2. Основы метрологической деятельности
Четырехэтажное здание в центре Санкт-Петербурга на Московском проспекте знают почти все жители города. Такой известностью оно в значительной мере обязано большому табло, которое хорошо просматривается со всех сторон площади на перекрестке Московского и Загородного проспектов. По табло около трех десятков лет горожане и жители города могут узнать о температуре воздуха, атмосферном давлении, времени, концентрации вредных выбросов. Вероятно, поэтому многие считают, что и само здание имеет отношение к метеорологической службе, тем более, что на фасаде здания имеется вывеска: «Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им.Д.И.Менделеева». Некоторая часть жителей считает, что упомянутый институт связан с проблемами работы метрополитена.
Без метрологии предсказывать погоду практически невозможно, а метрополитен функционировать не сможет, но суть метрологической деятельности в другом.
Окружающая нас реальность представлена объектами, свойствами и явлениями материального и духовного мира. Свойства объектов и явлений окружающего мира являются предметами познания В теории познания выделяют категории качества и количества. Точными количественными исследованиями занимаются естественные науки. Методами исследований служат теория и эксперимент. В свою очередь, экспериментальные исследования могут выполняться с применением и без применения технических средств (инструментов).
Полученная тем или иным путем количественная информация о свойствах и явлениях окружающего мира перерабатывается и хранится в устройствах и системах информатики.
Наука о получении количественной информации опытным путем называется МЕТРОЛОГИЕЙ.
Опытным путем, т.е. экспериментально, количественная информация получается при помощи измерений. Таким образом,
Метрология – наука о получении измерительной информации.
Другие определения будут рассмотрены при изучении других основных дисциплин рассматриваемого направления подготовки. Ниже приведем определение из Международного словаря по метрологии, включающего основные и общие понятия и соответствующие термины.
Метрология – наука об измерениях и их применении
Примечание: Метрология включает все теоретические и практические аспекты измерений, независимо от неопределенности измерений и области применения.
В современном представлении метрология делится на:
- теоретическую метрологию, состоящую из теории измерений, включающей не только прикладные аспекты, но и разработку фундаментальных основ метрологической деятельности и теории обеспечения единства измерений;
- прикладную метрологию, объединяющую разнообразные виды практической метрологической деятельности на производстве, в научных исследованиях;
- законодательную метрологию, представленную нормативно-правовыми актами международного, регионального, национального уровня и уровня отдельных организаций.
Измерения являются одним из важнейших путей познания природы человеком. Они израют огромную роль в современном обществе. Наука, техника, промышленность не могут существовать баз измерений. Каждую секунду в мире проводятся миллиарды измерительных операций, результаты которых используются для обеспечения надлежащего качества и технического уровня выпускаемой продукции, обеспечения безопасной и безаварийной работы транспорта, для медицинских, экологических диагнозов и заключений, для других важных целей. Практически нет ни одной сферы деятельности, где бы интенсивно не использовались результаты измерений, испытаний и контроля.
Возрастает сложность измерений. Они перестали быть однократным действием и превратились в сложную процедуру подготовки и проведения измерительного эксперимента, обработки и интерпретации полученной информации. Следует говорить об измерительных технологиях, направленных на получение измерительной информации требуемого качества.
Растет не только номенклатура измеряемых величин, но и номенклатура применяемых при измерениях технических средств. На современном этапе управление парком средств измерений в организации и на национальном уровне становится одной из важнейших задач.
Сотрудничество с зарубежными странами, совместная разработка научно-технических программ требуют взаимного доверия к измерительной информации. Ее высокое качество, точность и достоверность, единообразие принципов и способов оценки точности результатов измерений имеют первостепенное значение.
При выполнении измерений происходит переход к числовым характеристикам в отношении исследуемого свойства объекта измерений. Очень долго на число смотрели как на результат счета, как на собрание единиц. Считая, например, яблоки говорили «десять яблок» или попросту «десять», подразумевая яблоки и т.д. Позже люди научились делить единицу на части, т.е. пришли к мысли о существовании дробей. Еще позднее пришло осознание того, что числа можно получать путем деления одного числа на другое. Под числом стали понимать отвлеченное отношение одной величины к другой величине того же рода.
И.Ньютон для числа дал следующее определение:“Под числом мы понимаем не столько множество единиц, сколько отвлеченное отношение какой-нибудь величины к величине такого же рода, принятой за единицу”
Исаак
Ньютон
Эта процедура и легла в основу измерения. Всем знакома запись «длина L = 4 м». Число четыре получено в результате того, что длину исследуемого объекта сравнивали с объектом, длина которого составляла один метр. Говорят, что в результате измерения получаем именованное число. Здесь уместно отметить, что при счете конкретных объектов также получали именованное число «пять деревьев», «три ветки».
