Измерения являются одним из важнейших путей развития научно-технического прогресса, познания природы и общества человеком. В практической деятельности мы постоянно имеем дело с измерениями, имеющими первостепенное значение во всех сферах производства и потребления, при оценке качества товаров, внедрении новых технологий и управлении ими.
Наука, изучающая измерения, называется метрологией. 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 соотношениях между ними. Существенное развитие метрология получила в XX в. благодаря развитию математических и физических наук.
Метрология в её современном понимании - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства, и способах достижения требуемой точности [1].
Метрология состоит из трёх самостоятельных и взаимодополняющих разделов - теоретического, прикладного и законодательного.
Теоретическая метрология занимается общими фундаментальными вопросами теории измерений, разработкой новых методов измерений, созданием систем единиц измерений и физических постоянных.
Законодательная метрология устанавливает обязательные технические и юридические требования по применению единиц физических величин, эталонов, методов и средств измерений, направленные на обеспечение единства и точности измерений в интересах общества.
Прикладная метрология изучает вопросы практического применения результатов разработок теоретической и законодательной метрологии в различных сферах деятельности.
Предметом метрологии является получение количественной информации о свойствах объектов и процессов с заданной точностью.
Средства метрологии - это совокупность средств измерений и метрологических стандартов, обеспечивающих их рациональное использование.
Во всех случаях проведения измерений, независимо от измеряемой величины, метода и средства измерений, есть общее, что составляет основу измерений, - это сравнение опытным путём данной величины с другой, подобной ей, принятой за единицу. При всяком измерении мы с помощью эксперимента оцениваем физическую величину в виде некоторого числа принятых для неё единиц, т.е. находим её значение.
В настоящее время установлены следующие определения измерения.
Основные задачи метрологии:
Одна из главных задач метрологии - обеспечение единства 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.
Единство измерений может быть обеспечено при соблюдении двух условий, которые можно назвать основополагающими:
Погрешностью называют отклонение результата измерений от действительного (истинного) значения измеряемой величины.
Следует иметь в виду, что истинное значение физической величины считается неизвестным и применяется в теоретических исследованиях; действительное значение физической величины устанавливается экспериментально в предположении, что результат измерения максимально приближается к истинному значению.
Точность измерений - одна из характеристик качества измерения, отражающая близость к нулю погрешности результата измерения.
Все объекты окружающего мира характеризуются своими свойствами.
Свойство - философская категория, выражающая такую сторону объекта (явления, процесса), которая обусловливает его различие или общность с другими объектами (явлениями, процессами) и обнаруживается в его отношениях к ним. Свойство - это качественная категория. Для количественного описания различных свойств процессов и физических тел вводится понятие величины.
Величина - это свойство чего-либо, что может быть выделено среди других свойств и оценено тем или иным способом, в том числе и количественно. Величина не существует сама по себе, она имеет место лишь постольку, поскольку существует объект со свойствами, выраженными данной величиной.
Величины можно разделить на два вида: реальные и идеальные.
Идеальные величины в основном относятся к математике и являются обобщением (моделью) конкретных реальных понятий.
Реальные величины делятся, в свою очередь, на физические и нефизические.
К нефизическим относятся величины, присущие общественным (нефизическим) наукам - философии, социологии, экономике и т.д. Нефизические величины, для которых единица измерения в принципе не может быть введена, могут быть только оценены. Но оценивание нефизических величин не входит в задачи теоретической метрологии [5].
Физическая величина - 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. Например, свойство "прочность" в качественном отношении характеризует такие материалы, как металл, дерево, стекло и т.д.; в то время как степень (количественное значение) прочности - величина для каждого из них разная.
Единица физической величины - физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное 1, и применяемая для количественного выражения однородных с ней физических величин.
В 1960 г. XI Международная конференция по мерам и весам приняла Международную систему единиц физических величин, получившую у нас в стране сокращённое название СИ (от начальных букв System Internationale d’Unites - Международная система единиц). В нашей стране Международная система мер является обязательной с 1 января 1980 г.
Физические величины принято делить на основные и производные.
