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.

   Принято различать также приборы прямого  действия и приборы сравнения. Под  прибором сравнения, по-видимому, подразумевается  компаратор. Компаратор – средство сравнения, предназначенное для  сличения мер однородных величин. Примерами являются рычажные весы, компаратор для сличения нормальных элементов.

   Средство  сравнения – техническое средство или специально создаваемая среда, посредством которых возможно выполнять  сравнения друг с другом мер однородных величин или показания измерительных  приборов.

   Примечание  – Иногда техническое средство снабжается средством измерений, обеспечивающим функцию сравнения.

   Примеры

   1 Рычажные весы, на одну чашку  которых устанавливается эталонная  гиря, а на другую поверяемая, — есть средство для их сравнения.

   2 Градуировочная жидкость для  сравнения показаний эталонного  и рабочего ареометров служит необходимой средой для градуирования рабочих ареометров.

   3 Температурное поле, создаваемое  термостатом для сравнения показаний  термометров, является необходимой  средой.

   4 Давление среды, создаваемое компрессором, может быть измерено поверяемым и эталонным манометрами одновременно. На основании показаний эталонного прибора градуируется поверяемый прибор.

   Если  «средство сравнения» предназначено  для реализации процедуры сравнения  значений физических величин, то не следует  путать его с такими объектами сравнения, как градуировочная жидкость, давление среды и другие.

   Индикатор – техническое средство или вещество, предназначенное для установления наличия какой-либо физической величины или превышения уровня ее порогового значения. Индикатор близости к нулю сигнала называют нулевым или нуль-индикатором. При химических реакциях в качестве индикатора применяют лакмусовую бумагу и какие-либо вещества. В области измерений ионизирующих излучений индикатор часто дает световой и (или) звуковой сигнал о превышении уровнем радиации его порогового значения.

   Фактически  индикаторы – это особый вид средств измерений, которые предназначены для установления наличия какой-либо физической величины или определения ее порогового значения (индикатор фазового провода электропроводки, индикатор контакта измерительного наконечника прибора линейных измерений с поверхностью детали, лакмусовая бумага, индикатор пожара в помещении, индикаторы охранной сигнализации). В некоторых случаях в качестве индикаторов могут использоваться измерительные приборы (омметр при проверке обрыва в электрической цепи, часы - будильник, предельный электроконтактный измерительный преобразователь с визуальной или звуковой сигнализацией.

   Основные  и вспомогательные средства измерений  и дополнительные устройства могут быть объединены в измерительные установки или измерительные системы.

   Основное  средство измерений – средство измерений  той физической величины, значение которой необходимо получить в соответствии с измерительной задачей.

   Вспомогательное средство измерений – средство измерений той физической величины, влияние которой на основное средство измерений или объект измерений необходимо учитывать для получения результатов измерений требуемой точности. Примером вспомогательного средства измерений является термометр для измерения температуры газа в процессе измерений объемного расхода этого газа.

   Измерительная установка – совокупность функционально  объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и  других устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте. В примечаниях сказано, что существуют эталонные и поверочные установки, а некоторые большие измерительные установки называют измерительными машинами. В качестве примеров приведены установка для измерений удельного сопротивления электротехнических материалов и установка для испытаний магнитных материалов.

   Измерительная система – совокупность функционально  объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта и т.п. с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях.

   В примечаниях упоминаются измерительные информационные, измерительные контролирующие, измерительные управляющие системы, а также гибкие измерительные системы.

   В качестве примеров приведены измерительная  система теплоэлектростанции, позволяющая  получать измерительную информацию о ряде физических величин в разных энергоблоках, которая может содержать сотни измерительных каналов; радионавигационная система для определения местоположения различных объектов, состоящая из ряда измерительно-вычислительных комплексов, разнесенных в пространстве на значительное расстояние друг от друга.

   Измерительно-вычислительный комплекс – функционально объединенная совокупность средств измерений  и вспомогательных устройств, предназначенная  для выполнения в составе измерительной  системы конкретной измерительной задачи.

   Измерительная цепь – совокупность элементов средств  измерений, образующих непрерывный  путь прохождения измерительного сигнала  одной физической величины от входа  до выхода. Измерительную цепь измерительной  системы называют измерительным  каналом.

   Очевидно, что и простые и более сложные  средства измерений могут включать типовые элементы, к которым можно  отнести чувствительный элемент, измерительный  механизм, показывающее устройство, регистрирующее устройство, цифровое табло измерительного прибора.

   Чувствительный  элемент средства измерений –  часть измерительного преобразователя  в измерительной цепи, воспринимающая входной измерительный сигнал.

   Измерительный механизм средства измерений – совокупность элементов средства измерений, которые обеспечивают необходимое перемещение указателя (стрелки, светового пятна и т. д.).

   Определение не вполне соответствует термину, а  приведенный далее пример «измерительный механизм милливольтметра состоит  из постоянного магнита и подвижной  рамки» скорее относится к промежуточному измерительному преобразователю прибора.

   Показывающее  устройство средства измерений – совокупность элементов средства измерений, которые обеспечивают визуальное восприятие значений измеряемой величины или связанных с ней величин. Очевидно, показывающие устройства приборов чаще всего выполнены в виде системы шкала-указатель или числового табло.

   Шкала средства измерений – часть показывающего устройства средства измерений, представляющая собой упорядоченный ряд отметок вместе со связанной с ними нумерацией. Отметки на шкалах могут быть нанесены равномерно или неравномерно.

   Отметка шкалы – знак на шкале средства измерений (черточка, зубец, точка и др.), соответствующий некоторому значению физической величины. Отметку шкалы средства измерений, у которой проставлено число, называют числовая отметка шкалы, а промежуток между двумя соседними отметками шкалы средства измерений называется делением шкалы.

