Лецаив. Лекция 1. Предмет метрологии. 1. 1 Роль измерений в науке и технике Международный словарь основных и общих терминов метрологии
 Скачать 38.09 Kb.
|
|
1.1 Роль измерений в науке и технике Международный словарь основных и общих терминов метрологии (VIM, 2-е изд., 1993 г.) дает самое краткое определение метрологии: наука об измерениях. Измерения сопутствуют человеку буквально на каждом шагу. В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с измерениями расстояний, масс, времени, температуры, давления. В современной промышленности ежедневно выполняются миллиарды измерений. Доля затрат на выполнение измерений составляет в среднем 10-15% от общих трудозатрат, а в электронике — до 60-80%. О роли измерений в научных исследованиях достаточно определенно высказался Д.И. Менделеев: «Наука начинается... с тех пор, как начинают измерять; точная наука немыслима без меры». Необычайно широк спектр значений измеряемых величин. Например, расстояния (в метрах) измеряют в диапазоне от 10-10 до 1017, температуру (в Кельвинах) — от 0,5 до 106, силу электрического тока (в амперах) — от 10-16 до 104, мощность (в ваттах) — от 10 -15 до 109. Достигнутая точность уникальных измерительных систем поражает воображение. Лучшие национальные эталоны позволяют измерять интервалы времени с погрешностью, не превышающей 10-16 с. Это означает, что погрешность всего в одну секунду сможет «набежать» не ранее чем через 300 миллионов лет! Такой уровень точности — не экзотика, он диктуется практическими потребностями общества, в первую очередь задачами развития космической и оборонной техники. Для того, чтобы обеспечить определение координат подвижного объекта (корабля, самолета, автомобиля, человека) в любом географическом районе Земли с погрешностью не более 20-30 метров, на борту спутников навигационных космических систем (ГЛОНАСС в России, NAVSTAR—GPS в США) установлены квантовые стандарты частоты с погрешностью 10-13 сек. Причиной отклонения головной части ракеты на 100 м и более может оказаться ошибка в измерениях температуры топлива всего на 1 °С. Метрология как область практической деятельности по своей социальной значимости соизмерима с системами связи, транспорта, здравоохранения, торговли, обороны страны. Закон РФ «Об обеспечении единства измерений» направлен «на защиту прав и законных интересов граждан, установленного правопорядка и экономики Российской Федерации от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений». Применение приборов, не прошедших поверку, или ошибочных методов измерений ведет к нарушению технологического процесса, браку продукции, потерям ресурсов, появлению предпосылок для аварийных ситуаций. Так, авария на Чернобыльской атомной электростанции в 1986 г. явилась следствием, в числе прочего, плохой организации измерений. В различных странах были проведены исследования для определения экономической выгоды от затрат на метрологию. Хотя точные обобщающие цифры отсутствуют, нет никакого сомнения в том, что выгода значительно превышает затраты. Например, по данным Национального института стандартов и технологий США, отношение затрат к выгоде за счет повышения точности измерений сопротивления кремния в полупроводниковом производстве составило 1:37, а сертификация стандартных образцов для различных сортов бензина, проведенная в соответствии с «Законом о чистом воздухе» (1990) и позволившая в несколько раз снизить неопределенность в измерениях, дала годовой экономический эффект около 40 млн долл. Реализация современных высоких технологий невозможна без применения всего арсенала метрологии. Такие технологии требуют получения и переработки огромного объема измерительной информации, без которой их внедрение не дает ожидаемого эффекта. Для осуществления измерений широко применяется микропроцессорная техника и персональные компьютеры, а также интеллектуальные средства измерений. Возросшие требования к качеству измерения превратили его в сложную процедуру подготовки и проведения измерительного эксперимента, обработки и интерпретации полученной информации. В связи с большим разнообразием измерений, их классифицируют по областям измерений, т. е. совокупностям видов измерений, свойственных какой-либо области науки или техники и выделяющихся своей спецификой. Принято различать следующие области и виды измерений: 1. Геометрические измерения (длина, угол, отклонения формы и расположения поверхностей, параметры шероховатости поверхности, координаты сложной поверхности). 2. Механические измерения (масса, сила, крутящий момент, напряжение и деформация, твердость, параметры движения). 3. Измерения расхода, вместимости, уровня, параметров потока, 4. Измерения давления и вакуума. 5. Физико-химические измерения (вязкость, плотность, влажность, концентрация компонентов, кондуктометрия, рН-метрия). 6. Температурные и теплофизические измерения. 7. Измерения времени и частоты. 8. Электрические и магнитные измерения на постоянном и переменном токе (сила тока, напряжение, энергия, мощность, сопротивление, проводимость, емкость, индуктивность, добротность, параметры электрических и магнитных полей, магнитные характеристики материалов). 