Материал: Н.Н. Акифьева. Метрология, стандартизация и сертификация

Измерения, производимые методом совпадений – сравнение с мерой, при котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов. Принцип совпадения сигналов лежит также в основе методов измерений, в которых используются эффекты биений и интерференции, а также стробоскопический эффект.

Измерения, производимые методом замещения – сравнение с мерой, когда измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой (взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов).

По отношению к изменению во времени измеряемой величины все измерения подразделяются на статические и динамические.

Статические измерения характеризуются постоянством измеряемой величины в процессе измерений.

Динамические измерения характеризуются изменением измеряемой величины в процессе измерений.

По отношению к числу наблюдений физической величины в процессе измерения все измерения подразделяются на однократные и многократные.

Однократным называется измерение, результат которого выводится на основании одного наблюдаемого значения измеряемой величины.

Многократным называется измерение, результат которого выводится на основании многократных независимых наблюдений значений измеряемой величины.

Наблюдаемым значением (observed value) [12] называется значение измеряемой физической величины, полученное в результате единичного наблюдения.

Результатом измерения (test result) [12] называется значение измеряемой величины, полученное выполнением регламентированного метода измерений.

В зависимости от метрологического назначения все измерения делятся на технические и метрологические.

Технические измерения проводятся с помощью рабочих средств измерений.

Метрологические измерения выполняются при помощи эталонов с целью воспроизведения единиц физических величин.

Измерения должны осуществляться в соответствии с аттестованными в установленном порядке методиками выполнения измерений. Порядок разработки и аттестации методик выполнения измерений определяется также Федеральным агенством по техническому регулированию и метрологии.

Федеральное агенство по техническому регулированию и метрологии определяет общие метрологические требования к средствам, методам и результатам измерений и излагает эти требования в нормативных документах по обеспечению единства измерений - технических регламентах, государственных стандартах, международных стандартах, правилах, положениях, инструкциях и рекомендациях. Все эти документы имеют гриф Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ) [10]. Ежегодно нормативная база ГСИ увеличивается примерно на 100 новых документов. К началу 2003 года нормативная база ГСИ включала более 2700 наименований.

Государственные стандарты ГСИ (ГОСТ, ГОСТ Р) регламентируют общие правила и требования в области метрологии:

• организацию и порядок проведения государственных испытаний и поверки;

• классификацию и процедуру создания эталонов и поверочных схем;

• требования к разработке методик поверки, измерений, метрологической аттестации;

• способы нормирования метрологических характеристик средств измерений и методик выполнения измерений;

Свыше 150 государственных стандартов устанавливают требования к метрологическим характеристикам и составу государственных эталонов и структуре основанных на их использовании поверочных схем. Наибольшую долю в массиве метрологических документов составляют нормативные документы на методики поверки. В них регламентированы средства и методы поверки, алгоритмы ее проведения, обработки результатов измерений, оформления заключительных документов. Таких нормативных документов порядка 900. Более 100 документов касается вопросов методик выполнения измерений или методик измерений, методик метрологической аттестации и других вопросов метрологической деятельности.

В 1999 году осуществлена разработка основополагающего государственного стандарта в области метрологии – ГОСТ Р 8.000 «Государственная система обеспечения единства измерений. Основные положения» [10].

К 1 июля 2007 года, в соответствии с Федеральным Законом «О техническом регулировании в Российской Федерации», должна закончиться работа по переводу обязательных метрологических требований в ранг технических регламентов, имющих статус Федерального Закона. При этом требования, имеющие общетехнический или методический характер должны будут переведены в стандарты, имеющие статус рекомендаций.

В целях проверки соблюдения установленных метрологических правил и норм в соответствии с Законом «Об обеспечении единства измерений» осуществляется метрологический контроль и надзор. Очевидно, что с введением в действие технических регламентов контроль и надзор будет осуществляться только в части требований, изложенных в регламентах.

Государственный метрологический контроль и надзор в настоящее время передан Федеральныму агенству по техническому регулированию и метрологии, его территориальным органам и подведомственным организациям. Согласно Закону «Об обеспечении единства измерений» государственный метрологический надзор осуществляется:

• за выпуском, состоянием и применением средств измерений, аттестованными методиками выполнения измерений, эталонами единиц величин, соблюдением метрологических правил и норм;

• за количеством товаров, отчуждаемых при совершении торговых операций;

• за количеством фасованных товаров в упаковках любого вида при их расфасовке и продаже.

Выполнение требований стандартов и других документов ГСИ способствует повышению качества продукции, эффективности управления, обеспечению безопасности жизнедеятельности людей, охране их здоровья и сохранению окружающей среды.

