Метрология — наука об измерениях

Метрология (от греч. «метро» — мера, «логос» — учение) — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и требуемой точности*.

* Здесь и далее толкование терминов соответствует МИ-2247-93 «Рекомендация. Метрология. Основные термины и определения».

Современная метрология включает три составляющие: за­конодательную метрологию, фундаментальную (научную) и прак­тическую (прикладную) метрологию.

Метрология как наука и область практической деятельности возникла в древние времена. Основой системы мер в древне­русской практике послужили древнеегипетские единицы изме­рений, а они в свою очередь были заимствованы в Древней Греции и Риме. Естественно, что каждая система мер отлича­лась своими особенностями, связанными не только с эпохой, но и с национальным менталитетом.

Наименования единиц и их размеры соответствовали воз­можности осуществления измерений «подручными» способами, не прибегая к специальным устройствам. Так, на Руси основ­ными единицами длины были пядь и локоть, причем пядь слу­жила основной древнерусской мерой длины и означала расстояние между концами большого и указательного пальца взрослого человека. Позднее, когда появилась другая единица — аршин — пядь (1/4 аршина) постепенно вышла из употреб­ления.

Мера «локоть» пришла к нам из Вавилона и означала рас­стояние от сгиба локтя до конца среднего пальца руки (иногда — сжатого кулака или большого пальца).

С XVIII в. в России стали применяться дюйм, заимствован­ный из Англии (назывался он «палец»), а также английский фут. Особой русской мерой была сажень, равная трем локтям (около 152 см), и косая сажень (около 248 см).

Указом Петра I русские меры длины были согласованы с английскими, и это по существу — первая ступень гармониза­ции российской метрологии с европейской.

Метрическая система мер была введена во Франции в 1840 г. Значимость ее принятия в России подчеркнул Д.И. Менделеев, предсказав большую роль всеобщего распростране­ния метрической системы как средства содействия «будущему желанному сближению народов».

С развитием науки и техники требовались новые измерения и новые единицы измерения, что в свою очередь стимулирова­ло совершенствование фундаментальной и прикладной метро­логии.

Первоначально прототип единиц измерения искали в при­роде, исследуя макрообъекты и их движение. Так, секундой стали считать часть периода обращения Земли вокруг оси. По­степенно поиски переместились на атомный и внутриатомный уровень. В результате уточнялись «старые» единицы (меры) и появились новые. Так, в 1983 г. было принято новое определе­ние метра: это длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды. Это стало возможным после того, как скорость света в вакууме (299792458 м/с) метрологи приня­ли в качестве физической константы. Интересно отметить, что теперь с точки зрения метрологических правил метр зависит от секунды.

В 1988 г. на международном уровне были приняты новые константы в области измерений электрических единиц и вели­чин, а в 1989 г. принята новая Международная практическая температурная шкала МТШ-90.

На этих нескольких примерах видно, что метрология как наука динамично развивается, что, естественно, способствует совершенствованию практики измерений во всех других науч­ных и прикладных областях.

Качеством и точностью измерений определяется возмож­ность разработки принципиально новых приборов, измеритель­ных устройств для любой сферы техники, что говорит в пользу опережающих темпов развития науки и техники измерений, т.е. метрологии. Вместе с развитием фундаментальной и практиче­ской метрологии происходило становление законодательной метрологии.

Законодательная метрология — это раздел метрологии, вклю­чающий комплексы взаимосвязанных и взаимообусловленных общих правил, а также другие вопросы, нуждающиеся в регла­ментации и контроле со стороны государства, направленные на обеспечение единства измерений и единообразия средств изме­рений*.

* Определение термина соответствует МИ-2247-3 «ГСИ. Метрология. Основные термины и определения».

Законодательная метрология служит средством государст­венного регулирования метрологической деятельности посред­ством законов и законодательных положений, которые вводят­ся в практику через Государственную метрологическую службу и метрологические службы государственных органов управле­ния и юридических лиц. К области законодательной метроло­гии относятся испытания и утверждение типа средств измере­ний и их поверка и калибровка, сертификация средств измере­ний, государственный метрологический контроль и надзор за средствами измерений.

Метрологические правила и нормы законодательной метро­логии гармонизованы с рекомендациями и документами соот­ветствующих международных организаций. Тем самым законо­дательная метрология способствует развитию международных экономических и торговых связей и содействует взаимопони­манию в международном метрологическом сотрудничестве.

