Введение. Предмет дисциплины. Краткие сведения из истории метрологии и стандартизации (Лекция №1)

Курс «Метрология и стандартизация» включает в себя две самостоятельные дисциплины. Однако их объединение в одном курсе подчеркивает их методологическое единство. Органически входит в этот курс и раздел контроля качества продукции, в нашем случае отливок. Изложение основ метрологии, стандартизации и контроля качества на общей методологической основе является особенностью данного предмета.

Метрология как наука охватывает круг проблем, связанных с измерениями. В дословном переводе с древнегреческого метрология – это учение о мерах.

Согласно ГОСТ 16263-70 метрология – это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Стандартизация является важнейшим звеном в системе управления техническим уровнем и качеством продукции на всех стадиях научных разработок, проектирования, создания и эксплуатации изделий. Международная организация по стандартизации дает следующее определение стандартизации: «Стандартизация – установление и применение правил с целью упорядочения деятельности в определенной области на пользу и при участии всех заинтересованных сторон, в частности, для достижения всеобщей оптимальной технологии при соблюдении условий эксплуатации и требований безопасности». Стандартизация основывается на объединенных достижениях науки, техники и передового опыта. Она определяет основу не только настоящего, но и будущего развития и должна осуществляться неразрывно с прогрессом.

Таким образом, стандартизация направлена на разработку таких обязательных правил, норм и требований, которые должны обеспечить оптимальное качество продукции, повышение производительности труда, экономическое расходование материалов, энергии, рабочего времени и гарантировать безопасность условий труда. Стандартизация предусматривает установление единиц физических величин, терминов, обозначений, требований к продукции и производственным процессам, требований обеспечивающих безопасность людей и сохранность материальных ценностей.

Потребность в измерениях возникла в незапамятные времена. Из глубины веков дошли до нас единица веса драгоценных камней – карат («семя боба» – по древневосточному языку); единица аптекарского веса – гран (в переводе с англ., франц., испанского – «зерно»). Многие меры имели антропометрическое происхождение или были связаны с конкретной трудовой деятельностью человека. Так, в Киевской Руси применялись в обиходе вершок – «верх перста» - длина фаланги указательного пальца (4,445 см);

пядь – от «пять», «пятерня» - расстояние между концами вытянутых большого и указательного пальцев;

локоть – расстояние от локтя до конца среднего пальца (44,5);

сажень – от «сягать», «достигать», то есть можно достать;

косая сажень – расстояние от подошвы левой ноги до конца среднего пальца вытянутой вверх правой руки (~ 3 локтя).

Древнее происхождения имеют и «естественные» меры. Первыми из них, получившими повсеместное распространение, стали меры времени. На основе астрономических наблюдений ученых в Вавилоне установили год, месяц, час. Здесь приняли, что сутки – 24 часа, 1 час – 60 минут, 1 минута – 60 секунд.

С течением времени, в связи с ростом культуры и развитием ремесел и торговли, меры совершенствовались, узаконивались, появилась взаимозависимость между мерами отдельных величин.

Вплоть до конца средних веков измерения ограничивались измерениями времени, геометрических размеров и массы. В XIV-XVI веках начался бурный рассвет ремесел, наук, архитектуры, искусств. Вместе с развитием науки появляется необходимость в измерении разного рода вновь открытых величин, начавших играть значительную роль в науке и технике. Так в XVII веке появились барометры для определения давления воздуха, гигрометры – для определения его влажности; термометры – для измерения температуры; манометры – для измерения давления воды.

В XVIII веке появились динамометры для измерения силы, калориметры для измерения количества теплоты; начали производиться измерения некоторых световых величин. В связи с изобретением паровых машин и распространением механических двигателей возникли понятия о работе, мощности. Появились единицы измерения: пудофут, лошадиная сила.

В конце XIX века и начале XX века были открыты новые физические явления и в связи с этим появились новые виды измерений: в области рентгеновских лучей, радиоактивности, молекулярной и атомной физики.

