Метрология: наука об измирениях

Развитие метрологии в России получило серьезный импульс  с назначением в 1892 г. управляющим  Дело образцовых мер и весов крупнейшего российского ученого Менделеева. По его инициативе Депо было преобразовано в Главную палату мер и весов (1893), ставшую одним из первых в мире национальных научных учреждений метрологического профиля. Под руководством Д.И. Менделеева была проведена работа по созданию комплекта российских эталонов и их международным сличениям, начала создаваться государственная метрологическая служба, реализована широкая программа научных исследований в области метрологии, проведена подготовка к внедрению в России метрической системы[5, c.15-17].

1.3. .НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ  СОВРЕМЕННОЙ МЕТРОЛОГИИ

Отечественные метрологи  определяют сегодня метрологию как «науку об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства, а также способах достижения требуемой точности». Обычно метрологию представляют как науку и область деятельности, включающую три взаимосвязанных раздела — теоретический, законодательный и прикладной.

Теоретическая (фундаментальная) метрология изучает и разрабатывает ее научные основы. Предметами этого раздела являются: теория измерений, теория шкал измерений, проблемы установления систем единиц измерений, теория исходных средств измерений (эталонов) и передачи шкал и размеров единиц, вопросы использования в метрологии фундаментальных физических постояных, теория точности измерений и др.

Законодательная метрология включает взаимосвязанные юридические и научно-технические вопросы, которые нуждаются в регламентации со стороны государства с целью обеспечения единства измерений. Ключевыми документами законодательной метрологии являются: Закон РФ «Об обеспечении единства измерений» и стандарты Государственной системы обеспечения единства измерений — ГСИ. Основными понятиями служат: «методика выполнения измерений»; «испытание, метрологическая аттестация, поверка и сертификация средств измерений»; «метрологический контроль и надзор».

Прикладная (практическая) метрология изучает и разрабатывает вопросы практического применения положений теоретической и законодательной метрологии. Предметом прикладной метрологии являются все виды работ, проводимых в сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора.

В последние десятилетия  метрология активно проникала в новые для себя области: испытания и контроль качества продукции, кибернетика и системотехника, здравоохранение и охрана окружающей среды, экономика, социология и психология, педагогика и спорт, дегустация (вин, парфюмерных веществ). На очереди измерения таких свойств, как блеск, глянец, запах, вкус и др. Стали измерять не только величины, включенные в международную систему единиц (57), но и те свойства, которые не описываются физическими законами. Более того, некоторые из измеряемых свойств не являются величинами, т. к. носят не количественный, а качественный характер. Появились новые измерительные процедуры (вплоть до «статистических» и «мягких» измерений), которые не укладываются в рамки традиционной («классической») метрологии. В практику измерений начинают входить такие понятия, как «нечеткая логика», «нейронные сети», «генетические алгоритмы». Все большую актуальность приобретает энтропийный подход к оценке точности результатов измерений.

Многогранность метрологии определила ее особое место в системе  наук. Главной особенностью метрологии, выделяющей ее среди других естественных наук, является большое количество принципиальных положений, установленных условно, по соглашению: выбор системы единиц, размеры основных единиц, методики выполнения измерений, нормальные условия проведения измерений, нормируемые метрологические характеристики средств измерений и др.[5, c. 18-19].

1.4. ПОНЯТИЕ ОБ ИЗМЕРЕНИЯХ

Метрология — наука  об измерениях, о методах и средствах  обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Под единством измерений понимают такое их состояние, при котором результаты измерений выражены в узаконенных единицах величин, и погрешности измерений не выходят за установленные границы с заданной вероятностью.

Метрология изучает широкий  круг вопросов, связанных как с  теоретическими проблемами (теоретическая  метрология), так и с задачами практики (практическая метрология). К основным разделам метрологии относятся: общая теория измерений, единицы физических величин и их системы, методы и средства измерений физических величин, методы оценки точности измерений, методы эталонирования. На основании теоретических положений метрологии обоснованы и стандартизированы практические рекомендации, регламентирующие все стороны измерений (законодательная метрология).

