Разделы метрологии теоретическая практическая и законодательная. Теоретическая метрология. Основные определения, положения и понятия в теоретической метрологии

01.04.2024

Метрология – это наука об измерениях, методах достижения их единства и требуемой точности. Слово «метрология» образовано из двух греческих слов: «метрон» – мера и «логос» – учение. Дословный перевод слова «метрология» – учение о мерах. Долгое время метрология оставалась в основном описательной наукой о различных мерах и соотношениях между ними. Измерение – познавательный процесс, заключающийся в сравнении данной величины с известной величиной, принятой за единицу.

Предметом метрологии является обработка количественной информации о свойствах объектов и процессов с заданной достоверностью.

Меры на Руси: длина – аршин, сажень (3 аршина), верста; вес – пуд (16,4 кг); жидкие тела – бочки, ведра, кружки, бутылки.

В XV–XVIII вв. в связи с бурным ростом науки появилась необходимость измерения (барометры, гидрометры, манометры (давление воды), паровые машины (мощность измеряется в лошадиных силах)).

В XIX–XX вв. происходят новые физические открытия, появляется необходимость измерения в атомной и молекулярной физике. В 1827 г. в России образована комиссия образцовых мер и весов. Д.И. Менделеев сыграл большую роль в становлении метрологической службы, возглавляя ее с 1892 по1907 г. В 1970 г. образован Госстандарт СССР, в 1993 г. Госстандарт преобразован в Госстандарт России.

В современном понимании метрология – это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. К основным направлениям метрологии относятся:

общая теория измерений;
единицы физических величин и их системы;
методы и средства измерений; методы определения точности измерений;
основы обеспечения единства измерений и единообразия средств измерения;
эталоны и образцовые средства измерений; методы передачи размеров единиц от эталонов и образцовых средств измерений рабочим средствам измерений.

Основным законодательным документом в метрологии является Закон «Об обеспечении единства измерений», принят в 1992 г., который направлен на защиту прав и интересов граждан , экономики страны от отрицательных последствий, недостоверных результатов измерений.

Метрологию подразделяют на теоретическую, прикладную и законодательную.

Теоретическая метрология занимается вопросами фундаментальных исследований, созданием системы единиц измерений, физических постоянных, разработкой новых методов измерения.

Прикладная (практическая) метрология занимается вопросами практического применения в различных сферах деятельности результатов теоретических исследований в рамках метрологии.

Законодательная метрология включает совокупность взаимообусловленных правил и норм, направленных на обеспечение единства измерений, которые возводятся в ранг правовых положений (уполномоченными на то органами государственной власти), имеют обязательную силу и находятся под контролем государства . Ее основная задача – создание и совершенствование системы государственных стандартов, которые устанавливают правила, требования и нормы, определяющие организацию и методику проведения работ по обеспечению единства и точности измерений, а также организация и функционирование соответствующей

Как отмечалось выше, теоретическая метрология является основным разделом метрологии. Ее структура представлена в виде схемы на рис. 1.1.

Основные представления метрологии. Как и в любой науке, в метрологии необходимо сформулировать основные понятия, термины и постулаты, разработать учение о физических единицах и методологию. Данный раздел особенно важен ввиду того, что в основе отдельных областей измерений лежат специфические представления и в теоретическом плане области развиваются изолированно. При этих условиях недостаточная разработанность основных представлений заставляет решать аналогичные задачи, которые, по сути, являются общими, заново в каждой области.

Основные понятия и термины. Этот подраздел занимается обобщением и уточнением понятий, сложившихся в отдельных областях измерений с учетом специфики метрологии. Главной задачей является создание единой системы основных понятий метрологии, которая должна служить базой для ее развития. Значение системы понятий определяется значимостью самой теории измерений и тем, что указанная система стимулирует взаимопроникновение методов и результатов, наработанных в отдельных областях измерений.

Постулаты метрологии. В этом подразделе развивается аксиоматическое построение теоретических основ метрологии, выделяются такие постулаты, на основе которых можно построить содержательную и полную теорию и вывести важные практические следствия.