Исторический обзор русских мер

В древних русских летописях широко упоминались такие меры как: локоть и сажень. Сажень равнялась примерно трем локтям (2,1336 м). В XVII веке сажень была приравнена трем аршинам. Аршин (0,7112 м) впервые упоминается в царских грамотах XVI века. Он равнялся 27 английским дюймам. В XVIII веке аршин в законодательном порядке был приравнен к 28 англ. дюймам.

Для измерения больших расстояний применялась верста (1,06680 км), упоминаемая впервые в актах XI века. Древняя верста равнялась 750 саженям. В XVIII веке верста = 500 саженям.

Единицами для измерения земельных площадей были десятина и четверть, впервые упоминаемые в актах XV века. В начале десятина была равна 2500 квадратным саженям (площади квадрата со стороной равной 50 саженям – одной десятой версты, откуда, вероятно и название десятина).

Древнейшими мерами массы были гривна и золотник (4,3 гр.). Меры массы были тесно связаны с денежными единицами. До XII века плата за товары производилась кусками серебра определенной массы, на которых делались надрубы, чтобы их было легче разламывать на части. Такие куски серебра назывались гривнами. Масса их представляла собой и единицу массы. От отломленных рубленых частей гривны произошло, впоследствии, название «рубль». Вес гривны в различных местах и разное время был неодинаков. Например, новгородская гривна равнялась 96 золотникам. Золотник представлял собой массу византийского золотого динария весом 42. Впоследствии гривна стала называться фунтом (410 гр.).

В XII веке появилась мера пуд, равный 40 фунтам. Из большого числа мер жидких тел распространенными были бочка, ведро (12,3 дм³), штоф (1,23 дм³). В XVIII веке было установлено, что бочка содержит 40 ведер; ведро = 8 штофам или десяти кружкам, или 20 бутылкам, 100 чаркам (1 чарка = 123 см³). В XIX веке штоф приравняли кружке или 2 бутылкам.

В 1736 году была создана комиссия по мерам и весам, которая занималась созданием образцов русских мер. Ею был установлен размер русского фунта, который позднее был осуществлен в виде образца, получившего название бронзового золоченого фунта 1747 года.

В 1827 году была создана комиссия, которой было поручено разработать систему российских образцовых мер и весов. Разработанная комиссией система была узаконена 11 октября 1835 года указом «О системе российских мер и весов». Она предусматривала следующие русские меры:

1. Сажень = 7 англ. футам (1 фунт = 0,304 м);

2. Фунт (0,410 кг), равный по массе бронзовому золоченому фунту 1747 года и одновременно по массе воды в объеме 25,02 куб. дюйма;

3. Мера жидких тел – ведро, равное объему 30 фунтов воды и мера сыпучих тел – четверик равный объему 64 фунтов воды (1 четверик ≈ 0,262 м³).

Таким образом, этот закон устанавливал зависимости между мерами массы и объема.

Дальнейшее уточнение размеров русских мер было произведено великим русским ученым Д. И. Менделеевым.

С 1893 года по 1899 год он восстановил прототипы русских мер, причем размер их он выразил через метрические меры. В результате его работ 4 июня 1899 года было утверждено «Положение о мерах и весах», которое устанавливало систему российских мер. В основу этой системы были положены:

• единица массы – фунт, равный 0,40951247 кг

• единица длины – аршин, равный 0,711200 м.

Соотношение между русскими и метрическими мерами:

Длина

Масса

Площадь

Объем

Возникновение и распространение метрических мер

Отсутствие каких-либо рациональных оснований и произвольность при выборе мер и единиц измерения приводили к большому разнообразию их не только в отдельных странах, но даже в областях и городах одной и той же страны. Из-за этого возникали большие неудобства и трудности, особенно в международных отношениях. Вплоть до XVIII века для Европы было характерно большое разнообразие мер. Если в России и Англии к этому времени было достигнуто некоторое единство мер, то каждый немецкий город, каждая провинция в Италии, каждый кантон в Швейцарии имели свои особые меры. Особенно большой хаос в величине мер царил во Франции, где каждый феодал устанавливал свои собственные меры.

