Обзорная информация по теме. Определяющим для метрологической науки понятием является единство измерений – такое состояние измерений

Определяющим для метрологической науки понятием является единство измерений – такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности известны с заданной вероятностью. Обеспечение единства измерений является важнейшим условием социально-экономического развития страны, обеспечения безопасности граждан, общества и государства, повышения качества и конкурентоспособности товаров, работ и услуг, научно-технического прогресса; необходимо для осуществления государственного контроля и оценки соответствия продукции установленным требованиям, создаёт основу для честной торговли на внутреннем и международном рынках. Международное взаимное признание измерительных возможностей страны является важным фактором для устранения технических барьеров в торговле и участия в многосторонних торговых соглашениях.

Основными объектами измерения в метрологии являются физические величины, которые, в свою очередь, делятся на основные, описывающие фундаментальные формы материи, и производные, получаемые из основных с помощью математических действий. Под измерением при этом понимается нахождение значения физической величины опытным путём с помощью специальных технических средств, а под физической величиной – свойство, в качественном отношении общее для многих объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них. Физическая величина, которой присвоено значение, равное единице, называется единицей физической величины.

Для измерений в древности и Средневековье характерно сравнение объектов с повседневными предметами. Так, например «локоть» как мера длины на Руси, в Вавилоне и Египте представлял собой расстояние от локтя до большого пальца вытянутой руки; английский «законный дюйм» равнялся длине трёх ячменных зёрен, а японская мера площади «татами» характеризовала размер циновки, на которой мог поместиться «средний» человек. Отличительной чертой всех этих единиц измерения был ограниченный ареал применения, поэтому по мере развития торговых путей, а затем и международной интеграции, возникла необходимость их унифицировать. Это стало толчком к появлению системы единиц, то есть совокупности единиц, образующей опирающуюся на определённые принципы систему.

В настоящее время только система единиц СИ (SI – начальные буквы французского наименования Systeme International), принятая в 1967 г. Генеральной конференцией по мерам и весам, унифицирована к применению практически во всех станах мира. Основные и дополнительные единицы системы единиц СИ приведены в таблице 3.

Таблица 3 – основные и дополнительные единицы системы единиц СИ

№	Измеряемая физическая величина	Единица измерения	Определение единицы измерения
Основные единицы
1.	Длина	метр	Длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299792458 доли секунды
2.	Масса	килограмм	Масса, равная массе международного прототипа (эталона) килограмма
3.	Время	секунда	Продолжительность 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133, не возмущенного внешними полями

Продолжение таблицы 3

4.	Сила электрического тока	ампер	Сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1м один от другого в вакууме, создал бы между этими проводниками силу, равную 2 × 10-7 Н на каждый метр длины
5.	Термодинамическая температура	кельвин	1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды
6.	Количество вещества	моль	Количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в нуклиде углерода-12 массой 0,012 кг
7.	Сила света	кандела	Сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540 ∙ 1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/283 Вт/ср
Дополнительные единицы
8.	Плоский угол	радиан	Угол между двумя радиусами окружности, дуга между которыми по длине равна радиусу (57°17'44,8'')
9.	Телесный угол	стерадиан	Телесный угол, вершина которого расположена в центре сферы и который «вырезает» на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной по длине радиусу сферы

Производные единицы образуются из основных и дополнительных по определённому уравнению, например, единица ускорения м/с². Помимо этого существуют также дольные и кратные единицы, соответственно уменьшающие или увеличивающие единицу на определённый порядок, например, 1 мм = 10^{-3 м, 1 кВт = 103} Вт (таблица 4).

Таблица 4 – Множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц

Множитель	Приставка	Обозначение приставки	Множитель	Приставка	Обозначение приставки
русское	международное	русское	международное
1018	экса	Э	E	10-1	деци	д	d
1015	пета	П	P	10-2	санти	с	c
1012	тера	Т	T	10-3	милли	м	m
109	гига	Г	G	10-6	микро	мк	m
106	мега	М	M	10-9	нано	н	n
103	кило	к	k	10-12	пико	п	p
102	гекто	г	h	10-15	фемто	ф	f
101	дека	да	da	10-18	атто	а	a

 

Единицы физических величин, имеющие наименование, отличающееся от установленного в системе единиц СИ, являются внесистемными. Необходимость в них не отпала, так как для ряда отраслей науки и техники они являются более предпочтительными.

В Российской Федерации применяются единицы величин Международной системы единиц, рекомендованные Международной организацией законодательной метрологии и принятые Генеральной конференцией по мерам и весам, однако наравне с единицами величин Международной системы единиц могут быть допущены к применению и внесистемные единицы. Характеристики и параметры продукции, поставляемой на экспорт, в том числе средств измерений, могут быть выражены в единицах величин, предусмотренных договором.

Измерения, в ходе которых получают значения единиц физических величин, по способу получения информации делятся на прямые, косвенные, совокупные и совместные. При прямом измерении значение величины находят непосредственно из опытных данных (например, измерение длины линейкой), при косвенных – на основе зависимости между искомой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям (измерение плотности тела по его массе и объёму). Для совокупных измерений характерно решение системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний одноименных величин (массу отдельных гирь набора находят по известной массе одной из них). Совместные измерения проводят для нахождения зависимости между несколькими неодноименными величинами (сопротивление резистора при 20°С находят по данным прямых измерений при различных температурах).

Каждая физическая величина имеет количественную и качественную характеристику, определённость.

Значение физической величины получают в результате непосредственного измерения или в соответствии с основным уравнением измерений, которое записывается в форме

X = q [X],

где Х – значение (наименование) физической величины (например, масса);

q – числовое значение измеряемой величины;

[Х] – выбранная единица измерения.

