Часть 1. Основы метрологии.

1. ВВЕДЕНИЕ В МЕТРОЛОГИЮ.

1.1. Метрология — наука об измерениях. Понятие измерения.

Измерения играют важную роль в жизни человека. С измерениями он сталкивается на каждом шагу своей деятельности, начиная от определения расстояний «на глаз» и включая контроль сложных технологических процессов и выполнение сложных научных исследований.

Развитие науки тесно связано с процессом в области измерений. Измерения являются одним уз важнейших путей познания природы человеком. Многие научные исследования сопровождаются измерениями, позволяющими установить количественные соотношения и закономерности изучаемых явлений. Д.И. Менделеев писал, что «наука начинается с тех пор, как начинают измерять; точная наука немыслима без измерений».

Потребность в измерениях возникла очень давно, поскольку человеку в повседневной жизни приходилось измерять различные величины: расстояния, площади земельных участков, размеры и массу предметов, время и проч. В начале это были примитивные измерения, которые зачастую проводились «на глаз». Выполняя такие измерения, человек сравнивал наблюдаемые им предметы с размерами некоторых частей собственного тела, т.е. использовал их в качестве мер, воспроизводящих единицы различных величин. С течением времени люди пришли к пониманию необходимости создания специальных вещественных мер для измерений и стали вводить в практику измерений «естественные меры».

Дальнейшее развитие человеческого общества — развитие торговли, мореходства, появление промышленности, развитие науки — все это потребовало создания специальных технических средств — средств измерения (СИ) различных величин. Первый в мире электроизмерительный прибор был создан в 1745 году русским академиком — Рихманом, соратником Ломоносова. Это был электрометр — прибор, для оценки разности потенциалов при изучении атмосферного электричества. В дальнейшем, по мере изучения электричества и особенно после возникновения электротехники — области науки и техники, созданной с использованием явлений электричества для практических нужд, наблюдается бурное развитие электроизмерительных приборов различного назначения.

В настоящее время существует тесная связь между уровнем развития производства и возможностями измерительной техники. Любое современное производство немыслимо без точного, объективного контроля технологических процессов, осуществляемого с помощью СИ. Улучшение качества продукции и повышение производительности труда напрямую связано с тем, насколько хорошо оснащено и организовано измерительное хозяйство предприятия. Автоматизация производства также невозможна без измерений, т.к. нельзя управлять объектом не имея достаточной информации о нем. Сказанное в равной степени относится и к развитию современной науки, медицины, торговли, сельского хозяйства и других отраслей народного хозяйства.

С другой стороны, достижения науки и техники в области развития новых технологий, создания новых материалов и элементов создают возможности для развития существующих методов и СИ, так и для разработки принципиально новых. Необходимо особо подчеркнуть распространенность в настоящее время электрических СИ не только для электрических величин, но и для неэлектрических. Это объясняется достоинством электрических СИ.

Что же такое измерение ? Во всех случаях проведения измерений, независимо от измеряемой величины, метода и используемых СИ, есть общее, что составляет основу измерений — это сравнение опытным путем данной величины с другой, подобной ей, принятой за единицу. При всяком измерении мы с помощью эксперимента оцениваем значение физической величины (ФВ) в виде некоторого числа принятых для нее единиц, т.е. находим ее значение. Суть любого измерения, независимо от его сложности, заключается в количественном выражении измеряемой величины на основании эксперимента путем сопоставления ее с однородной величиной, принятой за единицу. Суть измерений можно выразить общим уравнением измерений:

Q = n  [Q], (1.1)

где Q — измеряемая величина, [Q] — единица измеряемой величины, n — число единиц.

ГОСТ дает следующее определение: «Измерение есть нахождение значения ФВ опытным путем с помощью специальных технических средств».

Из этого определения следует, что в любом измерении всегда присутствуют три обязательных элемента:

• количественная оценка;

• опыт (эксперимент);

• специальные технические средства (СИ).

Для измерений характерно то, что они никогда не являются заключительной частью какого-либо процесса деятельности. «Измерение», само по себе, является процессом, завершающим этапом которого есть «результат измерения»; а за «результатом» обязательно следует какое-то действие, даже если «измерение» является составной частью «действия» автоматической установки или системы. Как правило «результат измерения» при этом определяет дальнейшее действие — сделать то или другое, либо продолжить работу без изменения режима. Измерения никогда не проводятся ради самих измерений. Измерения всегда подчинены какой-то цели. В этом смысле измерения — подчиненный, вспомогательный процесс. Но это ни в коей мере не умаляет значения измерений. Значимость измерений определяется той целью, ради которой они выполняются.

На определенном этапе своего развития измерения привели к возникновению метрологии — отрасли науки, изучающей измерения. Слово «метрология» образовано от двух греческих слов: «метрон» — мера и «логос» — учение. Дословный перевод слова «метрология» — учение о мерах.

Длительное время метрология оставалась в основном описательной наукой о различных мерах и соотношениях между ними. С конца прошлого века благодаря успехам в развитии физических наук получила существенное развитие и метрология. Большой вклад в развитие и становление, как науки, внес Д.И. Менделеев. Задачей метрологии в то время было создание и хранение эталонов. Сейчас принципы применения и задачи метрологии значительно расширились. Метрология (в современном ее понимании) рассматривается как наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Как видно из этого определения, понятие «метрология» базируется на следующих понятиях:

• измерение;

• единство измерений;

• точность измерений.

Единство измерений — это такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в указанных единицах и погрешности известны с заданной вероятностью. Единство измерений необходимо для того, чтобы можно было сопоставить результаты измерений, выполненных в разных местах, в разное время, с использованием различных методов и СИ и т.д.

Точность измерений характеризует близость их результатов к истинному значению измеряемой величины.

Таким образом, важнейшие (основные) задачи метрологии — обеспечение единства, и необходимой точности измерений.

«Метрология», как понятие и наука, более широкое, чем «измерения». Нельзя ставить знак равенства между измерениями и метрологией. Метрология, как наука, изучает:

• измерения физических величин (ФВ);

• образующие элементы измерений (СИ, ФВ и их единицы, методы и методики измерений, результаты измерений, погрешности измерений и СИ и т.п.).