Лекция 1
Введение в предмет. Основные понятия метрологии.
1. Метрология. Основные понятия.
Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.
Метрология не только наука, но и область практической деятельности.
Метрология подразделяется на следующие виды:
1. Теоретическая метрология.
2. Прикладная метрология.
3. Законодательная метрология.
Необходимо разъяснение терминов измерения, единства измерения.
Теоретическая метрология – раздел метрологии, предметом которого является разработка фундаментальных основ метрологии.
Примечание
Иногда применяют термин фундаментальная метрология.
Законодательная метрология – раздел метрологии, предметом которого является установление обязательных технических и юридических требований по:
– применению единиц физических величин;
– эталонов;
– методов и средств измерений;
направленных на обеспечение единства и необходимости точности измерений в интересах общества.
Практическая (прикладная) метрология – раздел метрологии, предметом которого являются вопросы практического применения разработок теоретической метрологии и положений законодательной метрологии, прежде всего для обеспечения единства измерений.
Фундаментальные понятия: физическая величина, измерение и единство измерений.
Что такое измерение?
На первый взгляд это достаточно ясный вопрос. Что мы измеряем? Длину, массу, скорость, температуру, электрический заряд. Это достаточно очевидно. А как мы это делаем?
Пример 1. Измерение длины (линейкой)
При измерении длины мы прикладываем линейку к образцу. Пусть на образец линейка уложилась n раз. Тогда мы говорим, что длина образца равна n.
Пример 2. Определение расстояния радиолокатором.
В этом случае мы фиксируем момент времени t1 испускания радиоимпульса антенной и момент времени t2 приёма отражённого сигнала. Зная скорость распространения радиосигнала (скорость света), мы находим расстояние до объекта следующим образом:
Пример 3. Измерение температуры (газовый термометр).
Принцип работы:
Давление в сосуде под подвижной каплей ртути постоянно:
Где S – площадь трубки
M – масса подвижной капли ртути
Общий объём газа:
Где V0 – объём сосуда.
Уравнение состояния газа:
При pатм = const
Далее:
Отсюда находим температуру Т:
Вводя новые обозначения:
Получим зависимость температуры от положения капли:
A и B являются константами прибора. Таким образом, отградуировав прибор по двум точкам, мы можем найти константы A и B (это сделать проще и точнее, чем вычислить их теоретически). Например, можно отградуировать положение ртутного шарика зная температуру замерзания и кипения воды.
Во всех трёх приведённых примерах логично обратить внимание на общие черты.
1. Что мы измеряем (объект измерения).
– длина
– длина
– температура
Эти объекты, как мы увидим далее, называют физическими величинами.
2. Чем мы измеряем.
– линейкой
– радиолокационной станцией
– специальным прибором
Это наши технические средства.
3. Как измеряем.
– Прикладываем линейку, так, чтобы один конец совпал с началом отрезка, отмечаем, где другой конец, затем переносим туда первый и т. д. Считаем сколько раз уложилась линейка. Зная её длину (в см, мм, дюймах, м, и т. д.) мы получаем длину отрезка l ( всё происходит так, как было описано в мультфильме «38 попугаев»).
Дополнительный вопрос: а если измерение повторить завтра, получится ли тот же результат (конечно, при условии неизменности длины объекта измерения)? Да, но если сама линейка не изменилась. Т. е. она должна быть стабильной во времени и слабо меняющейся с изменением внешних условий.
– измеряем интервал времени (!) (t2 ‑ t1) и, зная (а откуда?), величину скорости света c по формуле кинематики находим l
При этом были использованы следующие предположения:
a) c = const (всегда, это постулат специальной теории относительности).
b) Возможность определения интервала времени (t2 ‑ t1).
c) Справедливость физической модели распространения радиоволн.
– измеряем перемещение ртутного шарика, и, используя его положение в двух реперных точках (точка затвердевания воды и точка её кипения), зная, что эти точки соответствуют указанным цифрам (откуда?), мы строим, так называемую, шкалу (т. е. размечаем линейку в единицах температуры).
При этом были использованы следующие предположения:
a) Линейная зависимость температуры от положения шарика ртути, являющаяся следствием уравнения состояния идеального газа,
b) Постоянство точек T1 и T2 (при определённых условиях).
Во всех этих случаях мы производили определённые действия, конечной целью которых являлось сопоставление некой однородной величины с измеряемой (например длины линейки с длиной отрезка), и нахождение их отношения (т. е. сколько раз линейка уложилась в отрезке). Во втором примере мы, по существу, делаем то же самое, но используя модель физического явления и соответствующие уравнения. Более сложно, но то же самое делается и при измерении температуры.
Важно также, что сама величина, с которой мы сравниваем исследуемую величину, хранится в нашем техническом средстве, прямо или опосредованно:
1 – это длина линейки
2 – это часы или таймер, с помощью которого производятся измерения.
3 – это отградуированная температурная шкала.
На простейших примерах мы познакомились с важнейшими, фундаментальными понятиями метрологии, причём во всех её частях: теоретической, законодательной и прикладной.
Рассмотрим объект измерения и сам процесс более детально.
Основным терминологическим документом, на котором базируется наш курс (в основном) является
РМГ 29-99. Государственная система обеспечения единства измерения. Метрология. Основные термины и определения.
Дадим несколько важных определений из этого документа.
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.
Примечание:
В "Международном словаре основных и общих терминов метрологии" (VIM‑93) применено понятие величина (измеримая), раскрываемое как "характерный признак (атрибут) явления, тела или вещества, которое может выделяться качественно и определяться количественно".
На этом мы остановимся. На следующей лекции мы определим понятие измерения физической величины, а также понятия величины и различных видов величин.
