Средства метрологии – это совокупность средств измерений и метрологических стандартов, обеспечивающих их рациональное использование.
Метрология делится на три самостоятельных и взаимодополняющих раздела:
1. Теоретическая метрология занимается изучением общих вопросов теории измерений;
2. Прикладная метрология посвящена изучению вопросов практического применения в различных сферах деятельности результатов теоретических исследований;
3. Законодательная метрология рассматривает комплексы взаимосвязанных и взаимообусловленных общих правил, требований и норм, а также другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и контроле со стороны государства, направленные на обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений.
Без измерений не может обойтись ни одна наука, поэтому метрология как наука об измерениях находится в тесной связи со всеми другими науками. Развитие науки, управление технологическими процессами немыслимы без получения количественной информации о тех или иных свойствах физических объектов. Еще Галилео Галилей писал, что «надо измерять все измеримое и делать измеримым то, что пока ещё не поддается измерению», а русский ученый Б.С.Якоби утверждал, что «искусство измерения является могущественным оружием, созданным человеческим разумом для проникновения в законы природы».
Что же такое «измерение »? Существует несколько отличающихся определений понятия измерения, однако в большинстве своем они говорят о том, что измерение – это процесс получения информации.
Одним из наиболее существенных аспектов измерения является сбор информации; измерения производятся для того, чтобы что-то узнать об объекте измерения, то есть об измеряемой величине. Это означает, что результат измерения должен описывать то состояние или то явление в окружающем нас мире, которое мы измеряем. Между этим состоянием или явлением и результатом измерения должно существовать то или иное соотношение. Хотя получение информации очевидно, оно является лишь необходимым, но не достаточным для определения измерения: когда кто-то читает учебник, он накапливает информацию, но не выполняет измерения.
Второй аспект измерения состоит в том, что оно должно быть избирательным. Оно может снабдить нас сведениями только о том, что мы хотим измерить (об измеряемой величине), но ничего не говорит ни об одном из многих других состояний или явлений вокруг нас. Это обстоятельство тоже необходимо, но не достаточно для определения измерения. Любуясь картиной в пустой комнате, где нет ничего другого, вы получите информацию только об этой картине, но это не будет измерением.
Третьей, и также необходимой стороной дела, является тот факт, что измерение должно быть объективным. Исход измерения не должен зависеть от наблюдателя. Любой наблюдатель должен извлекать из измерения одну и ту же информацию и приходить к одним и тем же выводам. Но это почти невозможно, если наблюдатель будет пользоваться только своими собственными органами чувств. Наблюдения, выполненные с помощью наших органов чувств, в очень большой степени субъективны. Например, наше восприятие температуры сильно зависит от ощущения тепла или холода, предшествующего измерению. В этом легко убедится, пытаясь определить рукой температуру кувшина с водой. Если сначала окунуть руку в холодную воду, то вода в кувшине покажется сравнительно теплой, а если сначала опустить руку в теплую воду, то вода в кувшине покажется относительно холодной. Помимо субъективности восприятия человек-наблюдатель испытывает также затруднения от того, что существует много состояний и явлений в окружающем нас реальном мире, которые мы либо вовсе не ощущаем (например, магнитные поля), либо воспринимаем лишь качественно (например, очень низкие температуры или движение с большой скоростью). Таким образом, чтобы гарантировать объективность измерения, мы должны воспользоваться теми или иными приспособлениями (средствами, приборами). Назначение этих приборов состоит в том, чтобы преобразовать наблюдаемое состояние или явление в другое состояние или явление, которое наблюдатель уже не может истолковать неверно.
Измерением называют физический опыт, в результате которого находят численное значение измеряемой величины. Таким образом, измерение представляет собой информационный процесс, результатом которого является получение измерительной информации, т.е. количественной информации об измеряемых величинах. Объектом измерения является та или иная физическая величина.
Измерение одно из основных понятий метрологии, поэтому точное определение дано в ГОСТ 16263-70. Измерение – это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Что же такое «физическая величина»?
1.3. Физическая величина
Физические тела и явления отличаются друг от друга различными признаками. Так тела отличаются по цвету, форме, размерам и т.д. Тела и явления характеризуются не только их восприятием, но и с количественной стороны.
Прошло уже более 200 лет с тех пор, как удалось точно сформулировать понятие измеримой (физической величины). Введение новых единиц измерения всегда производиться в соответствии с таким пониманием измеримой величины.