9. Радиоэлектронные измерения (интенсивность, параметры формы и спектра сигналов, параметры трактов и антенн, измерения свойств веществ и материалов радиотехническими методами). 10. Виброакустические измерения (параметры вибрации, акустические измерения в газовой и жидкой среде и в твердых телах, уровень шума, аудиометрия). 11. Оптические и оптико-физические измерения (сила света, освещенность, энергетические параметры излучения, характеристики лазерного излучения, оптические свойства и характеристики материалов). 12. Измерения параметров ионизирующих излучений и ядерных констант. 13. Биологические и биомедицинские измерения. Границы реального распространения метрологии определяются тем содержанием, которым наполняется термин «измерение», поскольку понятие измерения является фундаментальным для метрологии. Пока же продолжается поиск такой формулировки его определения, которая бы адекватно отражала практически реализуемую в настоящее время систему измерений и была признана большинством метрологов. Иллюстрацией диапазона мнений в подходе к этому вопросу могут служить два примера определения термина «измерение». Рекомендация по Межгосударственной стандартизации, действующая в рамках региона, который образуют государства-члены СНГ: «Измерение физической величины - совокупность операций по применению технических средств, хранящих единицу физической величины, обеспечивающая нахождение соотношения измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины». Ужеупоминавшийся Международный словарь метрологических терминов дает другое определение: «Измерение - это совокупность операций, имеющих целью определение значения величины». Тот же словарь содержит и наиболее широкое определение метрологии как «области знаний, связанной с измерениями, которая включает все теоретические и практические аспекты, касающиеся измерений, какого бы уровня они ни были и в какой бы области науки и техники они ни проводились». 1.2. Элементы измерительной процедуры Предметом метрологии является получение качественной или количественной информации о свойствах объектов окружающего мира путем измерения. Само измерение – сложная процедура, включающая целый ряд последовательных и взаимодействующих элементов. Совокупность и порядок следования элементов процедуры измерения конкретного свойства фиксируется в форме соответствующей методики выполнения измерений. Начальным элементом всякого измерения является его задача (цель). Задача измерения в общем случае – это получение результата измерения требуемого качества, т.е. необходимой точности и достоверности. Формулирование конкретной измерительной задачи осуществляется с учетом априорной (полученной до проведения самого измерения) информации об измеряемом объекте и его свойствах. Анализ априорной информации позволяет заранее определить характеристики предстоящего измерения, в том числе достижимый уровень его точности. Объект измерения – это реальный объект (тело, вещество, поле, явление, процесс, организм), обладающий некоторой суммой свойств и находящийся в многосторонних и сложных связях с другими объектами. Субъект измерения (человек, выполняющий измерение) принципиально не может охватить объект целиком, во всем многообразии его свойств и связей. Поэтому его взаимодействие с объектом измерения возможно только на основе модели объекта. Модель объекта измерения строится в соответствии с целью измерения на основе априорной информации об объекте и условиях измерения. Построение адекватной модели объекта измерения является сложной и не формализуемой задачей. Субъект измерения осуществляет выбор принципа, метода и средства измерений. Принцип измерения – научно описанное явление (или эффект), положенное в основу метода измерения. Например, при эталонных измерениях электрического напряжения используется эффект Джозефсона, при измерении температуры – термоэлектрический эффект, при измерении скорости – эффект Доплера. Метод измерения – логическая последовательность операций, описанная в общем виде и применяемая для сравнения конкретного проявления свойства объекта со шкалой измерений этого свойства. Методы измерений весьма разнообразны и могут быть классифицированы по различным признакам. Зачастую методу измерения дается собственное название не потому, что он существенно отличается от известных методов, а лишь для удобства его практического использования. Например, методы непосредственной оценки, противопоставления, замещения, совпадения, дифференциальный, нулевой методы являются, по существу, разновидностями метода сравнения с мерой. Метод измерения реализуется с помощью средств измерений. Средством измерений называют объект, воспроизводящий и (или) хранящий какую-либо часть шкалы измерений (точку, участок) и предназначенный для выполнения измерений. Большинство средств измерений являются конструктивно законченными техническими устройствами. Каждое средство измерений имеет нормированные метрологические характеристики, которые оказывают влияние на качество результатов измерений. Своеобразным средством измерений является человек, который использует свои органы чувств (осязание, обоняние, зрение, слух, вкус) при органолептических