Метрология лекции М.Л.
Основы метрологии« Основные понятия и задачи метрологии. Области и виды измерений. Шкалы измерений»Лекция № 1Измерения являются одним из важнейших путей раз¬вития 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, оценки качества товаров, внедрения новых технологий и управления ими.Наука, изучающая измерения, называется метроло¬гией. 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 соотноше¬ниях между ними. Метрология как наука об измерениях наиболее интенсивно стала развиваться в XX в. благодаря открытиям в области математических и физических наук. Сегодня можно считать, что уровень развития современно¬го государства, включая его торговлю, промышленность, медицину, науку, оборону, строительство, экологию и услу¬ги, в значительной мере определяется состоянием и дина¬мичным развитием метрологического обеспечения.Основные понятия и задачи метрологииТеоретическая метрология занимается фундаменталь¬ными вопросами теории измерений, разработкой новых методов измерений, созданием систем единиц измерений и физических постоянных.Прикладная метрология изучает вопросы практичес¬кого применения результатов разработок теоретической и законодательной метрологии в различных сферах де¬ятельности.Законодательная метрология устанавливает обязатель¬ные правовые, технические и юридические требования по применению единиц величин, эталонов, стандартных образцов, методов и средств измерений, направленные на обеспечение единства и точности измерений в интересах общества.Предметом метрологии является получение количес¬твенной информации о свойствах объектов и процессов с заданной точностью и достоверностью.Главными задачами метрологии являются:• обеспечение единства измерений (ОЕИ);• унификация единиц величин и признание их закон¬ности; • разработка систем воспроизведения единиц величин и передача их размеров рабочим средствам измерений. Основное понятие метрологии — измерение. Изме¬рение — это нахождение значения величины опытным путем с помощью специальных технических средств или, другими словами, совокупность операций, выполняемых для определения количественного значения величины.Значимость измерений выражается в трех аспектах: фи¬лософском, научном и техническом.Философский аспект заключается в том, что измерения являются основным средством объективного познания окружающего мира, важнейшим универсальным методом познания физических явлений и процессов. Научный аспект измерений состоит в том, что с помощью изме¬рений осуществляется связь теории и практики, без них невозможны проверка научных гипотез и развитие науки. Технический аспект измерений — это получение количес¬твенной информации об объекте управления и контроля, без которой невозможно обеспечение условий проведения технологического процесса, качества продукции и эффек¬тивного управления процессом. Величи¬на — одно из свойств объекта (системы, явления, процес¬са), которое может быть выделено среди других свойств и оценено (измерено) тем или иным способом, в том числе и количественно. Если свойство объекта (явления, процесса) является качественной категорией, так как ха¬рактеризует отличительные особенности в различии или общности его с другими объектами, то понятие величины служит для количественного описания одного из свойств этого объекта. Величины подразделяются на идеальные и реальные, последние из которых бывают физичес¬кие и нефизические. Пример физических величин и их классификация приведены на рис. 5.1. Рис. 5.1 Классификация физических величинКоличественное содержание ин¬дивидуального свойства объекта является размером вели¬чины, а числовую оценку ее размера называют значением величины. Например, разные вещества обладают той или иной плотностью, но каждое из них имеет вполне оп¬ределенное значение: у воды плотность при 20 °С равна 0,998 г/см3, а ртути — 13,540 г/см3. Отсюда следует, что одна и та же величина как вполне определенное свойство будет при одинаковых единицах измерения для разных веществ, фаз и систем отличаться размером.Единица величины — это фиксированное значение ве¬личины, которое принято за единицу данной величины и применяется для количественного выражения одно¬родных с ней величин. Различают истинное значение величины, идеально отражающее свойство объекта, и дейс¬твительное — найденное экспериментально, достаточно близкое к истинному значению величины и которое можно использовать вместо него.