Основные понятия в метрологии

ТЕМА 1. Основные понятия в метрологии (в 2.1)

 

1.1  Метрология - наука об измерениях

Процесс познания в обобщенном виде можно представит себе как определенное исследование, заканчивающееся получением качественной или количественной информации (рис. 1). Количественная информация связана с метрологией.

Слово "метрология" в переводе с греческого обозначает учение о мерах; под мерой принято  понимать вещественное воспроизведение  единицы измерений.

Измерение - процесс эмпирический и реализуется только при наличии   единицы величины, т.е. величины фиксированного размера, применяемой для   количественного выражения однородных величин. Мера величины и представляет собой средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.

Для того, чтобы представить  себе что в сегодняшнем понимании  реально стоит за терминами "метрология", "метрологическое обеспечение  измерений", "обеспечение единства измерений", рассмотрим пример.

Целлюлозно-бумажный комбинат выпускает белую бумагу. Одним  из ее важных показателей является белизна. Она контролируется с помощью  стандартных образцов, которые периодически подвергаются поверке. При очередной поверке выясняется, что стандартные образцы стали темнее. Значит выпускавшаяся бумага не соответствует требованиям государственного стандарта по белизне. Возникает сразу множество правовых, организационных, технических и др. вопросов. Можно ли считать бумагу, которая находится на складе, как готовая продукция, соответствующей государственному стандарту? Можно ли ее реализовать, если да, то по какой цене? Что делать с технологическим процессом - добавлять отбеливающих веществ? Но это потребует дополнительных затрат, и в том числе на природоохранительные мероприятия. А может быть провести еще одну поверку стандартных образцов, и все будет в порядке?

В приведенном примере  технологический процесс комбината  автоматизирован, основой автоматизации являются средства измерений и система управления. Попробуем проанализировать возникшие проблемы в связи с действующей терминологией.

Развитие  метрологии вызвало необходимость  уточнить терминологию,

учтя при этом и  изданные за рубежом Международные  терминологические словари. В 1994 г. введен МИ 2247 - 93 "Рекомендация. Метрология. Основные термины и определения" - новый рекомендательный документ, разработанный НПО "ВНИИ метрологии им. Д. И. Менделеева".

Реальная жизнь, вместе с тем, показывает, что метрология - не только наука, но и область практической деятельности. Приведенное определение метрологии влечет за собой необходимость ответа на вопросы: что такое измерения, единство измерений?

Термин "измерение" связывается преимущественно с  физическими величинами. Физической величиной называется одно из свойств физического объекта (явления, процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.

Измерение - совокупность операций, выполняемых с помощью технического средства, хранящего единицу величины, позволяющего сопоставить измеряемую величину с ее единицей и получить значение величины. Это значение называют результатом измерений.

Используя измерительный  прибор, например, вольтметр постоянного электрического тока, мы измеряем напряжение в вольтах той или иной электрической цепи, сравнивая положение указателя (стрелки) с единицей электрического напряжения, хранимой шкалой вольтметра. Найденное значение напряжения как некоторое число вольт представляет результат измерений.

Под единством измерений понимается такое их состояние, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью.

И все же знание погрешности измерений полностью не обеспечивает единство измерений. Необходимо, чтобы эти погрешности не превышали установленного предела, который выбирается с расчетом соблюдения точности и единства измерений.

 

 

Рисунок 1 – Познание и измерение

 

 

Важнейшим условием с точки зрения единства измерений является соответствие (в пределах установленной точности) размеров единиц, хранимых средствами измерений, размерам единиц, воспроизводимых государственными эталонами. Иначе говоря, важнейшим условием обеспечения единства измерений является применение одинаковых по размеру "метров", "килограммов", "секунд" и др. Но и это еще не все. Часто, используя одинаковые по размеру единицы и выполняя самые тщательные измерения в разных местах, невозможно добиться их единства. Требуется еще единая унифицированная методика измерений, устанавливающая единый метод, одинаковое число измерений, единые требования к условиям измерений, к квалификации оператора и др.

С учетом сказанного можно дать определение понятия "единство измерений". Это характеристика качества измерений, заключающаяся в том, что результаты измерений выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам воспроизведенных единиц, а погрешности результатов измерений известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы.

Из этого  определения следует, что понятие "единство измерений" довольно емкое. Оно затрагивает важнейшие задачи метрологии:

1. - унификацию единиц и признание их законными;
2. - разработку систем воспроизведения единиц и передачи их размеров 
   рабочим средства измерений.

Создание государственных  эталонов, воспроизводящих единицы  с наивысшей точностью, и разработка методов передачи размеров единиц с установленной точностью являются залогом равенства размеров единиц при использовании рабочих средств измерений. Соответствие размеров единиц, воспроизводимых государственными эталонами, международным эталонам или национальным эталоном других стран - основа единства измерений на международном или на уровне нескольких стран.

Приведенное определение охватывает понятие  погрешности результата измерений (обычно слово "результат" опускается), которая слагается из от методики измерений (условия, число измерений, процедура и др.)

Погрешность измерения - отклонение результата измерения   (x_изм)   от действительного (истинного) значения измеряемой величины (х_д), определяемое по формуле , где - погрешность измерения. Погрешность измерений не должна превышать установленный предел. Не установив предел погрешности измерений, вытекающий из конкретной измерительной задачи, нельзя решить вопрос о правильном выборе средства измерений, дать верную оценку результатов измерений, выполненных в разных местах, т.е. дно соблюсти единство измерений.

