Метрологія - наука про вимірювання. Види вимірювань. Фізичні величини як об'єкт вимірювань. Міжнародна система одиниць фізичних величин
1. Метрологія - наука про вимірювання
Метрологія (від грец. "Метро" - міра, «логос» - вчення) - наука про вимірювання, методи і засоби забезпечення їх єдності і необхідної точності (тут і далі тлумачення термінів відповідає МІ-2247-93 "Рекомендація. Метрологія. Основні терміни і визначення ").
Сучасна метрологія включає три складові: законодавчу метрологію, фундаментальну (наукову) і практичну (прикладну) метрологію.
Метрологія як наука і галузь практичної діяльності виникла в стародавні часи. Основою системи заходів в давньоруської практиці послужили давньоєгипетські одиниці вимірювань, а вони, в свою чергу були запозичені в стародавній Греції і Римі. Природно, що кожна система заходів відрізнялася своїми особливостями, пов'язаними не тільки з епохою, а й з національним менталітетом.
Найменування одиниць і їх розміри відповідали можливості здійснення вимірювань "підручними" способами, не вдаючись до спеціальних пристроїв. Так, на Русі основними одиницями довжини були п'ядь і лікоть, причому п'ядь служила основною давньоруської мірою довжини і означала відстань між кінцями великого і вказівного пальця дорослої людини. Пізніше, коли з'явилася інша одиниця - аршин - п'ядь (1/4 аршини) поступово вийшла з ужитку.
Міра лікоть прийшла до нас з Вавилона і означала відстань від згину ліктя до кінця середнього пальця руки (іноді - стиснутого кулака або великого пальця).
З XVIII ст, вУкаіни стали застосовуватися дюйм, запозичений з Англії (називався він "палець"), а також англійський фут. Особливою російської мірою була сажень, рівна трьом ліктів (близько 152 см) і косий сажень (близько 248 см).
Указом Петра I українські міри довжини були узгоджені з англійськими, і це по суті - перший ступінь гармонізації української метрології з євро-пейських.
Метрична система заходів введена у Франції в 1840 р Велику значи-мість її прийняття вУкаіни підкреслив Д.І. Менделєєв, передбачивши більшу роль загального поширення метричної системи як засобу сприяння "майбутнього бажаного зближення народів",
З розвитком науки і техніки були потрібні нові виміри і нові єдині-ци виміру, що стимулювало в свою чергу вдосконалення фундамен-ментальною і прикладної метрології.
Спочатку прототип одиниць вимірювання шукали в природі, досліджуючи мак-рооб'екти і їх рух. Так, секундою стали вважати частину періоду обертання Землі навколо осі. Поступово пошуки перемістилися на атомний і внутріатом-ний рівень, В результаті уточнювалися "старі" одиниці (заходи) і з'явилися нові. Так, в 1983 році було прийнято нове визначення метра: це довжина шляху, що проходить світло у вакуумі за 1/299792458 частку секунди. Це стало можли-ним після того, як швидкість світла у вакуумі (299792458 м / с) метрологи прий-ли в якості фізичної константи. Цікаво відзначити, що тепер з точки зору метрологічних правил метр залежить від секунди.
У 1988 р на міжнародному рівні були прийняті нові константи в області вимірювань електричних одиниць і величин, а в 1989 р прийнята нова Міжнародна практична температурна шкала МТШ-90.
На цих прикладах видно, що метрологія як наука динамічно розвивається, що, природно, сприяє вдосконаленню практики вимірювань-ний у всіх інших наукових і прикладних областях.
Якістю і точністю вимірювань визначається можливість розробки принципово нових приладів, вимірювальних пристроїв для будь-якої сфери техніки, що говорить на користь випереджальних темпів розвитку науки і техніки вимірювань, тобто метрології.
Разом з розвитком фундаментальної і практичної метрології происхо-діло становлення законодавчої метрології.
Законодавча метрологія - це розділ метрології, що включає комплек-си взаємопов'язаних і взаємообумовлених загальних правил, а також інші по-тання, які потребують регламентації і контролю з боку держави, направ-лені на забезпечення єдності вимірювань і одноманітності засобів вимірювань.