измерениях, интуицию – при эвристических измерениях, знания и навыки – при экспертных измерениях. Важную роль в процессе измерения играют условия измерения – совокупность влияющих величин, описывающих состояние окружающей среды и средства измерений. К влияющим относят величины, не измеряемые в конкретной процедуре измерения, но оказывающие влияние на его результаты (температура, давление, влажность, электрическое напряжение, частота питания в сети и др.). Отклонение от нормальных условий измерения приводит к изменению состояния объекта измерения и средства измерений, что может вызвать расширение интервала неопределенности (или появление дополнительной погрешности измерения). Измерительный эксперимент является центральным элементом процедуры измерения. В узком смысле – это отдельное, однократное измерение, которое часто называют наблюдением. В общем случае измерительный эксперимент содержит ряд последовательных операций по взаимодействию средства измерений с измеряемым объектом, получению, преобразованию и индикации сигналов измерительной информации, регистрации результатов наблюдений. Завершает процедуру измерения операция обработки экспериментальных данных, включающая проведение вычислений согласно принятому алгоритму, получение результата измерения, оценку его точности и достоверности, запись результата и его неопределенности (или погрешности) в соответствии с установленной формой представления. 1.3. Метрология: краткая история Метрология зародилась в глубокой древности, когда начали формироваться первые государства, стала развиваться торговля, появилась необходимость выполнять достаточно большие общественные работы. Исторические памятники называют ее возраст: более 6 тыс. лет. На каждом этапе своего развития метрология решала собственные задачи, отражающие потребности общества. Вместе с этим менялось и само понятие метрологии. В дословном переводе с древнегреческого (от metron – мера и logos – учение) метрология – наука о мерах. Измерить величину – значит сравнить ее с мерой. Многие века меры были в основном антропометрическими (связанными с размерами человеческого тела – пядь, фут, локоть, аршин, сажень) или обиходными (например, первоначально дюйм – длина трех ячменных зерен, приставленных одно к другому своими концами). Раздробленность территорий и народов обусловила огромное разнообразие однородных мер. Так, к концу XVIII в. в разных странах существовало (округленно) 280 различных футов (мера длины), 390 фунтов (мера веса, в современном понимании – мера массы). С развитием торговых и финансовых связей отсутствие единых мер стало вызывать существенные трудности. Важным событием в развитии метрологии стало принятие Национальным собранием Франции в 1790 г. Декрета о реформе мер. В основу декрета легла предложенная группой академиков метрическая система мер. В качестве базовой была выбрана естественная мера длины, равная одной десятимиллионной доле четверти парижского меридиана, которая получила название метра. Второй (производной) мерой системы был назван килограмм, равный массе одного кубического дециметра чистой воды при температуре 4 °С. Были изготовлены (1799) и сданы на хранение в Архив Французской республики платиновые эталоны этих мер, названные «метром Архива» и «килограммом Архива». Метрическая система с самого начала была задумана как международная, ее девиз: «На все времена, для всех народов». Однако потребовалось почти столетие для ее официального признания на международном уровне. До середины XIX в. метрология оставалась в основном описательной наукой. Автор первой в России книги по метрологии Ф.И. Петрушевский («Общая метрология», 1849 г.) главным ее назначением считал «описание всякого рода мер по их наименованиям, подразделениям и взаимному соотношению». Измерения опирались сначала на естественные, а затем на вещественные, рукотворные меры. Постепенно конкретное понятие «мера» стало дополняться абстрактным понятием «единица измерения», которое не всегда было жестко связано с мерой. Показательна в этом смысле история старой русской меры площади – десятины. В конце XVII в. под десятиной понимали участок земли вполне определенной формы и размера: прямоугольник со сторонами 30 и 80 саженей. То есть мыслилась некая виртуальная мера в виде гигантского полотнища указанных размеров. И лишь в XIX в. десятиной стали именовать участок земли любой формы, имеющий площадь 2400 квадратных саженей. Единица окончательно абстрагировалась от меры, и на смену системе мер пришла система единиц. В 1832 г. немецкий ученый К.