29

1. Предмет и задачи метрологии

Метрология - наука об измерениях, методах, средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Слово "метрология" образовано из двух греческих слов: метрон - мера и логос - учение. Дословный перевод слова "метрология" - учение о мерах.

Основные задачи метрологии:

- установление единиц физических величин, государственных эталонов и образцовых средств измерений;

- разработка теории, методов и средств измерений и контроля;

- обеспечение единства измерений и единообразных средств измерений;

- разработка методов оценки погрешностей, состояния средств измерения и контроля;

- разработка методов передачи размеров единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочим средствам измерений.

Различают три раздела метрологии:

- теоретическая (фундаментальная);

- законодательная;

- практическая (прикладная).

Теоретическая метрология – разработка фундаментальных научных основ.

Законодательная метрология – установление обязательных технических и юридических требований по применению единиц физических величин, эталонов, методов и средств измерений, направленных на обеспечение единства и необходимой точности измерений.

Практическая метрология – практическое применение разработок теоретической и положений законодательной метрологии.

Объекты метрологии – единицы физических величин, средства измерений, эталоны, методики выполнения измерений.

2. История развития метрологии

Потребность в измерениях связана с возникновением человеческого общества. Первоначально для этого использовались подручные средства. Например, единица веса драгоценных камней - карат, что в переводе с языков древнего юга-востока означает “семя боба”, “горошина”; единица аптекарского веса – гран, что в переводе с латинского, французского, английского, испанского означает “зерно”. Многие меры имели антропометрическое происхождение или были связаны с конкретной трудовой деятельностью человека.

В Киевской Руси применялись следующие меры: вершок - длина фаланги указательного пальца; пядь - расстояние между концами вытянутых большого и указательного пальцев; локоть - расстояние от локтя до конца среднего пальца; сажень - от “сягать”, “достигать”, т. е. можно достать; косая сажень - предел того, что можно достать: расстояние от подошвы левой ноги до конца среднего пальца вытянутой вверх правой руки; верста - от “верти”, “поворачивая” плуг обратно, длина борозды.

Важнейшим метрологическим документом в России является Двинская грамота Ивана Грозного (1550 г.). В ней регламентированы правила хранения и передачи размера новой меры сыпучих веществ - осьмины. Ее медные экземпляры рассылались по городам на хранение выборным людям - старостам, соцким, целовальникам. С этих мер надлежало сделать клейменые деревянные копии для городских померщиков, а с тех, в свою очередь, - деревянные копии для использования в обиходе.

Метрологической реформой Петра I к обращению в России были допущены английские меры, получившие особенно широкое распространение на флоте и в кораблестроении - футы, дюймы.

В 1736 г. по решению Сената была образована Комиссия весов и мер под председательством главного директора Монетного двора графа М.Г. Головкина. В состав комиссии входил Л. Эйлер. В качестве исходных мер комиссия изготовила медный аршин и деревянную сажень, за меру веществ было принято ведро московского Каменномостского питейного двора. Важнейшим шагом, подытожившим работу комиссии, было создание русского эталонного фунта.

В России указом “О системе Российских мер и весов” (1835 г.) были утверждены эталоны длины и массы – платиновая сажень и платиновый фунт. В соответствии с международной Метрологической конвенцией, подписанной в 1875 г., Россия получила платиноиридиевые эталоны единицы массы № 12 и 26 и эталоны единицы длины № 11 и 28, которые были доставлены в новое здание Депо образцовых мер и весов. В 1892 г. управляющим Депо был назначен Д.И. Менделеев, которую он в 1893 г. преобразует в Главную палату мер и весов - одно из первых в мире научно-исследовательских учреждений метрологического профиля.

3. основные понятия метрологии

Измерение - нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Единство измерений - состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью.

Система единиц физических величин – совокупность основных и производных единиц физических величин, образованная в соответствии с принятыми правилами.

Средство измерений (СИ) – техническое устройство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные МХ.

