Д.И. Менделеев

Метрология проникает во все науки и дисциплины, имеющими дело с измерениями и является для них единой наукой. Как прикладная наука метрология является разделом технической физики, являющаяся научной основой измерительной техники. Основные понятия, которыми оперирует метрология: физическая величина, единица физической величины, передача размера физической величины, средства измерений физической величины, эталон, мера, образцовое средство измерений, рабочее средство измерений, рабочее средство измерений, измерение физической величины, метод измерений, результат измерений, погрешность измерений и др.

Особенный вклад в развитие метрологии внес Д.И.Менделеев. Он занимался совершенствованием методов и средств измерений. Его работы по измерению массы и температуры актуальны и сегодня.

Предмет, методы и средства метрологии можно сформулировать так.

Предметом метрологии является получение количественной и качественной информации о качестве физических объектов и процессов, установка и применение научных и организационных основ, правил и норм, необходимых для достижения единства измерений и необходимой точности измерений.

Методы метрологии- совокупность физических и математических методов, которые используются для получения измерительной информации с заданной точностью и достоверностью (методов измерительных преобразований, методов измерений и обработки результатов наблюдений, планирование эксперимента.)

Средства метрологии- это совокупность средств измерительной техники и устройств контроля, которые совершенствуются и развиваются на основе объективных законов.

Для обеспечения высокого уровня измерений недостаточно иметь теоретическую базу и средства измерительной техники, необходимо также правильно пользоваться ними. «Если вы будете измерять прибором кое-как, то он вам кое-что и покажет! J» Поэтому метрология выступает в двух аспектах- научно-техническом и законодательном.

А именно:

Метрологию принято разделять на три области:

· Теоретическую метрологию;

· Прикладную или практическую метрологию;

· Законодательную метрологию.

Теоретическая метрология занимается разработкой общей теории измерений, обоснованием единиц измерения физических величин и методами оценки точности измеряемых величин. Предметом теоретической метрологии являются:

1. Разработка основных понятий метрологии.

2. Классификация видов и методов измерений.

3. Определение числа и характеристик фундаментальных единиц измерения физических величин.

4. Исследование методов обработки и оценки точности результатов измерений.

Прикладная метрология занимается разработкой, производством и оценкой метрологических характеристик средств измерений. Предметами прикладной метрологии являются:

1. Разработка, исследование и нормирование измерительных преобразователей.

2. Разработка и исследование аналоговых измерительных устройств.

3. Разработка и исследование цифровых измерительных устройств.

4. Разработка и исследование систем сбора и обработки данных (измерительных информационных систем).

5. Разработка и исследование эталонов, образцовых и рабочих мер.

6. Разработка методов поверки средств измерений.

Законодательная метрология занимается разработкой и реализацией правил использования средств измерений. Основными предметами законодательной метрологии являются:

1. Обоснование основных принципов и методов стандартизации продуктов практической деятельности человека.

2. Разработка категорий и видов стандартов.

3. Методы организации работ по стандартизации и контролю за его соблюдением.

4. Разработка методов построения систем сертификации продукции.

Важным звеном в системе обеспечения единства измерений является законодательная часть метрологии.

Многие крупные метрологи современности ставят эту часть над всеми остальными, перечисленными выше, частями. В самом деле, изготавливать измерительную технику может промышленность, изготавливать меры может торговля, собирать стандартные справочные данные могут научные предприятия, далекие от метрологии. Но законодательно регламентировать требования к измерительной технике и методикам выполнения измерений, к методам и средствам поверки может только специальная служба - метрологическая.

Исторически так сложилось, что развиваясь самостоятельно в отсутствие рыночных отношений, наше государство вынуждено было создать специфическую, очень развитую систему стандартизации. Качество не только измерений, но и производимых товаров нуждалось в жестком государственном контроле. К исполнению этой функции ближе всего стояли метрологи, поэтому стандартизацию измерительной техники в конце концов соединили с контролем качества продукции. К 1990 г. в СССР насчитывалось 15 институтов Госстандарта и около 200 центров стандартизации, в обязанности которых входило составление и внедрение законодательных актов - ГОСТов, - регламентирующих не только порядок обеспечения единства измерений, но и порядок контроля качества продукции.

