Глава 1. ИЗМЕРЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
ВВЕДЕНИЕ
Метрология является наукой, изучающей измерения, значение которых в современном обществе чрезвычайно велико. Ни одна из отраслей промышленности не может существовать без развернутой системы измерений, определяющей течение всех технологических процессов, контроль и управление ими, а также свойства выпускаемой продукции. Измерения широко применяют для учета материальных ресурсов, для обеспечения качества продукции, взаимозаменяемости узлов и деталей, безопасности труда, в медицине, торговле, спорте, строительстве и т.д. Практически нет ни одной сферы деятельности человека, где бы ни использовалась измерительная информация, т.е. результаты измерений величин.
Метрология находится в тесной связи с другими науками. Благодаря точным измерениям величин, количественно характеризующих изучаемые физические явления, появились многие научные открытия и технические достижения. Метрология должна опережать в своем развитии другие области науки и техники, т.к. для каждой из них точные измерения являются одним из основных путей их совершенствования.
Метрология имеет и социальную сторону, т.к. отрицательные последствия от недостоверных результатов измерений в отдельных случаях могут быть катастрофическими (например, при измерении уровня радиации). Очевидно, что только гарантированная точность результатов измерений является основой правильности принимаемых решений.
Слово «метрология» образовано из двух греческих слов: «метрон» – мера и «логос» – учение, таким образом, дословный перевод слова «метрология» – учение о мерах. В современной практике метрология – это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.
Единством измерений называют такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах величин и погрешности измерений не выходят за установленные границы с заданной вероятностью.
Первым условием обеспечения единства измерений является представление результата измерений в узаконенных единицах измерения, которые были бы одинаковыми всюду, где проводят измерения и используют их результаты. Так, в различных странах, где принята Международная система единиц, результаты измерения температуры среды выражают в кельвинах или градусах Цельсия, массы – в килограммах, длины – в метрах.
Важнейшей задачей метрологии является обеспечение единства измерений, которое необходимо для того, чтобы можно было сопоставить результаты измерений, выполненных в разных местах (странах), в разное время, с использованием разных методов и средств измерений. Единство измерений поддерживают путем передачи единиц величин от государственных эталонов (эталонов наивысшей точности) к рабочим средствам измерений.
Второе условие соблюдения единства измерения – необходимость выполнить их так, чтобы погрешности, неизбежно сопровождающие результат измерения, были бы известны и не превышали допускаемые пределы. Наиболее существенной в результате измерения является погрешность используемого средства измерения, которую указывают в прилагаемом к нему техническом описании (паспорте, технических условиях и др.). Однако, во многих случаях необходимо также учитывать погрешность метода измерения и другие составляющие общей (суммарной) погрешности измерения. Их заранее рассчитывают, многократно проводя измерения величины, и указывают в специальном документе – методике выполнения измерений.
В настоящее время стремительно растут требования к точности измерений, быстроте получения измерительной информации и к ее качеству. Автоматизация производства, внедрение гибких систем его управления обусловливают необходимость использования систем автоматического контроля и полной автоматизации измерений. Соответственно, возрастают требования к квалификации операторов, к подготовке специалистов в области точных измерений.
Значимость и ответственность измерений обусловливают необходимость установления в законодательном порядке комплекса правовых и нормативных актов и положений, к числу которых относят Закон «Об обеспечении единства измерений», а также нормативные документы Госстандарта России[1], постановления Правительства РФ по отдельным вопросам метрологической деятельности и другие документы.
Основными задачами метрологии являются установление допущенных к применению единиц физических величин, обеспечение единства и необходимой точности измерений, разработка новых методов точных измерений и методов оценки погрешностей результатов измерений, создание и усовершенствование эталонов.
В метрологии различают три самостоятельных и взаимно дополняющих раздела: теоретическую, практическую и законодательную метрологию. В теоретической метрологии излагаются общие положения теории измерений. Прикладная метрология посвящена изучению вопросов практического применения в различных сферах деятельности результатов теоретических исследований. Законодательная метрология включает комплексы общих правил требований и норм, направленных на обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений и нуждающихся в регламентации и контроле со стороны государства.
Учебное пособие включает 3 главы, в которых рассмотрены основные понятия и определения метрологии, виды измерений, источники погрешностей измерений, характеристики средств измерений, закономерности формирования результата измерений, алгоритмы обработки многократных измерений. Особое внимание уделено вопросам метрологического обеспечения: научным, организационным, нормативным и правовым основам.
Глава 1. ИЗМЕРЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Большое разнообразие явлений, с которыми приходится сталкиваться в практической деятельности, определяет широкий круг величин, подлежащих измерению. Основным объектом изучения в метрологии является измерение физических величин. Во всех случаях проведения измерений, независимо от величины, метода и средства измерения, есть общее, что составляет основу измерений – это сравнение размера данной величины с единицей, хранимой средством измерения. При всяком измерении мы с помощью эксперимента определяем количественно физическую величину в виде некоторого числа принятых для нее единиц, т.е. находим значение размера физической величины. Измерение проводят c использованием шкалы – заранее составленной упорядоченной совокупности последовательности физических величин, принятой по соглашению.
Выбор единиц измерения величин имеет большое значение для сопоставления результатов, выполненных с использованием разных методов, средств и в разных условиях измерения. Поэтому принято устанавливать их размеры законодательным путем. Утвержденная XI Генеральной конференцией по мерам и весам Международная система единиц создала реальные перспективы полной унификации единиц измерения во всех странах мирового сообщества.
Объекты измерений