Эталон единицы величины – средство измерений, предназначенное для воспроизведения и хранения единицы величины с целью передачи её размера другим средствам измерений данной величины.

Государственный эталон единицы величины – эталон единицы величины, признанный решением уполномоченного на то государственного органа в качестве исходного на территории РФ.

Калибровка средств измерений – совокупность операций, выполняемых с целью определения и подтверждения действительных значений метрологических характеристик и пригодности к применению средства измерений, не подлежащих государственному метрологическому контролю и надзору.

Метрологическая служба (МС) – совокупность субъектов деятельности и видов работ, направленных на обеспечение единства измерений.

Метрологические характеристики (МХ) – характеристики средства измерения, которые позволяют судить об его пригодности для измерений в известном диапазоне с известной точностью.

Поверка средств измерений – совокупность операций, выполняемых органами государственной метрологической службы (другими уполномоченными на то органами, организациями) с целью определения и подтверждения соответствия средства измерения установленным техническим требованиям.

4. Нормативно-правовые основы метрологии

4.1 ЗАКОНОДАТЕЛЬНЫЕ НОРМЫ

Большое значение измерений в экономике государства обуславливают необходимость государственного регулирования метрологической деятельности в РФ. В статье 71 Конституции РФ закрепляется централизованное государственное руководство основными вопросами законодательной метрологии. В федеральном ведении находятся стандарты, эталоны, метрическая система и исчисление времени.

В целях реализации конституционной нормы приняты законы «Об обеспечении единства измерений», «О техническом регулировании», составляющие правовые основы метрологической деятельности.

Нормативные документы по обеспечению единства измерений:

- постановления Правительства РФ по отдельным вопросам и направлениям метрологической деятельности;

- документы Федерального агентства РФ по техническому регулированию и метрологии;

- рекомендации государственных научных метрологических центров Федерального агентства РФ по техническому регулированию и метрологии.

Основные цели закона «Об обеспечении единства измерений»:

- установление правовых основ обеспечения единства измерений;

- регулирование отношений государственных органов управления с юридическими и физическими лицами по вопросам изготовления, выпуска, эксплуатации, ремонта, продажи, импорта СИ;

- защита прав и законных интересов граждан, установленного правопорядка и экономики РФ от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений;

- содействие техническому прогрессу на основе создания и применения государственных эталонов единиц физических величин;

- гармонизация российской системы измерений с мировой практикой.

Закон закрепляет одно из основных понятий метрологии – единство измерений и другие понятия.

Закон устанавливает, что государственное управление деятельностью по обеспечению единства измерений осуществляет Национальный орган РФ по метрологии - Федеральное агентство Российской Федерации по техническому регулированию и метрологии, определяет его цели, задачи, компетенцию, ответственность и полномочия.

4.2 ГосударственнАЯ системА обеспечения единства измерений (ГСИ)

Положения Закона «Об обеспечении единства измерений» конкретизированы Государственной системой обеспечения единства измерений (ГСИ)

ГСИ - это комплекс нормативных документов межрегионального и межотраслевого уровней, устанавливающих правила, нормы, требования, направленные на достижение и поддержание единства измерений в РФ.

Основные объекты ГСИ:

- единицы физических величин;

- государственные эталоны, поверочные схемы;

- методы и средства поверки СИ;

- номенклатура и способы нормирования МХ СИ;

- нормы точности измерений;

- способы выражения и формы представления результатов и показателей точности измерений;

- методики выполнения измерений;

- методики оценки достоверности и формы представления данных о свойствах веществ и материалов;

- требования к стандартным образцам свойств веществ и материалов;

- термины и определения в области метрологии;

- организация и порядок проведения государственных испытаний СИ, поверки и метрологической аттестации СИ и испытательного оборудования;

- организация и порядок проведения калибровки СИ, метрологической экспертизы нормативно-технической, проектной, конструкторской и технологической документации, а также экспертизы свойств материалов и веществ.

В дополнение и для реализации положений закона «Об обеспечении единства измерений» Правительство РФ разрабатывает и принимает подзаконные акты – нормативные документы в области метрологии.