Развитие торговли требовало строгого упорядочения мер.

В 1790 году в национальное собрание Франции было внесено предложение о создании новой системы мер, «основанной на неизменном прототипе, взятом из природы, с тем, чтобы ее могли принять все нации». Было предложено считать единицей длины длину десятимиллионной части четверти земного меридиана, проходящего через Париж. В 1791 году национальное собрание узаконило эту единицу и назвало ее метром. Эталон метра был изготовлен в виде концевой меры – платинового стержня прямоугольного сечения. Это было в 1799 году, когда измерили длину Парижского меридиана между Дюнкерком во Франции и Барселоной в Испании.

За единицу массы была принята масса одного дециметра кубического (1 дм³) чистой воды при температуре ее наибольшей плотности (+4⁰С) – килограмм. Эталон килограмма был изготовлен в виде платинового цилиндра. Метр и килограмм стали архивными (были сданы в архив Франции).

За единицу измерения объема жидких и сыпучих тел был принят литр, равный объему куба с ребром в 1 дм.

Кратные и дольные единицы находились в десятичных соотношениях с основными мерами, а кратные и дольные единицы площади и объема – в отношениях, пропорциональных соответственно квадратам и кубам линейных единиц.

Метрические меры начали постепенно распространяться в других странах, чему способствовало широкое развитие международных связей (наука, торговля, промышленность и т. п.). Однако к практическому решению вопрос о внедрении метрических мер приблизился лишь в 1869 году, когда Петербургская академия наук, взяв на себя инициативу, опубликовала доклад комиссии академиков О. В. Струве, Г. И. Вальда и Б. С. Якоби, в котором рекомендовалось как можно скорее создать международную комиссию для изготовления первичных эталонов единиц длины, емкости, массы.

Комиссия была создана, собирались два раза в 1870 и 1872 годах. Она постановила принять за единицу длины архивный метр, а за единицу массы – архивный килограмм, хотя к этому времени уже было известно отличие этих единиц от теоретического метра и килограмма. Более точные измерения показали, что в одной четверти земного меридиана содержится не 10000000 м, а 10000856 м. Но и это может еще быть не совсем точным. Тоже и с массой обнаружились большие расхождения между архивным килограммом и его теоретическим значением (массой 1 дм³ воды). Поэтому было предложено отказаться от теоретических определений метра и килограмма, а принять в качестве прототипов (исходных) мер – архивный метр и килограмм.

Международная метрическая комиссия высказала пожелание об учреждении Международного бюро мер и весов – научного учреждения, на которое должно быть возложены задачи хранения и сравнения международных и национальных эталонов. В итоге 20 мая 1875 года была подписана метрическая конвенция (17 государств из 20). Между членами метрической конвенции были распределены образцы эталонов. Россия получила 2 метра (№11 и №28) и два килограмма (№12 и №26).

Таким образом, в 1889 году было завершено окончательное установление метрических мер и принятие их в качестве международных. С тех пор число государств, подписавших Метрическую конвенцию, все возрастает. В 1966 году их было 38. В настоящее время ……

В России введение метрических мер шло с трудом, несмотря на ее участие в конвенции. Установление Д. И. Менделеевым точных соотношений между русскими мерами и метрическими дало основание для введения в России метрических мер. Однако они были допущены только факультативно «Положением о мерах и весах» 1899 года. Разрешалось применять метрические меры наравне с российскими в торговых и иных сделках только по распоряжению министра, однако частные лица могли не пользоваться метрическими мерами.

