Основные понятия метрологии

Предмет метрологии

Наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности называется метрологией (греческое слово "метрология" образовано от слов "метрон" – мера и "логос" – учение). К основным направлениям метрологии относят:

Метрологию подразделяют на теоретическую, прикладную и законодательную. 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.

С января 2001 года на территории России и стран СНГ взамен ГОСТ 16263-70 "ГСИ. Метрология. Термины и определения" введены рекомендации РМГ 29-99, содержащие основные термины и определения в области метрологии, согласованные с международными стандартами ИСО 31(0-13) и ИСО 1000.

Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов и процессов с заданной точностью и достоверностью. Средства метрологии – это совокупность средств измерений и метрологических стандартов, обеспечивающих их рациональное использование.

Физические величины

Основным объектом измерения в метрологии являются физические величины. Физическая величина – одно из свойств физического объекта (явления, процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.

Физическая величина (краткая форма термина – "величина") применяется для описания материальных систем и объектов (явлений, процессов и т. п.), изучаемых в любых науках (физике, химии и др.).

Существуют основные и производные величины. В качестве основных выбирают величины, которые характеризуют фундаментальные свойства материального мира. ГОСТ 8.417 устанавливает семь основных физических величин: длина, масса, время, термодинамическая температура, количество вещества, сила света, сила электрического тока, – с помощью которых создается все разнообразие производных физических величин и обеспечивается описание любых свойств физических объектов и явлений.

Важной характеристикой физической величины является ее размерность $$$dim(Q)$$$ – выражение в форме степенного многочлена, отражающего связь данной величины с основными ФВ системы, в котором коэффициент пропорциональности принят равным единице:

где L, M, T, … – условные обозначения физических величин данной системы, единицы которых приняты за основные (L – длина, M – масса, T – время), $$$\alpha, \beta, \gamma$$$, … – показатели степени, с которой основная величина входит в уравнение при определении производной величины. Например, для плотности $$$dim(\rho)=L^{-3}M$$$, для силы электрического тока $$$dim(I)=I$$$, для ускорения $$$dim(a)=LT^{-2}$$$.

Международная система единиц (СИ)

Совокупность основных и производных единиц, относящихся к некоторой системе величин и построенная в соответствии с принятыми принципами, образует систему единиц. На сегодняшний день Международная система единиц физических величин включает семь основных единиц (табл. 1. таблица 1.1).

Решениями Генеральной конференции по мерам и весам приняты такие определения основных единиц измерения физических величин:

Кроме того, Международная система единиц содержит две достаточно важные дополнительные единицы, необходимые для измерения плоского и телесного углов. Так, единица плоского угла – это радиан, или сокращенно рад, представляющий собой угол между двух радиусов окружности, длина дуги между которыми равняется радиусу окружности. Если речь идет о градусах, то радиан равен $$$57^{o}17''48'$$$. Стерадиан, или ср, принимаемый за единицу телесного угла, представляет собой телесный угол, расположение вершины которого фиксируется в центре сферы, а площадь, вырезаемая данным углом на поверхности сферы, равна площади квадрата, сторона которого равна длине радиуса сферы. Другие дополнительные единицы СИ используются для формирования единиц угловой скорости, а также углового ускорения и т. д. Радиан и стерадиан используются для теоретических построений и расчетов, поскольку большая часть значимых для практики значений углов в радианах выражаются трансцендентными числами. К внесистемным единицам относятся:

Универсальность СИ обеспечивается тем, что 7 основных единиц, положенных в ее основу, являются единицами физических величин, отражающих основные свойства материального мира, и дают возможность образовывать производные единицы для любых физических величин во всех отраслях науки и техники. Этой же цели служат и дополнительные единицы, необходимые для образования производных единиц, зависящих от плоского и телесного углов.

Выделяют следующие преимущества СИ перед другими системами единиц:

Международная система единиц, благодаря своим преимуществам, получила широкое распространение в мире. Так, все страны Европейского Союза перешли на единицы СИ. Страны, где ранее традиционно применялась английская система мер (Великобритания, Австралия, Канада, США и др.) также внедряют единицы СИ.

Кратные и дольные единицы

Наиболее прогрессивным способом образования кратных и дольных единиц является принятая в метрической системе мер десятичная кратность между большими и меньшими единицами.

В таблице 1.2 приводятся множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц и их наименования.

