LEKCIJA_1

Лекция 1. Основные понятия и определения

Метрология представляет собой сочетание научной, законодательной и практической деятельности в области обеспечения единства измерений и оценки их точности.

Научная метрология занимается фундаментальными и прикладными исследованиями в области создания систем единиц физических величин, мер, воспроизводящих эти единицы, включая и меры высшей точности – эталоны, разработкой методов измерений и исследованием их погрешностей, разработкой способов передачи размера единицы измерения от эталона к образцовым мерам и приборам и от них – к рабочим средствам измерений.

Законодательная метрология занимается созданием законодательной базы, как в государственном, так и в межгосударственном масштабе, закрепляющей в виде государственных и международных стандартов и специальных международных соглашений принятую систему единиц, а также правил, норм и требований, нуждающихся в регламентации и контроле со стороны государства и направленных на обеспечение и поддержание единства измерений.

Законодательная метрология служит средством государственного и межгосударственного регулирования практической метрологической деятельности посредством законов и законодательных положений, которое осуществляется через государственную метрологическую службу и метрологические службы юридических лиц.

И, наконец, практическая метрология через разветвленную систему государственных метрологических служб и метрологических служб юридических лиц (производственных предприятий и учреждений) осуществляет практический надзор за всеми средствами измерений, обеспечивает их своевременную поверку, что и гарантирует на практике соблюдение единства измерений.

Измерение представляет собой процесс получения информации, заключающийся в сравнении опытным путем измеряемой физической величины с однородной ей физической величиной, принятой за единицу измерения.

Результатом измерения является числовое значение измеряемой величины А_х, которое равно отношению измеряемой величины Х к единице измерения Х_е .

Следовательно, процесс измерения отражается уравнением

А_х = Х / Х_е . (1.1)

Это уравнение называют основным уравнением измерения.

Физические величины различают в качественном и количественном отношении. Качественная сторона определяет физическую природу величины (геометрический размер, электрическое сопротивление, магнитный поток и др.), а количественная – ее величину (например, сопротивление конкретного резистора). Таким образом, физическая величина – есть свойство общее в качественном отношении для множества однородных объектов и индивидуальное в количественном отношении для каждого из них.

Значение физической величины – есть количественная оценка измеряемой величины. Она должна выражаться не просто числом, а числом именованным, т.е. результат измерения должен быть выражен в определенных единицах, принятых для данной физической величины.

Совокупность физических величин, связанных между собой определенными математическими уравнениями, соответствующими физическим закономерностям, образуют систему физических величин.

Число уравнений m, связывающих физические величины в единую систему, всегда меньше числа входящих в нее физических величин n. Поэтому m входящих в систему физических величин можно определить через другие величины, а n – m величин являются независимыми. Независимые физические величины, входящие в систему, называют основными, а остальные – производными.

В принципе, в качестве основных могут быть выбраны любые n – m физических величин, входящих в систему. Но практически выбирают величины, которые могут быть воспроизведены и измерены с наиболее высокой точностью.

Единицы измерений физических величин, входящих в систему, образуют систему единиц физических величин.

Единицы, соответствующие независимым (основным) физическим величинам, называют основными, а остальные – производными.

В настоящее время в большинстве стран законодательно принята международная система единиц СИ.

В ней основными единицами являются:

- единица длины – метр (русское обозначение – М, международное – m);

- единица массы – килограмм (русское обозначение – кг, международное – kg);

- единица времени – секунда (русское обозначение – с, международное – s);

- единица силы электрического тока – ампер (русское обозначение – А, международное – А);

- единица термодинамическоой температуры – кельвин (русское обозначение – К, международное – К);

- единица количества вещества – моль (русское обозначение – моль, международное – mol);

- единица силы света – кандела (русское обозначение – кд, международное – cd).

Число производных единиц система СИ не ограничивает, поскольку они могут быть выражены не только через основные единицы, но и через другие производные единицы. Таким образом, система СИ допускает выражать производные физические величины различными производными единицами. Например, единица мощности через основные единицы выражается кг м² /с³, но для удобства для нее принято отдельное наименование – ватт (Вт; W), а также она может быть выражена через другие производные единицы: Дж / с; Н м / с.

С учетом этого система СИ допускает использование 110 производных единиц.

Кроме них в систему единиц физических величин могут входить дополнительные и внесистемные единицы.

Дополнительные единицы не связаны с остальными уравнениями, образующими систему физических величин. Система СИ включает две дополнительные единицы:

- единицу плоского угла – радиан (рад; rad);

- единицу телесного угла – стерадиан (ср; sr).

Внесистемные единицы не входят в какую-либо систему единиц, но допускаются к употреблению ввиду исторически сложившихся традиций. Примерами внесистемных единиц, допускаемых к употреблению законодательством РФ являются: единица длины – ангстрем (À), соответствующая 10 ^–10 м; единица объема – литр (л) равная 10 ^–3 м³ ; единица тепловой энергии – калория (кал) равная 4,1868 Дж. Всего допускается употребление 47 внесистемных единиц. Однако рекомендуется по возможности ограничивать их применение.

Для удобства обозначения больших и малых значений физических величин в систему введены кратные и дольные единицы.

Кратная единица – это единица в целое число раз большая системной или внесистемной единицы.

Дольная единица – это единица в целое число раз меньшая системной или внесистемной единицы.

