Файл: Лекции по теоретической метрологии.doc

ЛЕКЦИИ ПО ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ МЕТРОЛОГИИ

© Б.В. Цитович

МОДУЛЬ 1. Предметная область метрологии

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности (РМГ 29 – 99).

Буквальная расшифровка термина метрология базируется на двух древнегреческих корнях этого слова (μέτρον – мера, размер или μέτρεω – измеряю, и λόγος – слово, учение, понятие, а также мысль, разум), и его перевод вполне соответствует термину «наука об измерениях».

В физическом плане все величины принято делить на «измеримые» и «неизмеримые». Однако, поскольку фактически измерять можно все – физические величины, уровень интеллекта, глубину художественного впечатления от некоторого зрелища, степень женской красоты и многое другое, измерения трактуют по-разному – от аппаратурной количественной оценки физических величин до приписывания чисел субъективно оцениваемым свойствам.

Неоднозначная трактовка измерений позволяет сторонникам самого широкого подхода к измерениям распространять область интересов «науки об измерениях» за пределы «чистой» метрологии. В результате метрология смешивается с квалиметрией – областью науки, занимающейся количественной оценкой качества объектов и их частных свойств.

Анализ позволяет раскрыть взаимные связи метрологии и ряда других научных и практических сфер деятельности. Такие связи можно представить в виде общих областей пересекающихся множеств. Фактические связи метрологии со стандартизацией, квалиметрией и сертификацией показаны в виде схемы на рисунке 1.1.

---

В каждой из представленных областей деятельности важное место занимает контроль: нормоконтроль в стандартизации, измерительный контроль в метрологии, контроль уровня качества в квалиметрии и контроль соответствия установленным требованиям в сертификации. При этом чаще всего контролируют соответствие объекта требованиям, установленным нормативными документами по стандартизации.



Из рисунка 1.1 следует, что при контроле соответствия в сертификации применяют

как экспертные методы, так и заимствованные у метрологии аппаратурные средства. Измерительный контроль (контроль с использованием средств измерений) и органолептический контроль (контроль с использованием органов чувств эксперта) более подробно рассмотрены в приложении А к настоящему модулю.

Наиболее тесные связи метрологии со стандартизацией можно наблюдать в следующих областях:

• 
  установление единиц физических величин и их воспроизведения техническими средствами (средствами измерений);
  
• 
  передача единиц от государственного эталона ко всем рабочим средствам измерений (вплоть до наименее точных);
  
• 
  получение результатов измерений и формы их представления.
  

Все эти вопросы являются объектами рассмотрения так называемой «законодательной метрологии» – специальной области метрологии, имеющей свою международную организацию МОЗМ (Международная организация законодательной метрологии).

Даже поверхностный анализ деятельности человека показывает, насколько важную роль играют измерения. Без измерений невозможны производство, торговля, спорт, деловые и бытовые отношения.

Измерения определенных однотипных («измеримых») свойств можно рассматривать как однозначное отображение элементов эмпирической реляционной системы {Q} на некоторую числовую реляционную систему {N} (рисунок 1.2), причем отображение {Q} на {N} должно быть изоморфным. Изоморфизм в математике – свойство одинаковости строения каких-либо совокупностей элементов, безразличное к природе этих элементов.




Измерительное преобразование в условиях единственности уравнения измерения и возможности существования его решения можно формально описать основным уравнением измерения:

Q = Nq,

где Q – измеряемая величина;

---

q – единица измеряемой величины;

N – числовое значение, определяющее соотношение между Q и q.

Следует заметить, что данное теоретическое положение идеализированно, поскольку в нем не учитываются погрешности измерений, которыми специально занимается метрология. Метрология в нашей трактовке занимается исключительно измерениями физических величин на макроуровне.

В соответствии с РМГ 29 – 99 измерение физической величины(измерение величины; измерение) – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины. В ранее действовавшем нормативном документе (ГОСТ 16263 – 70) измерение трактовали как нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Принципиальных отличий в приведенных определениях не наблюдается, хотя «нахождение соотношения в неявном виде» вызывает некоторые сомнения, поскольку противоречит смыслу основного уравнения измерения. Тем не менее, в РМГ 29 – 99 говорится, что приведенное в нем определение понятия «измерение» соответствует общему уравнению измерений, поскольку в нем учтена техническая сторона (совокупность операций), раскрыта метрологическая суть измерений (сравнение с единицей) и показан гносеологический аспект (получение значения величины).

