Метрология — наука об измерениях

Метрология — наука об измерениях

Виды измерений

Физические величины как объект измерений

Международная система единиц физических величин

Метрология — наука об измерениях

Метрология(от греч. "метро" - мера, "логос" - учение) — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и требуемой точности (здесь и далее толкование терминов соответствует МИ-2247-93 "Рекомендация. Метрология. Основные термины и определения").

Современная метрология включает три составляющие: законодательную метрологию, фундаментальную (научную) и практическую (прикладную) метрологию.

Метрология как наука и область практической деятельности возникла в древние времена. Основой системы мер в древнерусской практике послужили древнеегипетские единицы измерений, а они, в свою очередь были заимствованы в древней Греции и Риме. Естественно, что каждая система мер отличалась своими особенностями, связанными не только с эпохой, но и с национальным менталитетом.

Наименования единиц и их размеры соответствовали возможности осуществления измерений "подручными" способами, не прибегая к специальным устройствам. Так, на Руси основными единицами длины были пядь и локоть, причем пядь служила основной древнерусской мерой длины и означала расстояние между концами большого и указательного пальца взрослого человека. Позднее, когда появилась другая единица — аршин — пядь (1/4 аршина) постепенно вышла из употребления.

Мера локоть пришла к нам из Вавилона и означала расстояние от сгиба локтя до конца среднего пальца руки (иногда — сжатого кулака или большого пальца).

С XVIII в, в России стали применяться дюйм, заимствованный из Англии (назывался он "палец"), а также английский фут. Особой русской мерой была са­жень, равная трем локтям (около 152 см) и косая сажень (около 248 см).

Указом Петра I русские меры длины были согласованы с английскими, и это по существу — первая ступень гармонизации российской метрологии с евро­пейской.

Метрическая система мер введена во Франции в 1840 г. Большую значи­мость ее принятия в России подчеркнул Д.И. Менделеев, предсказав большую роль всеобщего распространения метрической системы как средства содействия "будущему желанному сближению народов",

С развитием науки и техники требовались новые измерения и новые едини­цы измерения, что стимулировало в свою очередь совершенствование фундамен­тальной и прикладной метрологии.

Первоначально прототип единиц измерения искали в природе, исследуя мак­рообъекты и их движение. Так, секундой стали считать часть периода обращения Земли вокруг оси. Постепенно поиски переместились на атомный и внутриатом­ный уровень, В результате уточнялись "старые" единицы (меры) и появились новые. Так, в 1983 г. было принято новое определение метра: это длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды. Это стало возмож­ным после того, как скорость света в вакууме (299792458 м/с) метрологи приня­ли в качестве физической константы. Интересно отметить, что теперь с точки зрения метрологических правил метр зависит от секунды.

В 1988 г. на международном уровне были приняты новые константы в области измерений электрических единиц и величин, а в 1989 г. принята новая Международная практическая температурная шкала МТШ-90.

На этих нескольких примерах видно, что метрология как наука динамично развивается, что, естественно, способствует совершенствованию практики измере­ний во всех других научных и прикладных областях.

Качеством и точностью измерений определяется возможность разработки принципиально новых приборов, измерительных устройств для любой сферы техники, что говорит в пользу опережающих темпов развития науки и техники измерений, т.е. метрологии.

Вместе с развитием фундаментальной и практической метрологии происхо­дило становление законодательной метрологии.

Законодательная метрология — это раздел метрологии, включающий комплек­сы взаимосвязанных и взаимообусловленных общих правил, а также другие во­просы, нуждающиеся в регламентации и контроле со стороны государства, направ­ленные на обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений.

Законодательная метрология служит средством государственного регулиро­вания метрологической деятельности посредством законов и законодательных по­ложений, которые вводятся в практику через Государственную метрологическую службу и метрологические службы государственных органов управления и юри­дических лиц. К области законодательной метрологии относятся испытания и ут­верждение типа средств измерений и их поверка и калибровка, сертификация средств измерений, государственный метрологический контроль и надзор за сред­ствами измерений.

Метрологические правила и нормы законодательной метрологии гармонизо­ваны с рекомендациями и документами соответствующих международных орга­низаций. Тем самым законодательная метрология способствует развитию между­народных экономических и торговых связей и содействует взаимопониманию в международном метрологическом сотрудничестве.

Рассмотрим содержание основных понятий фундаментальной и практиче­ской метрологии.

Измерения как основной объект метрологии связаны как с физическими величи­нами, так и с величинами, относящимися к другим наукам (математике, психологии, медицине, общественным наукам и др.). Далее будут рассматриваться понятия, относящиеся к физическим величинам.

Физической величиной называют одно из свойств физического объекта (явле­ния, процесса), которое является общим в качественном отношении для многих физических объектов, отличаясь при этом количественным значением. Так, свойство "прочность" в качественном отношении характеризует такие материалы, как сталь, дерево, ткань, стекло и многие другие, в то время как степень (количест­венное значение) прочности — величина для каждого из них совершенно разная.

Измерением называют совокупность операций, выполняемых с помощью технического средства, хранящего единицу величины и позволяющего сопоста­вить с нею измеряемую величину. Полученное значение величины и есть резуль­тат измерений. Интересно отметить соответствие в целом этой современной трак­товки с толкованием данного термина философом П. А. Флоренским, которое во­шло в "Техническую энциклопедию" издания 1931 г.: "Измерение — основной познавательный процесс науки и техники, посредством которого неизвестная ве­личина количественно сравнивается с другою, однородною с ней и считаемою из­вестной".

Одна из главных задач метрологии — обеспечение единства измерений — может быть решена при соблюдении двух условий, которые можно назвать осно­вополагающими:

• выражение результатов измерении в единых узаконенных единицах;

• установление допустимых ошибок (погрешностей) результатов измерений и пределов, за которые они не должны выходить при заданной вероятности.

Погрешностью называют отклонение результата измерений от действитель­ного (истинного) значения измеряемой величины. При этом следует иметь в виду, что истинное значение физической величины считается неизвестным и применяется в теоретических исследованиях; действительное значение физической величины ус­танавливается экспериментальным путем в предположении, что результат экспе­римента (измерения) в максимальной степени приближается к истинному значению. Погрешности измерений приводятся обычно в технической документации на сред­ства измерений или в нормативных документах. Правда, если учесть, что погреш­ность зависит еще и от условий, в которых проводится само измерение, от экспе­риментальной ошибки методики и субъективных факторов человека в случаях, где он непосредственно участвует в измерениях, то можно говорить о нескольких составляющих погрешности измерений либо о суммарной погрешности.

Единство измерений, однако, не может быть обеспечено лишь совпадением погрешностей. Требуется еще и достоверность измерений, которая говорит о том, что погрешность не выходит за пределы отклонений, заданных в соответст­вии с поставленной целью измерений. Есть еще и понятие точности измерений, которое характеризует степень приближения погрешности измерений к нулю, т.е. к истинному значению измеряемой величины.

Обобщает все эти положения современное определение понятия единство измерений — состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах, а погрешности известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы.

Как выше отмечалось, мероприятия по реальному обеспечению единства из­мерений в большинстве стран мира установлены законами и входят в функции законодательной метрологии, к рассмотрению которых обратимся позже.

А сейчас перейдем к содержанию основного объекта метрологии — измерений.

Виды измерений

Измерения различают по способу получения информации, по характеру изменений измеряемой величины в процессе измерений, по количеству измерительной информации, по отношению к основным единицам.

По способу получения информации измерения разделяют на прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямые измерения - это непосредственное сравнение физической величины с ее мерой. Например, при определении длины предмета линейкой происходит сравнение искомой величины (количественного выражения значения длины) с мерой, т.е. линейкой.

Косвенные измерения отличаются от прямых тем, что искомое значение величины устанавливают по результатам прямых измерений таких величин, которые связаны с искомой определенной зависимостью. Так, если измерить силу тока амперметром, а напряжение вольтметром, то по известной функциональной взаимосвязи всех трех названных величин можно рассчитать мощность электрической цепи.

Совокупные измерения сопряжены с решением системы уравнений, составляемых по результатам одновременных измерений нескольких однородных величин. Решение системы уравнений дает возможность вычислить искомую величину.

