Структура общей теории измерений.

Лекционный курс по дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация».

МЕТРОЛОГИЯ

ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ МЕТРОЛОГИИ

План:

1. История развития метрологии

2. Предмет метрологии и ее место среди других наук

3. Структура общей теории измерений

4. Постулаты метрологии

История развития метрологии

Греческое слово «метрология» образовано от слов «метрон» - мера и «логос» - учение.

Метрология как область практической деятельности зародилась в древности. На всем пути развития человеческого общества измерения были основой отношений людей между собой, с окружающими предметами и природой. В древнейшие времена люди обходились только счетом однородных объектов – голов скота, числа воинов. Такой счет не требовал введения понятия физической величины, установления условных единиц измерения, а также не было потребности в изготовлении и использовании специальных технических средств для проведения счета. По мере развития общества появилась необходимость в количественной оценке различных величин – веса, размеров, объемов. Эту оценку старались свести к счету с помощью природных и антропологических единиц: время измерялось в сутках, годах; расстояния – в шагах, сутках пути; линейные размеры – в локтях, ступнях. Позже, в процессе развития промышленности, были созданы специальные устройства – средства измерений, предназначенные для количественной оценки различных величин (часы, весы, меры, длины, и другие измерительные устройства). Долгое время метрология была в основном описательной наукой о различных мерах и соотношениях между ними. Развитие науки и техники привело к использованию множества мер одних и тех же величин, применяемых в различных странах. Это существенно затрудняло сотрудничество между государствами в торговле и науке.

С целью унифицировать единицы ФВ во Франции в 1791г. была разработана метрическая система мер. Это явилось серьезной предпосылкой для проведения международной унификации единиц ФВ.

В 1835г. в России был издан указ «о системе Российских мер и весов», в котором были утверждены эталоны длины и массы.

В 1875 г. семнадцать государств, в том числе и Россия, на дипломатической конференции подписали Метрическую конвенцию. В настоящее время к ней примкнула 41 страна мира.

В 1960 г. 11 Международная конференция по мерам и весам приняла Международную систему единиц ФВ – систему СИ. Сегодня эта система узаконена более чем в 124 странах мира.

В настоящее время в России существует три метрологических центра:

 - Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева (ВНИИМ);

 - Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ);

 - Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы (ВНИИМС).

Предмет метрологии и ее место среди других наук

С 1 января 2001 г. на территории России и стран СНГ взамен ГОСТ 16263—70 вводятся рекомендации РМГ 29—99, содержащие основные термины и определения в области метрологии, согласованные с международными стандартами ИСО 31(0—13) и ИСО 1000, регламентирующими использование дольных, кратных и других единиц при измерениях.

Согласно этим документам метрология – наука об измерениях, методах, средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Метрология содержит три основных раздела:

- «Теоретическая метрология» или общая теория измерений (ОТИ). В нем излагаются общие вопросы теории измерений.

- «Прикладная метрология». Посвящен изучению вопросов практического применения результатов теоретических исследований.

- «Законодательная метрология». Рассматривает общие правила, требования и нормы, а также другие вопросы контроля со стороны государства, направленные на обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений (СИ).

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.

Главными задачами метрологии являются:

—обеспечение единства измерений;

—унификация единиц и признание их законности;

—разработка систем воспроизведения единиц и передача их размеров рабочим средствам измерений.

Основное понятие метрологии – измерение. Измерение – это нахождение значения физической величины (ФВ) опытным путем с помощью специальных технических средств.

Значимость измерений выражается в трех аспектах: философском, научном и техническом. Философский аспект состоит в том, что измерения являются важнейшим универсальным методом познания физических явлений и процессов. Особенности философского аспекта:

 - необходимость предварительного изучения свойства измеряемого объекта;

 - необходимость создания математической модели свойства и самого объекта измерений;

 - измерения являются получение не первичной информации об объекте, а вторичной.

Научный аспект измерений состоит в том, что с их помощью в науке осуществляется связь теории и практики. Технический аспект заключается в получении количественной информации без которой невозможна любая оценка принятия решений и управления.

Структура общей теории измерений.

Теоретическая метрология состоит из четырех разделов:

1) Основные представления метрологии. Содержит основные понятия, термины и постулаты метрологии, учение о физических величинах и методологию измерений.

2) Теория единства измерений (теория воспроизведения единиц физических величин и передачи их размеров). Этот раздел является центральным в теоретической метрологии. Он включает в себя: теорию единиц ФВ, теорию исходных средств измерений (эталонов) и теорию передачи размеров единиц ФВ.

3) Теория построения средств измерений. В разделе обобщается опыт конкретных наук в области построения средств и методов измерений.

4) Теория точности измерений. В данном разделе обобщены методы, развиваемые в конкретных областях измерений. Состоит из трех подразделов: теории погрешностей измерений, теории точности средств измерений и теории измерительных процедур.

· Теория погрешностей измерений. Подраздел является одним из центральных в метрологии, так как результаты измерений объективны настолько, насколько правильно оценены их погрешности. Предметом теории погрешностей является классификация погрешностей измерений, изучение и описание их свойств.

· Теория точности средств измерений. Подраздел включает: теорию погрешностей СИ, принципы и методы нормирования и определения метрологических характеристик СИ и методы анализа их их метрологической надежности.

· Теория измерительных процедур. Повышение сложности измерительных задач, постоянный рост требований к точности измерений, усложнение методов и средств измерений обуславливают проведение исследований, направленных на обеспечение рациональной организации и эффективного выполнения измерений.При этом главнуюроль играет анализ измерений как совокупности взаимосвязанных этапов, т.е. как процедуры. Подраздел включает: теорию методов измерений, методы обработки измерительной информации, теорию планирования измерений, анализ предельных возможностей измерений.

4. Постулаты метрологии.

В простейшем случае модель измерения может быть описана функциональной зависимостью изменения выходного сигнала у от изменения входного сигнала х, как у= f(x).

Однако в процессе измерений возникают различные внешние и внутренние помехи z_i, Z_L, которые вносят погрешность в результат измерения.. Это определяет тот факт, что при многократном измерении одной и той же величины х одним и тем же средством измерения в одинаковых условиях результаты измерения, как правило, различаются между собой и не совпадают с истинным х_и значением физической величины.

Под истинным значением физической величины понимается значение, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующие свойства технических систем через ее выходной параметр.

Поскольку истинное значение есть идеальное значение, то в качестве наиболее близкого к нему используют действительное значение х_д, найденное экспериментальным методом, например с помощью более точных СИ.

Изложенное позволяет сформулировать основные постулаты метрологии:

- Истинное значение определяемой величины существует, и оно постоянно.

- Истинное значение измеряемой величины отыскать невозможно. Отсюда следует, что результат измерения у, как правило, математически связан с измеряемой величиной вероятностной зависимостью.

В дальнейшем необходимо различать термины «измерение», «контроль», «испытание» и «диагностирование».

Контроль – частный случай измерения, и он проводится с целью установления соответствия измеряемой величины заданному допуску. Контроль используется также для настройки, регулировки и при установке (замене) отдельных блоков технических систем.

Более сложной метрологической операцией является испытание, которое состоит в воспроизведении в заданной последовательности определенных воздействий, измерении реакций объекта на данное воздействие и их регистрации.

Диагностирование системы — это процесс распознавания состояния элементов этой системы в данный момент времени. По результатам диагностирования можно прогнозировать состояние элементов системы при дальнейшей ее эксплуатации.