4.3 Нормативные документы

- стандарты (ГОСТ Р, ОСТ, СТО, СТП);

- технические условия (ТУ) – документ, устанавливающий технические требования, которым должны удовлетворять продукция, процесс, услуга;

- правила (ПР) – документ, устанавливающий обязательные для применения организационно-технические и общетехнические положения, порядки, методы выполнения работ;

- рекомендации (Р), межгосударственные рекомендации (РМГ) - документы, содержащие добровольные для применения организационно - технические и общетехнические положения, порядки, методы, рекомендуемые правила;

- методические инструкции (МИ), руководящие документы (РД) – нормативные документы методического содержания, разрабатываемые организациями, подведомственными Национальному органу РФ по метрологии;

- регламент – документ, содержащий обязательные правовые нормы, принятый органом исполнительной власти;

- технический регламент (ТР) – документ, содержащий технические требования непосредственно или путём ссылки на ГОСТ Р, ТУ.

5. Юридическая ответственность за нарушение нормативных требований по метрологии

Статья 25 Закона “Об обеспечении единства измерений” предусматривает возможность привлечения юридических и физических лиц, а также государственных органов управления РФ, виновных в нарушении положений этого Закона к трем видам ответственности:

- административной;

- гражданско-правовой;

- уголовной.

Кодексом об административных нарушениях и, в частности, статьей 170 “Нарушение обязательных требований государственных стандартов, правил обязательной сертификации, нарушение требований нормативных документов по обеспечению единства измерений” предусмотрено наложение штрафа от пяти до ста минимальных размеров оплаты труда.

Гражданско-правовая ответственность наступает в ситуациях, когда в результате нарушений метрологических правил и норм юридическим или физическим лицам причинен имущественный или личный ущерб. Причиненный ущерб подлежит возмещению по иску потерпевшего на основании соответствующих актов гражданского законодательства.

К уголовной ответственности нарушители метрологических требований привлекаются в тех случаях, когда имеются признаки состава преступления, предусмотренные Уголовным кодексом.

Кроме юридической существует дисциплинарная ответственность за нарушение метрологических правил и норм. Она определяется решением администрации (организации) на основании Трудового кодекса РФ.

6. Физические величины

6.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ВЕЛИЧИН

Величина – свойство чего-либо, что может быть выделено среди других свойств и оценено тем или иным способом, в том числе и количественно.

Свойство – философская категория, выражающая такую сторону объекта, которая определяет его отличие или схожесть с другими объектами.

Величины подразделяют на два вида: идеальные и реальные.

Идеальные величины – являются обобщением (моделью) конкретных реальных понятий и относятся главным образом к математике.

Реальные величины подразделяют на две группы: нефизические и физические.

Нефизические величины свойственны общественным наукам (философия, психология, социология, экономика). Нефизические величины не могут быть измерены, а только оценены.

Физические величины свойственны материальным объектам (процессам, явлениям), изучаемым в естественных (физика, химия) и технических (машиноведение, электротехника) науках.

Физическая величина (ФВ) – одно из свойств физического объекта, в качественном отношении общее для многих физических объектов, а в количественном - индивидуальное, для каждого из них (твёрдость, плотность, теплопроводность, электропроводность).

По возможности измерения ФВ подразделяют на измеряемые и оцениваемые.

Измеряемые – величины, которые могут быть выражены количественно в виде определённого числа установленных единиц измерения.

Оцениваемые – величины, для которых не может быть введена единица измерения.

6.2. РАЗМЕРНОСТЬ И РАЗМЕР ИЗМЕРЯЕМЫХ ВЕЛИЧИН

Размерность измеряемой величины является качественной ее характеристикой и обозначается символом dim, происходящим от слова dimension.

Размерность основных физических величин обозначается соответствующими заглавными буквами. Например, для длины, массы и времени dim l = L; dim m = M; dim t = T.