Леонардо Эйлер в своем труде «Алгебра» дал приемлемое и для наших дней определение физической величины.
«1.Прежде всего называется величиной все то, что способно увеличиваться или уменьшаться, или то, к чему можно нечто прибавить или от чего можно нечто отнять.
2.Существует очень много разного рода величин, которые не поддаются счету, и от них происходят различные разделы физики, каждый из которых имеет дело со своим особым родом величин. Физика есть не что иное, как наука о величинах, занимающаяся нахождением средств как измерить последние.
3.Однако, невозможно определить или измерить одну величину иначе, как приняв в качестве известной другую величину этого же рода и указав отношение, в котором она находиться к ней.
4.При определении или измерении величин всякого рода мы приходим, следовательно, к тому, что прежде всего устанавливается некоторая известная величина этого же рода, именуемая мерой или единицей и зависящая исключительно от нашего произвола. Затем определяется, в каком отношении находится данная величина к той мере, что всегда выражается через число, так что число является не чем иным, как отношением, в котором одна величина находится в другой, принятой за единицу.»
Определение физической величины, единицы и численного значения, данные Эйлером, и сегодня остаются актуальными, лишь теперь нам известно намного больше физических величин, чем во времена Эйлера.
ГОСТ 16263-70 определяет физическую величину как свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам (физическим системам, их состояниям и происходящим в них процессам), но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта. Так, физическими величинами являются масса, расстояние, давление, сила, электрическое сопротивление и др.
Очевидно, что не все физические свойства реальных объектов являются физическими величинами. К таким физическим свойствам относятся, например, форма тела или фигуры, запах, цвет. Указанные физические свойства не относятся к физическим величинам и не могут быть измерены. Поэтому физические величины иногда определяют как физические свойства, поддающиеся измерению.
Для более детального изучения физические величины необходимо классифицировать, выявить общие метрологические особенности их отдельных групп.
I. По видам явлений физические величины делятся на:
1) вещественные,т.е. описывающие физические и физико-химические свойства веществ, материалов и изделий из них. К этой группе относятся масса, плотность, электрическое сопротивление, емкость, индуктивность и др. Иногда указанные физические величины называют пассивными, т.к. для их измерения требуется дополнительный источник энергии для преобразование их в активные;
2) энергетические (активные), т.е. величины, описывающие энергетические характеристики процессов преобразования, передачи и использования энергии. К ним относятся ток, напряжение, мощность, энергия. Эти величины могут быть преобразованы в сигналы измерительной информации без дополнительного источника энергии.
II. По принадлежности к различным группам физических процессов:
1) пространственно-временные;
2) механические;
3) тепловые;
4) электрические и магнитные;
5) акустические;
6) световые;
7) физико-химические и др.
III. По степени условной независимости от других величин данной группы физические величины делятся на основные (условно независимые), производные (условно зависимые) и дополнительные.
Из определения измерения следует, что для получения измерительной информации необходимо сравнить измеряемую величину с физически однородной ей величиной известного размера. Для числового представления результата сравнения используется единица измерения.
Единица измерения – это физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение, равное единице.
При выбранной единице измерения результат сравнения можно записать в виде формул
Q / [q] = a, (1.1)
где Q - измеряемая величина;
q - единица измерения;
a - числовое значение измеряемой величины в принятых единицах измерения.
Эта формула, записанная в виде
Q = a[q], (1.2)
называется основным уравнением измерения.
Оценка физической величины в виде некоторого числа принятых для неё единиц называется значением физической величины.
При выбранной единице измерения физическая величина как объективно существующее свойство объекта может быть охарактеризована истинным её значением.
Истинное значение физической величины – значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. Определить экспериментально истинное значение физической величины невозможно, оно остается неизвестным экспериментатору. В связи с этим при необходимости вместо истинного значения физической величины используют её действительное значение.
Действительное значение физической величины – значение физической величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него.
В используемой ныне международной системе единиц 7 основных единиц: метр, килограмм, ампер, секунда, кельвин, канделе, моль.
Единицы, образующиеся по законам, устанавливающим связь между физическими величинами, называют производными. При образовании производных единиц СИ, как правило, полученная единица имеет наименование, состоящее из наименований соответствующих основных единиц. Так, единица скорости (м/с) устанавливается из уравнения
v = s / t (1.3)
где s – путь, м;
t - время, с.
