Общие сведения о метрологии
Лекция №7. Общие сведения о метрологии. Задачи метрологии. Классификация физических величин. Международная система единиц. Единство измерений и единообразие средств измерений
Общепринятое определение метрологии дано в ГОСТ 16263-70 "ГСИ. Метрология. Термины и определения":
Метрология - наука об измерениях, методах, средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.
Греческое слово "метрология" образовано от слов "метрон" – мера и "логос" - учение.
Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов и процессов с заданной точностью и достоверностью.
Одна из главных задач метрологии - обеспечение единства измерений – может быть решена при соблюдении двух условий:
1. выражение результатов измерений в единых узаконенных единицах;
2. установление допустимых ошибок (погрешностей) результатов изме-
рений и пределов, за которые они не должны выходить при заданной вероятности.
Рекомендуемые материалы
Основное понятие метрологии – измерение. Согласно ГОСТ 16263-70:
Измерение - это нахождение физической величины (ФВ) опытным путем с помощью специальных технических средств.
Измерения являются одним из самых древних занятий в познавательной деятельности человека. Их возникновение относится к истокам материальной культуры человечества.
В древнейшие времена люди обходились только счетом однородных объектов – голов скота, числа воинов и т.д. Такой счет не требовал введения понятия физических величин и установления условных единиц измерения. Не было потребности в изготовлении и использовании специальных технических средств для проведения счета. Однако по мере развития общества появилась необходимость в количественной оценке различных величин – расстояний, веса, размеров, объемов и т.п. Эту оценку старались свести к счету, для чего выбирались природные и антропологические единицы.
Например, время измерялось в сутках, годах; линейные размеры – в локтях, ступнях; расстояния – в шагах, сутках пути. Позже, в процессе развития промышленности, были созданы специальные устройства – средства измерений, предназначенные для количественной оценки различных величин. Так появились часы, весы, меры длины и другие измерительные устройства.
На определенном этапе своего развития измерения стали причиной возникновения метрологии. Долгое время метрология существовала как описательная наука, констатирующая сложившиеся в обществе соглашения о мерах используемых величин. Развитие науки и техники привело к использованию множества мер одних и тех же величин, применяемых в различных странах. Так, например, расстояние в России измерялось верстами, а в Англии – милями. Все это существенно затрудняло сотрудничество между государствами в торговле, науке.
С целью унифицирования единиц физических величин, сделать их независимыми от времени и разного рода случайностей во Франции была разработана метрическая система мер. Эта система строилась на основе естественной единицы – метра, равного одной сорокамиллионной части меридиана, проходящего через Париж. За единицу массы принимался килограмм – масса кубического дециметра чистой воды при температуре +40С. Учредительное собрание Франции 26 марта 1791 года утвердило предложения Парижской академии наук. Это явилось серьезной предпосылкой для проведения международной унификации единиц физических величин.
В 1875 году 17 государств, в том числе и Россия, на дипломатической конференции подписали Метрическую конвенцию, к которой в настоящее время примкнула 41 страна мира. Согласно этой конвенции устанавливается международное сотрудничество подписавших ее стран. Для этого было создано Международное бюро мер и весов (МБМВ), находящееся в городе Севре близ Парижа. В нем хранятся международные прототипы ряда мер и эталоны единиц некоторых физических величин.
В соответствии с конвенцией для руководства деятельностью МБМВ был учрежден Международный комитет мер и весов (МКМВ), в который вошли ученые из различных стран.
Сейчас при МКМВ действует семь консультативных комитетов: по единицам, определению метра, секунды, термометрии, электричеству, фотометрии и по эталонам для измерения ионизирующих излучений.
До 1918 года метрическая система внедрялась в России факультативно, наряду со старой русской и английской системами. Значительные изменения в метрологической деятельности стали происходить после подписания Советом народных комиссаров РСФСР декрета "О введении международной метрической системы мер и весов".
Внедрение метрической системы в России происходило с 1918 по 1927 годы. После Великой Отечественной войны и до настоящего времени метрологическая работа в нашей стране проводится под руководством Государственного комитета по стандартам (Госстандарт).