Основные физические величины не зависимы друг от друга, но они могут служить основой для установления связей с другими физическими величинами, которые называют производными от них. Например, в формуле Эйнштейна E= mc2 (m- масса, с - скорость света) масса - основная единица, которая может быть измерена взвешиванием; энергия (Е) - производная единица. Основным величинам соответствуют основные единицы измерений, а производным - производные единицы измерений.
Таким образом, система единиц физических величин (система единиц) - совокупность основных и производных единиц физических величин, образованная в соответствии с принципами, положенными в основу данной системы физических величин.
Первой системой единиц считается метрическая система.
Основные единицы Международной системы единиц были выбраны в 1954 г. Х Генеральной конференцией по мерам и весам. При этом исходили из того, чтобы:
Международная система единиц включает в себя две дополнительные единицы - для измерения плоского и телесного углов.
Основные и дополнительные единицы СИ приведены в табл. 1.1.
| Величина | Единица измерения |
Сокращённое обозначение единицы |
|
| Русское | Международное | ||
| Основные | |||
| Длина | метр | м | m |
| Масса | килограмм | кг | kg |
| Время | секунда | с | s |
| Сила электрического тока | ампер | А | A |
| Термодинамическая температура |
кельвин | К | К |
| Сила света | кандела | кд | cd |
| Количество вещества | моль | моль | mol |
| Дополнительные | |||
| Плоский угол | радиан | рад | rad |
| Телесный угол | стерадиан | ср | cr |
Метр- длина пути, которую проходит свет в вакууме за 1 / 299 792 458 долю секунды.
Килограмм - масса, равная массе международного прототипа килограмма (платиновая цилиндрическая гиря, высота и диаметр которой равны по 39 мм).
Секунда - продолжительность 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения со стороны внешних полей.
Ампер - сила не изменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, создал бы между этими проводниками силу, равную 2 • 10-7 Н на каждый метр длины.
Кельвин- 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды.
Моль - количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в нуклиде углерода-12 массой 0,012 кг.
Кандела - сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540∙1012 Гц.
Производные единицы Международной системы единиц образуются с помощью простейших уравнений между величинами, в которых числовые коэффициенты равны единице.
Например, для линейной скорости в качестве определяющего уравнения можно воспользоваться выражением для скорости равномерного прямолинейного движения v = 1/1. Тогда при длине пройденного пути l (в метрах) и времени t (в секундах) скорость выражается в метрах в секунду (м/с). Поэтому единица скорости СИ - метр в секунду - это скорость прямолинейно и равномерно движущейся точки, при которой она за время 1 с перемещается на расстояние 1 м.
Различают кратные и дольные единицы физической величины [9].
Кратная единица - единица физической величины, в целое число раз большая системной или внесистемной единицы.
Дольная единица - единица физической величины, в целое число раз меньшая системной или внесистемной единицы.
Наиболее прогрессивным способом образования кратных и дольных единиц является принятая в метрической системе мер десятичная кратность между большими и меньшими единицами. В соответствии с резолюцией XI Генеральной конференции по мерам и весам десятичные кратные и дольные единицы от единиц СИ образуются путём присоединения приставок.
| Множитель | Приставка | Обозначение приставки
|
|
| Русское | Международное | ||
| 1018 | экса | Э | E |
| 1015 | пета | П | P |
| 1012 | тера | Т | T |
| 109 | гига | Г | G |
| 106 | мега | М | M |
| 103 | кило | к | k |
| 102 | гекто | г | h |
| 101 | дека | да | da |
| 10-1 | деци | д | d |
| 10-2 | санти | с | c |
| 10-3 | милли | м | m |
| 10-6 | микро | мк | μ |
| 10-9 | нано | н | n |
| 10-12 | пико | п | p |
| 10-15 | фемто | ф | f |
| 10-18 | атто | а | a |
Например, единица длины километр равна 103 м, т.е. кратна метру, а единица длины миллиметр равна 10-3 м, т.е. является дольной. Множители и приставки для образования кратных и дольных единиц СИ приведены в табл. 1.2.
Внесистемные единицы - единицы физических величин, которые не входят в принятую систему единиц. Они подразделяются на: