Лекция № 1. Метрология.

Тема № 1. «Правовые основы метрологической деятельности.
1.Общие сведения о метрологии.
1. Что такое Метрология?
Метрология — наука о весах и мерах. Термин «метрология» произошел от греческого metron — мера и logos — учение, слово. Наука
метрология занимается изучением проблем, связанных с измерениями.
2.На какие 3 раздела разделяется метрология?
Метрологию разделяют на три основных раздела: «Теоретическая метрология», «Прикладная (практическая) метрология» и
«Законодательная метрология»
3.Понятие метрологии.
Фундаментальным понятием метрологии является измерение — нахождение значения физической величины опытным путем с помощью
специальных технических средств.
4.Что такое физическая величина?
Физическая величина — свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам (масса, температура, плотность и т. д.), но
в количественном отношении для каждого из них различное.
5.Что называется размером физической величины?
Количественное содержание этого свойства в объекте называется размером физической величины.
6.В чём суть любого измерения?
Получение информации о размере физической величины составляет суть любого измерения.
7.Что является единицей физической величины?
Величину, которой присвоено числовое значение, равное единице, называют единицей физической величины.
 Физическую величину характеризуют истинное и действительное значения.
8.Истинное значение физической величины.
Истинное значение в качественном и количественном отношениях отражает определенное свойство объекта. Такое значение физической
величины считается неизвестным и применяется в теоретических исследованиях.
9.Действительное значение физической величины.
Значение физической величины, найденное экспериментальным путем и приближающееся к истинному значению настолько, что для данной
цели может применяться вместо него, называется действительным.
10.Классификация измерений.

Наиболее распространены прямые и косвенные измерения.
11.В чём суть измерения физической величины?
Измерение физической величины производят путем ее сравнения в процессе эксперимента с величиной, принятой за единицу физической
величины. Целью измерения является получение значения этой величины в форме, наиболее удобной для практического использования.
12. Прямые измерения.
Прямым называют измерение, при котором значение физической величины получают путем непосредственного сравнения ее с мерой
(взвешивание, измерение длины и т. д.).
13.Косвенные измерения.
Косвенным называют измерение, при котором результат определяют на основании прямых измерений величин, связанных с определяемой
величиной известной зависимостью (определение сопротивления по закону Ома, если измерены сила тока и напряжение).
14.Совокупные измерения.
Совокупные измерения связаны с определением значения величины, являющегося результатом решения системы уравнений, составляемых
по итогам одновременных измерений нескольких однородных физических величин.
15.Совместные измерения.
Совместные измерения представляют собой измерения двух или более неоднородных физических величин для определения зависимости
между ними.
16.Что такое «Метод измерения»?
Под методом измерения понимают прием или совокупность приемов использования принципов и средств измерений. При прямых
измерениях используются следующие основные методы: непосредственной оценки, сравнения с мерой, дифференциальный, нулевой и совпадения. При косвенных измерениях применяют преобразование измеряемой величины в процессе измерений. По условиям измерения
методы разделяются на контактный и бесконтактный.
17.Три разновидности измерений по характеру динамики измеряемой величины.
По характеру динамики измеряемой физической величины обусловили существование трех разновидностей измерений:
• Статические измерения проводятся при измерении практически постоянной величины.
• Динамические измерения проводят при измерении величин, изменяющихся в процессе измерений.
• Статистические измерения связаны с определением параметров случайных процессов (например, уровня шумов).
18.Деление измерений по отношению к основным единицам измерений.
По отношению к основным единицам - измерения делятся на абсолютные и относительные.
• При абсолютных измерениях используют прямое измерение основной величины и физическую константу (например, скорость света,
постоянную Планка и т. д.).
• При относительных измерениях устанавливают отношение измеряемой величины к однородной величине, используемой в качестве
единицы.
19.Деление измерений по количеству замеров.
С точки зрения количества замеров величин различают однократные и многократные измерения:
- однократное измерение предполагает соответствие числа измерений числу измеряемых физических величин;
- многократное измерение предполагает большее число измерений, чем количество измеряемых физических величин.
20.Средства измерения.
Для измерения величин на практике применяются разнообразные средства измерений.
Средство измерений — это техническое средство (комплекс технических средств), используемое при измерениях и имеющее
нормированные метрологические характеристики.
С точки зрения метрологического назначения, средства измерений подразделяются на два класса — рабочие и эталоны.
Рабочие средства измерений предназначены для технических измерений.
