LCT_MЕS1 (Теоретическая механика лекции из МАИ (ворд))

Л Е К Ц И И

по дисциплине “Метрология и информационно-измерительная техника ”

Для первого потока ЭлМФ

лектор проф Солопченко Г.Н.

1. Введение.

1.1 Метрология и метрологическое обеспечение

Метрология (metrology) - сфера деятельности и наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Измерение (measurement) - познавательный процесс, заключающийся в нахождении численного значения измеряемой величины (of a measurand) опытным путем с помощью специальных технических средств, называемых средствами измерений.

Измеряемая величина (measurand) - величина, подлежащая измерению.

Величина (quantity)- свойство (атрибут) физического объекта (явления, вещества, изделия, биологического объекта), которое может определяться количественно.

Размер величины (size of a quantity) - количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию “величина”.

Значение величины (value of a quantity) - выражение размера величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц.

Единица величины (unit of a quantity)- величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное единице.

Единство измерений (traceability of a measurement) - состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах величин и погрешности измерений не выходят за установленные границы с заданной вероятностью.

Достижение единства измерений приводит к обеспечению взаимного доверия к результатам измерений вне зависимости от места их выполнения. Подобное состояние измерений приобретает особое значение для научного, технического и экономического сотрудничества и торговли, при разрешении спорных вопросов и претензий как внутри стран, так и на межгосударственном уровне. Не случайно поэтому первым межгосударственным соглашением в истории нашей планеты, подписанным 20 мая 1875 года, явилась Метрическая Конвенция, а первой межправительственной организацией - Международное Бюро Мер и Весов (МБМВ или в латинской аббревиатуре французского происхождения - BIMP).

Государственное управление по обеспечению единства измерений в Российской Федерации осуществляет Государственный Комитет РФ по стандартизации, метрологии и сертификации (Госстандарт РФ) через Государственные научные метрологические центры (метрологические институты), территориальные органы государственного метрологического надзора, действующие во всех субъектах федерации, а также через метрологические службы юридических лиц, аккредитованные в установленном порядке.

Метрологическое обеспечение (metrological assurance) - установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений, которые выполняются во всех без исключения сферах деятельности человека.

Метрологическое обеспечение отраслей науки и промышленности, экологического мониторинга, здравоохранения, торговли, контроля безопасности, вооружений и судебного производства заключается в выполнении следующих основных функций:

- разработка, изготовление и хранение государственных эталонов, воспроизводящих единицы измеряемых величин,

- осуществление международных сличений государственных эталонов, передача размеров единиц величин рабочим средствам измерений,

- разработка законодательных актов и нормативных документов в области метрологии и практических измерений, контроль за их исполнением,

- разработка и промышленный выпуск рабочих средств измерений,

- контроль за состоянием и сохранностью декларированных производителем метрологических свойств средств измерений, выпускаемых из производства, а также находящихся в эксплуатации или на хранении,

- выполнение рабочих измерений во всех сферах деятельности и в отраслях народного хозяйства,

- разработка методик выполнения измерений, включающих в себя методики оценки характеристик погрешностей результатов измерений, выполнение измерений, контроль за исполнением методик выполнения измерений.

Основные работы по метрологическому обеспечению, выполняемые в интересах государства, а именно, разработка и хранение государственных эталонов, фундаментальные исследования в области метрологии, разработка государственных нормативных документов, государственный метрологический надзор подлежат обязательному государственному финансированию. При разработке федеральных и иных государственных программ, в том числе, программ создания и развития производства оборонной техники в них должны быть предусмотрены разделы метрологического обеспечения.

К подобным программам относятся программы обеспечения всех видов безопасности населения по отношению к причинам техногенного, экологического, медицинского, преступного и иного характера.

1.2. Роль и значение измерений и метрологии в развитии общества

Измерение становится важным видом человеческой деятельности еще на раннем этапе развития торговли, строительства, землевладения и навигации. Этот этап начался задолго до наступления новой эры в древних царствах: ассиро-вавилонском и в Египте .

На ранних стадиях измерительный процесс заключался в простом счете количества содержания той или иной меры в измеряемой величине. Позднее, как свидетельствуют результаты многочисленных археологических исследо­ваний, под влиянием хозяйственной необходимости в древней Вавилонии, в древнем Египте, не говоря уже о древней Греции и Риме, материальное обеспечение измерений заключалось в изготовлении и хранении мер, в основном, мер длины, объема и массы, а также в организации процесса сопоставления значения измеряемой величины с мерой. Тем не менее несмотря на сильное влияние стройной системы древнеегипетских мер, которая сложилась примерно в III веке до н.э, в разных государствах системы мер различались, Позже превалирующую роль начали играть системы мер, складывавшиеся в древней Греции и Риме, но до унификации мер было еще далеко, и при выполнении торговых операций это создавало значительные трудности, которые преодолевались специальными соглашениями о согласовании мер. Древним прототипом одной из задач современной законодательной метрологии была задача согласования этих мер. Кроме того осуществлялись и надзорные действия, имевшие целью предотвращение злоупотреблений при измерениях.

Насколько важными были во все времена вопросы обеспечения единства и правильности практических измерений, свидетельствует такой авторитетный источник, как Библия, где содержатся многочисленные указания об этом. Приведем лишь два из них.

“Гиря твоя должна быть точная и правильная, ... , чтобы продлились дни твои на Земле, которую Господь, Бог твой дает тебе” (Второзаконие, гл. 25, ст. 14).

“Неодинаковые весы, неодинаковая мера, то и другое - мерзость перед Господом” (Притчи Соломоновы, гл. 20, ст.10).