Учение о физических величинах. Основной задачей подраздела является построение единой системы ФВ, т.е. выбор основных величин системы и уравнений связи для определения производных величин. Система ФВ служит основой для построения системы единиц ФВ, рациональный выбор которой важен для успешного развития теории и практики метрологического обеспечения.

Методология измерений. В подразделе разрабатывается научная организация измерительных процессов. Вопросы метрологической методологии являются весьма существенными, поскольку она объединяет области измерений, различные по физической природе измеряемых величин и методам измерений. Это создает определенные трудности при систематизации и объединении понятий, методов и опыта, накопленного в различных областях измерений. К числу основных направлений работ по методологии относятся:

1) переосмысление основ измерительной техники и метрологии в условиях существенного обновления арсенала методов и средств измерений и широкого внедрения микропроцессорной техники;

2) структурный анализ измерительных процессов с системных позиций;

3) разработка принципиально новых подходов к организации процедуры измерений.

Теория единства измерений. (Теория воспроизведения единиц физических величин и передачи их размеров.) Этот раздел традиционно является центральным в теоретической метрологии. Он включает в себя: теорию единиц ФВ, теорию исходных средств измерений (эталонов) и теорию передачи размеров единиц ФВ.

Теория единиц физических величин. Основная цель подраздела - совершенствование единиц ФВ в рамках существующей системы величин, заключающееся в уточнении и переопределении единиц. Другой задачей является развитие и совершенствование системы единиц ФВ, т.е. изменение состава и определений основных единиц. Работы в этом направлении проводятся постоянно на основе использования новых физических явлений и процессов.

Теория исходных средств измерений (эталонов). В данном подразделе рассматриваются вопросы создания рациональной системы эталонов единиц ФВ, обеспечивающих требуемый уровень единства измерений. Перспективное направление совершенствования эталонов - переход к эталонам, основанным на стабильных естественных физических процессах. Для эталонов основных единиц принципиально важным является достижение максимально возможного уровня для всех метрологических характеристик.

Рис.1.1. Структура теоретической метрологии

Теория передачи размеров единиц физических величин. Предметом изучения подраздела являются алгоритмы передачи размеров единиц ФВ при централизованном и децентрализованном их воспроизведении. Указанные алгоритмы должны быть основаны как на метрологических, так и на технико-экономических показателях.

Теория построения средств измерений. В разделе обобщается опыт конкретных наук в области построения средств и методов измерений. В последние годы все большее значение приобретают знания, накопленные при разработке электронных СИ электрических и особенно неэлектрических величин. Это связано с бурным развитием микропроцессорной и вычислительной техники и ее активным использованием при построении СИ, что открывает новые возможности при обработке результатов. Важной задачей является разработка новых и совершенствование известных измерительных преобразователей.

Теория точности измерений. В данном разделе метрологии обобщены методы, развиваемые в конкретных областях измерений. Он состоит их трех подразделов: теории погрешностей, теории точности средств измерений и теории измерительных процедур.

Теория погрешностей. Этот подраздел является одним из центральных в метрологии, поскольку результаты измерений объективны настолько, насколько правильно оценены их погрешности. Предметом теории погрешностей является классификация погрешностей измерений, изучение и описание их свойств. Сложившееся исторически деление погрешностей на случайные и систематические, хотя и вызывает справедливые нарекания, тем не менее продолжает активно использоваться в метрологии. Как известная альтернатива такому делению погрешностей может рассматриваться развиваемое в последнее время описание погрешностей на основе теории нестационарных случайных процессов. Важной частью подраздела является теория суммирования погрешностей.

Теория точности средств измерений. Подраздел включает: теорию погрешностей средств измерений, принципы и методы определения и нормирования метрологических характеристик средств измерений, методы анализа их метрологической надежности.

Теория погрешностей средств измерений наиболее детально разработана в метрологии. Значительные знания накоплены и в конкретных областях измерений, на их основе развиты общие методы расчета погрешностей СИ. В настоящее время в связи с усложнением СИ, развитием микропроцессорных измерительных устройств актуальной стала задача по расчету погрешностей цифровых СИ вообще и измерительных систем и измерительно-вычислительных комплексов в частности.