В системе СИ кратные и дольные единицы образуются путем умножения системной или внесистемной единицы на 10 в целой положительной (для кратных единиц) или отрицательной (для дольных единиц) степени. При этом к названию единицы прибавляются следующие приставки:

кратные единицы дольные единицы

дека (да) – 10 ¹ деци (д) – 10 ^–1

гекто (г) – 10 ² санти (с) – 10 ^–2

кило (к) – 10 ³ милли (м) – 10 ^–3

мега (М) – 10 ⁶ микро (мк) – 10 ^–6

гига (Г) – 10 ⁹ нано (н) – 10 ^–9

тера (Т) – 10 ¹² пико (п) – 10 ^–12

пета (П) – 10 ¹⁵ фемто (ф) – 10 ^–15

экса (Э) – 10 ¹⁸ атто (а) – 10 ^–18

Система СИ отличается от других систем единиц физических величин (до нее употреблялись системы МКС – для измерения механических и акустических величин с основными единицам: метр, килограмм, секунда; МКСА – для измерения электрических и магнитных величин, где к основным единицам предыдущей систем добавляется еще одна - ампер СГС и др.) следующими достоинствами:

- универсальностью, т.к. она охватывает все отрасли науки и техники (в то время как система МКСА применялась преимущественно в технике, а система СГС – в физике);

- когерентностью, т. е. во всех физических уравнениях, определяющих производные единицы коэффициенты пропорциональности равны единице, что не всегда выполнялось в других системах;

- для однородных физических величин во всех отраслях науки и техники используются одни и те же единицы, тогда как в других системах это не выполнялось (в частности в системе СИ все виды энергии и работы выражаются в одних и тех же единицах – джоулях, в то время как ранее для этого использовались различные единицы: килограммометр в механике, эрг в физике, лошадиная сила×час в технике, ваттчас – в электротехнике, калория – в термодинамике и теплотехнике).

В результате измерений мы получаем информацию о количественных характеристиках тех или иных свойств объекта измерения, выражаемых физическими величинами. Эту информацию принято называть измерительной информацией. Материальными носителями измерительной информации являются измерительные сигналы. Измерительный сигнал всегда имеет информативный параметр, функционально связанный с измеряемой величиной. Остальные параметры измерительного сигнала являются неинформативными.

По своей способности создавать измерительные сигналы физические величины могут быть активными и пассивными.

Активные физические величины способны без вспомогательных источников энергии создавать измерительные сигналы, которые непосредственно воспринимаются измерительными приборами (например, механическая сила, эдс источника электрического тока и т.п.).

Пассивные физические величины (например, масса, электрическое сопротивление, индуктивность) сами не создают измерительных сигналов. Для этого их надо активизировать с помощью вспомогательных источников энергии (так, для измерения массы к ней должна быть приложена какая-то внешняя сила, для измерения электрического сопротивления какого-то резистора через него должен быть пропущен электрический ток от какого-то вспомогательного источника и т. д.).

Измерения всегда производятся с какой-то ограниченной точностью. Это означает, что истинное значение измеряемой величины остается неизвестным. Отличие результата измерения от истинного значения объясняется несовершенством средств измерения, несовершенством применяемого метода измерения, влиянием окружающих условий на результаты измерения, а также (в ряде случаев) несовершенством органов чувств человека, производящего измерения.

Отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины называется погрешностью измерения.

Но, поскольку истинное значение измеряемой величины остается неизвестным, то точно определить погрешность конкретного измерения невозможно. Однако без оценки погрешности достоверность измерения близка к нулю. Поэтому такая оценка необходима. Такую оценку можно провести двумя способами: а) оценить наиболее вероятную погрешность измерения; б) определить верхнюю и нижнюю границы диапазона, в котором с наперед заданной вероятностью должно находиться истинное значение измеряемой величины. Оба эти способа базируются на математико-статистическом подходе, с помощью которого исследуется распределение результатов многократных измерений одной и той же измеряемой величины, проводимых в одинаковых условиях.

Исследованием погрешностей измерений и разработкой методов их численной оценки занимается теория погрешностей, составляющая важную часть метрологии.

К понятию измерения весьма близко понятие контроля, но смешивать их нельзя, поскольку они отличаются рядом важных признаков.

Контроль – это процесс установления соответствия между действительным состоянием объекта контроля и заданным для него нормальным состоянием.

Объективное состояние объекта контроля обычно оценивается по значениям некоторой совокупности физических величин, характеризующих его состояние. Таким образом, суть контроля сводится к оценке ряда физических величин. В этом, как раз и состоит общность понятий контроля и измерений, поскольку цель последних также состоит в оценке измеряемых физических величин. Однако, в отличие от измерений, при контроле нет необходимости определять значение контролируемой физической величины. Достаточно убедиться в том, что это значение находится в заранее заданном допустимом интервале. Следовательно, при контроле мы должны сравнить контролируемую величину с верхним и нижним допустимыми значениями, определяющими этот допустимый интервал. Само же значение контролируемой величины определять не нужно.

Однако, достоверность контроля столь же важна, сколь и достоверность измерений. Но если достоверность измерений определяется их погрешностью, то достоверность контроля определяется вероятностью принятия ошибочных решений по его результатам. При этом могут быть два вида ошибок.

5