Необходимо сказать, что истинное значение физической величины неизвестно и применяется в теоретических исследованиях; действительное значение величины определяется экспериментально из предположения, что результат эксперимента (измерения) наиболее близок к истинному значению величины.

Во всех случаях, когда это необходимо, погрешности  измерений известны. Так, погрешности применяемого при измерениях технического средства (средства измерений) указываются в придаваемом к нему техническом описании (паспорте, технических условиях и др.).

Для обеспечения  единства измерений независимо от того, кем, где, когда, в каких условиях они проведены, значения погрешности измерений недостаточно. Необходимо иметь уверенность в том, что погрешность измерений не превысила пределов, установленных в соответствии с поставленной измерительной задачей. С этой целью пользуются понятием «достоверность измерений», представляющим искомую величину известной с заданной доверитель ной вероятностью.

Часто говорят не о  погрешности измерений, а о точности измерений. Качественно точность измерений характеризуется близостью к нулю погрешности результата измерений. К количественной оценке точности обратимся позже.

Из соображений единства измерений разрабатываются общие  требования к выпускаемым средствам измерений (по точности, диапазонам измерений). Таким образом, единство измерений тесно связано с требуемой точностью, оно должно выдерживаться при любой необходимой точности измерений.

Обеспечение единства измерений — это деятельность метрологических и других служб, направленная на достижение единства измерений при требуемой точности.

Например, в целях обеспечения  единства измерений в нашей стране созданы метрологические службы, деятельность которых в этом направлении  регламентируются стандартами и другими нормативными документами государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ).

Допускается говорить об обеспечении единства измерений  в стране, отрасли, на предприятии, а также применительно к конкретной измеряемой величине или параметру (например, обеспечение единства измерений толщины пленок, диаметра вала, шайбы, болта и т.д.).

Возвращаясь к приведенному примеру можно  отметить, что в целом были нарушены требования обеспечения единства измерений, в деталях - погрешности измерении вышли за пределы установленных интервалов; метрологическая служба предприятия не выполнила своих обязанностей, и предприятию нанесен экономический урон.

1.2 Основное уравнение измерений

Для установления различия в количественном содержании отображаемой физической величиной свойства изучаемого объекта (явления, процесса) введено понятие размера физической величины. Размер физической величины – количественная определенность физической величины, присущая конкретному материальному объекту (явлению, процессу). Истинный размер физической величины является объективной реальностью, не зависящей от того, измеряют соответствующую характеристику свойства объекта или нет. Размер величины зависит от того, какая единица принята при измерениях величины. Размер может выражаться в виде отвлеченного числа, без указания единицы измерения, соответствует числовому значению физической величины. Количественная оценка физической величины, представленная числом с указанием единицы этой величины, называется значением физической величины. Можно говорить о размерах разных единиц данной физической величины. В этом случае размер, например, килограмма отличается от размера фунта, пуда и т.д.

Итак, если имеется некоторая величина X, принятая для нее единица измерения равна [X], то значение величины

,                                                                          (1)

где q - числовое значение величины X.

Например, за единицу  измерения напряжения электрического тока принят 1 В.   Тогда значение напряжения электрической сети

U=q[U]=220[1 B]=220 B

Здесь числовое значение q=220. Но если за единицу напряжения принять [1 kB], то U=q[U]=0,22[1  кВ]=0,22 кВ, т.е. числовое значение q=0,22.

Уравнение (1) называется основным уравнением измерений, показывающим, что числовое значение величины зависит от размера принятой единицы измерения.

Введем еще одно важное понятие - измерительное преобразование. Под ним поднимается процесс установления взаимно однозначного соответствия между размерами двух величин: преобразуемой величины (входной) и преобразованной в результате измерения (выходной). Множество размеров входной величины, подвергаемой преобразованию с помощью технического устройства - измерительного преобразователя, называется диапазоном преобразования.  Измерительное преобразование называется линейным, если при увеличении преобразуемой величины на ∆Х результат преобразования - величина Y увеличивается (уменьшается) на ΔY, а при увеличении ΔX в п раз значение ΔY увеличивается (уменьшается) также в п раз.

Измерительное преобразование может осуществляться различным  образом в зависимости от видов  физических величин, которые принято  подразделять на три группы.

Первая группа представляет величины, на множестве размеров которых определены только их отношения в виде сопоставлений "слабее-сильнее", "мягче-тверже", "холоднее-теплее" и др. Указанные соотношения устанавливаются на основе теоретических или экспериментальных исследований и называются отношениями порядка (отношениями эквивалентности). К величинам первой группы относятся, например, сила ветра (слабый, умеренный, сильный, шторм и т. д.), твердость, характеризуемая способностью исследуемого тела противостоять давлению на него другого тела.

Вторая группа представляет величины, для которых отношения порядка (эквивалентности) определяются не только между размерами величин, но также между разностями величин в парах их размеров. К ним относятся, например, время, энергия, температура, определяемая по шкале жидкостного термометра. Возможность сравнения разностей размеров этих величин заключена в определении величин второй группы. Так, при использовании ртутного  термометра разности температур (например, в пределах от +5 °С до +10 °С и в пределах от +20 °С до +25 °С) считаются равными. Таким образом, в данном случае имеет место как отношение порядка величин (25 °С «теплее», чем 10 °С), так и отношение порядка между разностями в парах размеров величин: разность пары (25 °С - 20 °С) соответствует разности пары (10 °С - 5 °С). В обоих случаях отношение порядка однозначно устанавливается с помощью средства измерений (измерительного преобразователя), каким является упомянутый жидкостной термометр. Нетрудно сделать вывод, что температура относится к величинам и первой и второй групп.