2. Теоретические основы метрологии
Наука начинается с тех пор,
как начинают измерять.
Точная наука немыслима без меры.
Д.И. Менделеев
В практической жизни человек всюду имеет дело с измерениями. На каждом шагу встречаются измерения таких величин, как длина, вес, время и др.
Измерения являются одним из важнейших путей познания природы человеком. Они дают количественную характеристику окружающего мира, раскрывая человеку действующие в природе закономерности. Все отрасли техники не могли бы существовать без развернутой системы измерений, определяющих как все технологические процессы, контроль и управление ими, так и свойства и качество выпускаемой продукций.
В настоящее время, установлено следующее определение измерения: измерение есть нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.
Отраслью науки, изучающей измерения, является метрология.
Слово "метрология" образовано из двух греческих слов: метрон – мера и логос – учение. Дословный перевод слова "метрология" – учение о мерах. Долгое время метрология оставалась в основном описательной наукой о различных мерах и соотношениях между ними. С конца прошлого века благодаря прогрессу физических наук метрология получила существенное развитие. Большую роль в становлении современной метрологии как одной из наук физического цикла сыграл Д. И. Менделеев, руководивший отечественной метрологией в период 1892 – 1907 гг.
Метрология в ее современном понимании – наука об измерениях, методах, средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.
Основными задачами метрологии (согласно РМГ 29–99) являются:
установление единиц физических величин и государственных эталонов;
разработка теории, методов и средств измерений и контроля;
обеспечение единства измерений;
разработка методов оценки погрешностей, состояния средств измерений и контроля;
разработка методов передачи размеров единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочим средствам измерений.
Современная метрология включает три составляющие: законодательную метрологию, фундаментальную (научную, теоретическую) и практическую (прикладную) метрологию. В теоретической метрологии разрабатываются фундаментальные основы этой науки. Предметом законодательной метрологии 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. Практическая метрология освещает вопросы практического применения разработок теоретической и положений законодательной метрологии.
2.1. Физические величины
Основным объектом измерения в метрологии являются физические величины.
Физическая величина – одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них. Можно сказать также, что физическая величина это величина, которая может быть использована в уравнениях физики, причем, под физикой здесь понимается в целом наука и технологии.
В последнее время все большее распространение получает подразделение величин на физические и нефизические, хотя следует отметить, что пока нет строгого критерия для такого деления величин. При этом под физическими понимают величины, которые характеризуют свойства физического мира и применяются в физических науках и технике. Для них существуют единицы измерения. Физические величины в зависимости от правил их измерения подразделяются на три группы:
величины, характеризующие свойства объектов (длина, масса);
величины, характеризующие состояние системы (давление, температура);
величины, характеризующие процессы (скорость, мощность).
К нефизическим относят величины, для которых нет единиц измерения. Они могут характеризовать как свойства материального мира, так и понятия, используемые в общественных науках, экономике, медицине.
Т
аким
образом, величины можно систематизировать
следующим образом (рисунок 3).
Рисунок 3 – Классификация величин
Идеальные величины, главным образом, относятся к математике и являются обобщением (моделью) конкретных реальных понятий. Реальные величины делятся, в свою очередь, на физические и нефизические.
В соответствии с таким разделением величин принято выделять измерения физических величин и нефизические измерения. Другим выражением такого подхода являются два разных понимания понятия измерения:
измерение в узком смысле как экспериментальное сравнение одной измеряемой величины с другой известной величиной того же качества, принятой в качестве единицы;
измерение в широком смысле как нахождение соответствий между числами и объектами, их состояниями или процессами по известным правилам.
Второе определение появилось в связи с широким распространением в последнее время измерений нефизических величин, которые фигурируют в медико–биологических исследованиях, в частности, в психологии, в экономике, в социологии и других общественных науках. В этом случае правильнее было бы говорить не об измерении, а об оценивании величин, понимая оценивание как установление качества, степени, уровня чего–либо в соответствии с установленными правилами. Другими словами, это операция по приписыванию путем вычисления, нахождения или определения числа величине, характеризующей качество какого–либо объекта, по установленным правилам. Например, определение силы ветра или землетрясения, выставление оценки фигуристам или оценок знаний учащихся по пятибалльной шкале. Понятие оценивание величин не следует путать с понятием оценки величин, связанным с тем, что в результате измерений мы фактически получаем не истинное значение измеряемой величины, а лишь его оценку, в той или иной степени близкую к этому значению.
Таким образом, физические величины делятся на измеряемые и оцениваемые. Измеряемые физические величины могут быть выражены количественно в виде определенного числа установленных единиц измерения, возможность введения и использования последних является важным отличительным признаком измеряемых величин.
Совокупность чисел Q, отображающая различные по размеру однородные величины, должна быть совокупностью одинаково именованных чисел. Это именование является единицей физической величины или ее доли. Единица физической величины [Q] – это физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное единице и применяемое для количественного выражения однородных физических величин.
Значение физической величины Q – это оценка ее размера в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Числовое значение физической величины q – отвлеченное число, выражающее отношение значения величины к соответствующей единице данной физической величины.
Уравнение Q=q[Q], где Q – физическая величина, для которой строится шкала; [Q] – ее единица измерения; q – числовое значение физической величины, называют основным уравнением измерения. Суть простейшего измерения состоит в сравнении физической величины Q с размерами выходной величины регулируемой многозначной меры q[Q]. В результате сравнения устанавливают, что q[Q] < Q < (q+l)[Q]. Измерение – познавательный процесс, заключающийся в сравнении путем физического эксперимента данной физической величины с известной физической величиной, принятой за единицу измерения.
Рассмотренное выше понятие «измерение», предполагающее наличие единицы измерения (меры), соответствует понятию измерения в узком смысле и является более традиционным и классическим. В этом смысле оно и будет пониматься ниже – как измерение физических величин.