Метрология: наука об измирениях

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Международный словарь  основных и общих терминов метрологии (У1М, 2-е изд., 1993 г.) дает самое краткое определение метрологии: наука об измерениях. Измерения сопутствуют человеку буквально на каждом шагу. В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с измерениями расстояний, масс, времени, температуры, давления. В современной промышленности ежедневно выполняются миллиарды измерений. Доля затрат на выполнение измерений составляет в среднем 10—15% от общих трудозатрат, а в электронике — до 60— 80%. О роли измерений в научных исследованиях достаточно определенно высказался Д.И. Менделеев: «Наука начинается... с тех пор, как начинают измерять; точная наука немыслима без меры».

Необычайно широк спектр значений измеряемых величин. Например, расстояния (в метрах) измеряют в диапазоне от Ю^-10 до 10¹⁷, температуру (в Кельвинах) — от 0,5 до 10⁶, силу электрического тока (в амперах) — от 10~¹⁶ до 10⁴, мощность (в ваттах) — от 10 ~¹⁵ до 10⁹.

Достигнутая точность уникальных измерительных систем поражает воображение. Лучшие национальные эталоны позволяют измерять интервалы времени с погрешностью, не превышающей Ю^-16 с. Это означает, что погрешность всего в одну секунду сможет «набежать» не ранее чем через 300 миллионов лет! Такой уровень точности — не экзотика, он диктуется практическими потребностями общества, в первую очередь задачами развития космической и оборонной техники. Для того, чтобы обеспечить определение координат подвижного объекта (корабля, самолета, автомобиля, человека) в любом географическом районе Земли с погрешностью не более 20—30 метров, на борту спутников навигационных космических систем (ГЛОНАСС в России, NАV5ТАК—СР5 в США) установлены квантовые стандарты частоты с погрешностью Ю^-13 сек. Причиной отклонения головной части ракеты на 100 м и более может оказаться ошибка в измерениях температуры топлива всего на 1 -С.

Метрология как область  практической деятельности по своей социальной значимости соизмерима с системами связи, транспорта, здравоохранения, торговли, обороны страны. Закон РФ «Об обеспечении единства измерений» направлен «на защиту прав и законных интересов граждан, установленного правопорядка и экономики Российской Федерации от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений». Применение приборов, не прошедших поверку, или ошибочных методов измерений ведет к нарушению технологического процесса, браку продукции, потерям ресурсов, появлению предпосылок для аварийных ситуаций. Так, авария на Чернобыльской атомной электростанции в 1986 г. явилась следствием, в числе прочего, плохой организации измерений.

В различных странах  были проведены исследования для определения экономической выгоды от затрат на метрологию. Хотя точные обобщающие цифры отсутствуют, нет никакого сомнения в том, что выгода значительно превышает затраты. Например, по данным Национального института стандартов и технологий США, отношение затрат к выгоде за счет повышения точности измерений сопротивления кремния в полупроводниковом производстве составило 1 : 37, а сертификация стандартных образцов для различных сортов бензина, проведенная в соответствии с «Законом о чистом воздухе» (1990) и позволившая в несколько раз снизить неопределенность в измерениях, дала годовой экономический эффект около 40 млн долл.

Реализация современных высоких технологий невозможна без применения всего арсенала метрологии. Такие технологии требуют получения и переработки огромного объема измерительной информации, без которой их внедрение не дает ожидаемого эффекта. Для осуществления измерений широко применяется микропроцессорная техника и персональные компьютеры, а также интеллектуальные средства измерений. Возросшие требования к качеству измерения превратили его в сложную процедуру подготовки и проведения измерительного эксперимента, обработки и интерпретации полученной информации.