Эталоны средства измерения служат для передачи информации о размере единицы от более точных средств измерений к менее точным.
21.Эталонная база России.
Эталонная база России — совокупность первичных и вторичных эталонов, а также исходных установок высшей точности для воспроизведения
единиц физических величин. В наследство от СССР России досталась база, входящая в тройку лучших эталонных баз в мире, наряду с
американской и японской.
Современная российская эталонная база имеет в своем составе 118 государственных эталонов, более 70 установок высшей точности и 250
вторичных эталонов.
Управление деятельностью по обеспечению единства измерений в РФ осуществляет Госстандарт России.
2. Краткая история развития метрологии.
Потребность в измерениях возникла в незапамятные времена. Для этого в первую очередь использовались подручные
средства. Например, единица веса драгоценных камней - карат, что в переводе с языков древнего юга-востока означает “семя
боба”, “горошина”/Многие меры имели антропометрическое происхождение или были связаны с конкретной трудовой
деятельностью человека. Так, в Киевской Руси применялись в обиходе вершок - длина фаланги указательного пальца; пядь расстояние между концами вытянутых большого и указательного пальцев и другие.
Древние вавилоняне установили год, месяц, час. Впоследствии 1/86400 часть среднего периода обращения Земли вокруг своей
оси получила название секунды.
Важнейшим метрологическим документом в России является Двинская грамота Ивана Грозного (1550 г.). В ней
регламентированы правила хранения и передачи размера новой меры сыпучих веществ - осьмины.
Метрологической реформой Петра I к обращению в России были допущены английские меры, получившие особенно широкое
распространение на флоте и в кораблестроении - футы, дюймы. В 1736 г. по решению Сената была образована Комиссия весов
и мер под председательством главного директора Монетного двора графа М.Г. Головкина. В состав комиссии входил Л. Эйлер.
В качестве исходных мер комиссия изготовила медный аршин и деревянную сажень, за меру веществ было принято ведро
московского Каменномостского питейного двора. Важнейшим шагом, подытожившим работу комиссии, было создание
русского эталонного фунта.
Идея построения системы измерений на десятичной основе принадлежит французскому астроному Г. Мутону, жившему в XVII
в. Позже было предложено принять в качестве единицы длины одну сорокамиллионную часть земного меридиана. На основе
единственной единицы - метра - строилась вся система, получившая название метрической.
В России указом “О системе Российских мер и весов" (1835 г.) были утверждены эталоны длины и массы - платиновая сажень и
платиновый фунт.
В соответствии с международной Метрологической конвенцией, подписанной в 1875 г., Россия получила платиноиридиевые
эталоны единицы массы № 12 и 26 и эталоны единицы длины № 11 и 28, которые были доставлены в новое здание Депо
образцовых мер и весов. В 1892 г. управляющим Депо был назначен Д.И. Менделеев, которую он в 1893 г. преобразует в
Главную палату мер и весов - одно из первых в мире научно-исследовательских учреждений метрологического профиля.
Метрическая система в России была введена в 1918 г. декретом Совета Народных Комиссаров “О введении Международной
метрической системы мер и весов”. Дальнейшее развитие метрологии в России связано с созданием системы и органов служб
стандартизации.
Развитие естественных наук привело к появлению все новых и новых средств измерений, а они, в свою очередь, стимулировали
развитие наук, становясь все более мощным средством исследования.
3. Основные направления метрологии:
- 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.
4.Предмет изучения метрологии:
- методы и средства, позволяющие проводить учет продукции, исчисляющейся по массе, длине, объему, расходу, мощности, энергии;
- измерения для контроля и регулирования технологических процессов и для обеспечения функционирования транспорта и связи;
- измерения физических величин, технических параметров, состава и свойств веществ, проводимые при испытаниях и контроле продукции.
5.Измеряемые величины.
Измерения являются инструментом познания объектов и явлений окружающего мира. Поэтому метрология относится к науке, занимающейся
теорией познания – гноссиологии.
Объектами измерений являются физические и нефизические величины (в экономике, медицине, информатике, управлении качеством и пр.).
Вся современная физика может быть построена на семи основных величинах, которые характеризуют фундаментальные свойства
материального мира.
К ним относятся: длина, масса, время, сила электрического тока, термодинамическая температура, количество вещества и сила света.
6.Области и виды измерений физических величин.
Измерения физических величин подразделяются на следующие области и виды:
1. Измерения геометрических величин: длин; отклонений формы поверхностей; параметров сложных поверхностей; углов.