Принципы, и методы определения и нормирования метрологических характеристик СИ достаточно хорошо разработаны. Однако они требуют модификации с учетом специфики метрологии и в первую очередь тесной связи определения метрологических характеристик СИ с их нормированием. К числу не до конца решенных задач следует отнести определение динамических характеристик СИ и градуировочных характеристик первичных измерительных преобразователей. По мере совершенствования средств обработки электрических измерительных сигналов наиболее существенные метрологические проблемы концентрируются вокруг выбора первичного преобразователя. Ввиду разнообразия принципов действия и типов СИ, а также повышения требуемой точности измерений появляется проблема выбора нормируемых метрологических характеристик СИ.

Теория метрологической надежности средств измерений по своей целевой направленности связана с общей теорией надежности. Однако специфика метрологических отказов и прежде всего непостоянство во времени их интенсивности делают невозможным автоматическое перенесение методов классической теории надежности в теорию метрологической надежности. Необходима разработка специальных методов анализа метрологической надежности СИ.

Теория измерительных процедур. Повышение сложности измерительных задач, постоянный рост требований к точности измерений, усложнение методов и средств измерений обуславливают проведение исследований, направленных на обеспечение рациональной организации и эффективного выполнения измерений. При этом главную роль играет анализ измерений как совокупности взаимосвязанных этапов, т.е. как процедуры. Подраздел включает теорию методов измерений; методы обработки измерительной информации; теорию планирования измерений; анализ предельных возможностей измерений.

Теория методов измерений - подраздел, посвященный разработке новых методов измерений и модификации существующих, что связано с ростом требований к точности измерений, диапазонам, быстродействию, условиям проведения измерений. С помощью современных средств измерений реализуются сложные совокупности классических методов. Поэтому остается актуальной традиционная задача совершенствования существующих методов и исследования их потенциальных возможностей с учетом условий реализации.

Методы обработки измерительной информации, используемые в метрологии, основываются на методах, которые заимствуются из математики, физики и других дисциплин. В связи с этим актуальна задача обоснованности выбора и применения- того или иного способа обработки измерительной информации и соответствия требуемых исходных данных теоретического способа тем, которыми реально располагает экспериментатор.

Теория планирования измерений - область метрологии, которая весьма активно развивается. К числу ее основных задач относятся уточнение метрологического содержания задач планирования измерений и обоснование заимствований математических методов из общей теории планирования эксперимента.

Анализ предельных возможностей измерений на данном уровне развития науки и техники позволяет решить такую главную задачу, как исследование предельной точности измерений при помощи конкретных типов или экземпляров средств измерений.

Контрольные вопросы

1. Обоснуйте важность теоретической метрологии.

2. Что изучает теоретическая метрология?

3. Каково место метрологии среди других наук?

4. Что такое измерение? Приведите примеры измерений, постоянно встречающихся в повседневной жизни.

5. В чем заключается значимость метрологии?

6. Перечислите, из каких основных разделов состоит теоретическая метрология. Какие задачи в них решаются?

7. Сформулируйте основные этапы развития метрологии.

8. Какие основные метрологические учреждения существуют в нашей стране? Какова их сфера деятельности?

Метрология - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Данное определеление дают все российские нормативно-правовые акты начиная от ГОСТ 16263-70 и до, принятых недавно, рекомендаций РМГ 29-2013.

В международном словаре по метрологии (VIM3) дается более широкое определение термину «метрология», как науке об измерениях и их применении, которая включает все теоретические и практические аспекты измерений, независимо от их неопределенности и области использования.

Справка. ГОСТ 16263-70 «ГСИ. Метрология. Основные термины и определения» действовал с 01.01.1971 года, заменен с 01.01.2001 на РМГ 29-99 с аналогичным названием.
РМГ 29-2013 «ГСИ. Метрология. Основные термины и определения» - Рекомендации по межгосударственной стандартизации (введены с 01.01.2015 вместо РМГ 29-99). Они актуализированы и гармонизированы со словарем VIM3-2008 (3 редакция). Полное его название - Международный словарь по метрологии: Основные и общие понятия и соответствующие термины.