Ф. Гаусс предложил первую систему единиц («абсолютную») с тремя основными единицами – миллиметром, миллиграммом и секундой. Крупнейшей вехой в истории метрологии явилось подписание в 1875 г. полномочными представителями 17 государств (в том числе России) международного дипломатического договора – Метрической конвенции (Convention du Metre). Заключение конвенции способствовало широкому внедрению метрической системы мер и единиц, заложило основы международного сотрудничества в области метрологии. Были созданы представительная Международная организация мер и весов (МОМВ) и многопрофильный научный метрологический центр (МБМВ). К настоящему времени к Метрической конвенции присоединились 48 государств, в которых сосредоточено более 95% мирового промышленного капитала. День подписания Метрической конвенции – 20 мая – предложено отмечать как Всемирный день метрологии. Главный элемент системы измерений в любой стране – национальный метрологический институт (НМИ). В соответствии с Метрической конвенцией многие промышленные страны учредили или реорганизовали свои НМИ. Первыми среди них стали: Федеральный физико-технический институт РТВ Германии в 1887 г., Главная палата мер и весов России в 1893 г. Национальная физическая лаборатория NPL Великобритании в 1900 г., Национальное бюро стандартов NBS Соединенных Штатов Америки в 1901 г. (ныне – Национальный институт стандартов и технологий NIST). К концу XIX в. все страны, подписавшие Метрическую конвенцию, получили национальные эталоны метра и килограмма, изготовленные в 1889 г. по единой технологии из платино-иридиевого сплава с наивысшей возможной для того времени точностью. Те прототипы этих эталонов, которые оказались наиболее близкими по своим значениям к архивным эталонам 1799 г., получили статус международных эталонов и поступили в Международное бюро мер и весов (МБМВ). Развитие метрологии в России получило серьезный импульс с назначением в 1892 г. управляющим Депо образцовых мер и весов крупнейшего российского ученого Д.И. Менделеева. По его инициативе Депо было преобразовано в Главную палату мер и весов (1893), ставшую одним из первых в мире национальных научных учреждений метрологического профиля. Под руководством Д.И. Менделеева была проведена работа по созданию комплекта российских эталонов и их международным сличениям, начала создаваться государственная метрологическая служба, реализована широкая программа научных исследований в области метрологии, проведена подготовка к внедрению в России метрической системы. Собственные научные труды Д.И. Менделеева по метрологии не утратили своего значения по сей день. В первой половине XX в. было создано значительное число эталонов и образцовых средств измерений, что привело к существенному повышению уровня точности измерений. Все это позволило видному метрологу советского периода М.Ф. Маликову («Основы метрологии», 1949 г.) расширить понятие метрологии: «Метрология есть учение об измерениях, приводимых к эталонам». Были разработаны и широко применялись на практике системы единиц СГС, МКС и их многочисленные разновидности. Потребности дальнейшего развития метрологии привели к созданию в 1960 г. Международной системы единиц (SI) как современной формы развития метрической системы мер. 1.4. Направления развития современной метрологии Отечественные метрологи определяют сегодня метрологию как «науку об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства, а также способах достижения требуемой точности». Обычно метрологию представляют, как науку и область деятельности, включающую три взаимосвязанных раздела – теоретический, законодательный и прикладной. Теоретическая (фундаментальная) метрология изучает и разрабатывает ее научные основы. Предметами этого раздела являются: теория измерений, теория шкал измерений, проблемы установления систем единиц измерений, теория исходных средств измерений (эталонов) и передачи шкал и размеров единиц, вопросы использования в метрологии фундаментальных физических постоянных, теория точности измерений и др. Законодательная метрология включает взаимосвязанные юридические и научно-технические вопросы, которые нуждаются в регламентации со стороны государства с целью обеспечения единства измерений. Ключевыми документами законодательной метрологии являются: Закон РФ «Об обеспечении единства измерений» и стандарты Государственной системы обеспечения единства измерений – ГСИ. Основными понятиями служат: «методика выполнения измерений»; «испытание, метрологическая аттестация, поверка и сертификация средств измерений»; «метрологический контроль и надзор». Прикладная (практическая) метрология изучает и разрабатывает вопросы практического применения положений теоретической и законодательной метрологии. Предметом прикладной метрологии являются все виды работ, проводимых в сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора. В последние десятилетия метрология активно проникала в новые для себя области; испытания и контроль качества продукции, кибернетика и системотехника, здравоохранение и охрана окружающей среды, экономика, социология и психология, педагогика и спорт, дегустация (вин, парфюмерных веществ). На очереди измерения таких свойств, как блеск, глянец, запах, вкус и др. Стали измерять не только величины, включенные в международную систему единиц (SI), но и те свойства, которые не описываются физическими законами. Более того, некоторые из измеряемых свойств не являются величинами, т. к. носят не количественный, а качественный характер. Появились новые измерительные процедуры (вплоть до «статистических» и «мягких» измерений), которые не укладываются в рамки традиционной («классической») метрологии. В практику измерений начинают входить такие понятия, как «нечеткая логика», «нейронные сети», «генетические