С появлением стран социалистического лагеря служба стандартизации стала международной, появились стандарты стран экономической взаимопомощи (СЭВ). Эта система существовала несколько десятков лет параллельно со всемирной метрологической службой. Наличие международных документов двух уровней создавало дополнительную путаницу в научно-техническом законодательстве, т. к. иногда документы стран-участниц метрической конвенции, членом которой все годы оставалась СССР, противоречили документам СЭВ. Обилие стандартов внутри стран, составленных различными институтами Госстандарта, также привело к расхождению многих из них по одним и тем же вопросам.

Метрология очень тесно связана с стандартизацией. Это проявляется в том, что измерения с одной стороны пронизаны различными стандартами (на средства измерений (СИ), методики и т.д), а с другой стороны стандарты обеспечиваются методами и средствами контроля их исполнения.

Поэтому метрология и стандартизация на Украине объединены в единую державную службу – Государственный комитет Украины по стандартизации, метрологии и сертификации (Госстандарт Украины). Основными функциями которого являются:

• установление допущенных к использованию систем единиц и величин;
• организация работы служб стандартных справочных данных (ГССД), стандартных образцов (СО), ведение реестров средств измерений, мер, реестров стандартных образцов;
• организация поверки средств измерений;
• организация испытаний импортных средств измерений на соответствие стандартам Украины;
• организация испытаний новых средств измерений, выпускаемых промышленностью Украины;
• организация разработки методик измерений, методик поверки средств измерений;
• проведение своевременного контроля или экспертизы конструкторской и технологической документации.

В Украине действуют Госстандарты, международные стандарты (принятые в странах, подписавших соглашение о взаимосогласной политике в области стандартизации. В Луганске (на кв. Гаевом) Центр по стандартизации, метрологии и сертификации. Через эту службу проходят все новые производимые СИ, продукты питания, товары народного потребления и т.д., где определяется соответствие их стандартам качества, а также эта служба проводит поверку всего оборудования в городе (можно счетчик поверить или любой дугой прибор или продукт питание на соответствие).

Украина становится активным членом множества международных организаций по стандартизации и метрологии, что дает нам возможность поставлять разнообразную продукцию, имеющую те же стандарты, что и в тех странах, которые тоже являются членами тех же организаций.

О стандартизации продукции и контроле качества более подробно изучается в курсе «Основы стандартизации и контроля качества продукции»

Современная информационно-измерительная техника дает возможность измерять огромное множество величин: электрических, магнитных, механических, тепловых, световых, акустических и т.д.

Прогресс в электротехнике и огромные успехи в электронике привели к тому, что в настоящее время фактически все измерения производятся «в электрической области».

Большое разнообразие электроизмерительных приборов (некоторые рассмотрим позже) достигнуто в энергетике. Без использования электроизмерительных приборов невозможна работа современных электростанций, где нормальная работа каждого энергоблока может поддерживаться персоналом только на основе анализа информации, которая поступает от десятков приборов, которые контролируют параметры энергоблоков, а также помогают определить повреждения любого энерго- и электрооборудования (даже визуально недоступные). Создание новой электробытовой техники вообще немыслимо без совершенствования измерений, то же касается и электрических машин.

Основные понятия, которыми оперирует метрология: физическая величина, единица физической величины, передача размера физической величины, средства измерений физической величины, эталон, мера, образцовое средство измерений, рабочее средство измерений, рабочее средство измерений, измерение физической величины, метод измерений, результат измерений, погрешность измерений и др. Все это мы рассмотрим в течение курса в различных разделах.

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ И ИЗМЕРЕНИЯ

2.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ, ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ И КЛАССИФИКАЦИИ

Измеряемыми величинами, с которыми имеет дело метрология в настоящее время являются физические величины, т.е. величины, входящие в уравнения опытных наук (см. выше «чистые»науки).