2. Измерения механических величин: массы; силы; крутящих моментов, напряжений и деформаций; параметров движения; твердости.
3. Измерения параметров потока, расхода, уровня, объема веществ: массового и объемного расхода жидкостей в трубопроводах; расхода
газов; вместимости; параметров открытых потоков; уровня жидкости.
4. Измерения давлений, вакуумные измерения: избыточного давления; абсолютного давления; переменного давления; вакуума.
5. Физико-химические измерения: вязкости; плотности; содержаний (концентрации) компонентов в твердых, жидких и газообразных
веществах; влажности газов, твердых веществ; электрохимические измерения.
6. Теплофизические и температурные измерения: температуры; теплофизических величин.
7. Измерения времени и частоты: методы и средства воспроизведения и хранения единиц и шкал времени и частоты; измерения интервалов
времени; измерения частоты периодических процессов; методы и средства передачи размеров единиц времени и частоты.
8. Измерения электрических и магнитных величин на постоянном и переменном токе: силы тока, количества электричества, электродвижущей
силы, напряжения, мощности и энергии, угла сдвига фаз; электрического сопротивления, проводимости, емкости, индуктивности и
добротности электрических цепей; параметров магнитных полей; магнитных характеристик материалов.
9. Радиоэлектронные измерения: интенсивности сигналов; параметров формы и спектра сигналов; параметров трактов с сосредоточенными и
распределенными постоянными; свойств веществ и материалов радиотех-ническими методами; антенные.
10. Измерения акустических величин: акустические - в воздушной среде и в газах; акустические - в водной среде; акустические - в твердых
телах; аудиометрия и измерения уровня шума.
11. Оптические и оптико-физические измерения: световые, измерения оптических свойств материалов в видимой области спектра;
параметров оптических элементов, оптических характеристик материалов; характеристик фотоматериалов и оптической плотности.
12. Измерения ионизирующих излучений и ядерных констант: дозиметрических характеристик ионизирующих излучений; спектральных
характеристик ионизирующих излучений; активности радионуклидов; радиометрических характеристик ионизирующих излучений.
7. Международная система единиц.
В 1960 г. на XI Генеральной конференции по мерам и весам Международной организации мер и весов (МОМВ)
была принята Международная система единиц (SI).
Основными единицами в международной системе единиц являются:
метр (м) – длина,
килограмм (кг) – масса,
секунда (с) – время,
ампер (А) – сила электрического тока,
кельвин (К) – термодинамическая температура,
кандела (кд) – сила света,
моль – количество вещества.
Наряду с системами физических величин в практике измерений по-прежнему используются так называемые
внесистемные единицы. К их числу относятся, например:
единицы давления – атмосфера и миллиметр ртутного столба;
единица длины – ангстрем;
единица количество теплоты – калория;
единицы акустических величин – децибел, фон, октава;
единицы времени – минута и час и т. п.
Однако в настоящее время наметилась тенденция к их сокращению до минимума.
Международная система единиц имеет целый ряд достоинств: универсальность, унификация единиц для всех
видов измерений, когерентность (согласованность) системы (коэффициенты пропорциональности в физических
уравнениях безразмерны), лучшее взаимопонимание между различными специалистами в процессе научнотехнических и экономических связей между странами.
В нашей стране Международная система единиц (СИ) применяется с 1 января 1963 года.
В настоящее время применение единиц физических величин в России узаконено Конституцией РФ (ст. 71)
(стандарты, эталоны, метрическая система и исчисление времени находятся в ведении Российской Федерации) и
федеральным законом "Об обеспечении единства измерений". Статья 6 Закона определяет применение в
Российской Федерации единиц величин Международной системы единиц, принятых Генеральной конференцией по
мерам и весам и рекомендованные к применению Международной организацией законодательной метрологии. В
то же время в Российской Федерации могут быть допущены к применению наравне с единицами величин СИ
внесистемные единицы величин, наименование, обозначения, правила написания и применения которых
устанавливаются Правительством Российской Федерации.
В практической деятельности следует руководствоваться единицами физических величин, регламентированных
ГОСТ 8.417-2002 «Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин».
Стандартом наряду с обязательным применением основных и производных единиц Международной системы
единиц, а также десятичных кратных и дольных этих единиц допускается применять некоторые единицы, не
входящие в СИ, их сочетания с единицами СИ, а также некоторые нашедшие широкое применение на практике
десятичные кратные и дольные перечисленных единиц.
