Глава 2. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
2.1. Основные метрологические термины и определения. Понятие измерения
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 1оgos — 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. В 1799 году были изготовлены и сданы на хранение в Архив Французской республики платиновые эталоны этих мер, названные «метром Архива» и «килограммом Архива».
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 — нацио-
нальный метрологический институт (НМИ). В соответствии с Метрической конвенцией многие промышленные страны учредили или реорганизовали свои НМИ. Первыми среди них стали: Федеральный физико-технический институт Германии в 1887 г., Главная палата мер
ивесов России в 1893 г., Национальная физическая лаборатория 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
иих международным сличениям, начала создаваться государственная метрологическая служба, реализована широкая программа научных исследований в области метрологии, проведена подготовка к внедрению в России метрической системы
Международный словарь основных и общих терминов метрологии [25] дает самое краткое определение метрологии как науки 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 от -60 до -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».
Итак, в дальнейшем под термином метрология мы будем понимать науку об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.
Разделы метрологии:
Законодательная метрология — раздел метрологии, предме-
том которого является установление обязательных технических и юридических требований по применению единиц физических величин, эталонов, методов и средств измерений, направленных на обеспечение единства и необходимости точности измерений в интересах общества.
Теоретическая метрология — раздел метрологии, предметом которого является разработка фундаментальных основ метрологии.
Практическая (прикладная) метрология — раздел метроло-
гии, предметом которого являются вопросы практического применения разработок теоретической метрологии и положений законодательной метрологии.
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 неформализуемой 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, которые рассмотрим ниже.
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.
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) метрологии.
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, парамет-