Мерология. Основные понятия

  Мерология. Основные понятия.

  Исторический  экскурс

  Метрология  — наука об измерениях физических величин, методах и средствах  обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

  Попытки создания единых систем измерения существуют практически с момента возникновения человечества. С момента, когда возник обмен продуктов, созданных человеком, возник вопрос каким образом оценивать меняемый товар. Чтобы охарактеризовать эти величины использовали различные свойства продукта: размеры, объем, массу или вес, а позднее цвет, вкус, состав и прочее. Разумеется в те далекие времена ни математика, ни физика не были развиты настолько, насколько развиты сейчас, а потому не было возможности охарактеризовать стоимость и качество товара. Но проблема справедливости оценки стоимости никогда не теряет актуальности. От этого зависело благосостояние общества, от этого же возникали войны.

  Первыми средствами обеспечения единства измерений  были объекты, которые имеются в  распоряжении человека всегда. Поэтому первые меры длины измерялись руками и ногами человека. На Руси использовались локоть, пядь, сажень, косая сажень. На Западе – дюйм и фут, сохранившие свое название до сих пор. Из-за того, что размер ног и рук у людей различен, то результат измерений был относительным и единство измерений не всегда удавалось обеспечить. Поэтому правительство разных стран создавало законодательные акты, предписывающие, например, за единицу длины считать среднюю длину стопы нескольких людей. Иногда правители просто делали две зарубки на стене рыночной площади, предписывая всем торговцам делать копии таких «эталонных мер». В настоящее время такую меру можно видеть на Вандомской площади в Париже в том месте, где когда-то располагался главный рынок Европы.

  По  мере развития человечества и науки, особенно физики и математики, проблему обеспечения единства измерений стали решать более широко. Появились государственные службы и хранилища мер, с которыми торговцам в законодательном порядке предписывалось сравнивать свои меры. Для определения размеров единиц выбирались размеры объектов, не изменяющиеся со временем. Например, для определения размера единицы длины измерялся меридиан Земли, для определения единицы массы измерялась масса литра воды. Единицы времени с давних времен до настоящего момента связывают с вращением Земли вокруг Солнца и вокруг собственной оси.

  Дальнейший  прогресс в обеспечении единства измерений состоял уже в произвольном выборе единиц, не связанных с веществами или объектами. Это связано с  тем фактом, что изготовить копию  меры (передать размер единицы какой-либо величины) можно с гораздо более высокой точностью, чем повторно независимо воспроизвести эту меру. В самом деле, точность определения длины меридиана и деления его на 40 миллионов частей оказывается очень невысокой. Здесь в кратком историческом экскурсе интересно вспомнить, что программа измерения длины парижского меридиана оказалась более полезной в составлении подробных карт перед наполеоновскими войнами, чем в точном определении единицы длины.

  Гигантский  скачок в точности измерений механических величин был совершен при внедрении лазеров в измерительную технику. Образно говоря, точность средств измерения стала определяться параметрами отдельного атома. Если выбрать определенный тип атома, определенный изотоп элемента, поместить атомы в резонатор лазера и использовать все преимущества, присущие лазерному излучению, то реально достижимая погрешность воспроизведения единицы длины может сказываться в тринадцатом-четырнадцатом знаках.

  История развития науки об обеспечении единства измерений может быть прослежена не только на совершенствовании точности и единообразия определения какой-то одной единицы. Важным моментом является количество единиц физических величин, их отнесение к основным или производным, а также исторический аспект образования дольных и кратных единиц.

  По  мере совершенствования физики и  математики появилась проблема измерения  нового класса физических величин. Так  при развитии теории электричества  встал вопрос - как быть с единицами  электромагнитных величин? С одной  стороны, новый класс явлений подсказывал необходимость введения новых единиц и величин. С другой, исходно была установлена связь между электромагнитными явлениями и эффектами механическими - законы Кулона и Био-Савара-Лапласа. Точки зрения наиболее авторитетных ученых по этому поводу также разделились. Некоторые считали, что следует ввести четвертую, не зависящую от механических, единицу. Другие, напротив, считали различные проявления свойств материи единым целым и были противниками введения независимых электрических величин и единиц. В результате в практике появились системы единиц физических величин, имеющие различное число основных, произвольно выбранных, физических величин.

  С исторической точки зрения интересно  обратить внимание на сложившуюся практику образования дольних, более мелких, и кратных, более крупных, единиц физических величин. В настоящее время мы пользуемся в основном десятичной системой счета, и действующая международная система единиц физических величин предписывает образовывать дольные и кратные единицы, домножая размер основной единицы на множитель, кратный десяти. Тем не менее, история знает использование самых разнообразных множителей кратности. Например, сажень как мера длины равнялась трем аршинам, 1 фут равнялся 12 дюймам, 1 аршин - 16 вершкам, 1 пуд - 40 фунтам, 1 золотник - 96 долям, 1 верста - 500 саженям и другие.

  Такая исторически сложившаяся практика образования дольных и кратных  величин оказалась крайне неудобной. Поэтому при принятии международной системы единиц СИ на эту проблему обращалось особое внимание. По большому счету десятичная система оказалась неудобной только при исчислении времени, т. к. единицы одноименной величины разного размера оказались кратными 12 (соотношение года и месяца) и 365,25 (соотношение года и суток). Эта кратность обусловлена скоростью вращения Земли и фазами Луны и является наиболее естественной. Дальнейшая замена кратности в соотношении час-минута и минута-секунда с 60 на кратное 10 уже особого смысла не имела. Из других часто употребляемых физических величин и единиц отступления от десятичной системы сохранилось в градусной мере угла, когда окружность делится на 360 градусов, а градус на минуты и секунды.