алгоритмы». Все большую актуальность приобретает энтропийный подход к оценке точности результатов измерений. Многогранность метрологии определила ее особое место в системе наук. Главной особенностью метрологии, выделяющей ее среди других естественных наук, является большое количество принципиальных положений, установленных условно, по соглашению: выбор системы единиц, размеры основных единиц, методики выполнения измерений, нормальные условия проведения измерений, нормируемые метрологические характеристики средств измерений и др. Для того чтобы обеспечить единство измерений в стране и защитить интересы потребителей от последствий недостоверных результатов измерений, эти положения должны быть облечены в форму юридических актов, имеющих правовую основу. Обеспечение единства измерений всегда было и остается естественной государственной монополией и осуществляется при поддержке и под надзором государственных органов управления. Именно поэтому, в отличие от большинства других научных дисциплин, метрология имеет в своем составе законодательный раздел. Метрология стала такой наукой, на достижения, средства и методы которой опираются в своем развитии как фундаментальные, так и прикладные научные направления. Развитие научных теорий и их практическое применение невозможны без первичной информации, получаемой путем измерений в процессе научного познания. Без измерений не может сегодня обойтись ни одна наука, поэтому метрология находится в связи и отношениях со всеми научными дисциплинами. Измерения величин как количественный способ познания материального мира были предметом и математики, и метрологии еще на ранних стадиях развития человеческого общества. Метрология изыскивала пути получения достоверных результатов измерений, осуществлявшихся экспериментальным путем. Математика обязана своим развитием также измерительной практике, необходимости решения задач на основе обобщения результата анализа данных, полученных из измерений. Современная репрезентативная теория измерений {теория шкал измерений) обладает серьезным математическим аппаратом. В этой части метрология имеет все признаки математической дисциплины (с аксиомами, теоремами, леммами), опирающейся на теорию множеств, математическую статистику и теорию вероятностей. В части принципов и методов измерений, установления и воспроизведения единиц и шкал измерений метрология тесно связана с естественными науками – физикой и химией. Законодательная метрология имеет признаки юриспруденции. Прикладная метрология близка к техническим дисциплинам, в первую очередь приборостроению. У метрологии много общего с кибернетикой. Взаимообогащающее влияние метрологии и кибернетики обусловлено единством целей, на достижение которых они объективно направлены. Главные среди этих целей – решение проблем надежности и качества. Современные измерительные информационные системы (ИИС) – это сложные комплексы устройств, выполняющие функции восприятия информации об исследуемом объекте, обработки, хранения и выдачи измерительной информации. Научное развитие ИИС базируется, с одной стороны, на достижениях кибернетики, а с другой – на успехах радиоэлектроники, измерительной и вычислительной техники. Вся совокупность достижений, методов и средств метрологии является, по существу, технологией для получения точной и достоверной информации о свойствах исследуемых объектов и явлений. Метрология, измерение, получение измерительной информации мыслились исходной частью многих технологий уже в начале развития тех направлений деятельности, которые сейчас объединяются понятием «информационные технологии». Измерительная информация является входной для различных систем передачи и обработки информации. Новые взгляды на природу неопределенности в измерениях тесно связаны с общей тенденцией развития информатики. Как метрология, исходя из признания неизбежности присутствия неопределенности в результате измерения, ставит задачу свести к минимуму ее влияние, так и информатика, исходя из того факта, что при передаче информации неизбежны помехи, ее искажающие, ставит задачу их минимизации. Одно из возможных современных определений науки об измерениях: «Метрология – это наука и область деятельности, предметом которых является точность информационных технологий и средств». Таким образом, измерение является одной из информационных операций, и место метрологии – в ряду информационных технологий. 