Если говорить простым языком, метрология занимается вопросами измерения физических величин, характеризующих всевозможные материальные объекты, процессы или явления. В сферу ее интересов входит разработка и практическое применение измерительных технологий, инструмента и оборудования, а также средств и методов обработки полученной информации. Помимо этого, метрология обеспечивает нормативно-правовое регулирование действий официальных структур и отдельных лиц, так или иначе связанных с выполнением измерений в своей деятельности, изучает и систематизирует исторический опыт.

Само слово «метрология» происходит от греческих слов «метрон» - мера и «логос» - учение. Первое время учение так и развивалось, как наука о мерах и соотношениях между различными величинами мер (применяемых в разных странах), и являлась описательной (эмпирической).

Измерения новых современных величин, расширение диапазонов измерений, повышение их точности, все это способствует созданию новейших технологий, эталонов и средств измерений (СИ), совершенствованию путей постижения природы человеком, познание количественных характеристик окружающего мира.

Установлено, что в настоящее время имеется потребность в измерении более двух тысяч параметров и физических величин, но пока, на основе имеющихся средств и методов производятся измерения около 800 величин. Освоение новых видов измерений остается актуальной проблемой и в наши дни. 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.

Без знания метрологии не обходится ни один технический специалист (около 15% затрат общественного труда приходится на проведение измерений). Ни одна отрасль не может функционировать без применения своей системы измерений. Именно на базе измерений происходит управление технологическими процессами, контроль качества производимой продукции. По оценкам экспертов в передовых индустриальных странах измерения и связанные с ними операции оцениваются в рамках 3 - 9 % валового национального продукта.

Цели и задачи метрологии

Цели метрологии, как науки - обеспечение единства измерений (ОЕИ); извлечение количественной информации о свойствах объекта, окружающем мире, о процессах с заданной точностью и достоверностью.

Цели практической метрологии - метрологическое обеспечение производства, т.е. установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для ОЕИ и требуемой точности проводимых измерений.

Задачи метрологии:

реализация государственной политики в ОЕИ;
разработка новой и совершенствование действующей нормативно-правовой базы ОЕИ и метрологической деятельности;
образование единиц величин (ЕВ), систем единиц, их унификация и признание законности;
разработка, совершенствование, содержание, сличение и применение государственных первичных эталонов единиц величин;
усовершенствование способов (принципов измерений) передачи единиц измерения от эталона к измеряемому объекту;
разработка методов передачи размеров единиц величин от первичных и рабочих эталонов измерений рабочим СИ;
ведение Федерального информационного фонда по ОЕИ и предоставление содержащихся в нем документов и сведений;
оказание государственных услуг по ОЕИ в соответствии с областью аккредитации;
установление правил, регламентов для проведения поверок СИ;
разработка, совершенствование, стандартизация методов и СИ, методов определения и повышения их точности;
разработка методов оценки погрешностей, состояния СИ и контроля;
совершенствование общей теории измерений.

Справка. Ранее задачи метрологии были сформулированы в ГОСТ 16263-70.

В соответствии с поставленными задачами, метрология подразделяется на теоретическую, прикладную, законодательную и историческую метрологию.

Теоретическая или фундаментальная метрология занимается разработкой теории, проблем измерений величин, их единиц, методов измерений. Теоретическая метрология работает над общими проблемами, возникающими при выполнении измерений в той или иной области техники, гуманитарных наук, а то и на стыке многих, иногда самых разноплановых областей знаний. Метрологи- теоретики могут заниматься, к примеру, вопросами измерения линейных размеров, объема и гравитации в n- мерном пространстве, разрабатывать методики инструментальной оценки интенсивности излучения космических тел применительно к условиям межпланетных полетов, либо создавать совершенно новые технологи, позволяющие повысить интенсивность процесса, уровень точности и другие его параметры, усовершенствовать технические средства, задействованные в нем и т.д. Так или иначе, практически любое начинание в какой- либо деятельности начинается с теории и лишь после такой проработки переходит в сферу конкретного применения.

