Метрология - наука о мерах и измерениях

Основные понятия в метрологии

Процесс познания в обобщенном виде можно представит себе как определенное исследование, заканчивающееся получением качественной или количественной информации (см. рисунок 1). Количественная информация связана с метрологией.

Слово "метрология" в переводе с греческого обозначает учение о мерах; под мерой принято понимать вещественное воспроизведение единицы измерений.

В книге Ф.И. Петрушевского (1849 г.) "Общая метрология" дается понятие: "метрология есть описание всякого рода мер по их наименованиям, подразделениям и взаимному отношению".

В энциклопедическом словаре Брокгауза и Ефрона, том 19, ст. "Метрология" (Ф.И. Петрушевский), 1896 г., отражено понимание того времени: "Метрология – собрание сведений о мерах, весе и монетах (реже о времени) …".

В современном понимании: Метрология - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Измерение – процесс эмпирический и реализуется только при наличии единицы величины, т.е. величины фиксированного размера, применяемой для количественного выражения однородных величин. Мера величины и представляет собой средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.

Рисунок 1 – Познание и измерение

Русский исследователь Кавказа, Персии и Бухары Н.В. Ханыков на основании филологического анализа пришел к выводу, что 45 мер были заимствованы от восточных народов (персов, арабов, тюркских племен) и это началось еще в I тысячелетии до н. э.

Для того чтобы представить себе, что в сегодняшнем понимании реально стоит за терминами "метрология", "метрологическое обеспечение измерений", "обеспечение единства измерений", рассмотрим пример.

Целлюлозно-бумажный комбинат выпускает белую бумагу. Одним из ее важных показателей является белизна. Она контролируется с помощью стандартных образцов, которые периодически подвергаются поверке. При очередной поверке выясняется, что стандартные образцы стали темнее. Значит выпускавшаяся бумага не соответствует требованиям государственного стандарта по белизне. Возникает сразу множество правовых, организационных, технических и др. вопросов. Можно ли считать бумагу, которая находится на складе, как готовая продукция, соответствующей государственному стандарту? Можно ли ее реализовать, если да, то по какой цене? Что делать с технологическим процессом - добавлять отбеливающих веществ? Но это потребует дополнительных затрат, и в том числе на природоохранительные мероприятия. А может быть провести еще одну поверку стандартных образцов, и все будет в порядке?

В приведенном примере технологический процесс комбината автоматизирован, основой автоматизации являются средства измерений и система управления. Попробуем проанализировать возникшие проблемы в связи с действующей терминологией.

Основным терминам и определениям в метрологии всегда уделялось достаточно серьезное внимание. Основные термины и определения сформулированы в ряде действующих нормативных документов.

В январе 2001 г. введена в действие межгосударственная рекомендация РМГ 29-99 «ГСИ. Метрология. Основные термины и определения». В соответствии с этим документом теоретической основой измерений является "метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности".

Реальная жизнь, вместе с тем, показывает, что метрология – не только наука, но и область практической деятельности. Приведенное определение метрологии влечет за собой необходимость ответа на вопросы: что такое измерения, единство измерений?

Термин "измерение" связывается преимущественно с физическими величинами. Физической величиной называется одно из свойств физического объекта (явления, процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.

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.

Используя измерительный прибор, например, вольтметр постоянного электрического тока, мы измеряем напряжение в вольтах той или иной электрической цепи, сравнивая положение указателя (стрелки) с единицей электрического напряжения, хранимой шкалой вольтметра. Найденное значение напряжения как некоторое число вольт представляет результат измерений.

Под единством измерений понимается такое их состояние, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью.

И все же знание погрешности измерений полностью не обеспечивает единство измерений. Необходимо, чтобы эти погрешности не превышали установленного предела, который выбирается с расчетом соблюдения точности и единства измерений.