При определении размерности производных величин руководствуются следующими правилами:

1. Размерности левой и правой частей уравнений не могут не совпадать, так как сравниваться между собой могут только одинаковые свойства. Объединяя, левые и правые части уравнений, можно прийти к выводу, что алгебраически суммироваться могут только величины, имеющие одинаковые размерности.

2. Алгебра размерностей мультипликативная, т. е. состоит из одного единственного действия - умножения.

2.1. Размерность произведения нескольких величин равна произведению их размерностей. Так, если зависимость между значениями величин Q, А, В, С имеет вид Q = А  В  С, то

dim Q = dim A  dim B  dim C.

2.2. Размерность частного при делении одной величины на другую равна отношению их размерностей, т. е. если Q = А/В, то

dim Q = dim A/dim B.

2.3. Размерность любой величины, возведенной в некоторую степень, равна ее размерности в той же степени. Так, если Q = Аⁿ, то

dim Q = .

Размерность производной физической величины всегда можно выразить через размерности основных физических величин с помощью степенного одночлена:

dim Q = L^M^T^ …,

где L, М, Т, . . . - размерности соответствующих основных физических величин; , , , … - показатели размерности. Каждый из показателей размерности может быть положительным или отрицательным, целым или дробным числом, нулем.

Если все показатели размерности равны нулю, то такая величина называется безразмерной.

В науке и технике широко распространены относительные и логарифмические единицы измерения.

Относительная величина - безразмерное отношение физической величины к одноименной физической величине, принимаемой за исходную.

Логарифмическая величина - представляет собой логарифм (десятичный, натуральный или при основании 2 безразмерного отношения двух одноименных физических величин.

Логарифмические величины применяют для выражения уровня звукового давления, усиления, ослабления, выражения частотного интервала и т.п. Единицей логарифмической величины является бел (Б), определяемый соотношением при , где - одноименные энергетические величины. Дольной единицей от бела является децибел (дБ), равный 0,1 Б.

Размер - количественная характеристика измеряемой величины.

Получение информации о размере физической величины является содержанием любого измерения.

Измерение ФВ – познавательный процесс, заключающийся в сравнении путём физического эксперимента данной ФВ с её известной величиной, принятой за единицу измерения.

Основное уравнение измерения – уравнение вида:

Q = х ^. [Q]. (1)

Q – значение ФВ, оценка её размера в виде некоторого числа принятых для неё единиц.

Х - числовое значение, отвлечённое число, показывающее отношение значения величины к единице измерения данной величины.

[Q] - единица ФВ, величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение равное единице измеряемой величины.

Единицу ФВ применяют для количественного выражения однородных величин.

7. Шкалы измерений

Количественные или качественные проявления свойств объектов можно представить в виде множества, и отобразить с помощью шкалы.

Шкала ФВ – упорядоченная последовательность значений, принятая по соглашению на основании результатов точных измерений.

В соответствии с логической структурой проявления свойств различают шкалы измерений:

- шкала наименований (шкала цвета);

- шкала порядка (шкалы вязкости вещества, силы ветра);

- шкала интервалов (шкалы летоисчисления, температур);

- шкала отношений, (шкалы массы, термодинамической температуры);

- абсолютная шкала (шкалы относительных величин - усиления, ослабления).

Шкалы наименований и порядка называют неметрическими (концептуальными), шкалы интервалов и отношений - метрическими. Метрические и абсолютные шкалы относят к разряду линейных.

1. Шкала наименований - основана на приписывании объекту цифр (знаков), играющих роль простых имен. (Пример - нумерация игроков в команде, классификация (оценка) цвета по наименованиям - атласы цветов до 1000 наименований). Нумерация объектов по шкале наименований осуществляется по принципу “не приписывай одну и ту же цифру разным объектам”.

Характеризуются только отношением эквивалентности (равенства), то в них отсутствуют понятия “больше или меньше нуля” и единицы измерения.

С цифрами, используемыми только как специфические имена, нельзя производить никаких арифметических действий.

