Предмет и задачи метрологии

1. Предмет и задачи метрологии. Основные принципы подхода к измерениям

Измерения постоянно сопровождают практическую дея­тельность человека. Чаще всего измеряют физические вели­чины: длину, массу, время и пр. Измерения необходимы при изучении природы, поскольку только посредством измерений можно узнать количественные характеристики исследуемых объектов. Можно сказать, что та или иная наука становится точной только тогда, когда благодаря измерениям она получа­ет возможность находить точные количественные соотноше­ния, выражающие законы природы.

Измерение — это нахождение значения физической вели­чины опытным путем с помощью специальных технических устройств. При выполнении измерений всегда осуществ­ляется сравнение измеряемой величины с другой, подобной ей и принятой за единицу. При этом измеряемую величину всегда оценивают в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Это число называется значением физической ве­личины.

В соответствии с определением измерения в практическом плане процесс измерения физической величины представляет собой совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической вели­чины, и заключается в сравнении (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей. Цель этих операций — получение значения физической величины (или информации о ней) в форме, наиболее удобной для использования.

Так, в простейшем случае, прикладывая линейку с деле­ниями к какой-либо детали, сравнивают ее размер с едини­цей, хранимой линейкой, и, произведя отсчет, получают зна­чение величины (длины, высоты, толщины и других парамет­ров детали). С помощью измерительного прибора, например, микрометра, сравнивают размер величины, преобразованной в перемещение указателя, с единицей, хранимой шкалой этого прибора. В измерительном канале измерительной сис­темы также выполняется сравнение с хранимой единицей, при этом нередко оно происходит в закодированном виде.

Указанную совокупность операций можно назвать изме­рением, если при этом создан и реализуется ряд условий, а именно:

- возможность выделения измеряемой величины среди дру­гих величин;

- установление единицы, необходимой для измерения вы­деленной величины;

- материализация (воспроизведение или хранение) установ­ленной единицы техническим средством;

Рекомендуемые материалы

- сохранение неизменным размера единицы (в пределах ус­тановленной точности) как минимум на срок, необходи­мый для измерений.

Вопросами теории и практики измерений занимается мет­рология (это название происходит от греч. метрон — мера и логос — учение и может быть переведено как "учение о ме­рах"). В настоящее время в России принято следующее опре­деление метрологии:

Метрология — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Как видим, в определении метрологии используются поня­тия "единство измерений" и «точность измерений».

Единство измерений — состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погреш­ности измерений не выходят за установленные границы с за­данной вероятностью.

Точность измерений — качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины.

Отметим, что на практике единство измерений обеспечи­вается не всегда, в частности, оно не соблюдается в случае количественного химического анализа.

Выделяют теоретическую и прикладную метрологию.

Теоретическая метрология занимается созданием теорети­ческих основ метрологии. Она решает следующие задачи:

- создание и развитие теории измерений и теоретических основ измерительной техники;

- создание и совершенствование теоретических основ по­строения систем единиц и эталонов;

- разработка теории погрешностей, основанной на мате­матической статистике и теории вероятности;

- разработка общих принципов постановки и проведения измерительного эксперимента;

- разработка теоретических основ вновь возникающих и нестандартно развивающихся видов и областей измере­ний, таких, как измерение ионизирующих излучений, неравновесных процессов, измерения на субмикроуровне;

- создание научных основ количественной оценки пара­метров объектов и технологических процессов, разра­ботка научно обоснованных критериев оценки степени надежности, долговечности и безопасности изделий.

Прикладная метрология занимается вопросами практиче­ского применения в различных сферах деятельности резуль­татов исследований в рамках теоретической метрологии и положений законодательной метрологии. Ее задачами явля­ются:

- создание и совершенствование методов измерений;

- повышение точности измерений;

- пересмотр принципиальных основ создания эталонов;

- разработка методов и средств передачи размера единицы от эталона рабочим средствам измерений с минималь­ной потерей точности;

- обеспечение полной автоматизации всех поверочных ра­бот;

- развитие и совершенствование Национальных служб стандартных справочных данных и стандартных образ­цов свойств и состава веществ и материалов.

В большинстве стран, в том числе в России, мероприятия по обеспечению единства измерений и требуемой их точности устанавливаются законодательно. Законодательным обеспече­нием метрологической деятельности занимается законода­тельная метрология.

Итогом деятельности законодательной метрологии являют­ся различные документы, имеющие как обязательный харак­тер (законы, государственные стандарты (ГОСТы)), так и ре­комендательный. Заметим здесь, что термин "стандарт" в мет­рологии применяется только по отношению к документам, а не к веществам или изделиям.

Часто тот или иной раздел метрологии называют по отрас­ли, которую он обслуживает, хотя подобная классификация не вполне строга. Например, (практическую) метрологию в медицине называют "медицинской метрологией", в химии — "химической метрологией" и т.д. Настоящая книга в основ­ном посвящена измерениям в химии. Необходимость выделе­ния химической метрологии в отдельную область обусловлена тем, что измерения в химии (химический анализ) имеют су­щественные особенности.

Химическая метрология — раздел метрологии, занимаю­щийся измерениями в химии, главным образом в количест­венном химическом анализе.

Как любая точная наука, метрология имеет свои осново­полагающие принципы. В качестве таких принципов обычно постулируют следующие аксиомы.

Аксиома 1. Без априорной информации измерение невоз­можно.

Эта аксиома относится к ситуации до измерения и гово­рит о том, что мы не можем получить оценку интересующего нас свойства, ничего не зная о нем заранее. Отсюда вытекает, что необходимость в измерении вызвана дефицитом количе­ственной информации об изучаемом свойстве объекта и измерение направлено на уменьшение этого дефицита (ясно, что если об этом свойстве известно все, измерять ничего не нужно).

Аксиома 2. Измерение есть не что иное, как сравне­ние.

Это констатация того, что единственным способом полу­чения информации о каких-либо размерах является сравне­ние их между собой. Следствием этой аксиомы является не­обходимость введения эталонов физических величин и систе­мы передачи их размера к образцовым и рабочим средствам измерений.

Рекомендуем посмотреть лекцию "17 Условия организации эффективного учения".

Аксиома 3. Результат измерения без округления явля­ется случайным.

Данная аксиома относится к ситуации после измерения и отражает тот факт, что результат измерения всегда зависит от множества факторов, в том числе и случайных, точный учет которых невозможен в принципе. Отсюда вытекает, что для описания результатов измерений в полной мере необходимо использовать аппарат математической статистики.

Контрольные вопросы к разделу 1:

1. Дайте определение понятия «измерение» и перечислите условия измерения физической величины?

2. Перечислите цели и задачи теоретической и прикладной метрологии?

3. Назовите основополагающие принципы метрологии?