Поэтому метрическая система мер распространялась в России медленно. И лишь в 1918 году докладом СНК она была введена как обязательная. С 1 января 1922 года запрещалось изготовление русских мер и гирь, а с 1 января 1923 года – их продажа. С 1 января 1924 года запрещалось применение любых мер и весов, кроме метрических. Но вследствие разрухи и войны введение метрической системы мер и весов было продлено до 1 января 1927 года.

Как только возникли меры – возникла необходимость надзора за ними. На Древней Руси этот надзор был поручен духовенству. Чтобы гири и другие меры носили законных характер, на них наносили имена князей и названия городов. С XV века надзор за мерами и весами стал сосредотачиваться в органах государственной власти. Этому способствовало развитие торговли внешней и внутренней. В XVII веке законодательство о мерах и весах расширяется. Учреждается особый надзор за весами и мерами в таможнях и гостиных дворах, собирается пошлина за взвешивание товаров.

При Петре I надзор переходит к коллегиям, бургомистрам и органам городского управления.

Важнейшим организующим документом было «Положение о мерах и весах» 1842 года, введенное в действие с 1 января 1845 года. Оно явилось первым документом, установившим основы государственной службы мер и весов. Было создано депо образцовых мер и весов, задачи которого состояли в хранении образцов русских мер, в поверке копий с образцовых мер, исправлении копий, утративших точность и изготовление новых. Это и есть начало метрологии. Первым ученым-хранителем депо был академик А. Д. Купфер, за ним профессор В. С. Глухов (с 1865 по 1892 года), а затем Д. И. Менделеев. Он внес огромный вклад в развитие метрологии (был создан институт научный, организовывались поверочные палатки и т. д.). В 1893 году была создана Главная палата мер и весов. Она действовала как самостоятельная до 1930 года. Были организованы обязательные поверки в 1923 – медицинских термометров, в 1925 году – рабочих и контрольных манометров, в 1929 году – водомеров, электрических счетчиков и т. д.

В 1930 году Главная палата мер и весов была передана всесоюзному Комитету по стандартизации. Таким образом, метрология и стандартизация были сближены и рассматривались как два основных начала рационализации производства и овладения передовой техникой.

В 1938 году был образован Комитет по делам мер и измерительных приборов при СНК. Комитет получил возможность влиять на развитие производства, выбор новых типов измерительных приборов, на организацию ремонта мер и измерительных приборов и надзора за ними. Это более высокая ступень развития метрологии.

В 1940-1941 года была проведена большая работа по изучению состояния измерительных приборов, находящихся в эксплуатации на предприятиях, и анализу его влияния на качество продукции, на технологию процесса, на выработку и расход всех видов энергии. Результаты этой работы были положены в основу организации измерительного хозяйства на предприятиях и ведомственного надзора за мерами и измерительными приборами в процессе эксплуатации.

Великая Отечественная Война нанесла Государственной службе мер и весов большой ущерб. В 1953-1954 года был создан Комитет стандартов, мер и измерительных приборов при Совете Министров СССР. Была проведена работа по укреплению метрологических институтов и лабораторий по всей стране.

В настоящее время наиболее известными метрологическими институтами являются:

• ВНИИМ им. Д. И. Менделеева;

• ВНИИК (Всесоюзный научно-исследовательский институт Комитета Стандартов, мер и измерительных приборов);

• ВНИИФТРИ (Всесоюзный научно-исследовательский институт физико-технологических и радиотехнических измерений).

Основные термины и определения (Лекция №2)

Значение метрологической терминологии

Для изучения и дальнейшего развития любой отрасли науки и техники единообразие и четкость применяемой терминологии имеют большое значение. В отдельных отраслях науки и особенно техники появляется ряд терминов, общеупотребительных слов, которые применяются иногда в особом, специфическом смысле, в результате чего создается своего рода отраслевая терминология, а в отдельных случаях даже жаргон, затрудняющие понимание литературы по данной отрасли для специалистов других областей науки и техники.