2. Шкалы порядка - это расположенные в порядке возрастания или убывания размеры измеряемой величины.

Расстановка размеров в порядке их возрастания или убывания с целью получения измерительной информации по шкале порядка называется ранжированием. Для облегчения измерений по шкале порядка некоторые точки на ней можно зафиксировать в качестве опорных (реперных).

Недостатком реперных шкал является неопределённость интервалов между реперными точками. Поэтому баллы нельзя складывать, вычислять, перемножать, делить и т.п.

Примерами таких шкал являются: знания студентов по баллам, землетрясения по 12 балльной системе, сила ветра по шкале Бофорта, чувствительность фотоплёнок, твёрдость по шкале Мооса и т.д.

3. Шкала интервалов (шкала разностей) отличаются от шкал порядка тем, что по шкале интервалов можно уже судить не только о том, что размер больше другого, но и на сколько больше. По шкале интервалов возможны такие математические действия, как сложение и вычитание. Характерным примером является шкала интервалов времени, поскольку интервалы времени можно суммировать или вычитать, но складывать, например, даты каких-либо событий не имеет смысла.

Шкала состоит из одинаковых интервалов, имеет единицу измерения и произвольно выбранное начало - нулевую точку.

Например, температурная шкала Цельсия, Фаренгейта и Реомюра.

На температурной шкале Цельсия за начало отсчета разности температур принята температура таяния льда. С ней сравниваются все другие температуры. Для удобства пользования шкалой интервал между температурой таяния льда и температурой кипения воды разделен на 100 равных отрезков – градусов.

Рис. 1. Температурные шкалы Цельсия (°С), Реомюра (°R),

Фаренгейта (°F) и Кельвина (К)

На температурной шкале Фаренгейта тот же интервал разбит на 180 градусов. Следовательно, градус Фаренгейта по размеру меньше, чем градус по Цельсию. Кроме того, начало отсчета интервалов по шкале Фаренгейта сдвинуто на 32 градуса в сторону низких температур.

Шкала позволяет не только выразить результаты измерения в числовой мере, но и оценить погрешность измерения.

На шкале интервалов определены действия сложения и вычитания интервалов.

4. Шкала отношений - это интервальные шкалы с естественным началом.

Шкалы отношений описывают свойства, к множеству самих количественных проявлений которых применимы отношения эквивалентности, порядка и суммирования, а, следовательно, вычитания и умножения.

Примеры: Шкала длин. Любое измерение по шкале отношений заключается в сравнении неизвестного размера с известным и выражении первого через второй в кратном или дольном отношении.

Температурная шкала Кельвина с абсолютным нулем.

Шкала отношений является самой совершенной, наиболее информативной.

5.Абсолютные шкалы

Обладают всеми признаками шкал отношений, но в них дополнительно существует естественное однозначное определение единицы измерения. Такие шкалы соответствуют относительным величинам (отношения одноимённых физических величин, описываемых шкалами отношений). К таким величинам относятся коэффициент усиления, ослабления и т. п. Среди этих шкал существуют шкалы, значения которых находятся в пределах от 0 до 1 (коэффициент полезного действия, отражения и т.п.).

8. РАЗВИТИЕ СИСТЕМ ЕДИНИЦ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Система единиц ФВ - совокупность основных, производных и дополнительных единиц ФВ, образованная в соответствии с принятыми принципами.

Создание систем единиц ФВ является последним звеном в истории развития единиц измерений. В истории единиц измерений можно выделить три главных периода:

1 период характеризуется применением наборов самостоятельных единиц;

2 период применение наборов сопряженных единиц;

3 период - применением систем единиц.

Самостоятельные единицы делились на две группы: субъективные и объективные.

Субъективные единицы отождествлялись с названиями частей тела: единицами измерения длины у всех народов служили: палец - ширина какого-либо пальца; дюйм - длина сустава большого пальца (дюйм на голландском языке - большой палец); локоть или аршин (арш - локоть на персидском языке) 1 аршин=4 четвертям=28 дюймам.

