使
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- 石油 仪器 技术 标准 测量误差 分析