Важнейшим условием с точки зрения единства измерений является соответствие (в пределах установленной точности) размеров единиц, хранимых средствами измерений, размерам единиц, воспроизводимых государственными эталонами. Иначе говоря, важнейшим условием обеспечения единства измерений является применение одинаковых по размеру "метров", "килограммов", "секунд" и др. Но и это еще не все. Часто, используя одинаковые по размеру единицы и выполняя самые тщательные измерения в разных местах, невозможно добиться их единства. Требуется еще единая унифицированная методика измерений, устанавливающая единый метод, одинаковое число измерений, единые требования к условиям измерений, к квалификации оператора и др.

С учетом сказанного можно дать определение понятия "единство измерений". Это характеристика качества измерений, заключающаяся в том, что результаты измерений выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам воспроизведенных единиц, а погрешности результатов измерений известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы.

Из этого определения следует, что понятие "единство измерений" довольно емкое. Оно затрагивает важнейшие задачи метрологии:

– унификацию единиц и признание их законными;

– разработку систем воспроизведения единиц и передачи их размеров рабочим средства измерений.

Создание государственных эталонов, воспроизводящих единицы с наивысшей точностью, и разработка методов передачи размеров единиц с установленной точностью являются залогом равенства размеров единиц при использовании рабочих средств измерений. Соответствие размеров единиц, воспроизводимых государственными эталонами, международным эталонам или национальным эталоном других стран – основа единства измерений на международном или на уровне нескольких стран.

Приведенное определение охватывает понятие погрешности результата измерений (обычно слово "результат" опускается), которая слагается из погрешностей, применяемых средства и метода измерений, и существенно зависит от методики измерений (условия, число измерений, процедура и др.).

Погрешность измерения – отклонение результата измерения () от действительного (истинного) значения измеряемой величины (), определяемое по формуле , где – погрешность измерения. Погрешность измерений не должка превышать установленный предел. Не установив предел погрешности измерений, вытекающий из конкретной измерительной задачи, нельзя решить вопрос о правильном выборе средства измерений, дать верную оценку результатов измерений, выполненных в разных местах, т.е. трудно соблюсти единство измерений.

К более развернутому объяснению терминов "истинное значение" ("действительное значение") величины обратимся позже. Сейчас необходимо сказать только, что истинное значение физической величины неизвестно и применяется в теоретических исследованиях; действительное значение величины определяется экспериментально из предположения, что результат эксперимента (измерения) наиболее близок к истинному значению величины.

Во всех случаях, когда это необходимо, погрешности измерений известны. Так, погрешности применяемого при измерениях технического средства (средства измерений) указываются в придаваемом к нему техническом описании (паспорте, технических условиях и др.). Указанные в этих документах погрешности обычно наиболее существенны. Однако во многих случаях необходимо учитывать также погрешность метода измерений в условиях проведения измерений и другие составляющие общей (суммарной) погрешности измерений.

Для обеспечения единства измерений независимо от того, кем, где, когда, в каких условиях они проведены, значения погрешности измерений недостаточно. Необходимо иметь уверенность в том, что погрешность измерений не превысила пределов, установленных в соответствии с поставленной измерительной задачей. С этой целью пользуются понятием " достоверность измерений ", представляющим искомую величину известной с заданной доверительной вероятностью.

Часто говорят не о погрешности измерений, а о точности измерений. Качественно точность измерений характеризуется близостью к нулю погрешности результата измерений. К количественной оценке точности обратимся позже.

Из соображений единства измерений разрабатываются общие требования к выпускаемым средствам измерений (по точности, диапазонам измерений). Таким образом, единство измерений тесно связано с требуемой точностью, оно должно выдерживаться при любой необходимой точности измерений.

Обеспечение единства измерений – это деятельность метрологических и других служб, направленная на достижение единства измерений при требуемой точности.

Например, в целях обеспечения единства измерений в нашей стране созданы метрологические службы, деятельность которых в этом направлении регламентируются стандартами и другими нормативными документами государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ).

Допускается говорить об обеспечении единства измерений в стране, отрасли, на предприятии, а также применительно к конкретной измеряемой величине или параметру (например, обеспечение единства измерений толщины пленок, диаметра вала, шайбы, болта и т.д.).

Дата добавления: 2014-12-27