Особенно важное значение точная терминология приобретает в метрологии, проникающей во все отрасли человеческой деятельности и являющейся для них одним из связующих звеньев. Язык метрологии должен быть единым для всех отраслей знаний. Остановимся на некоторых группах общих терминов и их определений.

Величина: Физические величины – это характеристики физических процессов, свойств или состояний физических тел, поддающихся количественной и качественной оценке. Результаты измерения физических величин только тогда являются полноценными, когда они могут быть использованы для описания закономерностей природы в форме математических уравнений.

Слово «величина» употребляется в двух смыслах, что нередко приводит к неточности изложения, а в вопросы метрологии вносит путаницу. Очень часто термин «величина» употребляют в применении к размеру или числовому значению данных конкретных физических величин. Говорят: величина давления, величина скорости, величина напряжения. Это неверно потому, что давление, скорость, напряжение в правильном понимании этих слов являются величинами, и, говоря так, мы, по существу говорим о величине величины. Можно просто сказать: большое или малое давление, не говоря слово «величина». Зачем говорят: «величина скорости звука в воздухе равна 300 м/с», вместо: «скорость звука в воздухе равна 300 м/с» и т. д.

В тех же случаях, когда необходимо подчеркнуть, что речь идет о количественном определении данной физической величины, можно употребить слово «размер».

Для указания на количественную характеристику физической величины часто говорят «числовое значение величины» или просто «значение величины». Однако при этом не следует забывать, что слово «значение» без прилагательного «числовое» имеет более широкий смысл. Например: «в словаре указаны различные значения слов». Кроме того, слово значение применяют в смысле «важность», «значимость». Отбрасывать прилагательное «числовое» можно только в тех случаях, когда иное толкование слова «значение» невозможно.

Между размером и числовым значением величины есть принципиальная разница. Размер величины существует реально, независимо от того, знаем мы его или нет. Выразить размер величины мы можем при помощи единиц измерения данной величины в виде ее числового значения.

Для числового значения характерно, что при применении другой единицы измерения оно изменяется, тогда, как размер величины остается постоянным (неизменным). Например:  10 мм = 1 см = 0,01 м

Различают истинное значение величины и измеренное.

Истинное значение величины – числовое значение, выражающее истинный размер величины в данных единицах измерения.

Измеренное значение величины – числовое значение величины, полученное в результате измерения и лишь приближенно соответствующее истинному размеру. Степень приближения зависит от точности метода и средств измерения.

Измерение.

Широкое распространение получило определение, предложенное М.Ф. Маликовым: «Измерение – познавательный процесс, заключающийся в сравнении путем физического эксперимента данной величины с известной величиной, принятой за единицу сравнения».

Против этого определения выдвинут ряд возражений, возникших в связи с современным состоянием и ролью измерений, а также в связи с некоторыми изменениями в общих понятиях. Так, например, измерения, производимые в кибернетических устройствах и превращаемые в сигналы регулирования без участия человека, можно лишь условно отнести к познавательным процессам. Вызывает возражения и формулировка «физический эксперимент». Выступающие против этого выражения, допускают узкое его толкование, при котором из процесса оказываются исключенными такие операции, как вычисления, введение поправок и т. п. Указывается также на то, что это определение предусматривает только прямые измерения и не охватывает косвенных и совокупных измерений, в которых величина не сравнивается непосредственно с единицей измерения. Эти возражения нельзя признать бесспорными (измерение температуры Солнца).

Имеется ряд других определений «измерения». Например: «Измерение – это совокупность действий, выполняемых с помощью средств измерений и имеющих целью нахождения числового значения измеряемой величины, выраженного в принятых единицах измерения».

Однако отсутствие полной четкости определения во многих практических случаях не создает трудностей в проведении измерений. Трудности возникают тогда, когда необходимо определить границу между измерением и каким-то другим процессом, происходящим, например, в системах регулирования.

