Метрологія - наука про вимірювання

У практичному житті людина всюди має справу з вимірами. На кожному кроці зустрічаються вимірювання таких величин, як довжина, обсяг, вага, час і ін.

Вимірювання є одним з найважливіших шляхів пізнання природи людиною. Вони дають кількісну характеристику навколишнього світу, розкриваючи людині діючі в природі закономірності. Всі галузі техніки не могли б існувати без розгорнутої системи вимірів, що визначають як усі технологічні процеси, контроль і управління ними, так і властивості і якість випуску продукції.

Велике значення вимірювань в сучасному суспільстві. Вони служать не тільки основою науково-технічних знань, але мають першорядне значення для обліку матеріальних ресурсів і планування, для внутрішньої і зовнішньої торгівлі, для забезпечення якості продукції, взаємозамінності вузлів і деталей і вдосконалення технології, для забезпечення безпеки праці та інших видів людської діяльності.

Особливо зросла роль вимірювань в століття широкого впровадження нової техніки, розвитку електроніки, автоматизації, атомної енергетики, космічних польотів. Висока точність управління польотами космічних апаратів досягнута завдяки сучасним досконалим засобам вимірювань, які встановлюються за як на самих космічних апаратах, так і в вимірювально-керуючих центрах.

Велика розмаїтість явищ, з якими доводиться стикатися, визначає широке коло величин, що підлягають вимірюванню. У всіх випадках проведення вимірювань, незалежно від вимірюваної величини, методу і засобу вимірювань, є спільне, що становить основу вимірювань - це порівняння досвідченим шляхом даної величини з іншою подібною їй, прийнятої за одиницю. При будь-якому вимірі ми за допомогою експерименту оцінюємо фізичну величину у вигляді деякого числа прийнятих для неї одиниць, тобто знаходимо її значення.

В даний час встановлено наступне визначення виміру: вимір є знаходження значення фізичної величини дослідним шляхом за допомогою спеціальних технічних засобів.

Галуззю науки, що вивчає вимірювання, є метрологія.

Слово "метрологія" утворене з двох грецьких слів: метрон - міра і логос - вчення. Дослівний переклад слова "метрологія" - вчення про заходи. Довгий час метрологія залишалася в основному описової наукою про різні заходи і співвідношеннях між ними. З кінця минулого століття завдяки прогресу фізичних наук метрологія отримала значного розвитку. Велику роль в становленні сучасної метрології як однієї з наук фізичного циклу зіграв Д. І. Менделєєв, який керував вітчизняної метрологією в період 1892 - 1907 рр.

Метрологія в її сучасному розумінні - наука про вимірювання, методи, засоби забезпечення їх єдності та способи досягнення необхідної точності.

Єдність вимірювань - такий стан вимірювань, за якого їх результати виражені в узаконених одиницях і похибки вимірювань відомі з заданою вірогідністю. Єдність вимірювань необхідно для того, щоб можна було порівняти результати вимірювань, виконаних в різних місцях, в різний час, з використанням різних методів і засобів вимірювань.

Точність вимірювань характеризується близькістю їх результатів до істинного значення.

Вимірювання є найважливішим поняттям в метрології. Це організоване дію людини, яке виконує для кількісного пізнання властивостей фізичного об'єкта за допомогою визначення дослідним шляхом значення будь-якої фізичної величини.

Існує кілька видів вимірювань. При їх класифікації зазвичай виходять з характеру залежності вимірюваної величини від часу, виду рівняння вимірювань, умов, що визначають точність результату вимірювань і способів вираження цих результатів.

За характером залежності вимірюваної величини від часу вимірювання поділяються на

· Статичні. при яких вимірювана величина залишається постійною в часі;

· Динамічні. в процесі яких вимірювана величина змінюється і є непостійною в часі.

Статичними вимірюваннями є, наприклад, вимірювання розмірів тіла, постійного тиску, динамічними - вимірювання пульсуючих тисків, вібрацій.

За способом отримання результатів вимірювань їх поділяють на

Прямі - це вимірювання, при яких шукане значення фізичної величини знаходять безпосередньо з досвідчених даних. Прямі вимірювання можна виразити формулою, де - шукане значення вимірюваної величини, а - значення, безпосередньо отримується з досвідчених даних.

При прямих вимірюваннях експериментальним операціями піддають вимірювану величину, яку порівнюють з мірою безпосередньо або ж за допомогою вимірювальних приладів, градуйованих в необхідних одиницях. Прикладами прямих служать вимірювання довжини тіла лінійкою, маси за допомогою ваг і ін. Прямі вимірювання широко застосовуються в машинобудуванні, а також при контролі технологічних процесів (вимірювання тиску, температури і ін.).

Непрямі - це вимірювання, при яких шукану величину визначають на підставі відомої залежності між цією величиною і величинами, що піддаються прямим вимірам, тобто вимірюють не власне обумовлену величину, а інші, функціонально з нею пов'язані. Значення вимірюваної величини знаходять шляхом обчислення за формулою, де - шукане значення побічно вимірюваної величини; - функціональна залежність, яка заздалегідь відома, - значення величин, виміряних прямим способом.

Приклади непрямих вимірювань: визначення обсягу тіла за прямими вимірюваннями його геометричних розмірів, знаходження питомої електричного опору провідника за його опору, довжині і площі поперечного перерізу.