Прикладная или практическая метрология занимается вопросами метрологического обеспечения, использования на практике разработок теоретической метрологии, внедрения положений законодательной метрологии. Её задача состоит в адаптации общих положений и теоретических выкладок предыдущего раздела к четко обозначенной, узкоспециальной производственной или научной проблеме. Так, если требуется провести оценку прочности вала двигателя, калибровку большого количества подшипниковых роликов, либо обеспечить, к примеру, комплексный метрологический контроль в процессе лабораторных исследований, специалисты- практики выберут соответствующую технологию из большого количества уже известных, переработают, а возможно и дополнят её применительно к данным условиям, определят необходимое оборудование и инструментарий, количество и квалификацию персонала, а также разберут и многие другие технические аспекты конкретного процесса.

Законодательная метрология устанавливает обязательные юридические и технические требования по применению эталонов, единиц величин, методов и средств измерений, направленных на обеспечение единства измерений (ОЕИ) и их требуемой точности. Данная наука родилась на стыке технического и общественного знания и призвана обеспечить единый подход к измерениям, выполняемых во всех без исключения областях. Законодательная метрология непосредственно граничит также со стандартизацией, обеспечивающей совместимость технологий, средств измерения и прочих атрибутов метрологического обеспечения как на внутреннем, так и на международном уровне. Область интересов законодательной метрологии включает и работу с эталонами величин измерения, и вопросы поверки мерительного инструмента и оборудования, и подготовку специалистов, а также многие другие вопросы. Основным правовым документом, регулирующим деятельность в этой сфере, является Закон Российской Федерации N 102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений» от 26 июня 2008 года. Нормативно-правовая база также включает в себя ряд подзаконных актов, положений и технических регламентов, конкретизирующих законодательные требования по отдельным направлениям и видам деятельности юристов-метрологов.

Историческая метрология призвана изучать и систематизировать единицы и системы измерения, употреблявшиеся в прошлом, технологическое и инструментальное обеспечение контроля параметров физических объектов и процессов, исторические организационно- правовые аспекты, статистику и многое другое. В этом разделе исследуется также история и эволюция денежных единиц, отслеживается взаимосвязь между их системами, сформировавшимися в условиях различных обществ и культур. Историческая метрология параллельно с нумизматикой изучает денежные единицы уже потому, что в период зарождения измерений как таковых элементарные основы методов оценки стоимости и других, совершенно не относящихся к денежным расчетам параметров во многом повторяли друг друга.

С другой стороны, историческая метрология не является чисто общественным разделом науки, ибо зачастую с ее помощью восстанавливаются утраченные, но, тем не менее, актуальные на сегодняшний день измерительные технологии, отслеживаются на прошлом опыте пути развития и прогнозируются перспективные изменения в данной области, вырабатываются новые инженерные решения. Нередко прогрессивные методы оценки каких- либо параметров представляют собой развитие уже известных, переработанных с учетом новых возможностей современной науки и техники. Изучение истории необходимо для работы с измерительными стандартами в отношении их развития и совершенствования, обеспечения совместимости традиционных и перспективных методов, а также систематизации практических наработок с целью их использования в дальнейшем.

Выдержки из истории развития метрологии

Для преведения всевозможных измерений, отсчета времени и т.п. человечеству потребовалось создать систему различных измерений, позволяющих определить объем, вес, длину, время и т.п. Поэтому метрология, как область практической деятельности зародилась еще в древности.

История метрологии - это часть истории развития разума, производительных сил, государственности и торговли, она созревала и совершенствовалась вместе с ними. Так уже при великом князе Святославе Ярославовиче на Руси стала применяться «образцовая мера» - «золотой пояс» князя. Образцы хранились в церквях и монастырях. При новгородском князе Всеволоде предписывалось ежегодно сверять меры, за неисполнение применялось наказание - вплоть до смертной казни.

«Двинская грамота» 1560 г. Ивана Грозного регламентировала правила хранения и передачи размера сыпучих веществ - осьмины. Первые копии находились в приказах Московского государства, храмах и церквях. Работы по надзору за мерами и их поверку выполняли в то время под надзором Померной избы и Большой таможни.

Петр I допустил к обращению в России английские меры (футы и дюймы). Были разработаны таблицы мер и соотношений между русскими и иностранными мерами. Контролировалось употребление мер в торговле, на горных рудниках и заводах, на монетных дворах. Адмиралтейств-коллегия заботилась о правильном использовании мер угломерных приборов, компасов.