Не следует заменять термины «измерение», «измерить», слова «замер», «замерить», так как понятия, обозначаемые этими словами, не отличаются от понятий, определяемых термином «измерение» и производными от него.

Эталоны и образцовые меры. Измерительные приборы (ГОСТ 8.057-80)

Эталон единицы измерения – мера или измерительный прибор (или группа), предназначенные для воспроизведения с наивысшей достижимой точностью и хранения единицы измерения в общегосударственном или международном масштабе. При конкретном применении термина слова «единицы измерения» заменяют наименованием единицы: эталон килограмма, эталон метра, эталон ампера и т. п.

Эталоны (ГОСТ 8.057-80)

Эталоны по подчиненности подразделяют на первичные (исходные) и вторичные (подчиненные). Первичные эталоны в зависимости от условий воспроизведения единицы могут иметь разновидность – специальные первичные эталоны.

Эталоны создаются для воспроизведения и хранения единицы физических величин и передачи их размера средством измерений, применяемым в стране с целью обеспечения единства измерений.

Первичные эталоны воспроизводят и хранят единицы физических величин и передают их размеры с наивысшей точностью, достижимой в данной области измерений.

Специальные эталоны воспроизводят единицы физических величин в условиях, в которых прямая передача размера единицы физической величины от первичного эталона с требуемой точностью технически неосуществима (высокие и сверхвысокие давления и частоты, малые и большие энергии и температуры, особые состояния веществ и т. п.).

Первичные и специальные эталоны являются исходными для страны и их утверждают в качестве государственных эталонов. Им присваивают наименование «Государственный первичный эталон» и «Государственный специальный эталон».

К вторичным эталонам относят эталоны – копии, эталоны – сравнения и рабочие эталоны.

Эталоны сравнения предназначены для взаимного сличения эталонов, которые по тем или иным причинам нельзя непосредственно сличать друг с другом.

Рабочие эталоны предназначены для поверки образцовых и наиболее точных рабочих средств измерений.

Воспроизведение и хранение единицы физической величины допускается осуществлять одиночными средствами измерения, группой или набором.

Одиночный эталон состоит из одного средства измерения или одной измерительной установки.

Групповой эталон состоит из совокупности однотипных средств измерения, применяемых как одно целое.

Эталонный набор представляет собой набор средств измерений, позволяющих хранить единицу физической величины или измерять физическую величину в определенном диапазоне, в котором отдельные средства измерений имеют различные номинальные значения или диапазоны измерений.

Государственные эталоны создает, утверждает и применяет Госстандарт. Они подлежат международным сличениям.

Вторичные эталоны создают, хранят и применяют министерства (ведомства).

В технике, науке и художественной литературе слово «эталон» употребляется в более широком смысле. Под эталоном понимают образец наивысшего достижения в чем-либо, образец, по которому следует равняться.

В области метрологии и измерительной техники слово «эталон» следует применять в том значение, какое дано в его определении. Неправильно называть наиболее точные меры и измерительные приборы, применяемые на предприятиях, эталонами, эталонными мерами или эталонными измерительными приборами. Для них установлены и широко применяются наименования «образцовые меры» и «образцовые измерительные приборы».

Образцовая мера – мера, предназначенная для хранения единицы измерения и для поверки и градуировки по ней других мер и измерительных приборов.

Образцовый измерительный прибор – прибор, предназначенный для хранения единиц измерения и для поверки и градуировки по нему мер и других измерительных приборов.

Стандартный образец – образец материала или изделия с изученными свойствами, назначением которого является поверка приборов для испытания подобных же образцов или изделий (эталон для определения химического состава).

Образцовое вещество – вещество со свойствами, облегающимися высоким постоянством, применяемое для воспроизведения единиц измерения или постоянных точек шкалы, например, вода высокой степени чистоты, применяемая при поверке вискозиметров и ареометров, а также термометров в точках 0 и 100⁰С; аттестованная бензойная кислота, используемая для поверки калориметров.