Стандарт определяет правила образования наименований и обозначений десятичных кратных и дольных единиц
СИ с помощью множителей (от 10–24 до 1024) и приставок, правила написания обозначений единиц, правили
образования когерентных производных единиц СИ
8. Основные этапы измерений
Измерение представляет собой последовательность сложных и разнородных действий, состоящую из ряда этапов.
Первым этапом любого измерения является постановка измерительной задачи. Этот этап включает в себя следующие операции:
- сбор данных об условиях измерения исследуемой физической величины, т.е. накопление априорной информации об объекте измерения и ее анализ;
- формирование модели объекта и определение измеряемой величины;
- постановка измерительной задачи на основе принятой модели объекта измерения;
- выбор конкретных величин, посредством которых будет находиться значение измеряемой величины;
- формулирование уравнения измерения.
Вторым этапом процесса измерения является планирование измерения, которое в общем случае включает следующие операции:
- выбор методов измерений непосредственно измеряемых величин и возможных типов средств измерения;
- априорная оценка погрешности измерения;
- определение требований к метрологическим характеристикам средств измерений и условиям измерений;
- выбор средства измерений в соответствии с указанными требованиями;
Измерительная задача – задача, заключающаяся в определении значения физической величины путем ее измерения с требуемой
точностью в данных условиях измерений. Она включает в себя:
- выбор параметров измерительной процедуры (числа наблюдений для каждой измеряемой величины, моментов времени и точек
выполнения наблюдений);
- подготовка средства измерений к выполнению экспериментальных операций;
- обеспечение требуемых условий измерений или создание возможности их контроля.
Эти первые два этапа, которые являются подготовкой к измерениям, имеют принципиальное значение, поскольку позволяют определить
конкретное содержание следующих этапов измерения.
Подготовка производится на основе априорной информации и ее качество зависит от того, в какой мере она была использована. Эффективная
подготовка необходимое, но не достаточное условие достижения цели измерения. Допущенные в ее процессе ошибки с трудом
обнаруживаются и корректируются на последующих этапах.
Третий этап измерения – измерительный эксперимент. Это главный этап измерения. В узком смысле слова он является отдельным
измерением.
В общем случае последовательность действий на данном этапе следующая:
- взаимодействие СИ с объектом измерений;
- преобразование сигнала измерительной информации;
- воспроизведение сигнала заданного размера;
- сравнение сигналов и регистрация результата.
Четвертый этап измерения является этап обработки экспериментальных данных.
Обработка данных осуществляется в последовательности, которая отражает логику решения измерительной задачи:
- предварительный анализ информации, полученной на предыдущих этапах измерения;
- вычисление и внесение возможных поправок на систематические погрешности;
- формулирование и анализ математической задачи обработки данных;
- построение или уточнение возможных алгоритмов обработки данных, т.е. алгоритмов вычисления результата измерения и показателей его
погрешности;
- анализ возможных алгоритмов обработки и выбор одного из них на основании известных свойств алгоритмов, априорных
данных и предварительного анализа экспериментальных данных;
- проведение вычислений согласно принятому алгоритму, в итоге которых получают значения измеряемой величины и погрешностей
измерений;
- анализ и интерпретация полученных результатов;
- запись результата измерений и показателей погрешности в соответствии с установленной формой представления.
Некоторые пункты данной последовательности могут отсутствовать при реализации конкретной процедуры обработки результатов
измерений.
Задача обработки данных подчинена цели измерения и после выбора СИ однозначно вытекает из измерительной задачи, т.е. является
вторичной.
Рассмотренные этапы существенно различаются по выполняемым операциям и их трудоемкости. В конкретных случаях значимость каждого
этапа заметно варьируется. Для многих технических измерений вся процедура измерения сводится к экспериментальному этапу, поскольку
анализ и планирование, включая априорное оценивание погрешности, выбор нужных методов и средств измерений, осуществлялись предварительно, а обработка данных измерений, как правило, минимизируется.
Выделение этапов измерения имеет непосредственное практическое значение – способствует своевременному осознанному выполнению
всех действий и оптимальной реализации измерений.
Это, в свою очередь, позволяет избежать серьезных методических ошибок, связанных с переносом проблем одного типа на другой.
Вопросы для самопроверки
1. Что понимается под измерением?
2. Что называется значением физической величины?
3. Что является основным объектом измерений?
4. Какая наука занимается измерениями?
5. Объясните смысл величин, входящих в основное уравнение
измерений.
6. Перечислите главные функции измерений.
7. Из каких операций состоит процесс прямого измерения?
8. Перечислите основные этапы измерений.