Объекты вокруг нас – физические тела, их системы, процессы, которые в них происходят, имеют различные качества. Физическая величина согласно ГОСТу 2681-94 определяется как:

Физическая величина- характеристика одного из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общая в качественном отношении многим физическим объекта, но в количественном отношении индивидуальна для каждого объекта.

Примеры физических величин: длина (в качественном отношении для тропинки и части человеческого тела или другого объекта это одно и то же, а в количественном различно), скорость, сила тока, температура, масса и т.д. Качественное определение физической величины определяет ее род. Физические величины одинакового качества называют однородными (длина, высота, расстояние, диаметр)

Не следует применять термин «величина» для выражения только количества. Например, писать «величина длины» или «величина тока», так как и масса и длина – сами являются величинами. Получается тавтология «Величина величины» В этих случаях следует применять термины «значение тока» или «размер длины», так как они являются оценкой размера физической величины. Выбор того или иного термина зависит от контекста. Например говорят «размер обуви», а не «значение обуви» или говорят «значение тока», а не «размер тока» Или просто говорят «величина равна…(ток равен, напряжение равно)»

Чтобы установить различие между качественно одинаковыми объектами, но количественно разными вводят понятие «размер физической величины»

Размер физической величины – количественное определение физической величины, присущая данному конкретному материальному объекту, явлению или процессу, которое существует независимо от того, что мы про него знаем.

Значение физической величины- оценка размера физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Получают в результате измерения или вычисления физической величины в соответствии с основным уравнением измерения.

Числовое значение физической величины – отвлеченное число (целое или дробное), входящее в значение величины.

Разберем: тело массой 10 кг. Здесь «масса» - физическая величина, 10 кг – размер физической величины или значение физической величины, 10- числовое значение физической величины.

По характеру проявления во время проведения наблюдений над ними, физические величины делят на:

- активные(энергетические)- которые сами проявляют свои размеры (температура, ток)

- пассивные (параметрические)- (эл.сопротивление, емкость, индуктивность) размеры которых проявляются при действии на них определенной активной величины.

Также различают скалярные (имеют только размер или размер и знак) и векторные (помимо размера имеют направление) величины

Имеющие только размер скалярные величины – неполярные, а имеющие и размер и знак скалярные величины - полярные

Скалярные неполярные – масса, обьем;

Скалярные полярные – эл.заряд;

Векторные – сила, скорость, ускорение.

Размеры физических величин могут меняться непрерывно (температура) или скачкообразно (дискретно) – значение напряжения в сети.

Непрерывно изменяющаяся во времени физическая величина называется – непрерывной (аналоговой), а имеющая конечное число значений за некоторый промежуток времени – дискретной.

2.2 ЕДИНИЦЫ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН И СИСТЕМЫ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Народная мудрость:

«Все познается в сравнении»

«Невозможно определить или измерить одну величину

иначе как приняв в качестве известной другую величину

этого же рода и указав соотношение, в котором

она находится с ней».

Л.Эйлер.

Единица физической величины- физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение равное 1, и применяемая для количественного выражения однородных физических величин.

Должно существовать, по меньшей мере столько единиц, сколько физических величин. Примеры: 1м – единица длины, 1с-единица времени, 1 Бк – единица активности радионуклида.

Первой системой единиц физических величин была система, принятая в 1795 году Национальным Собранием Франции (выше говорили об этом).

Вообще в природе физические величины связаны между собой зависимостями, которые выражают одни величины через другие и называются уравнениями связи между величинами.

Совокупность связанных такими зависимостями величин среди которых одни условно называются независимыми, а другие выражаются через них, называют системой величин. Независимые величины называют основными, а выражаемые через основные – производными.

Хорошо спланировано - наполовину сделано

В 1882 году Гаусс первый предложил методику построения системы единиц физических величин как совокупности основных и производных.

Основные ( независимые друг от друга ) единицы физических величин:

- длины

- массы

- времени

Все остальные – производные – определялись через них.

