1.1.2. Основные понятия и задачи метрологии

Метрология в ее современной понимании - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности (РМГ 29-99).

Метрология состоит из трех самостоятельных и взаимодополняющих разделов - теоретического, прикладного и законодательного.

Теоретическая метрология занимается фундаментальными вопросами теории измерений, разработкой новых методов измерений, созданием систем единиц измерений и физических постоянных.

Прикладная метрология изучает вопросы практического применения результатов разработок теоретической и законодательной метрологии в различных сферах деятельности.

Законодательная метрология устанавливает обязательные правовые, технические и юридические требования по применению единиц величин, эталонов, стандартных образцов, методов и средств измерений, направленные на обеспечение единства и точности измерений в интересах общества.

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

Средства метрологии - это совокупность средств измерений и метрологических стандартов, обеспечивающих их рациональное использование.

Главными задачами метрологии являются:

- обеспечение единства измерений (ЕИ);

- унификация единиц величин и признание их законности;

- разработка систем воспроизведения единиц величин и передача их размеров рабочим средствам измерений.

Основное понятие метрологии - измерение.

Измерение - это нахождение значения величины опытным путем с помощью специальных технических средств или, другими словами, совокупность операций, выполняемых для определения количественного значения величины.

Значимость измерений выражается в трех аспектах: философском, научном и техническом.

Философский аспект заключается в том, что измерения являются основным средством объективного познания окружающего мира, важнейшим универсальным методом познания физических явлений и процессов.

Научный аспект измерений состоит в том, что с помощью измерений осуществляется связь теории и практики, без них невозможны проверка научных гипотез и развитие науки.

Технический аспект измерений - это получение количественной информации об объекте управления и контроля, без которой невозможно обеспечение условий проведения технологического процесса, качества продукции и эффективного управления процессом.

Объект измерения - та или иная физическая величина.

Величина - одно из свойств объекта (системы, явления, процесса), которое может быть выделено среди других свойств и оценено (измерено) тем или иным способом, в том числе и количественно.

Если свойство объекта (явления, процесса) является качественной категорией, так как характеризует отличительные особенности в различии или общности его с другими объектами, то понятие величины служит для количественного описания одного из свойств этого объекта.

Величина не существует сама по себе, она имеет место лишь постольку, поскольку существует объект со свойствами, выраженными данной величиной.

Величины делят на два вида: реальные и идеальные.

Идеальные величины главным образом относятся к математике и являются обобщением (моделью) конкретных реальных понятий.

Реальные величины делятся, в свою очередь, на физические и нефизические.

Физическая величина (ФВ) в общем случае может быть определена как величина, свойственная материальным объектам (процессам, явлениям), изучаемым в естественных (физика, химия) и технических науках.

Рекомендации РМГ 29-99 трактуют физическую величину, как одно из свойств физического объекта, общее в качественном отношении многим физическим объектам, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.

Примеры: масса, расстояние, давление, сила, электрическое сопротивление и т.д.

К нефизическим следует отнести величины, присущие общественным (нефизическим) наукам - философии, социологии, экономике и т.д.

Термин "физическая величина" можно рассматривать как синоним термина "физическое свойство".

Однако не все физические свойства реальных объектов являются физическими величинами (форма тела или фигуры, запах, цвет и пр.).

Указанные физические свойства не относятся к физическим величинам и не могут быть измерены.

Поэтому физические величины иногда определяют как физические свойства, поддающиеся измерению.

Количественное содержание индивидуального свойства объекта является размером величины, а числовую оценку ее размера называют значением величины.

Например, разные вещества обладают той или иной плотностью, но каждое из них имеет вполне определенное значение: у воды плотность при 20°С равна 0,998 г/см³, а ртути - 13,540 г/см³.

Отсюда следует, что одна и та же величина как вполне определенное свойство будет при одинаковых единицах измерения для разных веществ, фаз и систем отличаться размером.

Единица величины - это фиксированное значение величины, которое принято за единицу данной величины и применяется для количественного выражения однородных с ней величин.

Измерение некоторой величины производят путем ее сравнения в ходе эксперимента с величиной, принятой за единицу величины.

Результатом измерения будет число, показывающее соотношение измеряемой величины с единицей величины.

Значение величины получают в результате ее измерения или вычисления в соответствии с уравнением, которое называют основным уравнением измерения:

Q = q[Q] (1)

где Q - значение величины - это оценка ее размера в виде некоторого числа принятых для нее единиц;

q - числовое значение величины Q - отвлеченное число, выражающее отношение значения величины к соответствующей единице данной величины;

[Q] - выбранная единица измерения величины Q.

Например, за единицу измерения напряжения электрического тока принят 1 В, тогда значение напряжения электрической сети U = u [U] = 220 · [1 В] = 220 В.

Здесь числовое значение u = 220.

Но если за единицу напряжения принять [1 кВ], то U = u[U] = 0,22· [1 кВ] = 0,22 кВ, т.е. числовое значение u = 0,22.

Таким образом, применение различных единиц (1 В и 1 кВ) приводит к изменению числового значения результата измерения.

Из уравнения (1) следует, что числовое значение величины показывает, во сколько раз значение измеряемой величины больше некоторого значения, принятого за единицу, т.е.

q = Q/[Q]

Отсюда вытекает следующее определение измерения: измерение - это процесс, заключающийся в сравнении опытным путем данной величины с некоторым ее значением, принятым за единицу измерения.

При выбранной единице измерения физическая величина как объективно существующее свойство объекта может быть охарактеризована истинным её значением.

Истинное значение физической величины - значение ФВ, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта.

Экспериментально определить истинное значение ФВ невозможно. Оно остается экспериментатору неизвестным.

Поэтому при необходимости (например, при поверке средства измерений) вместо истинного значения ФВ используют её действительное значение.

Действительное значение физической величины - это значение ФВ, найденное экспериментально и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него.

Физические величины делят на измеряемые и оцениваемые.

Измеряемые ФВ могут быть выражены количественно в виде определенного числа установленных единиц измерения.

Физические величины, для которых по тем или иным причинам не может быть введена единица измерения, могут быть только оценены.

Под оцениванием в таком случае понимается операция приписывания данной величине определенного числа, проводимая по установленным правилам.

Оценивание величины осуществляется при помощи шкал.

Шкала величины - упорядоченная последовательность её значений, принятая по соглашению на основании результатов точных измерений.

Единство измерений - такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в допущенных к применению в Российской Федерации единицах величин, а показатели точности измерений не выходят за установленные границы.

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.