1.5. Базовые метрологические термины и их определения Многие положения метрологии узаконены международными конвенциями или действуют в виде международных и национальных стандартов, на них опираются практически все области деятельности человека. Поэтому метрология является относительно консервативной научной дисциплиной. В то же время неизменность базовых понятий ведет, в конце концов, к застою. Расширение сферы применения метрологии на новые области измерений показало, что некоторые основные понятия метрологии настоятельно требуют переосмысления, обобщения, актуализации. Анализ аппарата понятий, используемых в нормативно-технической документации Государственной системы обеспечения единства измерений, показывает, что он заметно отстает от потребностей практически реализуемой в настоящее время системы измерений. Более того, многие из документально зафиксированных понятий не соответствуют существу концептуальных положений теории измерений. Это относится, в частности, к Рекомендации по межгосударственной стандартизации РМГ 29-99 «ГСИ. Метрология. Основные термины и определения», которая введена в действие в Российской Федерации с 1 января 2001 г. и рекомендуется к применению «во всех видах документации, научно-технической, учебной и справочной литературе по метрологии». В связи с изложенным, ниже приводятся термины и определения из РМГ 29-99. Однако в тех случаях, когда они недостаточно корректны или явно устарели, рядом даны соответствующие формулировки, отвечающие современному состоянию метрологии. В большинстве своем эти материалы заимствованы из методики МИ 2365-96 «ГСИ. Шкалы измерений. Основные положения, термины и определения». Такие определения имеют при порядковом номере индекс «а». 1. Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. 2. Измерение физической величины - совокупность операций по применению технических средств, хранящих единицу физической величины, обеспечивающая нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины. 2а. Измерение – сравнение конкретного проявления измеряемого свойства со шкалой измерений этого свойства с целью получения результата измерения. 3. Принцип измерений – физическое явление или эффект, положенное в основу измерений. 3а. Принцип измерения – явление (эффект), положенное в основу метода измерения. 4. Метод измерений – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. 4а. Метод измерения – совокупность приемов сравнения конкретного проявления измеряемого свойства со шкалой измерений этого свойства в соответствии с реализуемым принципом измерения. 5. Объект измерении – тело (физическая система, процесс, явление и т. д.), которое характеризуется одной или несколькими измеряемыми физическими величинами. 5а. Объект измерения – объект деятельности (тело, вещество, явление, процесс), конкретные проявления свойств которого подлежат измерению. 6а. Измеряемое свойство - проявление общего для объектов деятельности свойства, выделенного для познания и использования. 7а. Измеряемая величина – свойство объекта, характеризуемое количественными различиями. 7. Измеряемая физическая величина - физическая величина, подлежащая измерению, измеряемая или измеренная в соответствии с основной целью измерительной задачи. 8. Результат измерения физической величины – значение величины, полученное путем ее измерения. 8а. Результат измерения – оценка свойства или значение величины, полученные путем измерения. 9а. Оценка свойства – нахождение местоположения качественного свойства конкретного объекта измерения на соответствующей шкале наименований. 10. Значение физической величины - выражение размера физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц. 10а. Значение величины – нахождение размера величины по соответствующей ей шкале в виде некоторого числа принятых для нее единиц, баллов, чисел или иных количественных знаков (обозначений). 11. Истинное значение физической величины – значение физической величины, которое идеальным образом характеризует в качественном и количественном отношении соответствующую физическую величину. 11а. Истинное значение величины - значение величины, которое идеальным образом отражает положение па соответствующей шкале конкретной реализации количественного свойства объекта измерения; по своей природе неопределимо. 12. Действительное значение физической величины – значение физической величины, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него. 12а. Действительное значение величины – полученное экспериментальным путем значение величины, настолько близкое к ее истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него. 13. Погрешность результата измерения – отклонение результата измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины. 14. Неопределенность измерений - параметр, связанный с результатом измерений и характеризующий рассеяние значений, которые можно приписать измеряемой величине. 14а. Неопределенность результата измерения – параметр, характеризующий рассеяние результата измерения и соответствующий участку шкалы, в пределах которого предположительно находится истинная оценка свойства или истинное значение измеряемой величины. 15. Шкала физической величины - упорядоченная совокупность значений физической величины, служащая исходной основой для измерения данное величины. 15а. Шкала измерений – отображение множества различных проявлений качественного или количественного свойства па принятую систему логически связанных знаков (обозначений), в том числе на упорядоченное множество чисел. 16. Условная шкала физической величины – шкала физической величины, исходные значения которой выражены в условных единицах. 17. Единица измерения физической величины – физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное 1, и которая применяется для количественного выражения однородных с пей физических величин. 