Метрология. 
Метрология, стандартизация и сертификация в геологии

Модуль содержит информацию, посвященную проблемам метрологии. Рассмотрены проблемы метрологического обеспечения производства.

Лекция 6 — 0,06 кредитов (2 часа). Основы метрологии. Основные понятия и задачи метрологии. Области и виды измерений. Шкалы измерений.

Теоретическая, законодательная и прикладная метрология. Предмет, задачи и средства метрологии. Измерения. Объект и области измерения. Шкалы: наименований, порядка, интервалов, отношений. Абсолютные и условные шкалы.

Измерения являются одним из важнейших путей развития научно-технического прогресса, познания природы и общества человеком. В практической деятельности мы постоянно имеем дело с измерениями, они имеют первостепенное значение во всех сферах производства и потребления, при оценке качества товаров, внедрении новых технологий и управлении ими.

Наука, изучающая измерения, называется метрологией. 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 (эмпирической) наукой о различных мерах и соотношениях между ними. Существенное развитие метрология получила в XX веке благодаря развитию математических и физических наук.

Основные понятия и задачи метрологии.

Метрология в ее современном понимании — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности (ГОСТ 16 263−70, МИ 2247−93, РМГ 29−99).

Метрология состоит из трех самостоятельных и взаимодополняющих разделов — теоретического, прикладного и законодательного.

Теоретическая метрология занимается общими фундаментальными вопросами теории измерений, разработкой новых методов измерений, созданием систем единиц измерений и физических постоянных.

Законодательная метрология устанавливает обязательные технические и юридические требования по применению единиц физических величин, эталонов, методов и средств измерений, направленные на обеспечение единства и точности измерений в интересах общества.

Прикладная метрология изучает вопросы практического применения результатов разработок теоретической и законодательной метрологии в различных сферах деятельности.

Предметом метрологии является получение количественной информации о свойствах объектов и процессов с заданной точностью и достоверностью.

Средства метрологии — это совокупность средств измерений и метрологических стандартов, обеспечивающих их рациональное использование.

Главными задачами метрологии являются:

обеспечение единства измерений;

унификация единиц и признание их законности;

разработка систем воспроизведения единиц и передача их размеров рабочим средствам измерений.

Основное понятие метрологии — измерение. Измерение — это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Значимость измерений выражается в трех аспектах: философском, научном и техническом.

Философский аспект заключается в том, что измерения являются важнейшим универсальным методом познания физических явлений и процессов. Научный аспект измерений состоит в том, что с их помощью осуществляется связь теории и практики, без них невозможны проверка научных гипотез и развитие науки. Технический аспект измерений — это получение количественной информации об объекте управления и контроля, без которой невозможно обеспечение заданных условий технологического процесса, качества продукции и эффективного управления процессом.

Термин «измерение» связывается преимущественно с физическими величинами. Физическая величина (ФВ) — одно из свойств физического объекта (системы, явления, процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них. Количественное содержание этого свойства в объекте является размером физической величины, а числовую оценку ее размера называют значением физической величины. Например, разные вещества обладают той или иной плотностью, но каждое из них имеет вполне определенное значение: у воды плотность при 20 °C равна 0,998 г/см3, а ртути — 13,540 г/см3. Отсюда следует, что одна и та же физическая величина как вполне определенная характеристика будет при равных единицах измерения для разных веществ, фаз и систем отличаться размером.

Единица физической величины — это физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение, равное единице. Различают истинное значение физической величины, идеально отражающее свойство объекта, и действительное — найденное экспериментально, достаточно близкое к истинному значению физической величины и которое можно использовать вместо него.

Измерение некоторой физической величины производят путем ее сравнения в ходе физического эксперимента с величиной, принятой за единицу физической величины. Результатом измерения будет число, показывающее соотношение измеряемой величины с единицей физической величины.

Значение физической величины получают в результате ее измерения или вычисления в соответствии с уравнением.

Q = q [Q],.

которое называют основным уравнением измерения, где Q — значение физической величины — это оценка ее размера в виде некоторого числа принятых для нее единиц; q — числовое значение физической величины — отвлеченное число, выражающее отношение значения величины к соответствующей единице данной физической величины; [Q] — выбранная для измерения единица физической величины.

Например, за единицу измерения напряжения электрического тока принят 1 В, тогда значение напряжения электрической сети.

U=g[U]=220[lB]=220B.

Здесь числовое значение q=220. Но если за единицу измерения напряжения принять [1кВ], то U=g[U]= =0,22[1кВ]=0,22 кВ, т. е. числовое значение g=0,22. Таким образом, применение различных единиц (1 В и 1кВ) приводит к изменению числового значения результата измерения.

Из уравнения следует, что числовое значение физической величины показывает, во сколько раз значение измеряемой величины больше некоторого значения, принятого за единицу.

Отсюда вытекает следующее определение измерения: измерение — это процесс, заключающийся в сравнении путем физического эксперимента данной физической величины с некоторым ее значением, принятым за единицу измерения.

Одной из важнейших задач метрологии как науки в области практической деятельности является обеспечение единства измерений.

Единство измерений — такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам единиц воспроизводимых первичными эталонами, а погрешности результатов измерений известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные (допускаемые) пределы. 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.

Области и виды измерений.

Область измерений — совокупность измерений физических величин, свойственных какой-либо области науки или техники и выделяющихся своей спецификой. Вид измерений — часть области измерений, имеющая свои особенности и отличающаяся однородностью измеряемых величин.

Принято различать следующие области и виды измерений.

Измерение геометрических величин: длин, отклонений формы поверхностей, параметров сложных поверхностей, углов.

Измерение механических величин: массы, силы, крутящих моментов, прочности и пластичности, параметров движения, твердости.

Измерение параметров потока, расхода, уровня, объема веществ: массового и объемного расхода жидкостей в трубопроводах, расхода газов, вместимости, параметров открытых потоков, уровня жидкости.

Измерение давления, вакуумные измерения: избыточного давления; абсолютного давления, переменного давления, вакуума.

Физико-химические измерения: вязкости, плотности, содержания (концентрации) компонентов в твердых, жидких и газообразных веществах, влажности газов, твердых веществ, электрохимические измерения.

Теплофизические и температурные измерения: температуры, теплофизических величин.

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.

7. 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 контуров электрических цепей; параметров магнитных полей; магнитных характеристик материалов.

Радиоэлектронные измерения: интенсивности сигналов; параметров формы и спектра сигналов; параметров трактов с сосредоточенными и распределенными постоянными; свойств веществ и материалов радиотехническими методами; антенные измерения.

10. Измерения акустических величин: акустические — в воздушной среде и в газах; акустические — в водной среде; акустические — в твердых телах; аудиометрия и измерения уровня шума.

Оптические и оптико-физические измерения: световые, измерения оптических свойств материалов в видимой области спектра; энергетических параметров не когерентного оптического излучения; энергетических параметров пространственного распределения энергии и мощности непрерывного и импульсного лазерного и квазимонохроматического излучения; спектральных, частотных характеристик, поляризации лазерного излучения; параметров оптических элементов, оптических характеристик материалов; характеристик фотоматериалов и оптической плотности.

Измерения ионизирующих излучений и ядерных констант: дозиметрических характеристик ионизирующих излучений; спектральных характеристик ионизирующих излучений; активности радионуклидов; радиометрических характеристик ионизирующих излучений.

Объектом измерения являются физическая система, процесс, явление и т. д., которые характеризуются одной или несколькими измеряемыми физическими величинами. Примером объекта измерений может быть технологический химический процесс, во время которого измеряют температуру, давление, энергию, расход веществ и материалов.

Шкалы измерений.

Измерения различных величин, характеризующих свойства систем, явлений и других процессов занимают важное место в повседневной жизни. Разнообразные проявления (количественные или качественные) любого свойства образуют множества, отображения элементов которых образуют шкалы измерения этих свойств. Шкала измерений количественного свойства является шкалой физической величины. Шкала физической величины — это упорядоченная совокупность значений физической величины, служащая исходной основой для измерений данной величины.

Различают следующие типы шкал измерений:

шкалы наименований характеризуются оценкой (отношением) эквивалентности различных качественных проявлений свойства. Эти шкалы не имеют нуля и единицы измерений, в них отсутствуют отношения сопоставления типа «больше — меньше». Это самый простой тип шкал. Пример шкалы наименований: шкалы цветов, представляемые в виде атласов цветов. При этом процесс измерений заключается в достижении (например, при визуальном наблюдении) эквивалентности испытуемого образца с одним из эталонных образцов, входящих в атлас цветов;

шкалы порядка описывают свойства величин, упорядоченные по возрастанию или убыванию оцениваемого свойства, т. е. позволяют установить отношение больше/ меньше между величинами, характеризующими это свойство. В этих шкалах может в ряде случаев иметься нуль (нулевая отметка), но принципиальным для них является отсутствие единицы измерения, поскольку невозможно установить, в какое число раз больше или меньше проявляется свойство величины. Примеры шкал порядка: шкалы измерения твердости, баллов силы ветра, землетрясений;

шкалы интервалов (разностей) описывают свойства величин не только с помощью отношений эквивалентности и порядка, но также и с применением отношений суммирования и пропорциональности интервалов (разностей) между количественными проявлениями свойства. Шкалы интервалов могут иметь условно выбранное начало — нулевую точку. К таким шкалам, например, относятся летоисчисление по различным календарям, в которых за начало отсчета принято либо сотворение мира, либо Рождество Христово, температурные шкалы Цельсия, Фаренгейта, Реомюра.

условные шкалы — шкалы величин, в которых не определена единица измерения. К ним относятся шкалы наименований и порядка.

Шкалы интервалов, отношений и абсолютные называются обычно метрическими (физическими), а шкалы наименований и порядка — не метрическими. Практическая реализация шкал измерений осуществляется путем стандартизации как самих шкал и единиц измерений, так и способов и условий их однозначного воспроизведения.

[2], с.95−104; [16]; [17]; [4].