Вплоть до XV века надзор за единством и правильностью измерений, за сохранностью образцовых мер осуществляло духовенство. Образцовые меры находились на ответственном хранении в храмах, а для практического использования рассылались официальные копии этих мер с удостоверением их правильности. Наряду с этим существенную регулирующую роль в области измерений играли директивные акты руководителей государств. В частности, большое историческое значение для становления единства измерений в России сыграла деятельность князей Владимира (Устав о церковных судах, X век), Святослава Ярославича (“золотой пояс”, как мера длины, XI век), Всеволода Мстиславича (“Устав о церковных судах и о людех и о мерилах торговых” 1134 - 1135 г.г.), царей Ивана Грозного и Петра Великого. Так, князь Всеволод Мстиславич, как это ранее делал Владимир, поручал “блюсти ... мерила и спуды и звесы и ставила” высшим церковным иерархам, и наказывал им, чтобы они заботились о сохранности порученных мер, “якоже и о душах человеческих”.

Основная научная деятельность в области измерений и обеспечении их единства в период времени до XV века состояла в попытках сопоставления и гармонизации систем мер, применяемых в государствах, ведущих торговые отношения. Примером такой деятельности могут служить сопоставительные измерения, которые производил дьякон Игнатий в 1389 году в Иерусалимском храме и в храме близ Истры.

Среди выдающихся достижений в области практических измерений следует отметить угловые измерения, выполненные Улугбеком в своей гигантской обсерватории близ Самарканда. В результате этих измерений задолго до изобретения оптических линз Улугбеку удалось построить карту звездного неба с погрешностью, не превышающей одной угловой минуты.

Начиная с XVII - XVIII веков в связи с ускорением развития науки и техники и для удовлетворения растущих потребностей в измерениях номенклатура измеряемых величин и соответствующих мер начала расширяться в точном соответствии с известным высказыванием Г.Галилея “Измеряй все доступное измерению и делай доступным все недоступное ему”. Появилась необходимость в измерении температуры, давления, плотности, скорости, ускорения, магнитных, а затем и электрических величин. Стали совершенствоваться методики выполнения измерений, появились новые средства измерений, создание которых и методики их применения нуждались в существенной теоретической поддержке. В области измерений и метрологии в XVIII веке вели исследования М.В.Ломоносов, Г.В.Рихман (электрометр и принцип преобразования электрических величин в силу), Л.Эйлер (теория весов), И.Ньютон (исторические исследования древнеегипетских мер [7]), И.И.Ползунов (водяной манометр), А.К.Нартов (приборы для измерения механических величин) и многие другие. С другой стороны, совершенствование методов и средств измерений способствовало новым изобретениям и открытиям, ибо “каждая вещь известна лишь в той степени, в какой ее можно измерить” (Кельвин). Среди многих известных примеров, подтверждающих это обстоятельство, можно назвать нормальную плотность распределения случайных величин, выведенную Гауссом на основе анализа разброса результатов многократных измерений, что явилось началом теории вероятностей, закон движения планет и закон земного притяжения, полученные Кеплером по результатам измерений траекторий планет, периодический закон Д.И.Менделеева, установленный им по результатам измерения масс атомов химических элементов, открытие Н.Бором “тяжелой воды” на основе точных измерений плотности воды, опыты и открытия Майкельсона, по результатам которых были развиты новые науки: спектроскопия и волновая оптика, эксперименты Ампера, Вольта, Кулона и многие другие.

Замечательным примером использования естественного измерительного прибора может служить предсказание Адамса и Леверье в 1845 году и последующее обнаружение астрономом Галле в 1846 году в предсказанном месте планеты Нептун по результатам точных измерений отклонения орбиты Урана от теоретической траектории. Роль измерительного прибора выполняла солнечная система, роль стрелки или индикатора - орбита Урана. Математической моделью служила совокупность расчетных орбит известных в то время планет.

Отмеченный выше значительный подъем науки и техники в XVIII потребовал усовершенствования и гармонизации системы мер. С этой целью в России в 1736 году была образована Комиссия об учреждении весов и мер под председательством графа М.Г.Головкина. Экспериментальной базой этой Комиссии служила лаборатория А.К.Нартова. В завершение этого столетия во Франции была создана метрическая система мер, принятая в настоящее время в большинстве стран. В дальнейшем XIX и XX столетия ознаменовались радикальным продвижением в направлении к унификации мировой системы мер. В 1842 году в России было создано Депо образцовых мер и весов во главе с академиком А.Я.Купфером, которое затем было преобразовано в Главную палату мер и весов, ныне - ВНИИМ им. Д.И.Менделеева. С 1892 по 1907 год Главную палату мер и весов возглавлял Д.И.Менделеев. В 1875 году было образовано Международное бюро мер и весов (МБМВ) - первая среди всех междуна­родных организаций на нашей планете. В этом же году первые 17 стран и среди них - Россия подписали Международную метрическую конвенцию. В насто­ящее время эта конвенция подписана уже 48 странами.

Фантастическое ускорение научно - технического прогресса в XX веке и связанные с этим не всегда удовлетворяющиеся потребности в измерениях вызывают повышенный интерес к развитию методов и средств измерений, ибо “новые средства измерений знаменуют собой настоящий прогресс” (Б.С.Якоби, 1857 г.). Предназначение теории измерений в этой ситуации - теоретическое обеспечение создания новых средств измерений, разработка прогрессивных методов выполнения измерений и обработки результатов, разработка эталонов на новых физических принципах, опирающихся на физические константы, расширение номенклатуры величин, поддерживаемых эталонами.

1.3. Современное состояние измерительных информационных технологий