В связи с большим  разнообразием измерений, их классифицируют по областям измерений, т. е. совокупностям видов измерений, свойственных какой-либо области науки или техники и выделяющихся своей спецификой. Принято различать следующие области и виды измерений:

1. Геометрические измерения (длина, угол, отклонения формы и расположения поверхностей, параметры шероховатости поверхности, координаты сложной поверхности).
2. Механические измерения (масса, сила, крутящий момент, напряжение и деформация, твердость, параметры движения).етрологии
3. Измерения расхода, вместимости, уровня, параметров потока.
4. Измерения давления и вакуума.
5. Физико-химические измерения (вязкость, плотность, влажность, концентрация компонентов, кон- дуктометрия, рН-метрия).
6. Температурные и теплофизические измерения.
7. Измерения времени и частоты.
8. Электрические и магнитные измерения на постоянном и переменном токе (сила тока, напряжение, энергия, мощность, сопротивление, проводимость, емкость, индуктивность, добротность, параметры электрических и магнитных полей, магнитные характеристики материалов).
9. Радиоэлектронные измерения (интенсивность, параметры формы и спектра сигналов, параметры трактов и антенн, измерения свойств веществ и материалов радиотехническими методами).
10. Виброакустические измерения (параметры вибрации, акустические измерения в газовой и жидкой среде и в твердых телах, уровень шума, аудиометрия).
11. Оптические и оптико-физические измерения (сила света, освещенность, энергетические параметры излучения, характеристики лазерного излучения, оптические свойства и характеристики материалов).
12. Измерения параметров ионизирующих излучений и ядерных констант.
13. Биологические и биомедицинские измерения.

Границы реального распространения  метрологии определяются тем содержанием, которым наполняется термин «измерение», поскольку понятие измерения является фундаментальным для метрологии. Пока же продолжается поиск такой формулировки его определения, которая бы адекватно отражала практически реализуемую в настоящее время систему измерений и была признана большинством метрологов. Иллюстрацией диапазона мнений в подходе к этому вопросу могут служить два примера определения термина «измерение»[5, c.8-11].

 

1.1. ЭЛЕМЕНТЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ПРОЦЕДУРЫ

Предметом метрологии является получение качественной или количественной информации о свойствах объектов окружающего мира путем измерения. Само измерение — сложная процедура, включающая целый ряд последовательных и взаимодействующих элементов. Совокупность и порядок следования элементов процедуры измерения конкретного свойства фиксируется в форме соответствующей методики выполнения измерений.

Начальным элементом  всякого измерения является его задача (цель). Задача измерения в общем случае — это получение результата измерения требуемого качества, т. е. необходимой точности и достоверности. Формулирование конкретной измерительной задачи осуществляется с учетом априорной (полученной до проведения самого измерения) информации об измеряемом объекте и его свойствах. Анализ априорной информации позволяет заранее определить характеристики предстоящего измерения, в том числе достижимый уровень его точности.

Ицмет метрологии

Объект измерения — это реальный объект (тело, вещество, поле, явление, процесс, организм), обладающий некоторой суммой свойств и находящийся в многосторонних и сложных связях с другими объектами. Субъект измерения (человек, выполняющий измерение) принципиально не может охватить объект целиком, во всем многообразии его свойств и связей. Поэтому его взаимодействие с объектом измерения возможно только на основе модели объекта. Модель объекта измерения строится в соответствии с целью измерения на основе априорной информации об объекте и условиях измерения. Построение адекватной модели объекта измерения является сложной и нефор- мализуемой задачей.

Субъект измерения осуществляет выбор принципа, метода и средства измерений. Принцип измерения — научно описанное явление (или эффект), положенное в основу метода измерения. Например, при эталонных измерениях электрического напряжения используется эффект Джозефсона, при измерении температуры — термоэлектрический эффект, при измерении скорости — эффект Доплера.

Метод измерения — логическая последовательность операций, описанная в общем виде и применяемая для сравнения конкретного проявления свойства объекта со шкалой измерений этого свойства. Методы измерений весьма разнообразны и могут быть классифицированы по различным признакам. Зачастую методу измерения дается собственное название не потому, что он существенно отличается от известных методов, а лишь для удобства его практического использования.

Например, методы непосредственной оценки, противопоставления, замещения, совпадения, дифференциальный, нулевой методы являются, по существу, разновидностями метода сравнения с мерой.

Метод измерения реализуется  с помощью средств измерений. Средством измерений называют объект, воспроизводящий и (или) хранящий какую-либо часть шкалы измерений (точку, участок) и предназначенный для выполнения измерений. Большинство средств из-

мерений являются конструктивно  законченными техническими устройствами. Каждое средство измерений имеет нормированные метрологические характеристики, которые оказывают влияние на качество результатов измерений.