Но это не эталонные материалы, т. е. они являются промежуточными, передаточными звеньями между эталоном единиц измерения и измерительными приборами.

Точность и погрешность измерений

В общем смысле под точностью измерения понимают степень приближения результатов измерений к истинному значению измеряемой величины.

Погрешность измерения – алгебраическая разность между полученным при измерении и истинным значениями измеряемой величины, вызванная несовершенством метода и средств измерения, непостоянством условий наблюдения, а также недостаточным опытом наблюдения или особенностями его органов чувств.

Погрешность измерения может быть выражена в единицах измеряемой величины (абсолютной) или в долях (%) от ее значения. Погрешности измерения, выраженные в долях или % от значения измеряемой величины, называют относительными.

Поверка мер и измерительных приборов

Поверка – совокупность действий, производимых с целью оценки погрешностей мер и измерительных приборов. Если поверяемые меры или измерительные приборы предназначены для применения без введения поправок, как например, меры, используемые в торговле, то цель поверки заключается в выяснении, не превышают ли их погрешности допускаемые. Если же поверяемые меры или измерительные приборы предназначены для применения с учетом поправок к их показаниям, то поверкой определяются их погрешности.

Неправильно операцию поверки мер и измерительных приборов называть «проверкой», так как это слово имеет более широкий смысл, например, можно проверять выполнение различных технических требований в отношении любого вида промышленной продукции, а не только мер и измерительных приборов.

Но, с другой стороны, нельзя называть «поверкой» операции, имеющие целью определение отдельных характеристик меры или прибора. Нельзя, например, говорить «поверка чувствительности», «поверка исправности» и т. п. Следует всегда помнить, что поверке могут подвергаться только меры и измерительные приборы, но не отдельные свойства их, так как поверка – это определение погрешностей, а погрешностями могут обладать лишь меры и измерительные приборы, но не их свойства.

Сличение мер или измерительных приборов – разновидность поверки, при выполнении которой проводится прямое сравнение двух мер или измерительных приборов.

Калибровка мер – поверка совокупности однозначных мер или одной многозначной меры. На различных отметках шкалы оценивают путем сравнения их между собой в различных сочетаниях.

Градуировка мер и ли измерительных приборов – нанесение отметок на шкалу меры или измерительного прибора, или определение значений измеряемой величины, соответствующих уже нанесенным условным отметкам.

Абсолютные значения и величины

Абсолютные единицы измерения и абсолютные системы единиц - единицы и системы единиц измерений, основанные на единицах длины, массы, времени.

Абсолютные измерения – косвенные измерения, зависимые от прямых измерений длины, массы и времени.

Абсолютный нуль температуры – тепловое состояние тела, которому не сообщено тепло (то есть количество тепла равно нулю).

Абсолютная температура – температура, исчисляемая от абсолютного нуля. Этот термин является уже в значительной степени условным. Строго говоря, от абсолютного нуля можно построить бесконечно большое число температурных шкал с любыми температурными интервалами.

Отраслевая терминология

Отдельные отрасли измерений возникли и развивались задолго до того, как сформировалась метрология. Поэтому в каждой из них создалась своя, «отраслевая», терминология.

Например, в области измерений длин и углов большую группу измерительных приборов, включая микрометры и штангенциркули, называют измерительным инструментом.

2 Объекты измерения и их меры (Лекция №3)

2.1 Измеряемые величины

Предметом познания в современном представлении являются объекты, свойства и явления окружающего мира. Таким объектом, например, является окружающее нас пространство, а его свойством – протяженность. протяженность может характеризоваться различными способами. Общепринятой характеристикой (мерой) пространственной протяженности служит длина. Однако протяженность реального физического пространства является сложным свойством, которое не может характеризоваться только длиной. Для полного описания пространства рассматривается его протяженность по нескольким направлениям (координатам) или используются еще такие меры, как угол, площадь, объем. Таким образом, пространство является многомерным.