Для измерения больших длин применялись такие единицы, как бычий рев - расстояние, на котором человек может услышать рев быка; стрела или выстрел из лука - расстояние, на которое летит стрела из лука; ружейный выстрел, пушечный выстрел - единицы, часто встречающиеся в старых книгах: день пути и т. д.

Достоинством перечисленных субъективных единиц была их доступность в любое время и в любом месте для каждого взрослого человека, недостатком — непостоянство размера.

Объективные единицы.

Неопределенность, присущая всем субъективным единицам, стала со временем тормозом для производственной деятельности человека, и субъективные единицы были заменены объективными.

В ХIV в. в Англии был установлен «законный дюйм, равный длине трех ячменных зерен, вынутых из средней части колоса и приставленных друг к другу своими концами».

В XVI в. математик Клавий предлагал определить фут как ширину 64 ячменных зерен, положенных бок о бок.

Единицы массы, с самого их возникновения были объективными. Название наименьшей части фунта — его 1/5760 доли — «гран» (примерно равно 0,063 г) означает на латинском языке «зерно». Точно так же и доныне применяемая единица массы драгоценных камней «карат» (0,2 г) — это семя одного из видов бобов.

Многие субъективные единицы были признаны в законодательном порядке средством измерений приобретала значение объективной единицы измерения.

По преданию самая распространенная в Англии единица длинны ярд по указу короля Генриха I, изданному в 1100 г., была определена как расстояние от середины его носа до конца среднего пальца его вытянутой руки (1 ярд=36 дюймам =0,9144 м).

Сопряженные единицы можно разделить на дометрические и метрические единицы.

Дометрические единицы

Сопряженные единицы - единицы разнородных величин, находящиеся в закономерной связи друг с другом.

Связь между единицами длины и времени (расстояние в один «день пути» и т. п.), между единицами длины, площади и объема.

У греков, египтян и римлян употреблялась мера длины «стадий». Стадий равнялся расстоянию, которое человек проходил спокойным шагом за промежуток времени от появления первого луча восходящего солнца до того момента, когда весь солнечный диск окажется над горизонтом. На широтах Египта и Греции этот промежуток времени равен 2 мин. За это время человек при средней скорости движения может пройти 185 — 195 м. Стадий делился на 360 локтей. Размер локтя брался уже не из размеров человеческого тела, а выводился из размера стадия и закреплялся с помощью мерных палок и зарубок на каменных стенах больших зданий.

Метрические единицы.

В ХVIII в. единственной страной Европы где меры были единообразными была Англия, в остальных же европейских государствах каждый город или провинция имели свои собственные меры. В то время феодальным правом сеньора во Франции было право иметь в пределах своих владений собственные меры и веса, а также самому поверять их.

Это сдерживало развитие молодого буржуазного строя. В конце 17 века появились многочисленные предложения по выбору общих для всех мер (например, длина секундного маятника в определенном месте на Земле).

После Французской революции 1792 года были проведены коренные реформы, в т.ч. в 1795г. Национальным собранием Франции создан прообраз системы единиц физических величин - метрическая система мер:

метр - единица длины, равная 1/40000000 длины меридиана Земли;

ар - единица площади, равная площади квадрата со стороной 10 м;

стер - единица объема, равная объему куба со стороной 1 м;

литр - единица емкости для жидких и сыпучих тел, равная объему куба со стороной 0,1 м;

грамм - единица массы, равная массе воды, заполняющей при 0⁰С куб с ребром, равным 0,01 м.

Одновременно были введены десятичные приставки к этим единицам: мириа (10000, в настоящее время не употребляется), кило, гекто, дека, деци, санти и милли.

Десятичная система образования кратных и дольных единиц; установление тесной связи между единицами длины, площади, объема и массы; определение размера единицы длины в зависимости от размера земного шара — таковы три наиболее характерные черты метрических единиц измерений.

С современной точки зрения, перечисленные единицы не образуют системы, т.к. представляют просто набор единиц измерения.