Основное уравнение измерения:Q=q[Q], (5.1)где Q — значение величины — это оценка ее размера в ви¬де некоторого числа принятых для нее единиц; q — числовое значение величины Q — отвлеченное число, выражающее отношение значения величины к соответствующей единице данной величины; [Q] — выбранная единица измерения величины Q. Например, за единицу измерения напряжения элек¬трического тока принят 1 В, тогда значение напряжения электрической сети U= q • [U] = 220 • [1 В] = 220 В. Здесь числовое значение q = 220. Но если за единицу напряже¬ния принять [1 кВ], то U= q • [U] = 0,22- [1 кВ] = 0,22 кВ, т.е. числовое значение q - 0,22. Таким образом, примене¬ние различных единиц (1 В и 1 кВ) приводит к изменению числового значения результата измерения.Единство измерений - такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в допущенных к применению в Российской Федерации единицах ве¬личин, а показатели точности измерений не выходят за установленные границы. Единство измерений необходимо для того, чтобы можно было сопоставить результаты из¬мерений, выполненных в разных местах, в разное время, с использованием разных методов и средств измерений.Лекция № 2Области и виды измеренийОбласть измерений — совокупность измерений вели¬чин, 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 изме¬рений:1. Измерение геометрических величин: длин, отклонений формы поверхностей, параметров сложных поверхнос¬тей, углов.2. Измерение механических величин: массы, плотности, силы, количества движения, мощности, энергии, вяз¬кости, напряжений.3. Измерение параметров потока, расхода, уровня, объема веществ. 4. Измерение давления: избыточного давления; абсолют¬ного давления, переменного давления, вакуума.5. Физико-химические измерения.6. Теплофизические и температурные измерения: темпе¬ратуры, теплофизических величин.7. Измерения времени и частоты.8. Измерения электрических и магнитных величин: силы электрического тока, электрического заряда, электрического напряжения, потока электрического смещения, электрической емкости, магнитодвижу¬щей силы, магнитной индукции, магнитного потока, индуктивности, электрического сопротивления, элек¬трической проводимости, магнитной проводимости, активной мощности, энергии. 9. Радиотехнические измерения.10. Измерения акустических величин: периода, частоты периодического процесса, длины волны, звукового давления, скорости звука, звуковой мощности, вре¬мени реверберации.11. Оптические и оптико-физические измерения.12. Измерения ионизирующих излучений: поглощенной дозы ионизирующего излучения; активности радио¬нуклидов; эквивалентной дозы ионизирующего излу¬чения.Объектом измерения являются система, процесс, явле¬ние и т.д., которые характеризуются одной или нескольки¬ми измеряемыми величинами. Примером объекта измере¬ний может быть технологический химический процесс, во время которого измеряют температуру, давление, энергию, расход веществ и материалов и другие параметры.Шкалы измеренийИзмерения различных величин, характеризующих свой¬ства систем, явлений и других процессов, занимают важное место в повседневной жизни. Разнообразные проявления (количественные или качественные) любого свойства обра¬зуют множества, отображения элементов которых образуют шкалы измерения этих свойств. Шкала измерений коли¬чественного свойства является шкалой величины. Шкала величины — это упорядоченная совокупность значений величины, служащая исходной основой для измерений данной величины.В метрологии установлены различные типы шкал измерений.Шкалы наименований характеризуются оценкой (отно¬шением) эквивалентности различных качественных про¬явлений 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, представля¬емые в виде атласов цветов. При этом процесс измерений заключается в достижении (например, при визуальном на¬блюдении) эквивалентности испытуемого образца с одним из эталонных образцов, входящих в атлас цветов.Шкалы порядка описывают свойства величин, упоря¬доченных по возрастанию или убыванию оцениваемого свойства, т.е. позволяют установить отношение боль¬ше/меньше между величинами, характеризующими это свойство. В этих шкалах в ряде случаев имеется нулевая отметка, но принципиальным для них является отсутствие единицы измерения, поскольку невозможно установить, в какое число раз больше или меньше проявляется свойс¬тво величины. Шкалы порядка: шкалы измерения твердо¬сти, баллов силы ветра, землетрясений, цветности воды, степени волнения моря. Например, для оценки степени волнения моря применяется условная 9-балльная шкала, в которой установлены соотношения между баллами и элементами волн (высота, длина, период). Шкала скорости ветра (шкала Бофорта) устанавливает соотношение между баллами и скоростью ветра (17-балльная шкала).