В 1960 году XI Международная конференция по мерам и весам приняла Международную систему единиц физических величин – систему СИ. Сегодня метрическая система узаконена более чем в 124 странах мира.
В 1955 году под Москвой был создан второй метрологический центр страны – Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ), который разрабатывает эталоны и средства точных измерений в радиоэлектронике, службе времени и частоте, акустике и т.д.
Третьим метрологическим центром России является Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы (ВНИИМС) – головная организация в области прикладной и законодательной метрологии, на него возложена координация и научно-исследовательское руководство метрологической службой страны.
Измерение – совокупность операций, выполняемых с помощью технического средства, хранящего единицу величины, позволяющего сопоставить измеряемую величину с ее единицей и получить значение величины. Это значение называют результатом измерений.
Например, прикладывая линейку с делениями к какой-либо детали, сравнивают её с единицей, хранимой линейкой, и, произведя отсчет, получают значение величины (длины, высоты и др.).
Погрешность измерений – отклонение результата измерений от истинного (действительного) значения измеряемой величины.
Закон РФ "Об обеспечении единства измерений" дает следующее определение значений:
Средство измерений – техническое устройство, предназначенное для измерений.
Эталон единицы величины – средство измерения, предназначенное для воспроизведения и хранения единицы величины с целью передачи её средствами измерений данной величины.
Единство измерений - состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах величин и погрешности измерений не выходят за установленные границы с заданной вероятностью.
Метрологическая служба – совокупность субъектов деятельности и видов работ, направленных на обеспечение единства измерений.
Поверка средства измерений – совокупность операций, выполняемых органами государственной метрологической службы (другими уполномоченными на то органами, организациями) с целью определения и подтверждения соответствия средства измерений установленным техническим требованиям.
Термин "поверка" не следует смешивать с "проверкой" – контрольной операцией, целью которой является установить наличие чего-либо, исправность и т.д. Слово "поверка" имеет общий корень со словом "верить". Поверить – сделать верным, законным.
Долгое время метрология была в основном описательной наукой о раз личных мерах и соотношениях между ними. Но в процессе развития общества роль измерений возросла, появлялись все новые средства измерений (СИ – Международная система единиц), а они в свою очередь стимулировали развитие наук. Например, повышение точности измерений плотности воды привело к открытию тяжелого изотопа водорода – дейтерия. Подобных примеров множество.
В настоящее время выделяют три функции измерений:
1) учет продукции народного хозяйства, исчисляющейся по массе, длине, объему, расходу, мощности и энергии;
2) измерения, проводимые для контроля и регулирования технологических процессов и для обеспечения нормального функционирования транспорта и связи;
3) измерения физических величин, технических параметров, состава и свойств веществ, проводимые при научных исследованиях, испытаниях и контроле продукции в различных отраслях народного хозяйства.
От качества средств зависит эффективность выполнения указанных функций.
Например, состояние современного весового хозяйства таково, что в процессе взвешивания остается неучтенным около 1% всех измеряемых продуктов производства. Повышение точности измерений позволяет определить недостатки тех или иных технологических процессов и устранить эти недостатки. Все это в конечном итоге приводит к повышению качества продукции, экономии энергетических и тепловых ресурсов, а также сырья и материалов.
Таким образом, измерения являются важнейшим инструментом познания объектов и явлений окружающего мира и играют огромную роль в развитии народного хозяйства.
Качество измерений и успешное внедрение новых методов измерений зависят от уровня развития метрологии как науки.
В настоящее время метрология подразделяется на три составляющие: метрология теоретическая, прикладная и законодательная.
Теоретическая метрология занимается вопросами фундаментальных исследований, созданием системы единиц измерений, физических постоянных, разработкой новых методов измерения.
Прикладная (практическая) метрология занимается вопросами практического применения в различных сферах деятельности результатов теоретических исследований в рамках метрологии.
Законодательная метрология включает совокупность взаимообусловленных правил и норм, направленных на обеспечение единства измерений, которые возводятся в ранг правовых положений (уполномоченными на то органами государственной власти), имеют обязательную силу и находятся под контролем государства.