Основной постулат измерения физических величин звучит следующим образом: при многократном измерении одной и той же физической величины результат получается все время разным, то есть является случайным числом. При однократном измерении ошибки (отклонения от действительного значения) выявляются аналитически или априори (заранее). При многократном измерении величины ошибки могут сильно отличаться друг от друга, и часть из них может быть отброшена по правилу трех сигм: если при многократном измерении сомнительный результат отдельного измерения отличается от среднего арифметического значения больше чем на три среднеквадратичных отклонения, то с вероятностью 0,997 этот результат является промахом (грубой ошибкой) и должен быть отброшен.

Осуществляют измерения с помощью средств измерений, имеющих нормированные метрологические характеристики, по определённым методам (способам сравнения).

К методам измерений относят:

- метод непосредственной оценки – значение величины определяют непосредственно по показывающему средству измерений (взвешивание на циферблатных весах, измерение давления пружинным манометром);

- дифференциальный метод – измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, и при котором измеряется разность между этими двумя величинами (сравнение одинаковых линейных мер, разность между которыми определяется окулярным микрометром);

- метод сравнения с мерой – измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (измерение напряжения постоянного тока на компенсаторе сравнением с известной ЭДС нормального элемента);

- метод измерения замещением – измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины (взвешивание поочередным помещением массы и гирь на одну и ту же чашку весов);

- метод измерений дополнением – значение измеряемой меры дополняется мерой этой же величины с таким расчётом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению;

- нулевой метод – результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля (измерение массы на равноплечных весах при помощи гирь).

Метрологами условно выделены следующие виды однотипных измерений:

- измерение геометрических величин: длины; площади, объёма, отклонений формы поверхностей; углов; кривизны;

- измерение механических величин: массы; силы; скорости; ускорения; момента движения, крутящих моментов, напряжений и деформаций; упругости; твёрдости;

- измерение параметров потока, расхода, уровня, массового и объёмного расхода жидкостей в трубопроводах; расхода газов; вместимости; параметров открытых потоков, уровней жидкостей;

- измерение давлений, вакуумные измерения: избыточного давления; абсолютного давления; переменного давления; вакуума;

- молекулярно-кинетические измерения и измерения таких свойств, как вязкость; плотность; содержание (концентрация) компонентов в твёрдых, жидких и газообразных средах; влажность; осмотическое давление; давление насыщенных паров над растворами; величины адсорбции и абсорбции; смачивание; поверхностное натяжение; изменение температур критических состояний в многокомпонентных средах;

- термодинамические (теплофизические и температурные) измерения: температуры; количества теплоты; теплотворной способности; теплоёмкости; энтропии; внутренней и свободной энергии;

- измерение времени и частоты: интервалов времени; частоты периодических процессов; изменений при передаче размеров времени и частоты;

- измерение электромагнитных величин: силы тока; количества электричества; заряда; потенциала; напряжения; электродвижущей силы; мощности; энергии; сопротивления; проводимости; электроёмкости; индуктивности; электрической и магнитной проницаемости; напряжённости;

- радиоэлектронные измерения: интенсивности сигналов, формы и спектра сигналов; коэффициентов передачи, усиления, затухания, искажения;

- измерение механических и акустических колебаний и волн: акустических волн в газовой, жидкой, твёрдой и нелинейных средах; энергии упругой и стоячей волны; измерение уровня шума и механических вибраций; отражения волн от препятствий;

- спектрально-оптические и оптико-физические измерения: энергетические параметры электромагнитных колебаний в радиодиапазоне, инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях; параметрия и спектральная характеристика когерентного излучения; поглощение, отражение, дисперсия, дифракция, интерференции, поляризация, спектральная характеристика электромагнитного излучения при прохождении через вещество;

- измерение ионизирующих излучений и ядерных констант: энергетические параметры и дозиметрия ионизирующих излучений; спектральная характеристика ионизирующих излучений; активность радионуклидов.

При измерении физической величины применяют шкалу измерений – упорядоченную совокупность значений физической величины, служащую основой для её измерения. Выделяют следующие виды шкал:

1. Шкалы наименований. Характеризуются только отношением эквивалентности различных качественных проявлений свойства. Они не имеют нуля и единицы измерений. Это, например, шкала цвета, применяемая в колориметрии.

2. Шкалы порядка. Свойства величин описывают как отношением эквивалентности, так и отношением порядка по возрастанию или убыванию количественного проявления свойства. Они могут иметь нулевую точку, но принципиальным для них является отсутствие единицы измерения, т.к. невозможно установить, во сколько раз больше или меньше проявляется свойство величины. Это шкалы твёрдости (Мооса, Бринелля НВ, Виккерса НV, Роквелла НR), силы ветра (Бофорта), силы землетрясения (магнитудная шкала Рихтера, шкала Меркалли, шкала МSK-64 Медведева-Шпонхойера-Карника) (приложение П).

3. Шкалы интервалов (разностей). Описывают свойства величин не только с помощью отношений эквивалентности и порядка, но также с применением суммирования и пропорциональности интервалов между количественными проявлениями свойства. Шкалы интервалов имеют условные нули (реперные точки) и установленные по согласованию единицы измерения. Это шкалы времени (всемирного, эфемеридного, атомного), а также шкала длин (линейка).

4. Шкала отношений. Даёт как количественную, так и качественную характеристику физической величины. В ней существует естественный нуль и по согласованию устанавливается единица измерения. Это шкалы массы и термодинамической температуры.

5. В абсолютных шкалах однозначно присутствует определение единицы измерения, помимо признаков, присущих шкалам отношений. Это коэффициенты полезного действия, усиления, ослабления, амплитудной модуляции и нелинейных искажений.