Шкалы интервалов (разностей) описывают свойства величин не только с помощью отношений эквивалент¬ности и порядка, но также и с применением отношений суммирования и пропорциональности интервалов (раз¬ностей) между количественными проявлениями свойс¬тва. Шкалы интервалов могут иметь условно выбранное начало — нулевую точку и единицы измерений. К таким шкалам, например, относятся летосчисление по различ¬ным календарям, в которых за начало отсчета принято либо сотворение мира, либо Рождество Христово, либо температурные шкалы Цельсия, Фаренгейта, Реомюра.Шкала интервалов величины Q описывается уравне¬ниемQ=Qo + q [Q], (5.3)где q — числовое значение величины; Qo — начало отсчета шкалы; [Q]- единица рассматриваемой величины.Такая шкала определяется заданием начала отсчета Qo шкалы и единицы величины [Q]. Шкалы отношений описывают свойства величин, для множества количественных проявлений которых применимы логические отношения эквивалентности, порядка и про¬порциональности. В шкалах отношений существует естест¬венный нуль и устанавливается единица измерения.Шкалы отношений описываются уравнением Q= q [Q],где Q — величина, для которой строится шкала;[Q] — единица измерения величины;q — числовое значение величины.А переход одной шкалы отношений к другой осущест¬вляется через уравнениеq1=q2 Примерами шкалы отношений являются шкалы массы и термодинамической температуры, электромагнитных волн.Абсолютные шкалы, кроме всех признаков шкал отно¬шений, обладают дополнительным признаком: в них при¬сутствует однозначное определение единицы измерения. Эти шкалы присущи таким относительным единицам, как коэффициенты усиления, ослабления, полезного действия и т.д. Ряду абсолютных шкал, например, коэффициентов полезного действия, присущи границы, заключенные между нулем и единицей.Условные шкалы — шкалы величин, в которых не определена единица измерения. К ним относятся шкалы наименований и порядка.Шкалы интервалов, отношений и абсолютные назы¬ваются обычно метрическими (физическими), а шкалы наименований и порядка — неметрическими. Практи¬ческая реализация шкал измерений осуществляется путем стандартизации как самих шкал и единиц измерений, так и способов и условий их однозначного воспроизве¬дения.«Система метрологического обеспечения вРоссийской Федерации»Лекция № 3Нормативная база законодательной метрологииЗаконодательная метрология — это раздел метрологии, предметом которого является установление обязательных нормативно-правовых, технических и юридических требо¬ваний по применению единиц величин, средств и мето¬дов измерений, эталонов, направленных на обеспечение единства и необходимой точности измерений в интересах общества. Она распространяется на такие законодательно регулируемые сферы деятельности, существующие в лю¬бом государстве, как торговля, здравоохранение, безопас¬ность, охрана окружающей среды.Законодательная метрология служит средством госу¬дарственного регулирования метрологической деятельнос¬ти посредством законов и законодательных положений, которые вводятся в практику через метрологические службы государственных органов управления и юриди¬ческих лиц.В настоящее время создана система законодательного управления метрологической деятельностью на базе:— Конституции Российской Федерации;— Федерального закона № 102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений»;— Других федеральных законов, регулирующих отноше¬ния в области обеспечения единства измерений;— других нормативных и правовых документов по обес¬печению единства измерений (рис. 6.1). Рис. 6.1. Законодательная база метрологической деятельностиЦелями Закона являются:— установление правовых основ обеспечения единства измерений в РФ;— защита прав и законных интересов граждан, общества и государства от отрицательных последствий недос¬товерных результатов измерений и обеспечение их потребности в получении объективных, достоверных и сопоставимых результатов измерений;— содействие развитию экономики РФ и научно-техни¬ческому прогрессу.В Законе установлено, что сфера государственного регулирования обеспечения единства измерений распро¬страняется на:— здравоохранение;— ветеринарную деятельность;— охрану окружающей среды;— обеспечение безопасности при чрезвычайных ситуа¬циях;— обеспечение безопасных условий и охраны труда;— производственный контроль за соблюдением установ¬ленных законодательством требований промышленной безопасности к эксплуатации опасного производствен¬ного объекта;— торговлю и товарообменные операции, расфасовку товаров;— выполнение государственных учетных операций;— оказание услуг почтовой связи и электросвязи;— оборону и безопасность государства;— геодезическую и картографическую деятельность;— гидрометеорологию;— проведение банковских, налоговых и таможенных операций;— оценку соответствия продукции обязательным требо¬ваниям;— проведение официальных спортивных соревнований, обеспечение подготовки спортсменов высокого класса;— выполнение поручений суда, органов прокуратуры, государственных органов исполнительной власти;— осуществление мероприятий государственного конт¬роля (надзора).