Лекция 1 Системы физических величин, их единицы измерения

И размерности

1.1 Задачи теоретической и прикладной метрологии

В практической жизни человек всюду имеет дело с измерениями. Действительно, человечество на всем протяжении своего раз­вития сталкивалось с необходимостью определения и оценки ха­рактерных свойств тех предметов и явлений, которые его окружа­ли. Причем, если вначале число этих свойств было ограниченным и знания о них были элементарными (длина, масса, время), то с течением времени и развитием науки и техники информация о них резко увеличилась как количественно (в настоящее время круг величин, подлежащих измерению, значительно расширился, включив механические, тепловые, электрические, световые и другие величины), так и качественно. Соответственно, также с течением времени, менялось и определе­ние понятия метрология.

Измерения являются одним из важнейших путей познания при­роды человеком. Они дают количественную характеристику ок­ружающего мира, раскрывая человеку действующие в природе закономерности. Математика, механика, физика стали именоваться точными науками только потому, что благодаря измерениям они получили возможность устанавливать точные количественные со­отношения, выражающие объективные законы природы.

Великий русский ученый Д. И. Менделеев, которого законо­мерно считают основоположником современной метрологии, оп­ределил метрологию как науку: «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять. Точная наука немыслима без меры».

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.

Для проведения измерения необходимо не только наличие ма­териальных объектов и физических явлений, но и тех технических средств, которыми производят измерения, а также методов, позво­ляющих грамотно осуществлять процесс измерений.

Так постепенно от описательного определения мы приходим к определению метрологии как науки об измерениях. Измерения слу­жат не только основой научно-технических знаний, но имеют первостепенное значение для учета материальных ресурсов, для торговли, для обеспечения качества продукции, взаимозаменяемости узлов и деталей и со­вершенствования технологии, для обеспечения безопасности труда и других видов человеческой деятельности.

Все вышеизложенное позволило сформулировать современное определение метрологии следующим образом. Метрология — нау­ка об измерениях, методах и средствах обеспечения их единст­ва и способах достижения требуемой точности.

В настоящее время установлено следующее определение изме­рения: измерение есть нахождение значения физической величи­ны опытным путем с помощью специальных технических средств.

Единство измерений — такое состояние измерений, при кото­ром их результаты выражены в узаконенных единицах и погреш­ности измерений известны с заданной вероятностью. 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.

Точность измерений характеризуется близостью их результатов к истинному значению измеряемой величины.

Таким образом, важнейшей задачей метрологии является обес­печение единства и необходимой точности измерений.

Как следует из определения метрологии, к кругу вопросов, рассматривае­мых как метрологические, следует отнести: физические величи­ны; единицы физических величин; измерение физических вели­чин; принципы, методы и методики измерений; средства измери­тельной техники; результаты измерений; погрешности средств измерений; погрешности измерений; обеспечение единства изме­рений (эталоны, поверочные схемы, метрологическая служба).

Большинство проводимых измерений в народном хозяйстве — это не самоцель, а промежуточная операция для достижения ко­нечной цели — управления технологическими процессами; учета материальных и энергетических ресурсов; испытания и контро­ля параметров сырья, полуфабрикатов, продукции и т. п. Таким образом, результат измерений имеет такое большое значение, что требуется регламентация со стороны государства многих норм, требований и правил, используемых в процессе измерений, а в более общем случае, в обеспечении единства измерений в стране.

Как и любую науку, метрологию условно можно разделить на две части: теоретическую и прикладную.

Основные задачи теоретической метрологии:

• Разработка новых принципов и методов измерений.

• Разработка и совершенствование теоретических основ измерительной техники, прежде всего теории измерений.

• Разработка научных основ обеспечения единства мер и измерений. Создание и совершенствование теоретических основ системы единиц, эталонов и образцовых измерительных средств. Пример такого поиска – изменение единицы длины.

• Разработка вопросов теории погрешностей: оценка точности измерения нестационарных процессов; оценка точности многоблочных и автоматизированных измерительных систем.

Основные задачи прикладной метрологии:

• Экспериментальные исследования физических явлений и процессов, способных составить основу новых эталонов, в большей степени отвечающих перспективным требованиям практики. По своему содержанию и целям эти работы практически смыкаются с общефизическими исследованиями. К ним, в частности, относятся исследования коллективных квантовых явлений микромира, уточнение фундаментальных физических констант.

• Экспериментальные исследования свойств эталонов физических величин с целью установления их метрологических характеристик и потенциальных возможностей. Изученные эталоны применяют для поверочных целей и в экспериментальных исследованиях в качестве прецизионных инструментов наряду с другими изделиями научного и аналитического приборостроения.

• Экспериментальное изучение свойств измерительных приборов, датчиков, стандартных образцов.

• Создание и совершенствование законодательных основ измерительной техники.

• Организация поверочных работ. Из-за влияния различных факторов в средствах измерений протекают деградационные процессы, в результате чего метрологические характеристики средств измерений не остаются постоянными и требуют периодической поверки. Основная цель поверочных процедур – обеспечение единства измерений.

• Организация работ по определению качества продукции и ее сертификации Оптимизация измерительного эксперимента, повышение точности измерений.

Таким образом прикладная метрология направлена на решение проблем обеспечения нормального функционирования измерительной техники, единства измерений. Она воплощает в практической деятельности достижения теоретической метрологии и в ряде случаев стимулирует ее развитие.

Область метрологии, включающая комплексы взаимосвязан­ных и взаимообусловленных общих правил, требований и норм, а также другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и конт­роле со стороны государства, направленные на обеспечение един­ства измерений и единообразия средств измерений, называется законодательной метрологией.