В 1736 году была образована Комиссия весов и мер. Исходной мерой длины являлись медный аршин и деревянная сажень. Фунтовая бронзовая золоченая гиря - первый узаконенный государственный эталон. Аршины железные были изготовлены по указу царицы Елизаветы Петровны в 1858 г.

8 мая 1790 года во Франции принят в качестве единицы длины метр - одна сорокамилионная часть земного меридиана. (Он официально введен во Франции декретом от 10 декабря 1799 г.)

В России в 1835 г. утверждены эталоны массы и длины - платиновый фунт и платиновая сажень (7 английских футов). 1841 г. - год открытия в России Депо образцовых мер и весов.

20 мая 1875 г. подписана Метрическая конвенция 17 государствами, включая Россию. Созданы международные и национальные прототипы килограмма и метра. (Именно 20 мая отмечается День метролога).

С 1892 Депо образцовых мер и весов возглавлял знаменитый русский ученый Д.И. Менделеев. Эпохой Менделеева в метрологии принято называть отрезок с 1892 по 1918 годы.

В 1893 на базе Депо была учреждена Главная палата мер и весов - метрологический институт, где проводились испытания и поверка различных измерительных приборов. (Менделеев возглавлял Палату до 1907 г.). В настоящее время это - Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии имени Д.И.Менделеева.

На базе Положения о мерах и весах от 1899 года в разных городах России были открыты еще 10 поверочных палаток.

XX век с его открытиями в математике и физике превратил М в науку об измерениях. В наши дни состояние и формирование метрологического обеспечения в значительной степени определяет уровень промышленности, торговли, науки, медицины, обороны и развития государства в целом.

Метрическая система мер и весов введена декретом Совнаркома РСФСР от 14.09.1918 года (с него начался «нормативный этап» в российской метрологии). Присоединение к Международной метрической конвенции произошло в 1924 году, также как и создание в России комитета по стандартизации.

1960 г. - создана «Международной системы единиц». В СССР она начала применяться с 1981 г. (ГОСТ 8.417-81). 1973 г. - утверждена в СССР Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ).

1993 г. приняты: первый закон РФ «Об обеспечении единства измерений», законы РФ «О стандартизации» и «О сертификации продукции и услуг». Установлена ответственность за нарушение правовых норм и обязательных требований стандартов в области единства измерений и метрологического обеспечения.

	Метрология - это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения единства измерений и способах достижения требуемой точности, а также область знаний и вид деятельности, связанные с измерениями
	Теоретическая метрология - это раздел метрологии, занимающийся фундаментальными исследованиями, созданием системы единиц измерений, физических постоянных, разработкой новых методов измерений
	Прикладная (практическая) метрология занимается применением на практике результатов теоретических исследований в области метрологии
	Законодательная метрология включает совокупность правил и норм, которые имеют ранг правовых положений и находятся под контролем государства. Эти правила и нормы обеспечивают единство измерений
	Единство измерений - такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Единство измерений необходимо для того, чтобы можно было сопоставить результаты измерений, выполненных в разных местах, в разное время, с использованием разных методов и средств измерений
	Метрологический надзор - это техническая и административная деятельность компетентных лиц и властей, целью которой является контроль соблюдения метрологических законов и правил

Человек появляется на свет, еще не имея имени, но сразу становятся известными его рост и вес. C первых минут жизни ему приходится сталкиваться с линейкой, весами, термометром. Поиск соотношения между измеряемой величиной и единицей этой величины есть измерение. Измерение не ограничено физическими количествами, измеряться могут любые вообразимые сущности, такие как степень неопределенности, доверие потребителя или скорость падения цен на бобы.

Измерения в физике и промышленности - процесс сравнения физических количеств реальных объектов и событий. Стандартные объекты и события используются как единицы сравнения, а результат сравнения представляется, по крайней мере, двумя числами, где одно число показывает отношение между измеряемой величиной и единицей сравнения, а вторым числом оценивается статистическая неопределенность, или ошибка измерения (в философском смысле). Единицей длины, например, может служить длина ступни человека (фут), а длину лодки можно выразить количеством футов. Таким образом, измерение - это сравнение со стандартом. Меры являются стандартом для измерений. Определение количественной характеристики объекта путем измерения опирается на существование явных или неявных мер. Если я говорю, что мне 20, я указываю измерение, не указывая применимый стандарт. Я могу подразумевать, что мне 20 лет. В данном случае мерой является год.