  Однако все вышесказанное в полной мере относится только к странам-участницам Метрической конвенции. Во многих странах до сих пор сохраняется своя особая, иногда экзотическая система физических величин и единиц. Среди этих стран, как это ни странно, находятся Соединенные Штаты Америки. Внутри этой страны до сих пор в обиходе величины и единицы старой Англии. Даже температуру там принято измерять в градусах Фаренгейта.

  В связи с вышеизложенным знакомство с системами единиц, отличными  от системы СИ, знакомство с различными системами счета единиц при измерениях в настоящее время носят не только познавательный характер. При расширении международных контактов может оказаться так, что знание альтернативных систем величин и единиц сослужит пользователю добрую службу.

  При изложении основополагающих моментов, относящихся к системе СИ, и при рассмотрении отдельных видов измерений мы иногда будем возвращаться к историческим корням выбора тех или иных физических величин. Сейчас важно помнить, что рассматриваемая проблема оптимального выбора физических величин и единиц будет существовать всегда, так как научно-технический прогресс постоянно предоставляет новые возможности в практике измерений.

  1.2.Средства измерений

  Технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические  свойства, называют средствами измерения.

  Эталоны — средства измерений, официально утвержденные и обеспечивающие воспроизведение или хранение единицы физической величины с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений.

  Меры  — средства измерений, предназначенные  для воспроизведения заданного размера физическом величины, В технике часто используют наборы мер, например, гирь, плоскопараллельных концевых мер длины, конденсаторов и т. п.

  Образцовые  средства измерений — меры, измерительные  приборы или преобразователи, утвержденные в качестве образцовых для поверки по ним других средств измерений. Рабочие средства применяют для измерений, не связанных с передачей размера единиц.

  Порядок передачи размера единиц физической величины от эталона или исходного  образцового средства к средствам  более низких разрядов, вплоть до рабочих, устанавливают в соответствии с поверочной схемой. Так, по одной из поверочных схем передача единицы длины путем последовательного лабораторного сличения и поверок производится от рабочего эталона к образцовым мерам высшего разряда, от них образцовым мерам низших разрядов, а от последних к рабочим средствам измерения.

   Простейшим  средством измерений является мера. Главная отличительная особенность  меры – отсутствие каких-либо преобразований измерительной информации самим  средством измерений. Мера физической величины – средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.

   Меры, предназначенные для воспроизведения  физической величины заданного размера, называют однозначными, а воспроизводящие  физические величины ряда размеров –  многозначными. В качестве примеров однозначных мер можно назвать  гирю, угольник, плоскопараллельную концевую меру длины. К многозначным мерам следует отнести измерительную линейку, транспортир, измерительный сосуд, а также ступенчатый шаблон, угловую концевую меру с несколькими рабочими углами. Меры могут комплектоваться в наборы или конструктивно объединяться в так называемые магазины.

   Набор мер – комплект мер разного  размера одной и той же физической величины, предназначенных для применения на практике, как в отдельности, так и в различных сочетаниях, например, наборы концевых мер длины, угловых концевых мер, наборы разновесов. Магазин мер – набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях, например, магазин электрических сопротивлений.

   При оценивании величин по условным, неметрическим, шкалам, имеющим реперные точки, в качестве «меры» нередко выступают вещества или материалы с приписанными им условными значениями величин. Так, для шкалы твердости Мооса мерами являются минералы различной твердости. Приписанные им значения твердости образуют ряд реперных точек условной шкалы.

   Измерительный преобразователь – техническое  средство с нормированными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи. Примеры измерительных преобразователей – термопара, пружина динамометра, микрометрическая пара винт-гайка.

   Отличительной особенностью измерительного преобразователя  является выдача им измерительной информации в форме, не поддающейся непосредственному восприятию оператором. По характеру входного и выходного сигналов различают аналоговые, цифро-аналоговые, аналого-цифровые преобразователи. По месту, занимаемому в измерительной цепи, различают преобразователи первичные и промежуточные. Преобразователи с пропорциональным преобразованием сигнала измерительной информации называют масштабными.

   Первичный измерительный преобразователь – измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, т. е. первый преобразователь в измерительной цепи измерительного прибора (установки, системы). В одном средстве измерений может быть несколько первичных преобразователей, например, ряд термопар измерительной установки, предназначенной для контроля температуры в разных точках холодильной емкости.

   Датчик  – конструктивно обособленный первичный  преобразователь, от которого поступают  измерительные сигналы. Датчики  метеорологического зонда или стационарной метеостанции передают измерительную информацию о температуре, давлении, влажности и других параметрах атмосферы, причем они могут находиться на значительном расстоянии от принимающего его сигналы средства измерений.

   Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. Измерительный прибор предназначен для получения измерительной информации от измеряемой физической величины, ее преобразования и выдачи в форме, поддающейся непосредственному восприятию оператором. Прибор включает в себя один или несколько измерительных преобразователей и присоединенное к ним устройство отображения измерительной информации типа шкала-указатель, числовое табло. В зависимости от системы представления информации различают показывающие или регистрирующие приборы, причем регистрирующие могут быть записывающими либо печатающими, а в зависимости от формы выходного сигнала различают приборы е аналоговым либо с дискретным выходом. Следует обратить внимание, что вид устройства отображения измерительной информации не определяет форму выходного сигнала: система шкала-указатель электронно-механических часов принадлежат дискретным приборам, а изменение выходного сигнала бытового счетчика электроэнергии на правом барабане цифрового табло имеет непрерывный характер.