Непрямі вимірювання широко поширені в тих випадках, коли шукану величину неможливо або дуже складно виміряти безпосередньо або коли пряме вимірювання дає менш точний результат. Роль їх особливо велика при вимірюванні величин, недоступних безпосередньому експериментальному порівнянні, наприклад розмірів астрономічного або внутріатомної порядку.

Сукупні - це вироблені одночасно вимірювання кількох однойменних величин, при яких шукану визначають рішенням системи рівнянь, одержуваних при прямих вимірах різних сполучень цих величин.

Прикладом сукупних вимірювань є визначення маси окремих гир набору (калібрування за відомою масою однієї з них і за результатами прямих порівнянь мас різних сполучень гир).

Приклад. Необхідно зробити калібрування важки, що складається з гир масою 1, 2, 2 *, 5, 10 і 20 кг (зірочкою відзначена гиря, що має те ж саме номінальне значення, але інше істинне). Калібрування полягає у визначенні маси кожної гирі по одній зразковою гирі, наприклад по гирі масою 1 кг. Для цього проведемо вимірювання, змінюючи кожного разу комбінацію гир (цифри показують масу окремих гир, - позначає масу зразкової гирі в 1 кг): і т.д.

Букви означають важки, які доводиться додавати або віднімати від маси гирі, зазначеної в правій частині рівняння, для врівноваження ваг. Вирішивши цю систему рівнянь, можна визначити значення маси кожної гирі.

Спільні - це вироблені одночасно вимірювання двох або декількох неодноіменних величин для знаходження залежностей між ними.

Як приклад можна назвати вимірювання електричного опору при 20 0 С і температурних коефіцієнтів вимірювального резистора за даними прямих вимірювань його опору при різних температурах.

За умовами, що визначає точність результату, вимірювання поділяються на три класи:

1. Вимірювання максимально можливої ​​точності. досяжною при існуючому рівні техніки.

До них відносяться в першу чергу еталонні вимірювання, пов'язані з максимально можливою точністю відтворення встановлених одиниць фізичних величин, і, крім того, вимірювання фізичних констант, перш за все універсальних (наприклад абсолютного значення прискорення вільного падіння, гіромагнітного відносини протона і ін.).

До цього ж класу відносяться і деякі спеціальні вимірювання, що вимагають високої точності.

2. Контрольно-перевірочні вимірювання. похибка яких з певною ймовірністю не повинна перевищувати деякого заданого значення.

До них відносяться вимірювання, що виконуються лабораторіями державного нагляду за впровадженням і дотриманням стандартів і станом вимірювальної техніки і заводськими вимірювальними лабораторіями, які гарантують погрішність результату з певною ймовірністю, що не перевищує деякого, заздалегідь заданого значення.

3. Технічні вимірювання. в яких похибка результату визначається характеристиками засобів вимірювань.

Прикладами технічних вимірювань є вимірювання, що виконуються в процесі виробництва на машинобудівних підприємствах, на щитах розподільних пристроїв електричних станцій і ін.

За способом вираження результатів вимірювань розрізняють абсолютні та відносні вимірювання.

Абсолютними називаються вимірювання, які засновані на прямих вимірюваннях однієї або декількох основних величин або на використанні значень фізичних констант.

Прикладом абсолютних вимірювань може служити визначення довжини в метрах, сили електричного струму в амперах, прискорення вільного падіння в метрах на секунду в квадраті.

Відносними називаються вимірювання відношення величини до однойменної величини, що відіграє роль одиниці, або вимірювання величини по відношенню до однойменної величини, прийнятої за вихідну.

Як приклад відносних вимірювань можна привести вимір відносної вологості повітря, яка визначається як відношення кількості водяної пари в 1 м3 повітря до кількості водяної пари, яке насичує 1 м 3 повітря при даній температурі.

Основними характеристиками вимірювань є: принцип вимірювань, метод вимірювань, похибка, точність, правильність і достовірність.

Принцип вимірювань - фізичне явище або сукупність фізичних явищ, покладених в основу вимірювань. Наприклад, вимірювання маси тіла за допомогою зважування з використанням сили тяжіння, пропорційній масі, вимірювання температури з використанням термоелектричного ефекту.

Метод вимірювань - сукупність прийомів використання принципів і засобів вимірювань. Засобами вимірювань є використовувані технічні засоби, що мають нормовані метрологічні властивості.

Похибка вимірювань - різниця між отриманим при вимірюванні X 'і істинним Q значеннями вимірюваної величини:

Похибка викликається недосконалістю методів і засобів вимірювань, непостійністю умов спостереження, а так-же недостатнім досвідом спостерігача або особливостями його органів почуттів.

Точність вимірювань - це характеристика вимірювань, що відображає близькість їх результатів до істинно-му значенню вимірюваної величини.

Кількісно точність можна висловити величиною, зворотної модулю відносної похибки:

Наприклад, якщо похибка вимірювань дорівнює, то точність рівна.

Правильність вимірювання визначається як якість вимірювання, що відображає близькість до нуля систематичних похибок результатів (тобто таких похибок, які залишаються постійного-ними або закономірно змінюються при повторних вимірах однієї і тієї ж величини). Правильність вимірювань залежить, в част-ності, від того, наскільки дійсний розмір одиниці, в ко-торою виконано вимір, відрізняється від її справжнього розміру (за визначенням), тобто від того, в якій мірі були правильні (вірні) засоби вимірювань, використані для даного виду вимірювань.

Наявність похибки обмежує достовірність вимірювань, тобто вносить обмеження в число достовірних значущих цифр числового значення вимірюваної величини і визначає точність вимірювань.