История развития измерений - это один из разделов истории науки и техники. Метр был стандартизирован как единица длины после французской революции, и принят с тех пор в большинстве стран мира. В Российской Федерации применяется метрическая система измерений. Мы привыкли к килограммам, литрам и сантиметрам. А ведь метрической системе, которой мы пользуемся, немногим более ста лет. 21 мая 1875 г. она была утверждена во Франции и явилась обязательной для всех государств. Во многих странах старинные меры веса, длины и объема используются до сих пор. Соединенные Штаты и Великобритания находятся в процессе перехода к системе СИ.

Измерение многих величин является очень трудным и неточным. Трудности могут быть связаны с неопределенностью или с ограниченным временем для измерения. Очень трудно измерить, например, знания, эмоции и ощущения человека.

Метрология занимается изучением измерений. Она пронизывает все сферы деятельности человека, отражает развитие науки и техники, взаимоотношения субъектов хозяйственной деятельности, межгосударственные взаимоотношения и в целом свидетельствует об уровне цивилизации.

Основной задачей метрологии является обеспечение единства измерений, которое всегда было важнейшей государственной функцией.

Слово «метрология» образовано из двух греческих слов: мет- рон - мера и логос - учение. Дословный перевод слова «метрология» - учение о мерах. Долгое время метрология оставалась в основном описательной наукой о различных мерах и соотношениях между ними. С конца прошлого века благодаря прогрессу физических наук метрология получила существенное развитие. Большую роль в становлении современной метрологии как одной из наук физического цикла сыграл Д. И. Менделеев, руководивший отечественной метрологией в период 1892-1907 гг.

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

Единство измерений - такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Единство измерений необходимо для того, чтобы можно было сопоставить результаты измерений, выполненных в разных местах, в разное время, с использованием разных методов и средств измерений.

Точность измерений характеризуется близостью их результатов к истинному значению измеряемой величины.

Таким образом, важнейшими задачами метрологии являются усовершенствование эталонов, разработка новых методов точных измерений, обеспечение единства и необходимой точности измерений.

Классификация и основные характеристики измерений

Измерение является важнейшим понятием в метрологии. Это организованное действие человека, выполняемое для количественного познания свойств физического объекта с помощью определения опытным путем значения какой-либо физической величины .

Существует несколько видов измерений. При их классификации обычно исходят из характера зависимости измеряемой величины от времени, вида уравнения измерений, условий, определяющих точность результата измерений, и способов выражения этих результатов.

По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения разделяются:

на статические, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени;
динамические, в процессе которых измеряемая величина изменяется и является непостоянной во времени.

Статическими измерениями являются, например, измерения размеров тела, постоянного давления, динамическими - измерения пульсирующих давлений, вибраций.

По способу получения результатов измерений их разделяют:

на прямые;
косвенные;
совокупные;
совместные.

Прямые - это измерения, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных. Прямые измерения можно выразить формулой Q = X, где Q - искомое значение измеряемой величины, а X - значение, непосредственно получаемое из опытных данных.

При прямых измерениях экспериментальным операциям подвергают измеряемую величину, которую сравнивают с мерой непосредственно или же с помощью измерительных приборов, градуированных в требуемых единицах. Примерами прямых служат измерения длины тела линейкой, массы с помощью весов и др. Прямые измерения широко применяются в машиностроении, а также при контроле технологических процессов (измерение давления, температуры и др.).

Косвенные - это измерения, при которых искомую величину определяют на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям, т. е. измеряют не собственно определяемую величину, а другие, функционально с ней связанные. Значение измеряемой величины находят путем вычисления по формуле Q= F(x x , х 2 , ..., %), где Q - искомое значение косвенно измеряемой величины; F - функциональная зависимость, которая заранее известна, х 1 ,х 2 ,..., x N - значения величин, измеренных прямым способом.

Примеры косвенных измерений: определение объема тела по прямым измерениям его геометрических размеров, нахождение удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения.