Измерениями называют совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, которые обеспечивают нахождение соотношения измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины. Таким образом, измерение можно определить как экспериментальное нахождение отношения измеряемой физической величины к другой однородной величине, принятой за единицу.

Физической величиной называют свойство, общее в качественном отношении для многих объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого. Например, физическими величинами являются длина, электрический ток, напряжение, индуктивность. Количественное содержание физической величины, характеризующее конкретный объект, называют размером физической величины (размером величины). Оценку физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц называют значением физической величины.

Для обозначения частных  особенностей физических величин применяют  термин параметр. Например, конденсатор характеризуют емкостью, а его параметрами можно считать тангенс угла потерь, температурный коэффициент емкости, индуктивность вво дов. Иногда параметром называют измеряемую физическую величину — амплитуду, фазу, частоту.

Различают истинное, действительное и измеренное значения физической величины. Истинное значение идеальным образом отражает в количественном и качественном отношениях соответствующие свойства объекта, и его стараются найти при измерениях. Однако из-за неизбежных погрешностей измерений истинное значение получить не удается. На практике вместо истинного значения экспериментально определяют действительное значение, настолько приближающееся к истинному значению, что может быть использовано вместо него. Измеренное значение получают по данным эксперимента.

Средства измерений. Применяемое при измерениях техническое средство, имеющее нормированные метрологические характеристики (характеристики, влияющие на точность измерений), воспроизводящее или хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени, называют средством измерений (СИ). К средствам измерений относят эталоны физических величин, меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи, измерительно-вычислительные комплексы (ИВК), компьютерно-измерительные системы (КИС) и измерительные информационные системы (ИИС).

Измерительный преобразователь —  структурный элемент более сложных  средств измерений, имеющий самостоятельные  метрологические характеристики. Различают первичные, передающие, промежуточные и масштабные преобразователи. Первичные преобразователи называют датчиками.

На основе нескольких измерительных  преобразователей создают измерительные приборы и меры. Измерительный прибор предназначен для образования выходного сигнала в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительные приборы делят на аналоговые и цифровые. Показание аналогового прибора является непрерывной функцией измеряемой величины. К аналоговым относят, например, приборы со стрелочными указателями. Цифровые приборы вырабатывают дискретный сигнал измерительной информации в цифровой форме.

Мера служит для воспроизведения  физической величины заданного размера. Так, мерами являются образцовая катушка индуктивности или образцовый конденсатор переменной емкости.

Измерительно-вычислительные комплексы представляют собой совокупность средств измерений и компьютера, объединенных с помощью устройств сопряжения и предназначенных для измерений, научных исследований и расчетов. Такие же функции выполняют КИС, построенные на основе компьютеров, дополненных измерительными модулями.

Измерительные информационные системы — совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств, предназначенных для получения измерительной информации, ее преобразования и обработки в целях представления в удобном потребителю виде либо автоматического осуществления контроля, диагностики или идентификации.

В настоящее время получают распространение  приборы, состоящие из персонального компьютера, дополненного платой сбора данных, содержащей аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и образцовые меры. Плата обеспечивает преобразование аналогового измерительного сигнала в цифровой, функции его обработки выполняет компьютер. Для наглядного отображения информации и удобства управления процессом измерений на экране монитора воспроизводят лицевую панель измерительного прибора со всеми элементами настройки, управление которыми производят с клавиатуры компьютера или «мышью». Такие приборы называются виртуальными.

Классификация измерений. По способу получения результата измерения подразделяют на прямые, косвенные, совместные и совокупные.

Прямыми называются измерения, при  которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. К ним, например, относится измерение напряжения с помощью вольтметра или измерение интервала времени с помощью измерителя временных интервалов.

При косвенных измерениях искомое значение У величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами Х_ь Х₂, ..., Х_п, измеряемыми посредством прямых измерений: У = Х₂, ..., Х_п).