Следует учитывать, что при образовании кратных и дольных единиц площади и объема с помощью приставок может возникнуть двойственность прочтения в зависимости от того, куда добавляется приставка. Так, сокращенное обозначение 1 км² можно трактовать и как 1 квадратный километр, и как 1000 квадратных метров, что не одно и то же (1 квадратный километр = 1 000 000 квадратных метров). В соответствии с международными правилами, кратные и дольные единицы площади и объема следует образовывать, присоединяя приставки к исходным единицам. Таким образом, степени относятся к тем единицам, которые получены в результате присоединения приставок. Поэтому 1км² = 1(км)² .

Понятие измерения

Основное понятие метрологии – измерение. Под измерением понимают познавательный информационный процесс, заключающийся в сравнении путем физического эксперимента данной физической величины с известной физической величиной, принятой за единицу измерения. Найденное значение называют результатом измерения.

Для выполнения измерений необходимо воспроизвести единицу физической величины, сравнить с ней искомое значение и зафиксировать результат сравнения. При измерении электрорадиосигналов операции сравнения часто предшествует преобразование сигнала к виду, удобному для сравнения. Таким образом, четырьмя основными слагаемыми измерения являются:

Различают прямые, косвенные, совокупные и совместные измерения. На практике экспериментатор наиболее часто встречается с первыми двумя видами.

Прямым называют измерение, при котором искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных. Например, измерение напряжения вольтметром, фазового сдвига фазометром и т. п. Косвенное измерение характеризуется тем, что искомое значение физической величины находят по известной математической зависимости между этой величиной и физическими величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Иначе говоря, искомое значение данной физической величины определяется косвенным путем – вычисляется по результатам прямых измерений других физических величин.

Если физическая величина z, значение которой нужно измерить, представляет собой функцию

где $$$x_{1},x_{2},\ldots,x_{q}$$$ – физические величины, подвергаемые прямым изменениям, и $$$B_{1},B_{2},\ldots,B_{q}$$$ – результаты прямых измерений физических величин $$$x_{1},x_{2},\ldots,x_{q}$$$, то результат А косвенного измерения находят из выражения

Например, коэффициент усиления усилителя вычисляют по измеренным значениям входного и выходного напряжений:

Под совокупными понимают производимые одновременно измерения нескольких одноименных физических величин, причем искомые значения величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.

Совместными называют выполняемые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных физических величин для установления зависимости между ними.

Технические средства, применяемые в измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики, называют средствами измерений. В число средств измерений входят меры, измерительные приборы, измерительные установки, измерительные системы и преобразователи, стандартные образцы состава и свойств различных веществ и материалов.

По временным характеристикам измерения подразделяются на:

По способу выражения результатов измерения подразделяются на:

Основными характеристиками измерений являются: принцип измерения, метод измерения, погрешность, точность, достоверность и правильность измерений.

Принцип измерений – физическое явление или их совокупность, положенные в основу измерений. Например, масса может быть измерена, опираясь на гравитацию, а может быть измерена на основе инерционных свойств. Температура может быть измерена по тепловому излучению тела или по ее воздействию на объем какой-либо жидкости в термометре и т. д.

Метод измерений – совокупность принципов и средств измерений. В рассматриваемом выше примере с измерением температуры измерения по тепловому излучению относят к неконтактному методу термометрии, измерения термометром есть контактный метод термометрии.

Погрешность измерений – разность между полученным при измерении значением величины и ее истинным значением. Погрешность измерений связана с несовершенством методов и средств измерений, с недостаточным опытом наблюдателя, с посторонними влияниями на результат измерения. Подробно причины погрешностей и способы их устранения или минимизации рассмотрены в главе 2 , поскольку оценка и учет погрешностей измерений являются одним из самых важных разделов метрологии.

Точность измерений – характеристика измерения, отражающая близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Количественно точность выражается величиной, обратной модулю относительной погрешности, т. е.

где Q – истинное значение измеряемой величины, $$$$\Delta$$$$ – погрешность измерения, равная

где Х – результат измерения. Например, если относительная погрешность измерения равна 10^-2 %, то точность будет равна 10⁴.

Достоверность измерений – характеристика качества измерений, разделяющая все результаты на достоверные и недостоверные в зависимости от того, известны или неизвестны вероятностные характеристики их отклонений от истинных значений соответствующих величин. Результаты измерений, достоверность которых неизвестна, могут служить источником дезинформации.

Правильность измерений – качество измерений, отражающее близость к нулю систематических погрешностей, т. е. погрешностей, которые остаются постоянными или закономерно изменяются в процессе измерения. Правильность измерений зависит от того, насколько верно (правильно) были выбраны методы и средства измерений.

Контрольные вопросы