Любые события и явления в реальном мире происходят не мгновенно, а имеют некоторую длительность. Это свойство окружающего нас мира качественно отличается от пространственной протяженности. Его также можно характеризовать по-разному, но общепринятой мерой здесь является время.

Свойство тел сохранять в отсутствии внешних воздействий состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инертностью. Мерой инертности является масса.

Свойство тел, состоящее в том, что они нагреты до некоторого состояния, качественно отличается от предыдущего. Оно могло бы характеризоваться средней скоростью теплового движения молекул, но распространение получила мера нагретости тел – термодинамическая температура.

Общепринятые или установленные законодательным путем характеристики (меры) различных свойств, общих в качественном отношении для многих физических объектов (физических систем, их состоянии и происходящих в них процессов), но в количественном отношении индивидуальных для каждого из них, называются физическими величинами.

Кроме длины, массы, температуры, времени к физическим величинам относятся сила, скорость, ускорение, плоский и телесный угол, давление, освещенность, сила тока, напряжение и многие другие. Все они представляют некоторые общие в качественном отношении физические свойства, качественные характеристики которых могут быть совершенно различными. Получение сведений об этих количественных характеристиках и является задачей измерений.

Объектами измерений являются не только физические величины, например, в экономике существует понятие стоимости – свойство, общего для всех видов товарной продукции, но в количественном отношении индивидуального для каждого вида товара. В эпоху зарождения товарного обмена стоимость имела натуральное выражение и определялась эквивалентным количеством продуктов питания поголовьем скота и т. п. С появлением всеобщего эквивалента – денег, мерой стоимости стала цена, которая относится не к физическим величинам, а к экономическим.

В квалиметрии для измерения и оценки качества продукции используют показатели качества.

Переход к количественным методам исследований на основе измерительной информации в биологии, психологии, спорте, искусстве, медицине, педагогики, социологии и т. д. стал отличительной чертой нашего времени. Привычным стало измерение знаний учащихся, мастерства спортсменов и исполнителей художественных произведений, вдохновения и других свойств, общих в качественном, но индивидуальных в количественном отношении. Применяются измерения и в нематериальной сфере. Например, в абстрактной математике широкое распространение получили меры неопределенности, значимости и многие другие.

Между измеряемыми величинами существуют связи и зависимости, выражаемые математическими соотношениями и формулами. Эти формулы и соотношения могут отражать законы природы, как, например, закон Ома

,

где I – сила тока;

U – напряжение;

R – сопротивление.

Или второй закон Ньютона

,

где F – сила;

m – масса тела;

a – ускорение

могут быть определениями некоторых величин, например плотности:

,

где m – масса тела;

V³ – объем тела

или интегрального показателя качества

,

где П_ - суммарный полезный эффект от потребления продукции;

З_с и З_п – суммарные затраты на ее создание и потребление.

В подобных зависимостях одни величины выступают как основные, а другие – как производные от них. Опыт показал, что всю механику можно изложить, использую всего 3 основные величины, всю теплотехнику – с помощью четырех основных величин, а для изложения всей молекулярной физики достаточно пяти основных величин и т. д. Вся современная физика может быть построена на 7 основных величинах. Выбор их в известном смысле является произвольным, но наиболее рационально в качестве основных физических величин выбирать такие, которые характеризуют фундаментальные свойства материального мира.

ГОСТом 8.417-81 установлены 7 основных физических величин – длина, масса, время, термодинамическая температура, количество вещества, сила света, плоский угол и телесный угол. При помощи этих физических величин образуется все многообразие производных физических величин и обеспечивается описание любых свойств физических объектов и явлений.

В разделе математики – теории вероятностей – основными величинами являются отдельные значения случайных чисел, и производными – мера их рассеяния (дисперсия), мера неопределенности (энтропия) и другие. Таким образом, в любой области знания, в любой сфере человеческой деятельности можно выделить основные и производные величины.