Количественной характеристикой измеряемых величин служит размер. В общем случае говорят, что значение физической величины (в нашем примере – длины) есть выражение размера в тех или иных единицах измерений.
Значение можно представить в виде.
Q = q [Q], (1)
где q – отвлеченное число, называемое числовым значением, [Q] – размер, принятый за единицу измерения. С целью выделить именно числовое значение, при записи результатов измерений для единицы измерения применяют буквенные выражения.
Выражение (1) часто называют основным уравнением измерений. При этом предполагалось, что измерению могут подлежать только физические величины. Исходя из этого, было сформировано одно из ранних определений измерения:
Измерение – это сравнение физической величины с ее единицей с помощью специальных технических средств.
Однако это определение не охватывает значительное число оцениваемых с помощью технических средств физических величин, для которых невозможно (или затруднительно на данном этапе развития науки и техники) ввести размер, принимаемый за единицу. С другой стороны, при такой постановке вопроса большое число физических величин, важных для производства и общества, оценивание которых осуществляется с помощью технических средств, оказывается вне практической метрологии, что, конечно, недопустимо. Пример – измерение твердости по шкалам Роквелла, Виккерса, Шора. Чтобы разрешить противоречие, вводится понятие «шкала величины». По аналогии с определением единицы его можно определить так:
Шкала величины – это упорядоченная совокупность размеров величины, которым условно присвоены определенные значения, принимаемая для количественного выражения однородных с ней величин.
В соответствии с логической структурой проявления свойств различают пять основных типов шкал. Их свойства будут рассмотрены при изучении дисциплин профессионального цикла. Для примера рассмотрим шкалы интервалов. К таким шкалам относятся температурные шкалы Цельсия, Фаренгейта и Реомюра, летоисчисление по различным календарям. Шкалы интервалов имеют принятые по соглашению единицы и точки, условно принимаемые за нулевые.
Рис. 3. Шкалы Цельсия и Фаренгейта
На рис. 3 приведены две шкалы: шкала Цельсия (О С) и шкала Фаренгейта (O F). По аналогии с (1) для шкалы Цельсия можно записать:
Q1 = Qoс + q1[Q],
Q2 = Qoс + q2[Q], (2)
Q1 - Q2 = (q1- q2)[Q],
где Q1, Q2 – значения величины, [Q] – единица величины, q1, q2 – числовые значения, Qoc – условная нулевая точка по шкале Цельсия.
Видно, что интервал между двумя любыми величинами, равный Q1 ‑ Q2 = (q1 ‑ q2)[Q], удовлетворяет основному уравнению (1). Поэтому в шкалах интервалов разность величин является величиной, которая имеет понятный физический смысл. Например, разность температур двух тел – это температура, на которую надо нагреть одно из тел, чтобы их температуры сравнялись. В то же время сумма величин
Q1 + Q2 =2Qoc + (q1 + q2)[Q]
не удовлетворяет ни основному уравнению измерений (1), ни уравнению шкалы интервалов (2). К тому же, сумма температур двух тел не имеет физического смысла. Точно так же разность двых определенных дат календаря имеет ясный смысл – продолжительность периода времени, ограниченного этими датами, а сумма этих дат смысла не имеет.
Более подробно свойства шкал интервалов рассматривают при изучении дисциплин профессионального цикла. Отметим только один важный момент. Для перехода из одной шкалы в другую необходимо знать разность между значениями величины в точках, условно принимаемых за нулевые, а не только информацию о том, сколько единиц измерения содержит один и тот же интервал, если измерения проводятся в единицах, принятых в разных шкалах. На рис. 3 видно, что разность между условными нулевыми точками по шкале Фаренгейта и шкале Цельсия составляет QoF – Qoc = 32 o F. В то же время интервал от 0о С до 100о С равен интервалу, содержащему 180o F. Для перехода от числового значения по шкале Фаренгейта qF к числовому значению по шкале Цельсия qC, используются выражения
оF/оС = 100/180 = 5/9
qC = (qF - 32)5/9.
С учетом приведенной информации о шкалах интервалов, можно уточнить определение измерения:
Измерение – это сравнение физической величины с ее единицей или шкалой с помощью специальных технических средств.
Для того, чтобы получать измерительную информацию согласно (1) и (2), необходимо договориться о том, что принять за единицу измерения и как передать информацию о единице всем специальным техническим средствам, получивших название ‑ средства измерений. Если этого не сделать, то в каждой организации будут проводить измерения с использованием «своих единиц», соответственно будут получены разные числовые значения и измерительная информация, полученная в разных лабораториях, будет несопоставима.
Теперь можно сформулировать одно из важнейших направлений метрологической деятельности: