Измерение

Измерение — это процедура определения значения физической величины опытным путём с помощью специальных технических средств, имеющих нормированные метрологические свойства. Результатом измерения является именованное число, выражающее отношение измеряемой величины к единице, принятой за эталон. Измерение является основой научного познания, технического контроля, учёта и стандартизации.

История

Первые известные измерения относятся к древним цивилизациям Месопотамии, Египта и долины Инда (около 3–4 тыс. лет до н. э.). Люди измеряли длину (локтями, ступнями, пальцами), площадь (для земельных наделов), объём (для зерна и жидкостей), массу (с помощью гирь) и время (по солнечным и водяным часам). Единицы измерения были антропометрическими и привязанными к местным эталонам, что приводило к значительным расхождениям.

В эпоху Возрождения и Нового времени развитие науки и торговли потребовало унификации. В 1799 году во Франции была введена метрическая система мер, основанная на метре и килограмме. В 1875 году 17 государств подписали Метрическую конвенцию, учредившую Международное бюро мер и весов (МБМВ). В 1960 году на XI Генеральной конференции по мерам и весам была принята Международная система единиц (СИ), которая стала основой для всех научных и технических измерений в мире.

Классификация измерений

Измерения классифицируются по нескольким признакам:

По способу получения результата

• Прямые измерения — значение величины получают непосредственно (например, измерение длины линейкой, массы — весами).
• Косвенные измерения — искомое значение вычисляют по результатам прямых измерений других величин, связанных с искомой функциональной зависимостью (например, скорость как отношение пути ко времени, плотность как отношение массы к объёму).
• Совокупные измерения — проводят одновременно несколько одноимённых величин, а искомые значения находят решением системы уравнений (например, определение массы гирь в наборе).
• Совместные измерения — проводят одновременно двух или более разноимённых величин для нахождения зависимости между ними (например, температурная зависимость электрического сопротивления).

По числу наблюдений

• Однократные — результат получают по одному отсчёту.
• Многократные — проводят серию наблюдений с последующей статистической обработкой для повышения точности.

По характеру изменения измеряемой величины

• Статические — величина постоянна во времени.
• Динамические — величина изменяется во времени, и измерение учитывает её динамику.

По метрологическому назначению

• Технические — выполняются рабочими средствами измерений для производственного контроля.
• Метрологические — выполняются эталонами и образцовыми средствами для передачи размера единицы.

Элементы процесса измерения

Любое измерение включает следующие обязательные компоненты:

• Объект измерения — материальный объект или явление, свойство которого подлежит оценке.
• Средство измерения — техническое устройство, реализующее измерительную процедуру (линейка, весы, термометр, вольтметр, лазерный дальномер и т. д.).
• Метод измерения — совокупность приёмов использования принципов и средств измерений (например, метод непосредственной оценки, метод сравнения с мерой, нулевой метод, дифференциальный метод).
• Условия измерений — совокупность влияющих факторов (температура, давление, влажность, вибрации, электромагнитные поля), которые могут вносить погрешности.
• Оператор — человек, выполняющий измерения (в автоматизированных системах — управляющая программа).

Погрешность измерений

Абсолютно точное измерение невозможно. Отклонение результата измерения от истинного значения величины называется погрешностью измерения. Погрешность классифицируется:

По источнику возникновения

• Инструментальная — из-за несовершенства средства измерения (износ, неточность градуировки, трение).
• Методическая — из-за несовершенства метода или допущений (например, идеализация модели объекта).
• Субъективная — из-за ошибок оператора (снятие показаний, округление, параллакс).
• Внешняя — из-за влияния условий окружающей среды.

По характеру проявления

• Систематическая — постоянная или закономерно изменяющаяся погрешность (может быть выявлена и устранена введением поправок).
• Случайная — непредсказуемая погрешность, подчиняющаяся статистическим законам (оценивается методами теории вероятностей).
• Грубая (промах) — резко выходящая за пределы ожидаемой погрешности, обычно вызванная невнимательностью или сбоем.

По форме выражения

• Абсолютная — разность между измеренным и истинным значением (в единицах измеряемой величины).
• Относительная — отношение абсолютной погрешности к истинному значению (в процентах или долях).
• Приведённая — отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению (диапазону шкалы).

