Раздел I Метрология

1. Метрология и ее значение в научно-техническом прогрессе

Метрология возникла как наука о различных мерах и соотноше­ниях между ними. Слово метрология образовано из двух греческих слов: — мера и %— учение, что буквально можно переве­сти как «учение о мерах».

Измерения являются одним из важнейших путей познания при­роды, дают количественную характеристику окружающего нас мира, помогают раскрыть действующие в природе закономерности. Д. И. Менделеев, подчеркивая значение измерений для науки, пи­сал, что «наука начинается с тех пор, как начинают измерять... точная наука немыслима без меры».

Измерения имеют большое значение в современном обществе. Они дают возможность обеспечить взаимозаменяемость узлов и де­талей, совершенствовать технологию, безопасность труда и других видов человеческой деятельности, качество продукции.

Круг величин, подлежащих измерению, определяется разнообра­зием явлений, с которыми приходится сталкиваться человеку. На­пример, необходимость измерения длины, площади, объема, веса, механических, тепловых, электрических, световых и других величин.

Сравнение опытным путем измеряемой величины с другой, по­добной ей, принятой за единицу, составляет общую основу любых измерений.

Разделом науки, изучающей измерения, является метрология.

Метрология — наука об измерениях, методах и средствах обеспе­чения их единства и способах достижения требуемой точности.

В метрологии решаются следующие основные задачи: разработ­ка общей теории измерений единиц физических величин и их сис­тем, разработка методов и средств измерений, методов определения точности измерений, основ обеспечения единства и единообразия средств измерений, эталонов и образцовых средств измерений, методов передачи размеров единиц от эталонов и образцовых средств измерений к рабочим средствам измерений.

Решение многих задач метрологии является важной государствен­ной задачей. Например, во многих странах мира мероприятия по обеспечению единства и требуемой точности измерений установле­ны законодательно; узаконены единицы измерений; регламентиро­вано проведение регулярной поверки мер и измерительных прибо­ров, находящихся в эксплуатации; порядок испытаний и аттестации вновь выпускаемых средств измерений.

2. Физические величины и единицы их измерения

2.1. Физические величины

Технологическая деятельность человека связана с измерением различных физических величин.

Физическая величина — это характеристика одного из свойств фи­зического объекта (явления или процесса), общая в качественном отношении многим физическим объектам, но в количественном от­ношении индивидуальная для каждого объекта.

Значение физической величины — это оценка ее величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц или числа по приня­той для нее шкале. Например, 120 мм — значение линейной вели­чины; 75 кг — значение массы тела, НВ190 — число твердости по Бринеллю.

Измерением физической величины называют совокупность опера­ций, выполняемых с помощью технического средства, хранящего единицу, или воспроизводящую шкалу физической величины, зак­лючающихся в сравнении (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей или шкалой с целью получения значения этой величины в форме, наиболее удобной для использования.

В теории измерений принято, в основном, пять типов шкал: наи­менования, порядка, интервалов, отношений и абсолютная.

Шкалы наименований характеризуются только отношением экви­валентности. По своей сути она является качественной, не содер­жит нуля и единицы измерения. Примером такой шкалы является оценка цвета по наименованиям (атласы цветов). Так как каждый цвет имеет множество вариаций, то такое сравнение может вы пол нить только опытный эксперт, обладающий соответствующими зри­тельными возможностями.

Шкалы порядка характеризуются отношением эквивалентности и порядка. Для практического использования такой шкалы необхо­димо установить ряд эталонов. Классификация объектов осуществ­ляется сравнением интенсивности оцениваемого свойства с его эта­лонным значением. К шкалам порядка относятся, например, шкала землетрясений, шкала силы ветра, шкала твердости тел и т. п.

Шкала разностей отличается от шкалы порядка тем, что кроме отношений эквивалентности и порядка добавляется эквивалентность интервалов (разностей) между различными количественными про­явлениями свойства. Она имеет условные нулевые значения, а ве­личина интервалов устанавливается по согласованию. Характерным примером такой шкалы является шкала интервалов времени. Ин­тервалы времени можно суммировать (вычитать).

Шкалы отношений описывают свойства, к которым применимы отношения эквивалентности, порядка и суммирования, а, следова­тельно, вычитания и умножения. Эти шкалы имеют естественное нулевое значение, а единицы измерений устанавливаются по согла­сованию. Для шкалы отношений достаточно одного эталона, чтобы распределить все исследуемые объекты по интенсивности измеряе­мого свойства. Примером шкалы отношений является шкала мас­сы. Масса двух объектов равна сумме масс каждого из них.

Абсолютные шкалы обладают всеми признаками шкал отношений, но дополнительно в них существует естественное однозначное опреде­ление единицы измерения. Такие шкалы соответствуют относительным величинам (отношениям одноименных физических величин, описыва­емых шкалами отношений). Среди абсолютных шкал выделяются абсо­лютные шкалы, значения которых находятся в пределах от 0 до 1. Такой величиной является, например, коэффициент полезного действия.

Большинство свойств, которые рассматривают в метрологии, описывается одномерными шкалами. Однако имеются свойства, описание которых может быть выполнено только с применением многомерных шкал. Например, трехмерные шкалы цвета в коло­риметрии.

Практическая реализация шкал конкретных свойств достигается путем стандартизации единиц измерений, шкал и (или) способов и условий их однозначного воспроизведения. Понятие неизменной для любых точек шкалы единицы измерений имеет смысл только для шкал отношений и интервалов (разностей). В шкалах порядка можно говорить только о числах, приписанных конкретным проявлениям свойства. Говорить о том, что такие числа отличаются в такое-то число раз или на столько-то процентов, нельзя. Для шкал отношений и разностей иногда недостаточно установить только единицу измере­ний. Так, даже для таких величин, как время, температура, сила света (и другие световые величины), которым в Международной системе единиц (SI) соответствуют основные единицы — секунда, Кельвин и кандела, практические системы измерений опираются также на спе­циальные шкалы. Кроме того, сами единицы SI в ряде случаев бази­руются на фундаментальных физических константах.

В этой связи можно выделить три вида физических величин, измерение которых осуществляется по различным правилам.

К первому виду физических величин относятся величины, на множестве размеров которых определены лишь отношения порядка и эквивалентности: Это отношения типа «мягче», «тверже», «теп­лее», «холоднее» и т. д.

К величинам такого рода относятся, например, твердость, определя­емая как способность тела оказывать сопротивление проникновению в него другого тела; температура как степень нагретости тела и т. п.

Существование таких отношений устанавливается теоретически или экспериментально с помощью специальных средств сравнения, а также на основе наблюдений за результатами воздействия физи­ческой величины на какие-либо объекты.

Для второго вида физических величин отношение порядка и эк­вивалентности имеет место, как между размерами, так и между разно­стями в парах их размеров. Так, разности интервалов времени счита­ются равными, если расстояния между соответствующими отметками равны.

Третий вид составляют аддитивные физические величины.

Аддитивными физическими величинами называются величины, на множестве размеров которых определены не только отношения по­рядка и эквивалентности, но операции сложения и вычитания. К таким величинам относятся длина, масса, сила тока и т. п. Их можно измерять по частям, а также воспроизводить с помощью многозначной меры, основанной на суммировании отдельных мер. Например, сумма масс двух тел — это масса такого тела, которое уравновешивает на равноплечих весах первые два.