Совместные измерения — это измерения двух или более неоднородных фи­зических величин для определения зависимости между ними.

Совокупные и совместные измерения часто применяют в измерениях различных параметров и характеристик в области электротехники.

По характеру изменения измеряемой величины в процессе измерений бывают статистические, динамические и статические измерения.

Статистические измерения связаны с определением характеристик случайных процессов, звуковых сигналов, уровня шумов и т.д. Статические измеренияимеют место тогда, когда измеряемая величина практически постоянна.

Динамические измерения связаны с такими величинами, которые в процессе измерений претерпевают те или иные изменения.

Статические и динамические измерения в идеальном виде на практике редки.

По количеству измерительной информации различают одно­кратные и многократные измерения.

Однократные измерения - это одно измерение одной величины, т.е. число измерений равно числу измеряемых величин. Практическое применение такого вида измерений всегда сопряжено с большими погрешностями, поэтому следует проводить не менее трех однократных измерений и находить конечный результат как среднее арифметическое значение.

Многократные измерения характеризуются превышением числа измерений количества измеряемых величин. Обычно минимальное число измерений в данном случае больше трех. Преимущество многократных измерений - в значительном снижении влияний случайных факторов на погрешность измерения.

По отношению к основным единицам измерения делят на абсолютные и относительные.

Абсолютными измерениями называют такие, при которых используются прямое измерение одной (иногда нескольких) основной величины и физическая константа. Так, в известной формуле Эйнштейна Е=тс² масса (т) -основная физическая величина, которая может быть измерена прямым путем (взвешиванием), а скорость света (с) - физическая константа.

Относительные измерения базируются на установлении отношения изме­ряемой величины к однородной, применяемой в качестве единицы. Естественно, что искомое значение зависит от используемой единицы измерений.

С измерениями связаны такие понятия, как "шкала измерений", "принцип измерений", "метод измерений",

Шкала измерений -это упорядоченная совокупность значений физической величины, которая служит основой для ее измерения. Поясним это понятие на примере температурных шкал.

В шкале Цельсия за начало отсчета принята температура таяния льда, а в качестве основного интервала (опорной точки) - температура кипения воды. Одна сотая часть этого интервала является единицей температуры (градус Цельсия). В температурной шкале Фаренгейта за начало отсчета принята температура тая­ния смеси льда и нашатырного спирта (либо поваренной соли), а в качестве опорной точки взята нормальная температура тела здорового человека. За едини­цу температуры (градус Фаренгейта) принята одна девяносто шестая часть ос­новного интервала. По этой шкале температура таяния льда равна + 32°F, а тем­пература кипения воды + 212°F. Таким образом, если по шкале Цельсия раз­ность между температурой кипения воды и таяния льда составляет 100°С, то по Фаренгейту она равна 180°F. На этом примере мы видим роль принятой шкалы как в количественном значении измеряемой величины, так и в аспекте обеспече­ния единства измерений. В данном случае требуется находить отношение разме­ров единиц, чтобы можно было сравнить результаты измерений, т.е. t°F/t°C.

В метрологической практике известны несколько разновидностей шкал: шкала наименований, шкала порядка, шкала интервалов, шкала отношений и др.

Шкала наименований — это своего рода качественная, а не количественная шкала, она не содержит нуля и единиц измерений. Примером может служить атлас цветов (шкала цветов). Процесс измерения заключается в визуальном сравнении окрашенного предмета с образцами цветов (эталонными образцами атласа цветов). Поскольку каждый цвет имеет немало вариантов, такое сравнение под силу опытному эксперту, который обладает не только практическим опытом, но и соответствующими особыми характеристиками зрительных возможностей

Шкала порядка характеризует значение измеряемой величины в баллах (шкала землетрясений, силы ветра, твердости физических тел и т.п.).

Шкала интервалов (разностей) имеет условные нулевые значения, а интер­валы устанавливаются по согласованию. Такими шкалами являются шкала времени, шкала длины.

Шкала отношений имеет естественное нулевое значение, а единица измерений устанавливается по согласованию. Например, шкала массы (обычно мы говорим "веса"), начинаясь от нуля, может быть градуирована по-разному в зависимости от требуемой точности взвешивания. Сравните бытовые и аналитические весы.