17а. Единица измерения (единица величины) – величина фиксированного размера, для которой условно (по определению) принято числовое значение, равное 1. 18. Система единиц физических величин – совокупность основных и производных единиц физических Величин, образованная в соответствии с принципами дня заданной системы физических величин. 18а. Система единиц – совокупность основных и производных единиц измерения, образованная в соответствии с принятыми по договоренности принципами (правилами). 19. Средство измерений – техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени. 19а. Средство измерений – объект применения (прибор, инструмент, раствор, образец), который предназначен для выполнения измерений имеет нормированные метрологические характеристики, воспроизводит и хранит какой-либо участок или точку шкалы с установленной неопределенностью (или погрешностью) в течение заданного интервала времени. 20. Мера физической величины - средство измерений, предназначенное для воспроизведения и хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью. 20а. Мера – средство измерений, воспроизводящее и хранящее одну или несколько точек шкалы измерений. 21. Стандартный образец – образец вещества (материала) с установленными в результате метрологической аттестации значениями одной или более величин, характеризующими свойство или состав этого вещества (материала). 21а. Стандартный образец состава или свойств вещества или материала – мера специфического свойства, характеризующего в том числе состав или значение величины, для измерения которой необходимо учитывать особенности данного вещества (материала). 22. Эталон единицы физической величины – средство измерений (или комплекс средств измерений), предназначенное для воспроизведения и хранения единицы и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке. 22а. Эталон шкалы или единицы измерений – устройство, предназначенное и утвержденное для воспроизведения, хранения и передачи участка шкалы или размера единицы измерения нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений. 23. Поверочная схема для средств измерений – нормативный документ, устанавливающий соподчинение средств измерений, участвующих в передаче размера единицы от эталона рабочим средствам измерений (с указанием методов и погрешности при передаче). 23а. Поверочная схема – нормативный документ, устанавливающий соподчинение средств измерений, участвующих в передаче участка шкалы или размера единицы измерения от эталона рабочим средствам измерений.24. Методика выполнения измерений – установленная совокупность операций и правил при измерении, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с гарантированной точностью в соответствии с принятым метолом. 24а. Методика выполнения измерений – измерительная процедура, обеспечивающая получение результата измерения с известной неопределенностью (или погрешностью) при выполнении измерений в соответствии с принятым методом. 25. Единство измерений – состояние измерений, характеризующееся тем, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам единиц, воспроизводимых первичными эталонами, а погрешности результатов измерений известны и с заданной вероятностью не выходят за установленные пределы. 25а. Единство измерений – состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных шкалах или единицах измерения, а неопределенности (или погрешности) результатов измерений не выходят за установленные границы с заданной вероятностью. Практическое занятие 1. Основы обеспечения единства измерений Контрольные вопросы 1. Что изучает дисциплина метрология? Метрология – наука об измерениях физических величин, методах и средствах обеспечения их единства, и способах достижения требуемой точности. 2. Каково место метрологии среди других наук? Метрология впитывает в себя самые последние научные достижения и занимает особое место среди технических наук, ведь для научно-технического прогресса и их совершенствования метрология должна опережать другие области науки и техники. 3. Дайте определение физической величины. Физическая величина – одно из свойств физического объекта, общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них. Можно сказать, также, что физическая величина — это величина, которая может быть использована в уравнениях физики, причем, под физикой здесь понимается в целом наука и технологии. 4. Что такое размерность физической величины? Размерность физической величины - выражение, показывающее связь этой величины с основными величинами данной системы физических величин; записывается в виде произведения степеней сомножителей, соответствующих основным величинам, в котором численные коэффициенты опущены. 5. Что такое измерение? Приведите примеры измерений, постоянно встречающихся в повседневной жизни. Измере́ние — совокупность действий для определения отношения одной (измеряемой) величины к другой однородной величине, принятой всеми участниками за единицу, хранящуюся в техническом средстве (средстве измерений). В практической жизни человек всюду имеет дело с измерениями. На каждом шагу встречаются измерения таких величин, как длина, объем, вес, время и др. Измерения являются одним из важнейших путей познания природы человеком. Они дают количественную характеристику окружающего мира, раскрывая человеку действующие в природе закономерности. 