Система, которую он создал –

Абсолютная система единиц (осн.ед. миллиметр, миллиграмм, секунда)

С развитием науки и техники возникли другие метрические системы, построенные по принципу, предложенному Гауссом, которые отличались основными единицами физических величин.

Система СГС

В 1881 году первым международным конгрессом электриков была принята система

Система СГС (осн.ед.- сантиметр, грамм, секунда; производные: дина –единица силы и эрг – единица работы)

Для механических и магнитных измерений сегодня действуют семь видов СГС: СГСЕ, СГСМ и др.

Значительное количество констант и до сих пор выражаются в единицах СГС.

Система МКГСС

В конце 18 века, когда 1 кг был принят за единицу веса – это обусловило формирование новой системы единиц физических величин с тремя единицами:

Система МКГСС (осн.ед.- метр, килограмм-сила, секунда)

Килограмм-сила (кгс)- сила, которая дает массе в 1кг ускорение 9, 80665 м/ с² (ускорение свободного падения)

Система МКГСС использовалась в механике и технике и неофициально называлась «технической». Причина – удобная единица силы кгс, но в то же время система не очень была удобна, что основная единица для силы, а не массы. (получалось, что единица массы – производная от единицы силы и равняется 9, 80665 кг, а это противоречит метрической десятичной системе, да и в названиях путаница. Еще одним недостатком системы является ее некогерентность (несогласованность) с единицами электрических и механических величин. Единица работы и энергии в МКГСС – килограмм-сила-метр, а в системе электрических величин – джоуль, что заставляет использовать переходные коэффициенты для пересчета. И еще ряд неудобств.

Система МКСА

Основы этой системы были предложены в 1901 г. итальянским ученым Джорджи. Основными единицами системы МКСА являются метр, килограмм, секунда и ампер.

Абсолютная практическая система электрических единиц

Была принята в 1881 г. Первым международным конгрессом электриков, как производная от системы СГСМ и была предназначена для практических измерений электрических и магнитных величин. Электрические и магнитные единицы системы СГСМ оказались неудобными для практического применения, т.к. одни единицы были чрезмерно велики, а другие очень малы.

В абсолютной практической системе электрические и магнитные единицы были созданы из соответствующих единиц системы СГСМ умножением их на 10 в соответствующей степени.

- практическая единица электрического сопротивления, которая равна 10⁹ единицам сопротивления СГСМ (позже стали называть «Ом»)

- практическая единица ЭДС, которая равна 10⁸ единицам ЭДС СГСМ (с названием «вольт»)

- практическая единица силы тока ампер, которая равна 10^-1 единицы тока СГСМ

- практическая единица электрической емкости фарада, которая равна 10^-9 емкости СГСМ.

Каждая из этих единиц имела теоретическое обоснование, которое со временем изменялась и совершенствовалось с учетом достижений науки и техники

Система МТС

Система МТС (осн.ед.-метр, тонна, секунда)

Впервые была принята во Франции в 1919 г.

Принятая тонна казалась удачной, так как обеспечивалось соответствие между единицами длины, массы и объема. 1 тонна – 1куб.м Кроме того, единица работы и энергии в этой системе (килоджоуль) и единица мощности (киловатт) совпадали с соответствующими кратными практическими электрическими единицами. Но все равно эта система не нашла практического применения в др. странах и в 1961 г. была отменена и во Франции.

Тем не менее при унификации единиц и утверждении единой системы единиц количество внесистемных единиц должно быть сведено к минимуму.

Международная система единиц (СИ)

Присутствие многочисленных единиц физических величин, а также большого числа внесистемных единиц сделало неудобным переход от одной системы к другой, то есть необходимо было как можно быстрее унифицировать единицы измерения.

Необходима была единая система единиц физических величин, которая была бы удобна для измерений в любой области и сберегла бы принцип когерентности (согласованности).

Система МКГСС удобна в механике и прикладных науках, но не согласовывалась с практическими электрическими единицами. Система СГС широко применялась в физике, но была неудобна в механике.