Косвенные измерения широко распространены в тех случаях, когда искомую величину невозможно или слишком сложно измерить непосредственно или когда прямое измерение дает менее точный результат. Роль их особенно велика при измерении величин, недоступных непосредственному экспериментальному сравнению, например размеров астрономического или внутриатомного порядка.

Совокупные - это производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомую определяют решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.

Примером совокупных измерений является определение массы отдельных гирь набора (калибровка по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь).

Совместные - это производимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимостей между ними.

В качестве примера можно назвать измерение электрического сопротивления при 20 °С и температурных коэффициентов измерительного резистора по данным прямых измерений его сопротивления при различных температурах.

По условиям, определяющим точность результата, измерения делятся на три класса.

1. Измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровне техники.

К ним относятся в первую очередь эталонные измерения, связанные с максимально возможной точностью воспроизведения установленных единиц физических величин, и, кроме того, измерения физических констант, прежде всего универсальных (например, абсолютного значения ускорения свободного падения, гиромагнитного отношения протона и др.).

К этому же классу относятся и некоторые специальные измерения, требующие высокой точности.

2. Контрольно-поверочные измерения, погрешность которых с определенной вероятностью не должна превышать некоторого заданного значения.

К ним относятся измерения, выполняемые лабораториями государственного надзора за внедрением и соблюдением стандартов и состоянием измерительной техники и заводскими измерительными лабораториями, которые гарантируют погрешность результата с определенной вероятностью, не превышающей некоторого заранее заданного значения.

3. Технические измерения, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерений.

Примерами технических измерений являются измерения, выполняемые в процессе производства на машиностроительных предприятиях, на щитах распределительных устройств электрических станций и др.

По способу выражения результатов измерений различают абсолютные и относительные измерения.

Абсолютными называются измерения, которые основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин или на использовании значений физических констант.

Примером абсолютных измерений может служить определение длины в метрах, силы электрического тока в амперах, ускорения свободного падения в метрах на секунду в квадрате.

Относительными называются измерения отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

В качестве примера относительных измерений можно привести измерение относительной влажности воздуха, определяемой как отношение количества водяных паров в 1 м 3 воздуха к количеству водяных паров, которое насыщает 1 м 3 воздуха при данной температуре.

Основными характеристиками измерений являются: принцип измерений, метод измерений, погрешность, точность, правильность и достоверность.

Принцип измерений - физическое явление или совокупность физических явлений, положенных в основу измерений. Например, измерение массы тела с помощью взвешивания с использованием силы тяжести, пропорциональной массе, измерение температуры с использованием термоэлектрического эффекта.

Метод измерений - совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Средствами измерений являются используемые технические средства, имеющие нормированные метрологические свойства.

Погрешность измерений - разность между полученным при измерении X" и истинным Q значениями измеряемой величины:

Погрешность вызывается несовершенством методов и средств измерений, непостоянством условий наблюдения, а также недостаточным опытом наблюдателя или особенностями его органов чувств.

Точность измерений - это характеристика измерений, отражающая близость их результатов к истинному значению измеряемой величины.

Количественно точность можно выразить величиной, обратной модулю относительной погрешности:

Например, если погрешность измерений равна КГ 4 , то точность равна 10 4 .

Правильность измерения определяется как качество измерения, отражающее близость к нулю систематических погрешностей результатов (т. е. таких погрешностей, которые остаются постоянными или закономерно изменяются при повторных измерениях одной и той же величины). Правильность измерений зависит, в частности, от того, насколько действительный размер единицы, в которой выполнено измерение, отличается от ее истинного размера (по определению), т. е. от того, в какой степени были правильны (верны) средства измерений, использованные для данного вида измерений.

Важнейшей характеристикой качества измерений является их достоверность ; она характеризует доверие к результатам измерений и делит их на две категории: достоверные и недостоверные, в зависимости от того, известны или неизвестны вероятностные характеристики их отклонений от истинных значений соответствующих величин. Результаты измерений, достоверность которых неизвестна, не представляют ценности и в ряде случаев могут служить источником дезинформации.

Наличие погрешности ограничивает достоверность измерений, т. е. вносит ограничение в число достоверных значащих цифр числового значения измеряемой величины и определяет точность измерений.