Основные задачи государственной системы измерений:• разработка оптимальных принципов управления де¬ятельностью по обеспечению единства измерений;• организация и проведение фундаментальных научных исследований с целью создания совершенных и точных методов и средств воспроизведения единиц и передачи их размеров;• установление системы единиц величин и шкал изме¬рений, допускаемых к применению;• установление основных понятий метрологии, унифи¬кации их терминов и определений;• установление экономически рациональной системы государственных эталонов;• создание, утверждение, применение и совершенство¬вание государственных эталонов;• установление систем (по видам измерений) передачи размеров единиц величин от государственных эталонов средствами измерений, применяемыми в стране;• создание и совершенствование вторичных и рабочих эталонов, комплектных поверочных установок и ла¬бораторий;• установление общих метрологических требований к эталонам, средствам измерений, методикам выпол¬нения измерений, методикам поверки (калибровки) средств измерений;• осуществление государственного метрологического надзора за состоянием и применением средств изме¬рений, эталонами единиц величин, соблюдением мет¬рологических правил и норм, количеством фасованных товаров в упаковках любого вида при их расфасовке и продаже;• аттестация методик выполнения измерений;• калибровка и сертификация средств измерений, не входящих в сферы государственного метрологического контроля и надзора;• аккредитация метрологических служб и иных юридических или физических лиц по различным видам метрологической деятельности;• аккредитация поверочных, калибровочных, измери¬тельных, испытательных и аналитических лаборато¬рий, лабораторий неразрушающего и радиационного контроля в составе действующих в РФ систем аккре¬дитации.Государственная система обеспечения единства изме¬рений состоит из трех подсистем:1) правовой;2) технической;3) организационной.Лекция № 4Организационная структура обеспечения единства измеренийЗаконодательство и другие нормативно-правовые акты, метрологическая наука в сочетании с метрологическими службами и метрологическим надзором составляют систе¬му обеспечения единства измерений в стране. Обеспечение единства измерений в Российской Федерации выполняют следующие службы:— федеральные органы исполнительной власти, осуществляющие установленные Правительством РФ функциив области метрологии;— государственные научные метрологические институты; —_государственные региональные центры метрологии; — метрологические службы; — организации, осуществляющие деятельность по обес¬печению единства измерений. Основными задачами федеральных органов исполни¬тельной власти являются:• разработка государственной политики и норматив¬но-правового регулирования в области обеспечения единства измерений;• организация взаимодействия с международными ор¬ганизациями в области обеспечения единства изме¬рений;• реализация государственной политики в области обес¬печения единства измерений;• координация деятельности в области обеспечения единства измерений;• осуществление государственного метрологического надзора.В систему метрологического обеспечения входит ряд государственных научных метрологических центров и на¬учно-исследовательских институтов. Наиболее крупные из них — Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы (ВНИИМС, г. Москва), Всерос¬сийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева (ВНИИМ, г. Санкт-Петербург), Все¬российский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ, Московская область), Уральский научно-исследователь¬ский институт метрологии (УНИИМ, г. Екатеринбург), Всероссийский научно-исследовательский институт оп¬тико-физических измерений (ВНИИОФИ, г. Москва), Сибирский государственный научно-исследовательский институт метрологии (СНИИМ, г. Новосибирск), Всерос¬сийский научно-исследовательский институт расходометрии (ВНИИР, г. Казань).