Рассмотрим содержание основных понятий фундаменталь­ной и практической метрологии.

Измерения как основной объект метрологии связаны как с физическими величинами, так и с величинами, относящимися к другим наукам (математике, психологии, медицине, обществен­ным наукам и др.). Далее будут рассматриваться понятия, отно­сящиеся к физическим величинам.

Физической величиной называют одно из свойств физического объекта (явления, процесса), которое является общим в качест­венном отношении для многих физических объектов, отличаясь при этом количественным значением. Так, свойство «прочность» в качественном отношении характеризует такие материалы, как сталь, дерево, ткань, стекло и многие другие, в то время как степень (количественное значение) прочности — величина для каждого из них совершенно разная.

Измерением называют совокупность операций, выполняемых с помощью технического средства, хранящего единицу величи­ны и позволяющего сопоставить с нею измеряемую величину. Полученное значение величины и есть результат измерений. Интересно отметить соответствие в целом этой современной трактовки с толкованием данного термина философом П.А. Флоренским, которое вошло в «Техническую энциклопедию» издания 1931 г.: «Измерение — основной познавательный про­цесс науки и техники, посредством которого неизвестная вели­чина количественно сравнивается с другою, однородною с ней и считаемою известной».

Одна из главных задач метрологии — обеспечение единства измерений — может быть решена при соблюдении двух условий, которые можно назвать основополагающими:

· выражение результатов измерений в единых узаконенных единицах;

· установление допустимых ошибок (погрешностей) ре­зультатов измерений и пределов, за которые они не должны выходить при заданной вероятности.

Погрешностью называют отклонение результата измерений от действительного (истинного) значения измеряемой величи­ны. При этом следует иметь в виду, что истинное значение фи­зической величины считается неизвестным и применяется в тео­ретических исследованиях; действительное значение физиче­ской величины устанавливается экспериментальным путем в предположении, что результат эксперимента (измерения) в мак­симальной степени приближается к истинному значению. По­грешности измерений приводятся обычно в технической доку­ментации на средства измерений или в нормативных документах. Правда, если учесть, что погрешность зависит еще и от ус­ловий, в которых проводится само измерение, от эксперимен­тальной ошибки методики и субъективных особенностей чело­века в случаях, где он непосредственно участвует в измерениях, то можно говорить о нескольких составляющих погрешности измерений либо о суммарной погрешности.

Единство измерений, однако, не может быть обеспечено лишь совпадением погрешностей. Требуется еще и достовер­ность измерений, которая говорит о том, что погрешность не выходит за пределы отклонений, заданных в соответствии с по­ставленной целью измерений. Есть еще и понятие точности измерений, которое характеризует степень приближения по­грешности измерений к нулю, т.е. полученного при измерении значения к истинному значению измеряемой величины.

Обобщает все эти положения современное определение по­нятия единство измерений — состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах, а погрешно­сти известны с заданной вероятностью и не выходят за уста­новленные пределы.

Как выше отмечено, мероприятия по реальному обеспече­нию единства измерений в большинстве стран мира установле­ны законами и входят в функции законодательной метрологии, к рассмотрению которых обратимся позже.

А сейчас перейдем к содержанию основного объекта метроло­гии — измерений.

Виды измерений

Измерения различают по способу получения информации, по характеру изменений измеряемой величины в процессе из­мерений, по количеству измерительной информации, по отно­шению к основным единицам.

По способу получения информации измерения разделяют на прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямые измерения — это непосредственное сравнение физи­ческой величины с ее мерой. Например, при определении дли­ны предмета линейкой происходит сравнение искомой величи­ны (количественного выражения значения длины) с мерой, т.е. линейкой.

Косвенные измерения отличаются от прямых тем, что искомое значение величины устанавливают по результатам прямых из­мерений таких величин, которые связаны с искомой опреде­ленной зависимостью. Так, если измерить силу тока ампермет­ром, а напряжение вольтметром, то по известной функцио­нальной взаимосвязи всех трех величин можно рассчитать мощ­ность электрической цепи.

Совокупные измерения сопряжены с решением системы урав­нений, составляемых по результатам одновременных измерений нескольких однородных величин. Решение системы уравнений дает возможность вычислить искомую величину.

