Метрология, часть1.

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности (РМГ 29 – 99).

Неоднозначно трактуемые измерения (от количественной оценки физических величин до приписывания чисел субъективно оцениваемым свойствам) позволяют сторонникам "широкой трактовки" измерений распространять область интересов науки об измерениях за пределы "чистой метрологии". В результате метрология смешивается с квалиметрией – областью науки, занимающейся количественной оценкой качества объектов и их частных свойств.

Измерения определенных (однотипных) свойств (рис. 1) можно рассматривать как однозначное отображение элементов эмпирической реляционной системы (Q) на некоторую числовую реляционную систему (N), причем отображение (Q) на (N) должно быть изоморфным. (Изоморфизм в математике – свойство одинаковости строения каких-либо совокупностей элементов, совершенно безразличное к природе этих элементов).

Измерительное преобразование в условиях единственности уравнения измерения и возможности существования его решения можно формально описать основным уравнением измерения:

Q = Nq,

где Q – измеряемая величина;

q – единица измеряемой величины;

N – числовое значение, определяющее соотношение между Q и q.

Следует заметить, что данное теоретическое положение идеализированно, поскольку в нем не учитываются погрешности измерений, которыми специально занимается метрология. Метрология в нашем понимании занимается исключительно измерениями физических величин на макроуровне.

В соответствии с РМГ 29 – 99 измерение физической величины (измерение величины; измерение) – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины. В ранее действовавшем нормативном документе измерение трактовали как нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Принципиальных отличий в определениях не наблюдается.

В РМГ 29 – 99 говорится, что приведенное в нем определение понятия «измерение» соответствует общему уравнению измерений, поскольку в нем учтена техническая сторона (совокупность операций), раскрыта метрологическая суть измерений (сравнение с единицей) и показан гносеологический аспект (получение значения величины).

От термина «измерение» происходит термин «измерять», наряду с которым нередко применяютя такие термины, как «мерить», «обмерять», «замерять», «промерять», а также «обмер», «замеры» и ряд других. Это нестандартные термины и применять их не следует.

Физическая величина (величина; ФВ) – 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. Как правило любой объект измерения характеризуется некоторым множеством физических величин (ФВ₁,..., ФВ_n, или Q₁,..., Q_n). Например, любой предмет имеет массу (одна физическая величина), размеры (множество физических величин номинально разных и номинально одинаковых), плотность, твердость, электрические и магнитные характеристики. Физическая величина, присущая конкретному объекту, не является его единственной характеристикой. Поэтому измерение некоторой заданной физической величины можно представить моделью, показанной на рис. 2. Очевидно также, что результат измерения Х_i не может идеально отражать измеряемое свойство и отличается от истинного значения измеряемой физической величины Q_i.

Точность результата измерений (точность измерений) – одна из характеристик качества измерения, отражающая близость к нулю погрешности результата измерения. Поскольку точность измерения тем выше, чем меньше его погрешность, для количественной характеристики точности измерений обычно используют значения погрешностей.

Погрешность результата измерения (погрешность измерения) – отклонение результата измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины.

Упоминание в определении действительного значения измеряемой величины некорректно, поскольку само оно не совпадает с истинным значением измеряемой величины, и, следовательно, не может быть базой для отсчета погрешности. Погрешность измерения можно представить в виде разности между результатом измерения (полученным при измерении значением физической величины) и истинным значением физической величины

∆ = х – Q,

где ∆ – погрешность измерения,

х – результат измерения (полученное при измерении значение физической величины),

Q – истинное значение физической величины.

Необходимость измерений в любом промышленном производстве проиллюстрирована рис. 3.

Измерения необходимы для оценки любого объекта трансформации (сырья, заготовки, детали, сборочной единицы) до ее начала, во время ее проведения и по окончании. В любом технологическом процессе надо знать, с чем приходится работать, чтобы планировать сам процесс, следить за тем как процесс идет, чтобы при необходимости корректировать его. Результат переработки исходного объекта тоже подлежит измерениям для оценки его качества и принятия управляющих решений (пропустить далее в обработку, продажу, эксплуатацию, забраковать, вернуть на переработку, корректировать техпроцесс...).