В некоторых случаях для выражения производных единиц СИ приняты собственные наименования, которые даны по именам ученых (Дж – джоуль, Вт – ватт).
Совокупность основных и производных единиц образует систему единиц.
Единицы, которые не относятся ни к основным, ни к производным, называются дополнительными (радиан, стерадиан).
Отношение физической величины к одноименной физической величине называется относительной величиной, а логарифм такого отношения логарифмической величиной. К таким величинам относятся коэффициент усиления и затухания, добротность колебательного контура, КПД и др.. К относительным величинам можно отнести также геометрические и фазовые углы. Относительные величины выражаются в процентах 1%=10-2; промилле 1‰=10-3 и т.д.. Единицами логарифмических величин являются децибел (дБ), октава (окт), декада (дек) и др..
Единицы, которые не входят ни в одну из систем, называются внесистемными (например, литр – л, тонна – т, вольт-ампер – В·А).
Размеры единиц СИ для многих случаев практики или слишком велики, или очень малы. Поэтому во многих случаях пользуются кратными единицами – единицами, которые в целое число раз больше системной или внесистемной, либо дольными единицами - единицами, которые в целое число раз меньше системной или внесистемной.
Важнейшими преимуществами системы СИ перед остальными являются её универсальность, унифицированность и согласованность основных единиц с производными.
Универсальность системы СИ заключается в том, что она охватывает все виды измерений в любой области науки и позволяет полностью отказаться от остальных систем и внесистемных единиц.
Унифицированность – в том, что она позволяет использовать одни и те же единицы для измерения различных видов однородных физических величин (например, джоуль – единица работы, механической энергии, электрической энергии и количества теплоты.).
Согласованность основных единиц с производными заключается в том, что можно получать все производные единицы из основных делением или умножением без введения числовых коэффициентов, что упрощает запись уравнений и формул в различных областях науки и техники.
1.4. Шкалы
Чтобы уяснить, что понимается в метрологии под понятием измерение, рассмотрим типы шкал, на основе которых формируется представление об объекте. Шкала измерений – это упорядоченная совокупность значений физической величины, которая служит основой для её измерений.
Различают 4 типа шкал: шкала наименований, шкала порядка, шкала интервалов и шкала отношений.
I. Шкала наименований основана на приписывании объекту цифр (знаков), играющих роль простых имен. Это приписывание служит для нумерации предметов только с целью их идентификации. С цифрами, используемыми как специфические номера нельзя выполнять никаких арифметических действий (R2 и R6 – резисторы, но об их сопротивлениях ничего неизвестно).
II. Шкала порядка предполагает упорядочение объектов относительно какого-то определенного их свойства, т.е. расположение их в порядке убывания или возрастания данного свойства. Полученный при этом упорядоченный ряд называют ранжированным рядом, а саму процедуру – ранжированием. Ранжированный ряд может дать ответы на вопросы типа что больше (меньше) или что лучше (хуже), более подробной информации нет. Результаты оценивания по шкале порядка не могут подвергаться никаким арифметическим действиям. Примеры: шкала скорости ветра в баллах Бофорта, шкала интенсивности землетрясений по шкале Рихтера, твердость минералов и т.д.
III. Шкала интервалов отличается от натуральной тем, что для ее построения вначале устанавливают единицу физической величины, сами же значения остаются неизвестными. Примерами таких шкал являются шкалы температур. На температурной шкале Цельсия за начало отсчета выбрана температура таяния льда. Для удобства пользования интервал между температурой кипения воды и началом отсчета разделен на 100 равных интервалов – градусов. Результаты измерений по шкале интервалов можно складывать друг с другом и вычитать друг из друга, т.е. определять, на сколько одно значение больше или меньше другого. Определить по шкале интервалов во сколько раз одно значение величины больше или меньше другого, невозможно, т.к. на шкале не определено начало отсчета физической величины. Интервалы (разности) можно сравнить. Разность температур в 20 градусов больше разность температур в 10 градусов в 2 раза.
IV. Шкала отношений представляет собой интервальную шкалу с естественным началом. Примером такой шкалы может быть температурная шкала с точкой отсчета в точке абсолютного нуля. Такая шкала охватывает интервал от 0 до ∞. По ней можно не только определить на сколько Т1>Т2, но и во сколько раз Т1 больше Т2. Шкала отношений является самой совершенной, наиболее информативной. Результаты измерений по шкале отношений можно складывать между собой, вычитать, перемножать, делить.