Объектами метрологии являются: единицы величин, средства измерений, эталоны и методики выполнения измерений.
Классификация величин
Величины делят на два вида: реальные и идеальные.
Идеальные величины главным образом относятся к математике и являются обобщением (моделью) конкретных реальных понятий. Они вычисляются тем или иным способом, например, неопределенность, значимость и т.д.
Реальные величины делятся на физические и нефизические:
- физическая величина может быть определена как величина, свойственная материальным объектам (процессам, явлениям), изучаемым в естественных (физика, химия) и технических науках;
- нефизическая величина - величина, присущая общественным (нефизическим) наукам – философии, социологии, экономики и т.п. (например, экономические величины – стоимость, цена, прибыль и т.д).
Стандарт ГОСТ 16263-70 трактует физическую величину, как одно из свойств физического объекта, в качественном отношении общее для многих физических объектов, а в количественном – индивидуальное для каждого из них. Индивидуальность в количественном отношении понимают в том смысле, что свойство может быть для одного объекта в определенное число раз больше или меньше, чем для другого. Таким образом, физические величины – это измеренные свойства физических объектов или процессов, с помощью которых они могут быть изучены.
Физические величины в свою очередь делят на измеряемые и оцениваемые:
- измеряемые физические величины могут быть выражены количественно в виде определенного числа установленных единиц измерения. Возможность введения и использования последних является важным отличительным признаком измеряемых физических величин;
- оцениваемые - физические величины, для которых по тем или иным причинам не может быть введена единица измерения, могут быть только оценены. Под оцениванием в таком случае понимается операция приписывания данной величине определенного числа, проводимая по установленным правилам.
Оценивание величины осуществляется при помощи шкал. Шкала величины – упорядоченная последовательность её значений, принятая по соглашению на основании результатов точных измерений.
Нефизические величины, для которых единица измерения в принципе не может быть введена, могут быть только оценены.
Классификация физических величин
1) По видам явлений физические величины делятся на следующие три группы:
- вещественные, т.е. описывающие физические и физико-химические свойства веществ, материалов и изделий из них. К этой группе относятся масса, плотность, электрическое сопротивление, емкость, индуктивность и др.
Иногда данные физические величины называют пассивными. Для их измерения необходимо использовать вспомогательный источник энергии, с помощью которого формируется сигнал измерительной информации. При этом пассивные физические величины преобразуются в активные, которые и измеряются;
- энергетические, т.е. величины, описывающие энергетические характеристики процессов преобразования, передачи и использования энергии. К ним относятся ток, напряжение, мощность, энергия. Эти величины называют активными. Они могут быть преобразованы в сигналы измерительной информации без использования вспомогательных источников энергии;
- характеризующие протекание процессов во времени. К этой группе относятся различного вида спектральные характеристики, корреляционные функции и др.
2) По принадлежности к различным группам физических процессов физические величины делятся на пространственно-временные, механические, тепловые, электрические и магнитные, акустические, световые, физико-химические, ионизирующих излучений, атомной и ядерной физики.
3) По степени условной независимости от других величин данной группы физические величины делятся на основные (условно независимые), производные (условно зависимые) и дополнительные.
ГОСТ 8.417–81 "Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы физических величин" устанавливает семь основных физических величин: длина, время, масса, температура, сила тока, сила света и количество вещества.
Производные – это физические величины, структурированные за счет комбинаций основных величин. По характеру участия в математических соотношениях и формулах, выражающих связи и зависимости между измеряемыми величинами в целом, выделяют три типа:
- величины первого порядка – участвуют в отражении законов природы, например, второй закон Ньютона – F=m*а, где F (сила) и а (ускорение) – производные величины, а m – основная величина;
- величины второго порядка – получают свое собственное определение в результате математических соотношений и формул между измеряемыми величинами, например, V=l/t, скорость (V), определяется как отношение длины (l) ко времени (t);
- величины третьего порядка – являются экспериментально или теоретически установленными соотношениями между несколькими величинами, например, постоянные – Авогадро, Планка и т.д.