Своеобразным средством  измерений является человек, который использует свои органы чувств (осязание, обоняние, зрение, слух, вкус) при органолепти- ческих измерениях, интуицию — при эвристических измерениях, знания и навыки — при экспертных измерениях.

Важную роль в процессе измерения играют условия измерения — совокупность влияющих величин, описывающих состояние окружающей среды и средства измерений. К влияющим относят величины, не измеряемые в конкретной процедуре измерения, но оказывающие влияние на его результаты (температура, давление, влажность, электрическое напряжение, частота питания в сети и др.). Отклонение от нормальных условий измерения приводит к изменению состояния объекта измерения и средства измерений, что может вызвать расширение интервала неопределенности (или появление дополнительной погрешности измерения).

Измерительный эксперимент является центральным элементом процедуры измерения. В узком смысле — это отдельное, однократное измерение, которое часто называют наблюдением. В общем случае измерительный эксперимент содержит ряд последовательных операций по взаимодействию средства измерений с измеряемым объектом, получению, преобразованию и индикации сигналов измерительной информации, регистрации результатов наблюдений.

Завершает процедуру  измерения операция обработки экспериментальных данных, включающая проведение вычислений согласно принятому алгоритму, получение результата измерения, оценку его точности и достоверности, запись результата и его неопределенности (или погрешности) в соответствии с установленной формой представления[5, c.12-14].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2. МЕТРОЛОГИЯ: КРАТКАЯ ИСТОРИЯ

 

Метрология зародилась в глубокой древности, когда начали формироваться первые государства, стала развиваться торговля, появилась  необходимость выполнять достаточно большие общественные работы.Исторические памятники называют её возраст: более 6 тыс.лет.

На каждом этапе своего развития метрология решала собственные задачи, отражающие потребности общества. Вместе с этим менялось и само понятие метрологии. В дословном переводе с древнегреческого (от metron — мера и 1оgos — учение) метрология — наука о мерах. Измерить величину — значит сравнить ее с мерой.

Многие века меры были в основном антропометрическими (связанными с размерами человеческого тела — пядь, фут, локоть, аршин, сажень) или обиходными (например, первоначально дюйм — длина трех ячменных зерен, приставленных одно к другому своими концами).

Раздробленность территорий и народов обусловила огромное разнообразие однородных мер. Так, к концу XVIII в. в разных странах существовало (округленно) 280 различных футов (мера длины), 390 фунтов (мера веса, в современном понимании — мера массы). С развитием торговых и финансовых связей отсутствие единых мер стало вызывать существенные трудности.

Важным событием в развитии метрологии стало принятие Национальным собранием Франции в 1790 г. Декрета о реформе мер. В основу декрета легла предложенная группой академиков метрическая система мер. В качестве базовой была выбрана естественная мера длины, равная одной десятимиллионной доле четверти парижского меридиана, которая получила название метра. Второй (производной) мерой системы был назван килограмм, равный массе одного кубического дециметра чистой воды при температуре 4 °С. Были изготовлены (1799) и сданы на хранение в Архив Французской республики платиновые эталоны этих мер, названные «метром Архива» и «килограммом Архива».

 

К настоящему времени  к Метрической конвенции присоединились 48 государств, в которых сосредоточено более 95% мирового промышленного капитала. День подписания Метрической конвенции — 20 мая — предложено отмечать как Всемирный день метрологии.

Главный элемент системы  измерений в любой стране — национальный метрологический институт (НМИ). В соответствии с Метрической конвенцией многие промышленные страны учредили или реорганизовали свои НМИ. Первыми среди них стали: Федеральный физико-технический институт РТВ Германии в 1887 г., Главная палата мер и весов России в 1893 г., Национальная физическая лаборатория NРL Великобритании в 1900 г., Национальное бюро стандартов NBS Соединенных Штатов Америки в 1901 г. (ныне — Национальный институт стандартов и технологий NIST).

К концу XIX в. все страны, подписавшие Метрическую конвенцию, получили национальные эталоны метра и килограмма, изготовленные в 1889 г. по единой технологии из платино-иридиевого сплава с наивысшей возможной для того времени точностью. Те прототипы этих эталонов, которые оказались наиболее близкими по своим значениям к архивным эталонам 1799 г., получили статус международных эталонов и поступили в Международное бюро мер и весов (МБМВ).