   Различают начальное значение шкалы (наименьшее значение измеряемой величины, которое  может быть отсчитано по шкале средства измерений) и конечное значение шкалы (наибольшее значение измеряемой величины, которое может быть отсчитано по шкале средства измерений).

   Указатель средства измерений – часть показывающего  устройства, положение которой относительно отметок шкалы определяет показания средства измерений. Указателем может быть стрелка, штрих, кромка детали, перемещающейся относительно шкалы, световое пятно с маркой, край столбика жидкости и т.д. Изменение показаний в системе шкала-указатель, может осуществляться за счет перемещения любого из элементов относительно другого.

   Показывающее  устройство «цифрового» измерительного прибора называется табло цифрового  измерительного прибора.

   Кроме демонстрирующих в метрологии используют также и регистрирующие приборы. Регистрирующее устройство средства измерений – совокупность элементов средства измерений, которые регистрируют значение измеряемой или связанной с ней величины. В качестве регистрирующего устройства могут использоваться самописцы, печатающие устройства (символьные, в частности цифропечатающие; матричные, формирующие изображение из точек), устройства с фоторегистрацией или магнитной регистрацией данных и другие.

   Сложное средство измерений можно представить  в виде схемы, взяв за основу его  измерительную цепь, которая включает первичный и промежуточные измерительные преобразователи и устройство отображения измерительной информации.

   В состав первичного измерительного преобразователя  обязательно включается чувствительный элемент. Любое средство измерений  обязательно имеет устройство выдачи измерительной информации. У приборов с визуальными выходом это чаще всего отсчетные устройства типа шкала-указатель или цифровое табло. Прибор может быть снабжен несколькими шкалами (индикатор часового типа, измерительные головки ИГМ) или одной шкалой с несколькими указателями (часы с циферблатом и центральными стрелками). В приборах и индикаторах применяют и другие устройства визуальной индикации (нуль-указатели, табло светофорного типа), а также акустические устройства (звонок, зуммер таймера) и тактильные устройства (вибратор наручного будильника для слабо слышащих). В качестве устройств выдачи информации могут использоваться также любые регистрирующие самопишущие или печатающие устройства. 

   Выделение измерительных преобразователей по кинематической схеме осуществляют на основе логического анализа выполняемых ими функций и конструктивной завершенности, автономности. Возможно укрупненное и более мелкое дробление элементов функциональной кинематической схемы на измерительные преобразователи, например: чашка с собственным шарнирным подвесом– шарнирная тяга – равноплечий рычаг. Шкала устройства отображения измерительной информации может иметь множество делений или только одно нулевое деление– вырожденная шкала, характерная для приборов типа нуль-компаратора, которые предназначены для измерения нулевым методом.  В зависимости от степени участия оператора в процессе, различают автоматические автоматизированные и неавтоматизированные средства измерений.

   Автоматическое  средство измерений – средство измерений, производящее без непосредственного участия человека измерения и все операции, связанные с обработкой результатов измерений, их регистрацией, передачей данных или выработкой управляющего сигнала. Автоматизированное средство измерений – средство измерений, производящее в автоматическом режиме одну или часть измерительных операций. Например, барограф осуществляет автоматическое измерение и регистрацию давления, а счетчик электроэнергии измеряет и регистрирует данные о потреблении энергии с автоматическим накоплением результатов).

   Средства  измерений подразделяются на виды и  типы, причем вид средств измерений  может включать несколько их типов. Амперметры являются видами средств  измерений силы электрического тока, а вольтметры–  напряжения электрического тока.

   Вид средства измерений – совокупность средств измерений, предназначенных  для измерений данной физической величины.

   Тип средства измерений – совокупность средств измерений одного и того же назначения, основанных на одном  и том же принципе действия, имеющих одинаковую конструкцию и изготовленных по одной и той же технической документации. Средства измерений одного типа могут иметь различные модификации.

   Кроме того, средства измерений принято  различать по принципам действия, то есть по физическим принципам, используемым для преобразования измеряемой величины или сигнала измерительной информации. Например, измерительный микроскоп относится к оптико-механическим приборам, индуктивный или резистивный преобразователь – к электрическим средствам измерений и т.д. Сложные приборы с длинной измерительной цепью обычно характеризуют одним (или двумя) наиболее важными принципами преобразования (лазерный интерферометр, фотоэлектрический угломер).

   Средства  измерений узаконивают уполномоченные органы, например, путем утверждения типа средства измерений. Узаконенное средство измерений – средство измерений, признанное годным и допущенное для применения уполномоченным на то органом. Одним из методов официального утверждения является стандартизация средств измерений. Средства измерений подвергают испытаниям и в случае положительных результатов стандартизуют и вносят в Госреестр. Стандартизованное средство измерений – средство измерений, изготовленное и применяемое в соответствии с требованиями государственного или отраслевого стандарта. Одним из видов стандартизованных средств измерений является стандартный образец – образец вещества с установленными в результате метрологической аттестации значениями одной или более величин, характеризующими свойство или состав этого материала. Различают стандартные образцы свойств и стандартные образцы состава. Стандартные образцы свойств веществ и материалов являются однозначными мерами и могут применяться в качестве рабочих эталонов, с присвоением разряда в соответствии с местом в государственной поверочной схеме. Примеры стандартных образцов свойства: относительной диэлектрической проницаемости, высокочистой бензойной кислоты. Стандартные образцы состава могут иметь аттестованные значения одной или более величин, характеризующими свойство или состав этого вещества, например стандартные образцы состава углеродистой стали.