К дополнительным физическим величинам относятся плоский и телесный углы.
4) По наличию размерности ФВ делятся на размерные, т.е. имеющие размерность, и безразмерные.
Характеристики измеряемых величин
Измеряемые величины имеют качественную и количественную характеристики.
Качественная характеристика измеряемых величин
Измеряемые величины обладают двумя качественными характеристиками: видом и размерность.
Вид – это качественная характеристика измеряемой величины, представленная определенным наименованием, или названием, величины без указания к какому непосредственному объекту измерения она относится (например, длина, масса, температура и т.д.).
Размерность – формализованное отражение качественного различия измеряемых величин.
Количественная характеристика измеряемых величин
Количественной характеристикой измеряемой величины служит её размер. Получение информации о размере физической и нефизической величины является содержанием любого размера.
Измерение рассматриваемых свойств объекта оказывается возможным, если удается сформулировать шкалу рассматриваемого свойства с учетом логических отношений, существующих между элементами различных проявлений свойства в конкретных объектах, т.е. системы с отношениями.
Для построения такой системы с отношениями используется модель объекта измерений, достаточно адекватно описывающая рассматриваемый объект. При отображении системы с отношениями, характеризующей рассматриваемое свойство, на числовую систему с отношениями получается шкала этого свойства.
В теории измерений принято различать 5 типов шкал:
1) Шкала наименований (шкала классификации) - самая простая из всех типов шкал, это только ярлыки для различия и обнаружения изучаемых объектов (например, масло "крестьянское", масло "любительское"). В этих типах шкал отнесение отражаемого свойства к тому или иному классу эквивалентности осуществляется с использованием органов чувств человека, наиболее адекватен результат, выбранный большинством экспертов. Нумерация объектов по шкале наименований осуществляется по принципу: "не приписывай одну и ту же цифру разным объектам". Примером шкал наименований являются широко распространенные шкалы или атласы цветов (процесс измерения заключается в визуальном сравнении окрашенного предмета с образцом).
2) Шкала порядка (шкала рангов) - соответствует свойствам, для которых имеют смысл не только отношение эквивалентности, но и отношение порядка, по возрастанию или убыванию количественного проявления свойства.
Ранги - это места, занимаемые в шкале порядка, в старину – звания, чины, в спорте – это места, занятые на соревнованиях. По рангам можно составлять суждения типа "лучше – хуже", "больше – меньше".
Определение значения величин при помощи шкал порядка нельзя считать измерением, так как на этих шкалах не могут быть введены единицы измерения. Операцию по приписыванию числа требуемой величине следует считать оцениванием. Оценивание по шкалам порядка является неоднозначным и весьма условным.
В шкалах порядка существует или не существует нуль, но принципиально нельзя ввести единицы измерения, так как для них не установлено отношение пропорциональности и соответственно нет возможности судить во сколько раз больше или меньше конкретные проявления свойства.
Например, шкала Мооса для определения твердости минералов, которая содержит 10 опорных минералов с различными условными числами твердости:
- тальк – 1; - ортоклаз – 6;
- гипс – 2; - кварц – 7;
- кальций – 3; - топаз – 8;
- флюорит – 4; - корунд – 9;
- апатит – 5; - алмаз – 10.
Отнесение минерала к той или иной градации твердости осуществляется на основании эксперимента, который состоит в том, что испытуемый материал царапается опорным. Если после царапанья испытуемого минерала кварцем (7) на нем остается след, а после ортоклаза (6) – не остается, то твердость испытуемого материала составляет более 6, но менее 7. Более точного ответа в этом случае дать невозможно.
3) Шкала интервалов (шкала разностей) – отличается от шкалы порядка тем, что имеет смысл отношения, эквивалентности, порядка и разностей (суммирования) интервалов между различными количественными проявлениями свойства.
