Метрология – наука об измерениях, методах, средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности (ГОСТ 16263-70).
Греческое слово «метрология» состоит из 2-х слов «метрон» - мера и «логос» - учение.
Предметом метрологии – является извлечение количественной информации о свойствах объектов и процессов с заданной точностью и достоверностью.
Средства метрологии – это совокупность средств измерений и метрологических стандартов, обеспечивающих их рациональное использование.
Без измерений не может обойтись ни одна наука.
Основное понятие метрологии – измерение.
Измерение – это нахождение значения физической величины (ФВ) опытным путем с помощью специальных технических средств (ГОСТ 16263-70).
Измерения могут быть представлены тремя аспектами:
- философский аспект измерения: измерения являются важнейшим универсальным методом познания физических явлений и процессов
- научный аспект измерения: с помощью измерений (эксперимента) осуществляется связь теории и практики («практика – критерий истины»)
- технический аспект измерений: измерения обеспечивают получение количественной информации об объекте управления или контроля.
Все объекты окружающего мира характеризуются своими свойствами. Свойство – категория качественная. Для количественного описания различных свойств, процессов и физических тел вводится понятие величины.
Величина – это свойство чего-либо, которое может быть оценено тем или иным способом, в том числе количественно.
Исходя из принципов получения значения величины их можно разделить на:
- идеальные величины;
- реальные величины.
Идеальные величины служат моделью конкретных реальных понятий.
Например, гармонический процесс математически может быть описан синусоидальной функцией.
где: Ym – амплитуда колебаний (величина);
f – частота колебаний (величина);
j - сдвиг фазы (величина).
Реально синусоидальное колебание воспроизвести невозможно (хотя бы потому, что реальный процесс всегда конечен) – это математическая модель.
Реальные величины – это измеренные (т.е. полученные в результате эксперимента) свойства физических объектов или процессов, с помощью которых они могут быть изучены.
Стандарт ГОСТ 16263-70 трактует физическую величину (ФВ) как одно из свойств физического объекта, в качественном отношении общее для многих физических объектов (например, «сопротивление» относится ко всем резисторам), а в количественном – индивидуальное для каждого из них (5 Ом – конкретный резистор).
Следует отметить, что не все физические величины могут быть выражены количественно в виде определенного числа единиц измерения. К ним относятся только измеряемые ФВ.
Например, с помощью вольтметра мы измеряем ФВ – напряжение и получаем конкретный результат: 10В. Некоторые ФВ, в силу их природы или специфики, не могут быть измерены. Для них по ряду причин не может быть введена единица измерения. Такие ФВ могут быть только оценены.
Оцениваемые ФВ – те, которым по установленным правилам приписывается определенное число. Обычно это осуществляется при помощи шкал.
Шкала величины – упорядоченная последовательность ее значений, принятая по соглашению на основании результатов точных измерений (Рекомендации по метрологии МИ 2365-96).
Вещественные ФВ – описывают физические и физико-химические свойства вещества, материалов (масса, емкость, индуктивность и т.п.)
Энергетические ФВ – описывают энергетические характеристики процессов преобразования, передачи энергии (мощность, напряжение и пр.).
ФВ, характеризующие протекание процессов во времени − спектральные характеристики, корреляционные функции и т.п.
Размер физической величины – количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию ФВ.
СИСТЕМА ЕДИНИЦ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Сегодня в подавляющем большинстве стран мира принята метрическая система ФВ.
В 2000г. на эту систему перешла Англия. Среди немногих стран, где она не введена – США. Исторически в разных странах вводились свои единицы ФВ и их названия. Очень часто они связывались с параметрами конечностей человека (локоть, аршин, фут). Сумятицу в системы ФВ вносили и различные системы счисления (единичная, десятичная, двенадцатиричная, и т.п.).
До последнего времени сохранились древние измерения (фут, фунт, аршин и т.п.), причем в разных странах они имеют разное значение по отношению к метру, килограмму.
С развитием науки, промышленности возникла естественная необходимость свести единицы измерения однородных ФВ к единой системе.
В первую очередь необходимо отметить Францию, в которой в 1799г. была введена метрическая система мер. Она была создана в эпоху Великой французской революции и должна была служить «на все времена, для всех народов, для всех стран».
В основе этой системы – десятичная система: значения величин связаны соотношением 10n (где n… -2,-1,0,1,2,…).
К этому времени были введены единицы ФВ:
«ДЛИНА»
часть «нулевого» меридиана
«МАССА» 1 килограмм – масса 1дм3 воды при температуре 4оС и др.
В 1832г. Карл Гаусс измерил напряженность магнитного поля Земли, выразив ее через длину, силу, массу и время и ввел первый фундаментальный набор механических единиц (за основу были взяты мм, мг, с; система ММС).
В 1851г. Вильгельм Вебер впервые ввел полную систему электрических величин.
В 1871г. 17 государств (в том числе Россия) подписали Метрическую Конвенцию.
До настоящего времени широкое распространение имеют 2 системы единиц:
- Симметричная или Гауссова: CГC (основные единицы: сантиметр, грамм, секунда).
- Международная система единица СИ. (SI)
Система CГC существует более 100 лет и до сих пор используется в точных науках (физика, астрономия). Но ее все более теснит система СИ – единственная международная система единиц ФВ, которая принята и используется в большинстве стран мира.
Система СИ была принята XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960г. В нашей стране она действует с 01.01.1982г. в соответствии с ГОСТ 8.417-81 «ГСИ. Единицы физических величин».
Единица физической величины – это ФВ фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное единице, и которое применяется для количественного выражения однородных ФВ. Размер единиц ФВ устанавливается путем их законодательно закрепленного определения метрологическими органами государства.
При построении системы физических величин выбираются несколько базовых – основных физических величин, которые можно считать не зависимыми от других ФВ этой системы.
Все остальные ФВ называются производными: они могут быть выражены через основные с помощью уравнения размерности.
Понятие размерности широко используется:
- для перевода единиц из данной системы в другую;
- для проверки правильности сложных расчетных формул (должна быть одинаковая размерность левой и правой частей уравнения);
- в теории физического подобия.
В качестве основных единиц в системе СИ приняты: метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и канделла.