В 1954 году 10 Генеральная конференция по мерам и весам установила 6 основных единиц, 27 производных единиц и приставки для кратных и дольных единиц практичной системы для международных отношений.

Основные единицы:

- метр

- килограмм

- секунда

- ампер

- градус Кельвина

- свеча

На этот момент членами Метрической конференции стали 40 стран.

Систему назвали СИ (от фр. Systeme International)

Сегодня 115 стран присоединились к этой системе.

В 1981 году СССР ввел в действие стандарт ГОСТ 8.417-81 «Единицы физических величин» в котором за основу было принято систему СИ и утверждено для обязательного выполнения.

И сегодня (уже в Украинском ГОСТе) в нем перечислены единицы измерения, приведены их украинские и международные названия и установлены правила их применения. По этим правилам в международных документах и на шкалах приборов допускается использовать только международные обозначения. Во внутренних документах и публикациях можно использовать либо международные либо украинские обозначения (но не те и другие одновременно).

Основные преимуществами системы СИ:

1. универсальность, которая обеспечивает ее использование в науке, технике и хозяйстве.

2. унификация единиц для всех видов измерений (т.е. приведение нескольких видов единиц к одной и четкая система образования кратных и дольных единиц от нее) (так вместо нескольких единиц давления атм.мм рт.ст., бар и др. в СИ признана единица Па, вместо нескольких единиц работы и энергии –Джоуль)

3. когерентность (согласованность) системы: коэффициенты пропорциональности в физических уравнениях для определения производных единиц равны единице) (более подробно это понятие рассмотрим позже)

4. использование удобных для практических измерений основных и производных величин

5. четкое различие единицы массы (килограмм) и силы (ньютон)

6. упрощенная запись уравнений и формул благодаря отсутствию переходных коэффициентов для перехода от одной системы к другой

7. система рационализирована (множители и появляются только в выражениях, где есть круговая и сферическая симметрия соответственно)

8. отпала необходимость помнить все единицы величин для различных областей измерений

9. укрепление международных связей (экономических и научно-технических)

В 1971 году утвердили седьмую основную единицу СИ –моль, а свечу заменили на канделу.

Кандела введена для того, чтобы упростить измерение субъективно воспринимаемой интенсивности света и связана с стандартизированной чувствительностью человеческого глаза. Вообще силу света характеризуют длиной волны и энергией, так что в действительности это лишняя единица (кандела и ее производные используют только в фотометрии).

Основные единицы СИ

Величина	Единица	Размерность	Укороченное название единиц
укр	рус	международное
Длина	метр	L	м	м	m
Масса	килограмм	M	кг	кг	kg
Время	секунда	T	с	с	s
Сила электрического тока	ампер	I	А	А	A
Термодинамическая температура^*	кельвин	Q	К	К	K
Сила света	кандела	J	кд	кд	kd
Количество вещества	моль	N	моль	моль	mol

* - градус Цельсия допускаемая единица температуры наравне с кельвином.

Вообще оба термина «единица физической величины» и «физическая величина» - абстрактные понятия. Чтобы воспользоваться единицей, необходимо иметь реализацию этой единицы, то есть физический эталон.(более подробно-позже) Эталон может быть:

- осязаемым воплощением физической величины (килограмм)

- определен посредством стандартизированной измерительной процедуры, в которых применяются эталонные методы измерений и калибровочное специальное оборудование. (ампер, измерение по методу баланса токов)

- явлением природы, например, процессом, происходящим в атомах (секунда, моль).

На сегодняшний день основные величины имеют следующие определения (эталоны):

Метр равен расстоянию, которое проходит плоская электромагнитная волна в вакууме за 1/299792458 долю секунды

Килограмм равен массе международного прототипа килограмма – платиноиридиевого цилиндра высотой 39 мм и диаметром 39 мм

Секунда равна 9192631770 периодам излучения, соответствующего перехода между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133

Дата добавления: 2014-01-07