Метрология: как измерять физические величины¶

Измерение — это процесс определения отношения измеряемой величины к однородной величине, принятой за единицу измерения. Результат измерения выражается числом и единицей измерения. Метрология — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и достоверности — разделяет измерения по ряду признаков: по числу измеряемых величин (одномерные и многомерные), по характеру изменения величины (статические и динамические), по методу получения результата (прямые, косвенные, совместные), по точности (высокоточные, точные, измерения технические).

¶Основные величины и единицы измерения

Система СИ (Международная система единиц), принятая Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 году, включает семь основных единиц:

Все остальные единицы (джоуль, паскаль, ватт и др.) производные. Определения основных единиц с 2019 года закреплены через фундаментальные физические константы, что сделало систему универсальной и не зависящей от материальных эталонов.

¶Методы измерения

¶Прямые измерения

Результат получается непосредственным сравнением измеряемой величины с единицей с помощью измерительного прибора. Примеры: измерение длины линейкой, массы на весах, времени с помощью секундомера, температуры термометром.

¶Косвенные измерения

Величина вычисляется по известной зависимости от нескольких прямых измерений. Пример: сопротивление проводника определяется по закону Ома при измерении напряжения и тока; площадь прямоугольника — как произведение измеренных сторон.

¶Совместные измерения

Позволяют определить одновременно несколько однородных величин. Пример — измерение удельной теплоёмкости и теплопроводности вещества в одном эксперименте.

¶Сравнительные измерения

Величина определяется путём сравнения с эталоном или образцом-мерой. Именно так работают весы с гирями и калибровка приборов.

¶Средства измерений

Средства измерений делятся на меры (эталоны), измерительные приборы, преобразователи, измерительные установки и системы.

¶Меры и эталоны

Мера — средство измерений, воспроизводящее физическую величину заданного номинального значения. Гири, мерные сопротивления, образцовые растворы. Эталон — мера, утверждённая в качестве официального стандарта. В России функции национального эталона выполняет ВНИИ метрологии им. Д. И. Менделеева (ВНИИМ).

¶Измерительные приборы

Приборы вырабатывают сигнал, содержащий информацию о значении величины. Аналоговые приборы (стрелочные мультиметры, манометры) показывают непрерывное изменение, цифровые (цифровые мультиметры, осциллографы) дискретизируют сигнал и отображают результат в числовом виде.

¶Погрешности и точность

Любое измерение несовершенно. Разность между измеренным и истинным значением называется погрешностью. Погрешности подразделяются на систематические (обусловлены недостатками метода или прибора, повторяются по закономерности) и случайные (обусловлены непредсказуемыми факторами, подчиняются закону нормального распределения).

При многократных измерениях итоговое значение определяют как среднее арифметическое, а точность характеризуют средним квадратическим отклонением. Для оценки достоверности результата используют доверительную вероятность и доверительный интервал.

¶Типичные задачи измерения

¶Измерение длины

Основные инструменты: линейка (точность ±1 мм), штангенциркуль (±0,05 мм), микрометр (±0,01 мм), измерительная лента, дальномеры (лазерные и ультразвуковые). Для измерений больших расстояний применяют триангуляцию, тахеометры и спутниковые технологии (ГЛОНАСС, GPS).

¶Измерение массы

В лабораториях используют аналитические весы с точностью до 0,0001 г, в торговле — электронные весы с поверкой. Принцип работы современных весов — тензометрический: деформация упругого элемента преобразуется в электрический сигнал.

¶Измерение времени

Секунда определена через частоту излучения атома цезия-133 (9 192 631 770 периодов излучения). Атомные часы обеспечивают точность порядка 10⁻¹⁵, что критично для работы спутниковых навигационных систем и телекоммуникаций.

¶Измерение температуры

Шкала Кельвина связана с тройной точкой воды (273,16 К). Практически используются термопары (от −200 до +1700 °C), термометры сопротивления (−200…+600 °C), пирометры для бесконтактного измерения раскалённых тел.

¶Метрологическое обеспечение в России

Государственную метрологическую службу возглавляет Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт). Поверка средств измерений обязательна для тех приборов, которыми подтверждаются показатели качества продукции, безопасность и точность расчётов. Закон РФ «О единстве измерений» (1993) устанавливает правовые основы обеспечения достоверности измерений на территории страны.

Источники: ГОСТ Р 8.001-2023 «Измерения и измерительная техника. Основные положения»; ФЗ «Об обеспечении единства измерений»; учебник «Метрология, стандартизция и сертификация» под ред. В. А. Судакова; справочник «Основы метрологии и физических измерений» Г. А. Хлебникова.