Основные задачи государственных научных метроло¬гических институтов:— проведение фундаментальных и прикладных научных исследований, экспериментальных разработок в об¬ласти обеспечения единства измерений;— разработка, совершенствование, содержание, сличение и применение государственных первичных эталонов единиц величин;— передача единиц величин от государственных первич¬ных эталонов;— участие в разработке проектов нормативных докумен¬тов;— проведение метрологической экспертизы нормативных и правовых документов;— создание и ведение Федерального информационного фонда по обеспечению единства измерений;— участие в международном сотрудничестве в области метрологии.Для целей обеспечения единства измерений в Россий¬ской Федерации созданы:1) Государственная служба времени, частоты и опре¬деления параметров вращения Земли;2) Государственная служба стандартных справочных данных о физических константах и свойствах ве¬ществ и материалов;3) Государственная служба стандартных образцов со¬става и свойств веществ и материалов.«Основные понятия об измерениях и средствах измерений»Лекция № 5Классификация измеренийВсе измерения классифицируют (рис. 8.2):• по способу получения информации;• по характеру изменения получаемой информации в процессе измерения;• по количеству измерительной информации;• по отношению к основным единицам. Рис. 8.2 Классификация измеренийПо способу получения информации измерения разделя¬ются на следующие виды: 1. Прямые измерения, при которых искомое значение измеряемой величины получают непосредственно (пу¬тем сравнения величины с ее единицей). При прямых измерениях объект исследования приводят во взаимо¬действие со средством измерений и по его показаниям отсчитывают значение измеряемой величины.К прямым измерениям относятся измерение массы при помощи весов и гирь, силы тока — амперметром, температуры — термометром, измерение длины — ли¬нейкой. 2. Косвенные измерения, при которых искомое значение величины определяют на основании прямых измере¬ний других величин, функционально связанных извест¬ной зависимостью с искомой величиной. Например, плотность тела можно определить по результатам измерений массы т и объема V:ρ (8.1)а скорость при равномерном движении — по результатам измерений пройденного пути S и времени τ: (8.2)3. Совокупные измерения, при которых одновремен¬но проводятся измерения нескольких одноименных величин и искомое значение величины, определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях, при этом число уравнений должно быть не меньше числа величин. Например, значение массы отдельных гирь набора определяют по известному значению массы одной из гирь и по результатам измерений (сравнений) масс различных сочетаний гирь.4. Совместные измерения, при которых одновременно проводятся измерения двух или нескольких не од¬ноименных величин для определения зависимости между ними, например, зависимость длины объекта от температуры.По характеру изменения получаемой информации в про¬цессе измерений измерения подразделяются на статичес¬кие и динамические.Статические измерения — это такие измерения, ког¬да измеряемая величина принимается за неизменную на протяжении времени измерения, например, измерение размеров земельного участка.Динамическое измерение — это измерение, в процессе которого измеряемая величина изменяется.Развитие средств измерений и повышение их чувс¬твительности позволяет сегодня обнаружить изменение величин, ранее считавшихся постоянными, поэтому раз¬деление измерений на динамические и статические можно считать условным.По количеству измерительной информации измерения делятся на однократные и многократные.Однократные измерения выполняются один раз, а мно¬гократные позволяют получить результат из нескольких следующих друг за другом измерений одного и того же объекта. При однократных измерениях показания средств измерений являются результатом измерений, погрешность используемого средства измерений определяет погреш¬ность результата измерения. Применение многократных измерений позволяет повысить точность измерения до определенного предела.По отношению к основным единицам измерения делятся на абсолютные и относительные.Абсолютные измерения основаны на прямых изме¬рениях одной или нескольких основных величин или использовании значений физических констант. Например, определение массы в килограммах, количества вещест¬ва—в молях, частоты — в герцах.Относительные измерения — это измерения отноше¬ния величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерение изменения величины по отно¬шению к одноименной величине, принимаемой за исход¬ную. Например, относительная влажность определяется как отношение упругости водяного пара, содержащегося в воздухе, к упругости насыщенного пара при той же температуре, и выражается в процентах.