Определяющее значение измерения имеют и для любых экспериментальных исследований. Д.И.Менделеев сказал: "Наука начинается там, где начинают измерять. Точная наука немыслима без меры". Галилео Галилею приписывают слова: "Измерять то, что измеримо, делать измеримым то, что пока что неизмеримо". Место измерений в экспериментальных научных исследованиях, проводимых с использованием не только визуальных, но и аппаратурных средств фиксации результатов, показано на рис.4.

Достоверные результаты исследований и выводы из них могут быть получены только при "опережающей точности измерений". Любой тонкий эффект можно зафиксировать только тогда, когда измерения позволяют выделить его из информационного шума, в том числе и обусловленного погрешностями измерений.

Обмен результатами производственной и научной деятельности, международная кооперация в науке, промышленности и торговле требуют обеспечения одинаковой достоверности всех результатов производственных и научных измерений. Поэтому в метрологии вводятся такие понятия, как единство измерений и единообразие средств измерений.

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.

Обеспечение единства измерений необходимо для обеспечения современного производства с разделением труда и кооперацией как в масштабах одной страны, так и в международных промышленно экономических отношениях. Вот почему с давних пор активно работают международные метрологические организации, принимаются общие для всех метрологические стандарты, гармонизируются требования к измерениям, к средствам измерений, к оценке их метрологических характеристик.

Под единообразием средств измерений понимают состояние средств измерений, характеризующееся тем, что они проградуированы в узаконенных единицах и их метрологические свойства соответствуют нормам. Для обеспечения единообразия приходится разрабатывать представления об эталонах единиц физических величин, создавать эталоны как технические устройства, передавать значение единицы от эталонов другим, менее точным средствам измерений. Единообразие средств измерений есть необходимое, но недостаточное условие соблюдения единства измерений.

Метрология использует для повышения точности измерений новейшие достижения физики и других наук. Постоянно создаются новые, все более точные средства измерений, включая эталоны, совершенствуются методы измерений и передачи единиц физических величин рабочим средствам измерений, а также методы выявления и оценки погрешностей измерений. В соответствии с требованиями обеспечения единства измерений метрология уделяет особое внимание поиску и исключению систематических погрешностей измерений, а также вероятностной оценке случайных погрешностей, которые в принципе невозможно прогнозировать и оценивать другими методами.

Особое место в метрологии занимает математическая обработка результатов измерений. Для обработки результатов косвенных измерений, для построения моделей объектов измерений и процессов измерительного преобразования, для оценки систематических погрешностей используют различные разделы математического анализа, аналитической геометрии и других областей «детерминированной» математики. Наряду с этим широко используется аппарат теории вероятностей и математической статистики для оценки случайных составляющих погрешности измерений.

На сегодняшний день можно признать существование объективно сложившихся теоретических основ в следующих областях измерений:

• физические измерения в макромире (включая технические измерения);

• квантово-механические измерения;

• психологические измерения;

• кибернетические измерения;

• математические измерения.

Есть и другие пока еще недостаточно четко оформившиеся области измерений.

Физическими измерениями занимается метрология, трактуемая как "теория погрешностей измерения".

Квантовомеханические измерения фактически основаны на взаимодействии микрообъекта с измерительным макроприбором.

Психологические и им подобные измерения (измерения в социологии, психологии, системотехнике и других подобных областях) сводятся к выбору типа шкалы и "помещению" объекта в некоторую ее область.

В кибернетических измерениях в первую очередь рассматривают воздействие помех в измерительном канале на искажение измерительной информации. Специально для этих целей разработана информационная теория измерений.

Математические измерения основаны на допущении "идеальных измерений", результаты которых свободны от погрешностей. Кроме того, изучение измерения как некоторого способа (алгоритма) получения числового результата привело к разработке "алгоритмической теории измерения".