От термина «измерение» происходит термин «измерять», наряду с которым нередко применяются такие термины, как «мерить», «обмерять», «замерять», «промерять», а также «обмер», «замеры» и ряд других. Это нестандартные термины и применять их не следует.

Физическая величина (величина; ФВ) – одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.

Определение не отвечает требованиям конкретности и однозначности, например, ему соответствует число конфет в коробке или бутылок минеральной воды в ящике. Приведенные примеры относятся скорее к «счетным величинам», чем к физическим. Можно подобрать и другие примеры, однако, мы относим к физическим величинам те, которые признаны таковыми. Причем наряду с величинами, безусловно относящимися к физическим (масса, длина, температура, сила электрического тока и др.), в системах единиц физических величин присутствуют частота, разрешающая способность оптических систем, и даже единица количества вещества – полные аналоги числа штучных товаров в одной упаковке (такие величины выше определены как «счетные»). Одним из определяющих признаков физической величины является возможность аппаратурного (инструментального) измерения, для чего средством измерения воспроизводится единица измеряемой физической величины.

---

Для измерения интересующего нас свойства (физической величины) средство измерения приводят во взаимодействие с объектом, который является носителем соответствующего свойства. Как правило любой объект измерения характеризуется некоторым множеством физических величин (ФВ₁,..., ФВ_n, или Q₁,..., Q_n). Например, любой предмет имеет массу (она реализуется на предмете как одна физическая величина), размеры (реализуются как множество физических величин номинально разных и номинально одинаковых), плотность, твердость, электрические и магнитные характеристики. Физическая величина, присущая конкретному объекту, является не единственной его характеристикой. Поэтому измерение некоторой заданной физической величины можно представить моделью, показанной на рисунке 1.3. Очевидно также, что результат измерения Х_i не может идеально отражать измеряемое свойство и отличается от истинного значения измеряемой физической величины Q_i. Отсюда естественно возникает разговор о точности измерений.

Точность результата измерений (точность измерений) – одна из характеристик качества измерения, отражающая близость к нулю погрешности результата измерения. Поскольку точность измерения тем выше, чем меньше его погрешность, для количественной характеристики точности измерений обычно используют значения погрешностей.

Погрешность результата измерения (погрешность измерения) – отклонение результата измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины.


Упоминание в определении действительного значения измеряемой величины некорректно, поскольку само оно не совпадает с истинным значением измеряемой величины, и, следовательно, не может быть базой для отсчета погрешности. Погрешность измерения можно представить в виде разности между результатом измерения (полученным при измерении значением физической величины) и истинным значением физической величины

∆ = х – Q,

где ∆ – погрешность измерения,

х – результат измерения (полученное при измерении значение физической величины),

---

Q – истинное значение физической величины.

Необходимость измерений в любом промышленном производстве проиллюстрирована рисунком 1.4.



Измерения необходимы для оценки любого объекта трансформации (сырья, заготовки, детали, сборочной единицы) до ее начала, во время ее проведения и по окончании. В любом технологическом процессе надо знать, с чем приходится работать, чтобы планировать сам процесс, следить за тем как процесс идет, чтобы при необходимости корректировать его. Результат переработки исходного объекта тоже подлежит измерениям для оценки его качества и принятия управляющих решений (пропустить далее в обработку, продажу, эксплуатацию, забраковать, вернуть на переработку, корректировать техпроцесс...).

Определяющее значение измерения имеют и для любых экспериментальных исследований. Д.И.Менделеев сказал: «Наука начинается там, где начинают измерять. Точная наука немыслима без меры». Галилео Галилею приписывают слова: «Измерять то, что измеримо, делать измеримым то, что пока что неизмеримо». Место измерений в экспериментальных научных исследованиях, проводимых с использованием не только визуальных, но и аппаратурных средств фиксации результатов, показано на рисунке 1.5.



Достоверные результаты исследований и выводы из них могут быть получены только при «опережающей точности измерений». Любой тонкий эффект можно зафиксировать только тогда, когда измерения позволяют выделить его из информационного шума, в том числе и обусловленного погрешностями измерений.

Обмен результатами производственной и научной деятельности, международная кооперация в науке, промышленности и торговле требуют обеспечения достоверности всех результатов производственных и научных измерений. Поэтому в метрологии вводятся такие понятия, как единство измерений и единообразие средств измерений.

Единство измерений – состояние измерений, характеризующееся тем, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам единиц, воспроизводимых первичными эталонами, а погрешности результатов измерений известны и с заданной вероятностью не выходят за установленные пределы.

---