Лекция №1. 1. Историческая справка о науке «метрология»

1. Историческая справка о науке «метрология»

Метрология (от греческих слов "metron" – мера, измерение; "logos" – учение, наука) – учение о мерах или наука об измерениях.

Метрология как область практической деятельности по выполнению измерений возникла в древние времена.

В 1842 г. на территории Петропавловской крепости было открыто первое централизованное метрологическое учреждение России – Депо образцовых мер и весов. В нем хранились эталоны, их копии, а также образцы различных иностранных мер.

20 мая 1875 г. В Париже 17 государствами была подписана Метрическая конвенция и создано Международное бюро мер и весов (МБМВ) с местопребыванием в Севре, близ Парижа. В соответствии с этой конвенцией Россия получила платино-иридиевые эталоны единицы массы № 12 и № 26 и эталоны единицы длины № 11 и № 28, которые хранились в Депо образцовых мер и весов. В настоящее время МБМВ включает представителей более 100 стран и координирует работы по воспроизведению и хранению единиц длины, массы, электрического сопротивления, а с 1986 г. – единиц времени.

Особо следует остановиться на деятельности Д. И. Менделеева, сделавшего так много для отечественной метрологии. Период с 1892 г. по 1917 г. называют менделеевским этапом развития метрологии.

В 1893 г. для сохранения в государстве единообразия, верности и взаимного соответствия мер и весов утверждается на базе Депо образцовых мер и весов Главная палата мер и весов, управляющим которой до последних дней жизни был Д. И. Менделеев. Она стала одним из первых в мире научно-иссле-довательских учреждений метрологического профиля.

Серьезные изменения в метрологической деятельности стали возможны с подписанием Советом Народных Комиссаров РСФСР декрета «О введении международной метрической системы мер и весов» 14 сентября 1918 г. Начался переход к государственной метрологической деятельности. Особенное внимание уделялось переходу к метрической системе мер.

Международная система единиц (СИ), принятая в 1960 г., в России введена в 1982 г.

2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Метрология – это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точно­сти.

Метрологию подразделяют на общую (теоретическую и экспери­ментальную), законодательную и прикладную.

Теоретическая метрология:раздел метрологии, предметом которого является разработка фундаментальных основ метрологии.

В теоретической метрологии приняты три постулата, которыми руководствуются на трех этапах метрологических работ:

- при подготовке к измерениям (постулат 1);

- при проведении измерений (постулат 2);

- при обработке измерительной информации (постулат 3).

Постулат 1:без априорной информации измерение невозможно.

Постулат 2: измерение есть ни что иное, как сравнение.

Постулат 3: результат измерения без округления является случайным.

Законодательная метрология:раздел метрологии, предметом которого является установление обязательных технических и юридических требований по приме­нению единиц физических величин, эталонов, методов и средств измерений, направленных на обеспечение единства и необходи­мой точности измерений в интересах общества.

Практическая (прикладная) метрология:раздел метрологии, предметом которого являются вопросы практического применения разработок теоретической метрологии и положений законодательной метрологии.

Единица измерений физической величины есть физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение равное единице, и применяемая для количественного выражения однородных с ней физических величин.

Суть измерения заключается в количественном выражении искомой величины (на основании эксперимента) с помощью сопоставления этой величины с однородной величиной, принятой за единицу. Результат измерения записывается в виде общего уравнения измерений:

Q = n[Q],

где Q – измеряемая физическая величина; п – число единиц; [Q] – единица физической величины.

Единство измерений – состояние измерений, характеризующееся тем, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам единиц воспроизводимых первичными эталонами, а погрешности результатов измерений известны и с заданной вероятностью не выходят за установленные пределы.

1. ВИДЫ ИЗМЕРЕНИЙ

В зависимости от характерных признаков, измерения классифицируются на несколько видов:

· по характеристике точности – равноточные, неравноточные;

Равноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполняемых одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью.

Неравноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных различа­ющимися по точности средствами измерения, в разных ус­ловиях и (или) разными операторами.

Зачастую измерения требуют много времени, в течение которого не всегда удается сохранить идентичность условий измерений. Меняющиеся условия измерений, вынужденная замена одних средств измерений другими, смена оператора – все это приводит к получению групп измерений с разными характеристиками погрешностей. Такие группы измерений и называют неравноточными. К ним также относят и группы измерений, в которых измерение одной и той же величины производится разными методами, характеризующимися различными погрешностями.

· по числу измерений в серии – однократные и многократные;

Однократное измерение — измерение, выполненное один раз.