Например, к косвенным  относится измерение рассеиваемой на резисторе мощности Р = II²/Я по результатам прямых измерений напряжения [I и сопротивления резистора К.

Совместные измерения  состоят в одновременном измерении двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимости между ними. Примером совместных измерений может служить получение зависимости сопротивления резистора от его температуры. ,

Совокупными называют производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомое значение находят из решения системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. Измерения, связанные с обработкой измерительной информации, такие как косвенные, совместные и совокупные, часто выполняют с помощью средств измерений, сопряженных со средствами вычислительной техники, например ИВК или КИС. В этом случае процессы получения экспериментальных данных и их обработка авто- матизированы, на отсчетном устройстве индицируется результат расчетов.

Погрешности измерений. Значение измеряемой величины наблюдатель оценивает по показанию СИ, которое считывают с показывающего (отсчетного) устройства. В цифровых приборах это цифровое табло (дисплей). В приборах со стрелочным указателем показание отсчитывают по ближайшей к стрелке отметке шкалы, иногда учитывают и доли деления, применяя интерполяцию на глаз.

По показанию определяют результат измерений — значение физической величины, полученное путем ее измерения и представленное неименованным или именованным числом. Если измерения произведены один раз (однократно) и их не требуется корректировать, то показание часто принимают за результат измерений.

В общем случае результат  может отличаться от показания. Это имеет место при проведении многократных измерений, когда результат измерений получают, например, как среднеарифметическое результатов отдельных измерений. Совместно с результатом измерений в случае необходимости приводят и данные, характеризующие условия проведения эксперимента, а также погрешности.

Отклонение результата измерений х от истинного значения X измеряемой величины называется абсолютной погрешностью результата измерений или  абсолютной погрешностью измерений

А = х - X. (1.1)

Это соотношение является исходным для теоретического анализа погрешностей. На практике же из-за невозможности определить истинное значение вместо него берут действительное значение измеряемой величины, например среднеарифметическое результатов многократных измерений.

Погрешность измерений  иногда удобно характеризовать ее относительным значением. Поскольку абсолютная погрешность мала по сравнению с результатом измерений, то можно считать х « X. Относительную погрешность чаще всего выражают в процентах, иногда в децибелах. Измерения можно характеризовать их точностью — близостью результата измерения к истинному значению. Точность измерений является качественной величиной: чем выше точность, тем с меньшей погрешностью проведены измерения. Понятие точности используется для сравнительной качественной характеристики различных измерений или СИ. В литературе иногда встречается и количественное определение точности как обратной величины модуля относительной погрешности. Так, если 5 = Ю^-3, то точность равна 10³. Чем выше точность, тем с меньшей погрешностью произведено измерение. По точности измерения подразделяются на лабораторные и технические. Лабораторные (метрологические, эталонные) измерения преимущественно проводят при научных исследованиях и принимают меры повышения точности, например, посредством многократных измерений. Погрешности измерений находят в ходе самого эксперимента или при обработке его результатов. Лабораторные измерения обычно проводит персонал высокой квалификации.

Технические измерения  осуществляют в заданных условиях по определенной методике выполнения измерений. Методику заранее разрабатывают, причем в ней нормируют (задают) погрешности. В ходе самих измерений никаких исследований погрешностей не проводят, ее оценивают по паспортным данным средств измерений. Нормированные таким способом погрешности справедливы для любого случайным образом выбранного экземпляра средств измерений данного типа. Технические измерения являются массовыми, их часто проводит персонал средней квалификации.

Погрешность технических измерений в зависимости от характеристик применяемых средств измерений и методики измерений меняется в широких пределах. С наименьшей относительной погрешностью 10~⁶... 10~⁹ могут быть измерены временные параметры сигнала, например частота или временные интервалы. Погрешность измерений на СВЧ может достигать 10...20 %[7, c.8- 9].

1.5. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

Средства измерений  классифицируют по принципам действия, построения и виду измеряемой величины. Важное значение имеют их метрологические  характеристики.