Единицы измерений

Для количественного выражения результатов измерений используются единицы физических величин. В большинстве стран мира законной является Международная система единиц (СИ), включающая семь основных единиц:

• метр (м) — длина;
• килограмм (кг) — масса;
• секунда (с) — время;
• ампер (А) — сила электрического тока;
• кельвин (К) — термодинамическая температура;
• моль (моль) — количество вещества;
• кандела (кд) — сила света.

Все остальные единицы (производные) образуются из основных по алгебраическим формулам (например, ньютон = кг·м/с², джоуль = кг·м²/с²). В Российской Федерации применение СИ закреплено Федеральным законом «Об обеспечении единства измерений» (№ 102-ФЗ от 26.06.2008).

Метрологическое обеспечение

Для обеспечения единства и точности измерений в каждой стране существует государственная метрологическая служба. В России её функции выполняют:

• Росстандарт (Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии) — орган исполнительной власти.
• Государственные научные метрологические институты (ВНИИМ им. Д. И. Менделеева, ВНИИФТРИ, ВНИИОФИ и др.) — хранят и совершенствуют государственные эталоны.
• Центры стандартизации и метрологии (ЦСМ) — осуществляют поверку и калибровку средств измерений.

Ключевые процедуры метрологического обеспечения:

• Поверка — установление пригодности средства измерения к применению на основе сравнения с эталоном.
• Калибровка — определение действительных метрологических характеристик (без обязательного заключения о пригодности).
• Эталонирование — передача размера единицы от первичного эталона к рабочим средствам.

Современные тенденции

С развитием технологий измерение претерпевает значительные изменения:

• Цифровизация — переход от аналоговых приборов к цифровым с автоматической регистрацией и обработкой данных.
• Интеллектуализация — внедрение в средства измерений микропроцессоров и алгоритмов самодиагностики, коррекции погрешностей, адаптации к условиям.
• Удалённые измерения — использование интернета вещей (IoT) для мониторинга параметров в реальном времени (умные счётчики, телеметрия).
• Наноизмерения — создание методов и средств для измерения параметров нанометрового диапазона (атомно-силовая микроскопия, сканирующая туннельная микроскопия).
• Квантовые эталоны — переход к определению основных единиц СИ через фундаментальные физические константы (постоянная Планка, скорость света, заряд электрона). В 2019 году вступило в силу новое определение килограмма, ампера, кельвина и моля, основанное на фиксированных значениях констант.

Значение измерений

Измерение является фундаментом для всех областей человеческой деятельности:

• Наука — без точных измерений невозможно получение достоверных экспериментальных данных и проверка теорий.
• Промышленность — контроль качества продукции, управление технологическими процессами, обеспечение взаимозаменяемости деталей.
• Торговля — учёт товаров (весы, счётчики), обеспечение честности коммерческих операций.
• Медицина — диагностика (термометры, тонометры, анализаторы), дозирование лекарств.
• Экология — мониторинг загрязнения воздуха, воды, почвы.
• Оборона и безопасность — навигация, прицеливание, обнаружение целей, контроль оружия.

Интересные факты

• Самое точное измерение в современной науке — измерение частоты квантовых переходов в атомных часах (погрешность менее 10⁻¹⁶).
• Самое длинное измерение в истории — измерение расстояния от Земли до Луны с помощью лазерной локации (начато в 1969 году, точность до нескольких сантиметров).
• В России эталон килограмма хранится во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева в Санкт-Петербурге и представляет собой платино-иридиевую гирю массой 1 кг, изготовленную в 1883 году.
• До 2019 года килограмм определялся как масса международного прототипа, хранящегося в МБМВ (Франция). С 20 мая 2019 года килограмм определяется через постоянную Планка.

Источники

1. Федеральный закон «Об обеспечении единства измерений» № 102-ФЗ от 26.06.2008 (с изменениями).
2. ГОСТ Р 8.563-2009 «Государственная система обеспечения единства измерений. Измерения. Термины и определения».
3. Международная система единиц (СИ). Брошюра СИ. 9-е издание, 2019. — МБМВ.
4. Рабинович С. Г. Погрешности измерений. — Л.: Энергия, 1978.
5. Тюрин Н. И. Введение в метрологию. — М.: Издательство стандартов, 1985.
6. Новицкий П. В., Зограф И. А. Оценка погрешностей результатов измерений. — Л.: Энергоатомиздат, 1991.