Например, определение времени по часам. При таких измерениях показания средств измерений являются результатом измерений, а погрешность используемого средства измерений определяет погрешность результата. Поэтому перед проведением измерений принимают меры по созданию и поддержанию нормальных условий, т. е. определяются влияющие факторы и меры, направленные на уменьшение их влияния, значения поправок, выбирается средство измерений, изучаются его метрологические характеристики. Одним из главных итогов этой работы должна быть уверенность в том, что погрешности метода и оператора малы по сравнению с допускаемой погрешностью измерений (обычно допускается их сумма не свыше 30% от допускаемой погрешности измерений). Если это условие выполняется, то в результате измерения получают одно значение отсчета, которое используется для получения единственного значения Q измеряемой величины (результата измерений). Однократные измерения используют в тех случаях, когда случайная составляющая погрешности мала по сравнению с не исключенными систематическими погрешностями, или в тех случаях, когда для их проведения есть производственная необходимость, т.е. условия измерений не позволяют провести повторные измерения.

Если необходима большая уверенность в получаемом результате, то проводятся многократные измерения.

Многократное измерение – измерение физической величины одного и того же размера, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений, т. е. состоящее из ряда однократных измерений (выполненных не менее 4 раз).

За результат многократного измерения обычно принимают среднее арифметическое значение из результатов однократных измерений, входящих в ряд.

Эти измерения повторяются оператором в одинаковых условиях, использующим одни и те же средства измерений. Такие измерения характерны при выполнении метрологических работ, а также находят широкое применение в научных исследованиях. По результатам многократных измерений проводится анализ, главной особенностью которого является получение и использование большого объема измерительной информации.

Прежде чем приступить к обобщению результатов измерений, определяют, нет ли в полученных результатах грубых погрешностей.

Применение многократных измерений позволяет повысить точность измерения до определенного предела, но недостаток полученной информации не позволяет получить точное значение поправок, значений составляющих погрешностей и т.п. В связи с этим устанавливают необходимое число измерений, которое позволяет получить результат измерений, в котором случайная погрешность пренебрежимо мала по сравнению с неисключенной систематической погрешностью. Число измерений находят по формуле n = 64(s/q) где s – среднее квадратическое отклонение ряда измерений, q – неисключенная систематическая погрешность.

· по выражению результата измерений – абсолютные и относительные;

Абсолютное измерение – измерение, основанное на прямых измерениях одной или несколь­ких основных величин и (или) использовании значений физических констант. Абсолютное измерение приводит к значению измеряемой величины, выраженному в ее единицах.

При измерении длины детали штангенциркулем результат выражается в единицах измеряемых величин (в миллиметрах).

Относительное измерение – вид измерения, при котором измеряется отношение величины к одноименной величине, играющей роль единицы или измерения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную. Примером может служить измеритель скорости у сверхзвуковых самолетов, показывающий отношение скорости самолета к скорости звука, или указатели расхода бензина в автомобилях

· по отношению к изменению измеряемой величины во времени – статические и динамические;

Статические измерения – это измерения физической величины, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения. Например, измерения размеров деталей при нормальной температуре, влаж­ности почвы, зерна, температуры воздуха, размеров земельного участка и др.

Динамические измерения – это измерения, в процессе которых размер физической величины изменяется с течением времени. Например, измерения давления и температуры в цилиндре работающего двигателя, тяговых усилий трактора, расстояния до поверхности земли со снижающегося самолета.

Строго говоря, все физические величины подвержены тем или иным изменениям во времени. В этом убеждает применение все более и более чувствительных средств измерении, которые дают возмож­ность обнаруживать изменение величин, ранее считавшихся посто­янными, поэтому классификация измерений на динамические и статичес­кие является условной

· по метрологическому назначению – технические и метрологические;

Технические измерения обычно используются в ходе контроля при изготовлении изделий, технологических процессов. Например, измерение давления пара в котле при помощи манометра. Обычно они выполняются с помощью рабочих средств измерений. Погрешность результата технических измерений оп­ределяется характеристиками используемых рабочих средств (изме­рения, выполняемые в процессе производства на предприятиях, испы­тательных станциях, в измерительных лабораториях и т. д.).

Метрологические измерения предназначаются для воспроизведения единиц физических величин или для передачи их размера рабочим средствам измерений. В ходе их выполнения используются эталоны или образцовые средства измерений.

По условиям, определяющим точность результата, они подразделяются на измерения максимально достижимой точности (эталонные, фи­зических констант и сред, например абсолютного значения ускоре­ния свободного падения) и контрольно-поверочные измерения. Во втором случае погрешность не должна превышать некоторое заданное значение (измерения, выпол­няемые лабораториями государственных и ведомственных метроло­гических служб).

· по общим приемам получения результатов измерений – прямые, косвенные, совместные, совокупные.

Прямые измерения – это измерения, при которых искомое значение физической ве­личины получают непосредственно.Прямые измерения состав­ляют основу более сложных видов измерений.

Косвенные измерения – это измерения, при которых определение искомого значения физической величины производится на ос­новании результатов прямых измерении других физических вели­чин, функционально связанных с искомой величиной.

Совокупные измерения – это измерения, проводимые одновременно для нескольких одноименных величин, при которых искомые зна­чения величин определяют решением системы уравнений, составляемых по ре­зультатам прямых измерений различных сочетаний этих величин.

Совместные измерения – это проводимые одновременно измерения двух или нескольких не одноименных величин для определения зависимости между ними.