2Физические величины, их единицы и эталоны

2.1Физические величины и их единицы

Следуя понятию «физическая величина», данному в п.1.2, единицей физической величины можно назвать такую физическую величину, которой просвоено количественное значение, равное единице.

На первом этапе развития измерений, единицы той или иной величины были непосредственно связаны с мерами. Размер единицы измеряемой величины равнялся размеру величины, воспроизводимой мерой. В качестве мер, а следовательно и единиц, использовались природные объекты и явления, например: мерами длины являлись части человеческого тела; мерой времени являлись сутки - смена дня и ночи.

Второй этап развития единиц связан с развитием естествознания и техники. В результате наблюдений и экспериментов было обнаружено, что свойства природных объектов и явлений, положенные в основу мер, вопроизводящих единицы физических величин, не обладают той степенью постоянства и воспроизводимости, которые требуются в науке и технике. Второй этап характеризуется созданием искусственных, предметных эталонов единицы длины и массы – метра и килограмма.

Третий этап связан с развитием атомной и ядерной физики и открытием новых физических явлений. Выяснилось, что изготовленные человеком предметные эталоны физических величин не могут обеспечить передачу этих единиц с необходимой точностью. Отличие третьего этапа – отрыв единиц ряда физических величин от меры, от количественных характеристик свойств физических объектов, служащих для их воспроизведения. При этом единицы измерения физических величин в подавляющим большинстве остались такими, какими были установлены на втором этапе. Например, открытие возможности точного вопроизведения длины с помощью длины волны монохроматического света не изменило единицу длины, но использование длины световой волны позволило повысить точность воспроизведения метра на один десятичный знак.

Переходы от одного этапа к другому по отдельным группам физических величин совершались и совершаются в различное время. Например, единица массы в своем развитии остановилась на втором этапе: до сих пор наиболее точно она воспроизводится вещественным эталоном килограмма – платино-иридиевой гирей.

Единицы физических величин формируют так называемые системы единиц. Впервые понятие о системе единиц физических величин ввел немецкий ученый К.Гаусс. Согласно Гауссу, системой является полная совокупность основных и производных единиц. При этом основными называются единицы, выбираемые из условия независимости между собой и с учетом возможности образовывать единицы других величин, пользуясь закономерной связью между основными единицами. Под закономерной связью между величинами понимается возможность математически выразить зависимость одной величины от других. Единицы, выраженные через основные, называются производными.

Если - производная величина, а - основные физические величины, то для можно записать:

, (2.1)

где - некоторая функция от основных физических величин. В традициях теоретической физики, чтобы эта некоторая функция всегда отвечала следующему общему виду:

, (2.2)

где - коэффициент; - показатели степени при основных физических величинах. Например, , где - скорость, - длина, - время. Другой пример, , где - мощность, - масса.

Выбор величин, единицы которых должны стать основными, ограничивается тем, что оптимальным является выбор минимального числа основных единиц, которое бы позволило образовать максимально большее число производных единиц. Кроме того, во всех формулах, определяющих производные единицы в зависимости от основных, коэффициент должен быть равен единице (система с единичными коэффициентами называется когерентной, то есть согласованной), что упрощает проведение вычислений в такой системе.

Наибольшее распространение получили системы, для построения которых, в качестве основных физических величин были взяты время, длина и масса. Обозначение размерности длины, массы и времени в международных стандартах даются через прописные буквы L,M и T. С учетом этого формула размерности производных величин в таких системах принимает вид (2.3). Для обозначения того, что выражение отражает размерность, перед символом величины ставят приставку dim, от слова dimension – размерность.

, (2.3)

где показатели степени kL, kM и kT называют размерностью производной величины X относительно основных.

В научных трудах по физике до настоящего времени применяется система сантиметр-грамм-секунда (СГС), разработанная в 1861-1870 гг. Серьезные трудности встретились при применении СГС для измерения электрических и магнитных величин. Всего было разрабтано семь видов систем СГС для электрических и магнитных величин.

В течение некоторого времени применяли так называемую техническую систему единиц, построенную по схеме длина-сила-время: метр – килограмм-сила – секунда (МКГСС). Недостатком ее являлось то, что единица массы в ней получалась производной и численно равной 9,81 кг. Второй недостаток – сходность наименования единицы силы (килограмм-сила) и метрической единицы массы – килограмма. Третьим крупным недостатком системы МКГСС является ее несогласованность с практическими электрическими единицами.

Система единиц для электрических и магнитных измерений была получена добавлением единицы силы тока – ампера (МКСА). Для теплофизики была разработана система тепловых единиц метр-килограмм-секунда-градус.