Основные понятия метрологии

Предмет метрологии

Наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности называется метрологией (греческое слово "метрология" образовано от слов "метрон" – мера и "логос" – учение). К основным направлениям метрологии относят:

1. общую теорию измерений;
2. единицы физических величин и их системы;
3. методы и средства измерений;
4. методы определения точности измерений;
5. основы обеспечения единства измерений и единообразия средств измерений;
6. эталоны и образцовые средства измерений;
7. методы передачи размеров единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочим средством измерений.

Метрологию подразделяют на теоретическую, прикладную и законодательную. Теоретическая метрология занимается вопросами фундаментальных исследований, созданием системы единиц измерений, физических постоянных, разработкой новых методов измерения. Прикладная (практическая) метрология занимается вопросами практического применения в различных сферах деятельности результатов теоретических исследований в рамках метрологии. Законодательная метрология включает совокупность взаимообусловленных правил и норм, направленных на обеспечение единства измерений, которые возводятся в ранг правовых положений (уполномоченными на то органами государственной власти), имеют обязательную силу и находятся под контролем государства.

С января 2001 года на территории России и стран СНГ взамен ГОСТ 16263-70 "ГСИ. Метрология. Термины и определения" введены рекомендации РМГ 29-99, содержащие основные термины и определения в области метрологии, согласованные с международными стандартами ИСО 31(0-13) и ИСО 1000.

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.

Физические величины

Основным объектом измерения в метрологии являются физические величины. Физическая величина – одно из свойств физического объекта (явления, процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.

Физическая величина (краткая форма термина – "величина") применяется для описания материальных систем и объектов (явлений, процессов и т. п.), изучаемых в любых науках (физике, химии и др.).

Существуют основные и производные величины. В качестве основных выбирают величины, которые характеризуют фундаментальные свойства материального мира. ГОСТ 8.417 устанавливает семь основных физических величин: длина, масса, время, термодинамическая температура, количество вещества, сила света, сила электрического тока, – с помощью которых создается все разнообразие производных физических величин и обеспечивается описание любых свойств физических объектов и явлений.

Важной характеристикой физической величины является ее размерность – выражение в форме степенного многочлена, отражающего связь данной величины с основными ФВ системы, в котором коэффициент пропорциональности принят равным единице:

где L, M, T, … – условные обозначения физических величин данной системы, единицы которых приняты за основные (L – длина, M – масса, T – время), , … – показатели степени, с которой основная величина входит в уравнение при определении производной величины. Например, для плотности , для силы электрического тока , для ускорения .

Международная система единиц (СИ)

Совокупность основных и производных единиц, относящихся к некоторой системе величин и построенная в соответствии с принятыми принципами, образует систему единиц. На сегодняшний день Международная система единиц физических величин включает семь основных единиц (табл. 1. таблица 1.1).

Таблица 1.1. Основные единицы СИ

Наименование	Единица измерений	Обозначение		Размерность
		международное	российское
Длина	Метр	m	м	L
Масса	Килограмм	kg	кг	М
Время	Секунда	S	с	Т
Сила электрического тока	Ампер	А	А	I
Термодинамическая температура	Кельвин	К	К
Количество вещества	Моль	mol	моль	N
Сила света	Кандела	kd	кд	J

Решениями Генеральной конференции по мерам и весам приняты такие определения основных единиц измерения физических величин:

1. Метр считается длинной пути, который проходит свет в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды;
2. Килограмм считается приравненным к существующему международному прототипу килограмма;
3. Секунда равна 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего тому переходу, который происходит между двумя так называемыми сверхтонкими уровнями основного состояния атома Cs¹³³ ;
4. Ампер считается мерой той силы неизменяющегося тока, вызывающего на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия при условии прохождения по двум прямолинейным параллельным проводникам, обладающим такими показателями, как ничтожно малая площадь кругового сечения и бесконечная длина, а также расположенных на расстоянии в 1 м друг от друга в условиях вакуума;
5. Кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры, так называемой тройной точки воды;
6. Моль равен количеству вещества системы, в которую входит такое же количество структурных элементов, что и в атомы в C¹² массой 0,012 кг;
7. Кандела равна силе света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Кроме того, Международная система единиц содержит две достаточно важные дополнительные единицы, необходимые для измерения плоского и телесного углов. Так, единица плоского угла – это радиан, или сокращенно рад, представляющий собой угол между двух радиусов окружности, длина дуги между которыми равняется радиусу окружности. Если речь идет о градусах, то радиан равен . Стерадиан, или ср, принимаемый за единицу телесного угла, представляет собой телесный угол, расположение вершины которого фиксируется в центре сферы, а площадь, вырезаемая данным углом на поверхности сферы, равна площади квадрата, сторона которого равна длине радиуса сферы. Другие дополнительные единицы СИ используются для формирования единиц угловой скорости, а также углового ускорения и т. д. Радиан и стерадиан используются для теоретических построений и расчетов, поскольку большая часть значимых для практики значений углов в радианах выражаются трансцендентными числами. К внесистемным единицам относятся:

1. за логарифмическую единицу принята десятая часть бела, децибел (дБ);
2. диоптрия – сила света для оптических приборов;
3. реактивная мощность – Вар (ВА);
4. астрономическая единица (а. е.) – 149,6 млн км;
5. световой год, под которым понимается такое расстояние, которое луч света проходит за 1 год;
6. вместимость – литр;
7. площадь – гектар (га).

Универсальность СИ обеспечивается тем, что 7 основных единиц, положенных в ее основу, являются единицами физических величин, отражающих основные свойства материального мира, и дают возможность образовывать производные единицы для любых физических величин во всех отраслях науки и техники. Этой же цели служат и дополнительные единицы, необходимые для образования производных единиц, зависящих от плоского и телесного углов.

Выделяют следующие преимущества СИ перед другими системами единиц:

1. СИ является универсальной, охватывая все области науки, техники, производства;
2. построенная таким образом система единиц и входящие в нее единицы называются когерентными (связанными, согласованными), коэффициенты пропорциональности в физических уравнениях, определяющих единицы производных величин, равны безразмерной единице;
3. в СИ устранена множественность единиц (унификация единиц для всех видов измерений) для выражения величин одного и того же ряда;
4. установление для каждой физической величины своей единицы позволило разграничить понятие массы (кг) и веса (Н).

Международная система единиц, благодаря своим преимуществам, получила широкое распространение в мире. Так, все страны Европейского Союза перешли на единицы СИ. Страны, где ранее традиционно применялась английская система мер (Великобритания, Австралия, Канада, США и др.) также внедряют единицы СИ.