Законодавча метрологія служить засобом державного регулиро-вання метрологічну діяльність за допомогою законів і законодавчих по-пропозицій, які вводяться в практику через Державну метрологічну службу і метрологічні служби державних органів управління та юри-дических осіб. До області законодавчої метрології відносяться іспити і ут-вержденіе типу засобів вимірювальної техніки та їх повірка та калібрування, сертифікація засобів вимірювань, державний метрологічний контроль і нагляд за середовищ-засобами виміру.
Метрологічні правила і норми законодавчої метрології гармонізує-вани з рекомендаціями та документами відповідних міжнародних орга-нізацій. Тим самим законодавча метрологія сприяє розвитку між-народних економічних і торговельних зв'язків і сприяє взаєморозумінню в міжнародному метрологічному співпраці.
Вимірювання як основний об'єкт метрології пов'язані як з фізичними величинами, так і з величинами, що відносяться до інших наук (математики, психології, медицині, суспільних наук та ін.). Далі будуть розглядатися поняття, які стосуються фізичних величин.
Фізичною величиною називають одне з властивостей фізичного об'єкта (явле-ня, процесу), яке є загальним в якісному відношенні для багатьох фізичних об'єктів, відрізняючись при цьому кількісним значенням. Так, властивість "міцність" в якісному відношенні характеризує такі матеріали, як сталь, дерево, тканину, скло і багато інших, в той час як ступінь (кількісних-дарське значення) міцності - величина для кожного з них абсолютно різна.
Виміром називають сукупність операцій, які виконуються за допомогою технічного засобу, що зберігає одиницю величини і дозволяє зіставлення на-віть з нею вимірювану величину. Отримане значення величини і є резуль-тат вимірювань. Цікаво відзначити відповідність в цілому цієї сучасної трак-товки з тлумаченням цього терміна філософом П. А. Флоренським, яке по-йшло в "Технічну енциклопедію" видання 1931 "Вимірювання - основний пізнавальний процес науки і техніки, за допомогою якого невідома ве-личина кількісно порівнюється з другою, однорідною з нею і вважають через відомою ".
Одна з головних завдань метрології - забезпечення єдності вимірювань - може бути вирішена при дотриманні двох умов, які можна назвати осно-вополагающімі:
• вираз результатів вимірі в єдиних узаконених одиницях;
• встановлення допустимих помилок (похибок) результатів вимірювань і меж, за які вони не повинні виходити при заданої ймовірності.
Похибкою називають відхилення результату вимірювань від дійсними-ного (істинного) значення вимірюваної величини. При цьому слід мати на увазі, що справжнє значення фізичної величини вважається невідомим і застосовується в теоретичних дослідженнях; дійсне значення фізичної величини ус-новлюють експериментальним шляхом в припущенні, що результат експери-рімента (вимірювання) в максимальному ступені наближається до істинного значення. Похибки вимірювань наводяться зазвичай в технічній документації на середовищ-ства вимірювань або в нормативних документах. Правда, якщо врахувати, що похибкою-ність залежить ще і від умов, в яких проводиться саме вимірювання, від Експериментальні помилки методики і суб'єктивних факторів людини у випадках, де він бере безпосередню участь у вимірюваннях, то можна говорити про декілька складових похибки вимірювань або про сумарної похибки.
Єдність вимірювань, однак, не може бути забезпечено лише збігом похибок. Потрібно ще й достовірність вимірювань, яка говорить про те, що похибка не виходить за межі відхилень, заданих в відпо-вії до поставленої мети вимірювань. Є ще й поняття точності вимірювань, яке характеризує ступінь наближення похибки вимірювань до нуля, тобто до істинного значення вимірюваної величини.
Узагальнює всі ці положення сучасне визначення поняття єдність вимірювань - стан вимірювань, за якого їх результати виражені в узаконених одиницях, а похибки відомі з заданою вірогідністю і не виходять за встановлені межі.
Як вище зазначалося, заходи щодо реального забезпечення єдності через вимірювань в більшості країн світу встановлені законами і входить у функції законодавчої метрології, до розгляду яких звернемося пізніше.
А зараз перейдемо до змісту основного об'єкта метрології - вимірювань.