6. В чем заключается значимость метрологии? Ее роль в современном мире огромна, нет ни одной сферы деятельности человека, где не использовались бы измерения. Информация, получаемая при измерении, служит базой для принятия решений о качестве продукции, ее точность и достоверность определяет правильность принятых решений, а недостоверность – может привести к снижению качества продукции, неправильным решениям. Основной задачей метрологии является обеспечение единства измерений. 7. Назовите основные операции процедуры измерения. Основными операциями, составляющими процедуру измерения, являются: воспроизведение величин заданного размера, сравнение величин, измерительные преобразования. К ним следует добавить также операции, общие для всех информационных процедур: передача, коммутация, запоминание. 8. По каким признакам классифицируются методы измерений? Метод измерений – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Методы измерений классифицируют по нескольким признакам. 1. По общим приемам получения результатов измерений различают прямой и косвенный методы измерения. Первый реализуется при прямом измерении, второй – при косвенном измерении. 2. По условиям измерения различают контактный и бесконтактный методы измерения. 3. По способу сравнения измеряемой величины с ее единицей для прямых измерений (при которых искомое значения физической величины находят непосредственно из опытных данных) можно выделить два основных метода: · метод непосредственной оценки, · метод сравнения с мерой. 9. Какие методы измерений вам известны? Метод непосредственной оценки – метод измерения, при котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия. Метод сравнения с мерой – метод измерения, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. 10. Что такое условия измерений? Какими они бывают? Условия измерения – совокупность влияющих величин, описывающих состояние окружающей среды и средства измерений. Различают нормальные, рабочие и предельные условия измерений. Нормальные условия измерений — условия, при которых влияющие величины имеют нормальные или находящиеся в пределах нормальной области значения. Рабочими называются условия измерений, при которых влияющие величины находятся в пределах своих рабочих областей. Предельные условия измерений характеризуются экстремальными значениями измеряемой и влияющих величин, которые средство измерения может выдержать без разрушений и ухудшения его метрологических характеристик. 11. Что такое результат измерения и чем он характеризуется? Результат измерения – оценка свойства или значение величины, полученные путем измерения. Результат измерения представляет собой приближенную оценку истинного значения величины. Качество средств и результатов измерений характеризуют, указывая их погрешности. 12. Дайте определения прямых, косвенных, совместных и совокупных видов измерений. Прямым называется измерение, когда искомое значение физической величины находится непосредственно из опытных данных. Косвенным называется измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Совместными называют проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для установления зависимости между ними. Совокупными называются проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых их значения находят решением системы уравнений, получаемых при прямых или косвенных измерениях различных сочетаний этих величин. 13. Что представляет собой средство измерений? Средство измерений – техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени. 14. По каким признакам классифицируют средства измерений? Средства измерения классифицируются по следующим критериям: 1) по способам конструктивной реализации; 2) по метрологическому предназначению. По способам конструктивной реализации средства измерения делятся на: 1) меры величины; 2) измерительные преобразователи; 3) измерительные приборы; 4) измерительные установки; 5) измерительные системы. По метрологическому назначению средства измерений делятся: 1 рабочие средства измерений; 2 эталоны. 15. Что собой представляют измерительные приборы? Измерительный прибор – средство измерения, предназначенное для получения измерительной информации, пригодной для непосредственного восприятия наблюдателем (отсчетное устройство). 16. По каким признакам классифицируют измерительные приборы? По методу измерения По способу представления величин По способу представления показаний По типу вычислительного устройства 17. Перечислите государственные эталоны основных единиц. Эталон единицы массы Эталон единиц длины Эталон единицы времени Эталон единицы силы постоянного электрического тока Эталон единицы температуры Эталон единицы силы света 18. Сформулируйте основные этапы развития метрологии. Этапы развития метрологии: 18 век – установление эталона метра; 1832 год – создание Карлом Гауссом абсолютных систем единиц; 1875 год – подписание международной Метрической конвенции; 1893 год – создание Д.И. Менделеевым Главной палаты мер и весов; 1960 год – разработка и установление Международной системы единиц (СИ). |