Шкала интервалов состоит из одинаковых интервалов, имеет единицу измерения и произвольно выбранное начало – нулевую точку. Например, летоисчисление по различным календарям, в которых за начало отсчета принято либо сотворение мира, либо рождество Христово и т.д. Температурные шкалы Цельсия, Фаренгейта и Реюмюра также являются шкалами интервалов.
4) Шкала отношений – в этих шкалах существует однозначный естественный критерий нулевого количественного проявления свойства и единицы измерений, установленная по соглашению. С формальной точки зрения эта шкала является шкалой интервалов с естественным началом отсчета. К значениям, полученным по шкале отношений, применимы все арифметические действия, что имеет важное значение при измерении физических величин.
Именно так, при фиксировании отсчета, мы измеряем интервалы времени, расстояние, силу, сравнивая результаты с секундой, метром, килограммом и другими единицами ФВ.
5) Абсолютные шкалы – обладающие всеми признаками шкал отношений, но дополнительно имеющие естественное однозначное определение единицы измерения и независящие от принятой системы единиц измерения. Такие шкалы соответствуют относительным величинам: коэффициенту усиления, ослабления и т.д.
Среди абсолютных шкал выделяются ограниченные абсолютные шкалы, значения которых находятся в пределах от 0 до 1 (например, КПД, отражения и т.д.).
По мере развития метрологии наблюдается тенденция рассматривать в качестве объектов измерений все новые и не только физические свойства, но и соответствующие им нефизические величины, поэтому создаются новые и совершенствуются уже известные шкалы.
Международная система единиц физических величин
Генеральная конференция по мерам и весам (ГКМВ) в 1954 году определила шесть основных единиц ФВ для их использования в международных отношениях: метр, килограмм, секунда, ампер, градус Кельвина и свеча.
XI ГКВМ в 1960 году утвердила Международную систему единиц, обозначаемую СИ. В последующие годы ГКМВ приняла ряд дополнений и изменений, в результате чего в системе стало 7 основных единиц, дополнительные и производные единицы ФВ, а также разработала следующие определения основных единиц:
- единица длины – метр – длина пути, которую проходит свет в вакууме за 1/299792458 долю секунды;
- единица массы – килограмм – масса, равная массе международного прототипа килограмма;
- единица времени – секунда – продолжительность 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения со стороны внешних полей;
- единица силы электрического тока – ампер – сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, создал бы между этими проводниками силу, равную 2*10-7 Н на каждый метр длины;
- единица термодинамической температуры – кельвин – 1/273.161 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Допускается также применение шкалы Цельсия;
2.1. Основные принципы инженерной защиты населения - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.
- единица количества вещества – моль – количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в нуклиде углерода-12 массой 0.012 кг;
- единица силы света – кандела – сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540*1012Гц, энергетическая сила которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср2.
Приведенные определения довольно сложны и требуют достаточного уровня знаний, прежде всего в физике. Но они дают представление о природном, естественном происхождении принятых единиц, а толкование их усложнялось по мере развития науки и благодаря новым высоким достижениям теоретической и практической физики, механики, математики и др. фундаментальных областей знаний. Это дало возможность, с одной стороны, представить основные единицы как достоверные и точные, а с другой – как объяснимые и как бы понятные для всех стран мира, что является главным условием для того, чтобы система единиц стала международной.
Международная система СИ считается наиболее совершенной и универсальной по сравнению с предшествующими ей. Кроме основных единиц, в системе СИ есть дополнительные единицы для измерения плоского и телесного угла – радиан и стерадиан соответственно, а также большое количество производных единиц пространства и времени, механических величин, электрических и магнитных величин, тепловых, световых, акустических величин, а также ионизирующих излучений.
После принятия системы СИ ГКМВ практически все крупные международные организации включили её в свои рекомендации по метрологии и призвали все страны – члены этих организаций принять её. В нашей стране система СИ официально была принята путем введения в 1963 году соответствующего государственного стандарта, причем следует учесть, что в то время все государственные стандарты имели силу закона и были строго обязательны для выполнения.
На сегодняшний день система СИ действительно стала международной, но вместе с тем применяются и внесистемные единицы, например, тонна, сутки, литр, гектар и др.