Совместные измерения — это измерения двух или более не­однородных физических величин для определения зависимости между ними.

Совокупные и совместные измерения часто применяют в измерениях различных параметров и характеристик в области электротехники.

По характеру изменения измеряемой вели­чины в процессе измерений бывают статистические, динамиче­ские и статические измерения.

Статистические измерения связаны с определением харак­теристик случайных процессов, звуковых сигналов, уровня шу­мов и т.д.

Статические измерения имеют место тогда, когда измеряе­мая величина практически постоянна.

Динамические измерения связаны с такими величинами, ко­торые в процессе измерений претерпевают те или иные изме­нения.

Статические и динамические измерения в идеальном виде на практике редки.

По количеству измерительной информации различают однократные и многократные измерения.

Однократные измерения — это одно измерение одной вели­чины, т.е. число измерений равно числу измеряемых величин. Практическое применение такого вида измерений всегда со­пряжено с большими погрешностями, поэтому следует прово­дить не менее трех однократных измерений и находить конеч­ный результат как среднее арифметическое значение.

Многократные измерения характеризуются превышением числа измерений количества измеряемых величин. Обычно минимальное число измерений в данном случае больше трех. Преимущество многократных измерений — в значительном снижении влияний случайных факторов на погрешность изме­рения.

По отношению к основным единицам измере­ния делят на абсолютные и относительные.

Абсолютными измерениями называют такие, при которых ис­пользуются прямое измерение одной (иногда нескольких) ос­новной величины и физическая константа. Так, в известной формуле Эйнштейна Е=mс² масса (m) — основная физическая величина, которая может быть измерена прямым путем (взвешиванием), а скорость света (с) — физическая константа.

Относительные измерения базируются на установлении от­ношения измеряемой величины к однородной, применяемой в качестве единицы. Естественно, что искомое значение зависит от используемой единицы измерений.

С измерениями связаны такие понятия, как «шкала измере­ний», «принцип измерений», «метод измерений».

Шкала измерений — это упорядоченная совокупность значе­ний физической величины, которая служит основой для ее из­мерения. Поясним это понятие на примере температурных шкал.

В шкале Цельсия за начало отсчета принята температура таяния льда, а в качестве основного интервала (опорной точки) — температура кипения воды. Одна сотая часть этого интервала является единицей температуры (градус Цельсия). В температур­ной шкале Фаренгейта за начало отсчета принята температура таяния смеси льда и нашатырного спирта (либо поваренной со­ли), а в качестве опорной точки взята нормальная температура тела здорового человека. За единицу температуры (градус Фа­ренгейта) принята одна девяносто шестая часть основного ин­тервала. По этой шкале температура таяния льда равна + 32°F, а температура кипения воды + 212°F. Таким образом, если по шкале Цельсия разность между температурой кипения воды и таяния льда составляет 100°С, то по Фаренгейту она равна 180°F. На этом примере мы видим роль принятой шкалы как в количественном значении измеряемой величины, так и в ас­пекте обеспечения единства измерений. В данном случае требу­ется находить отношение размеров единиц, чтобы можно было сравнить результаты измерений, т.е. t°F/t°C.

В метрологической практике известны несколько разновидно­стей шкал: шкала наименований, шкала порядка, шкала интер­валов, шкала отношений и др.

Шкала наименований — это своего рода качественная, а не количественная шкала, она не содержит нуля и единиц изме­рений. Примером может служить атлас цветов (шкала цветов). Процесс измерения заключается в визуальном сравнении ок­рашенного предмета с образцами цветов (эталонными образца­ми атласа цветов). Поскольку каждый цвет имеет немало вари­антов, такое сравнение под силу опытному эксперту, который обладает не только практическим опытом, но и соответствую­щими особыми характеристиками зрительных возможностей.

Шкала порядка характеризует значение измеряемой величи­ны в баллах (шкала землетрясений, силы ветра, твердости фи­зических тел и т.п.).

Шкала интервалов (разностей) имеет условные нулевые зна­чения, а интервалы устанавливаются по согласованию. Такими шкалами являются шкала времени, шкала длины.

Шкала отношений имеет естественное нулевое значение, а единица измерений устанавливается по согласованию. Напри­мер, шкала массы (обычно мы говорим «веса»), начинаясь от нуля, может быть градуирована по-разному в зависимости от требуемой точности взвешивания (сравните бытовые и анали­тические весы).