3. Разработка, обоснование и аттестация методик выполнения измерений (мви);

Основным объектом метрологической деятельности является измерение физических величин.

Измерение - это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств [70].

Техническое средство, применяемое для измерения, должно содержать в себе единицу физической величины и возможность сопоставления с нею измеряемой физической величины.

Другое, достаточно широко распространенное определение понятия измерение предложено проф. М.Ф.Маликовым, внесшим большой вклад в упорядочение отечественной метрологической терминологии: “Измерение - познавательный процесс, заключающийся в сравнении путем физического эксперимента данной величины с известной величиной, принятой за единицу сравнения”.

Измерения являются одним из путей познания природы человеком, объединяют теорию с практической деятельностью. Действительно, все теоретические построения являются бессмысленными до тех пор, пока не проведено измерение физических величин, входящих в состав этих построений. В этом отношении весьма образным является высказывание основоположника английской метрологической науки Томсона: “Каждая вещь известна лишь в той степени, в какой ее можно измерить”.

Измерять физические величины и характеристики процессов человек начал с незапамятных времен, и с каждым годом роль и значение измерений повышались. Старые, примитивные средства измерений (такие как палка, тень, чашка, камень и т.д.) по мере развития человечества заменялись новыми, более совершенными, позволяющими измерять все новые параметры окружающего мира (электромагнитные волны, невидимый глазом свет и т.д.).

В настоящее время измерения являются профессией тысяч людей, а затраты рабочего времени на измерения у работников других профессий составляют значительную долю трудовых затрат.

По способу получения числового значения измеряемой величины все измерения делят на прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямыми называют измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных.

Косвенными называют измерения, результат которых определяют на основании прямых измерений величин, связанных с измеряемой величиной известной зависимостью.

Совокупными называют измерения, в которых значения измеряемых величин находят по данным повторных измерений одной или нескольких величин при различных сочетаниях мер этих величин. Результаты совокупных измерений находят путем решения систем уравнений, составленных по результатам нескольких прямых измерений.

Совместными называют производимые одновременно (прямые или косвенные) измерения двух или нескольких неодноименных величин. Целью совместных измерений является, как правило, нахождение функциональной зависимости между величинами.

Любое измерение имеет ряд характеристик, основными из которых являются следующие:

• Точность измерений - это степень приближения результатов измерений к истинному значению измеряемой величины.

• Погрешность измерений - алгебраическая разность между полученным при измерении значением и значением, выражающим истинный размер этой величины.

• Сходимость измерений - характеристика измерения, отражающая близость друг к другу результатов измерений, выполненных в одинаковых условиях.

• Воспроизводимость измерений - характеристика измерений, отражающая близость друг к другу результатов измерений, выполненных в разных условиях.

Метод измерений - это совокупность приемов использования принципов и средств измерений.

Основными методами измерений являются следующие:

1. Метод непосредственной оценки, в котором значение измеряемой величины определяют непосредственно по отчетному устройству измерительного прибора прямого действия (отсчет по часам, барометру-анероиду, термометру и т.п.).

2. Дифференциальный метод (метод сравнения с мерой) - измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (измерение длины при помощи плоскопараллельных плит, взвешивание на рычажных весах с уравновешиванием гирями и т.п.).

3. Нулевой метод - метод сравнения с мерой, когда результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор равен нулю (мосты сопротивлений, взвешивание на равноплечих весах и т.п.).

4. Метод совпадений - метод сравнения с мерой, в котором разность между измеряемыми величинами определяют по совпадению отметок шкал или периодических сигналов (штангенциркули, явление биений, интерференция, стробоскопические эффекты).

Принцип измерений - совокупность физических явлений, на которых основано измерение.

Наиболее часто употребляемыми в метрологии являются следующие физические принципы и эффекты:

1. Нагревание места спая двух электродов из разнородных металлов вызывает появление ЭДС (термопара);

2. Нагрев электрических проводников и полупроводников вызывает изменение их сопротивления (термометры сопротивления, термисторы);

3. Растяжение или сжатие некоторых металлов в пределах их упругости вызывает изменение электрического сопротивления (измерение усилий и малых перемещений);

4. Фотоэлектрический эффект - на границе между некоторыми полупроводниками и металлами при их освещении возникает ЭДС. (фотоэлементы);

5. Электрическое сопротивление ряда полупроводников под воздействием света может изменяться (фотосопротивления);

6. Яркость свечения и интенсивность инфрокрасного излучения тела зависит от его температуры (оптические пирометры, радиационные пирометры);

7. Пьезоэлектрический эффект - на гранях некоторых кристаллов под воздействием внешней нагрузки возникает ЭДС (измерение усилий, частоты периодических процессов, электрических колебаний);

8. Магнитная проницаемость тел из ферромагнитных материалов изменяется в зависимости от приложенных к ним механических сил. Существует и обратный эффект - под воздействием магнитного поля происходит упругая деформация тела из ферромагнитного материала. Это явление получило название магнитострикции (измерение звуковых и ультразвуковых колебаний);

9. Электрическая емкость плоского конденсатора зависит от диэлектрической проницаемости слоя, разделяющего обкладки конденсатора, и расстояния между обкладками (измерение малых размеров и малых перемещений);

10. Индуктивность электрической катушки зависит от величины воздушного зазора между ней и магнитомягким сердечником (измерение малых перемещений).

11. Химотроника основана на использовании электрохимических преобразователей (химотронов) для измерения разных физических величин. В основе действия химотронов лежат физико-химические процессы, возникающие под воздействием электрического тока: гальваническое осаждение металла, поляризация жидких кристаллов, концентрационная поляризация, электроосмос и т.д. (используют при измерениях давления, уровня жидкости, температуры, вибрации ускорения и др.).

Существует еще ряд способов преобразования показаний того или иного измерительного прибора в электрическую величину, удобную для передачи на расстояние, т.е. телеизмерений.

Следует иметь в виду, что истинное значение физической величины считается неизвестным и применяется только лишь в теоретических исследованиях. Измеренное значение физической величины устанавливается экспериментальным путем в предположении, что результат эксперимента (измерения) в максимальной степени приближается к истинному значению. При этом любое измерение, сколь тщательно и точно оно бы ни проводилось, всегда содержит в себе погрешность.

Точные измерения неоднократно позволяли делать научные открытия. Так, например, тщательные измерения Мейкельсона показали, что при взаимном перемещении источника и приемника света не происходит ожидаемого смещения интерференционной картины. Осмысление этих результатов Энштейном позволило разработать теорию относительности. Другой пример - повышение точности измерений плотности воды привело к открытию тяжелого изотопа водорода - дейтерия, ничтожное содержание которого в обычной воде увеличивает ее плотность.

Современный мир в настоящее время в значительной мере интегрирован, причем интеграция существует как в сфере потребления, так и в сфере производства. Это выдвигает еще одно требование к миллиардам ежедневно проводимых измерений - необходимость обеспечения единства измерений.

Под термином единство измерений понимается воспроизводимость измерений на уровне требуемой точности, т.е. необходимо, чтобы измерения одних и тех же величин, производимые в различных местах, с применением различной измерительной техники, давали бы одинаковые результаты.

Для обеспечения единства измерений необходимо выполнить ряд требований: единообразие узаконенных физических величин и мер, единообразие измерительной техники, установление допустимых ошибок (погрешностей) значения измеряемой величины и т.д. Разработка и обеспечение этих требований является одной из главнейших задач метрологии.