Измерения являются одним из важнейших путей развития научно-технического прогресса, познания природы и общества человеком. В практической деятельности мы постоянно имеем дело с измерениями, они имеют первостепенное значение во всех сферах производства и потребления, оценки качества товаров, внедрения новых технологий и управления ими.
Наука, изучающая измерения, называется метрологией. Слово «метрология» образовано из двух греческих слов: «метрон» — мера и «логос» — учение. Дословный перевод слова «метрология» — учение о мерах. Долгое время метрология оставалась в основном описательной (эмпирической) наукой о различных мерах и соотношениях между ними. Метрология как наука об измерениях наиболее интенсивно стала развиваться в XX в. благодаря открытиям в области математических и физических наук. Сегодня можно считать, что уровень развития современного государства, включая его торговлю, промышленность, медицину, науку, оборону, строительство, экологию и услуги, в значительной мере определяется состоянием и динамичным развитием метрологического обеспечения.
Основные понятия и задачи метрологии
Теоретическая метрология занимается фундаментальными вопросами теории измерений, разработкой новых методов измерений, созданием систем единиц измерений и физических постоянных.
Прикладная метрология изучает вопросы практического применения результатов разработок теоретической и законодательной метрологии в различных сферах деятельности.
Законодательная метрология устанавливает обязательные правовые, технические и юридические требования по применению единиц величин, эталонов, стандартных образцов, методов и средств измерений, направленные на обеспечение единства и точности измерений в интересах общества.
Предметом метрологии является получение количественной информации о свойствах объектов и процессов с заданной точностью и достоверностью.
Главными задачами метрологии являются:
обеспечение единства измерений (ОЕИ);
унификация единиц величин и признание их законности;
разработка систем воспроизведения единиц величин и передача их размеров рабочим средствам измерений.
Основное понятие метрологии — измерение. Измерение — это нахождение значения величины опытным путем с помощью специальных технических средств или, другими словами, совокупность операций, выполняемых для определения количественного значения величины.
Значимость измерений выражается в трех аспектах: философском, научном и техническом.
Философский аспект заключается в том, что измерения являются основным средством объективного познания окружающего мира, важнейшим универсальным методом познания физических явлений и процессов. Научный аспект измерений состоит в том, что с помощью измерений осуществляется связь теории и практики, без них невозможны проверка научных гипотез и развитие науки. Технический аспект измерений — это получение количественной информации об объекте управления и контроля, без которой невозможно обеспечение условий проведения технологического процесса, качества продукции и эффективного управления процессом.
Величина — одно из свойств объекта (системы, явления, процесса), которое может быть выделено среди других свойств и оценено (измерено) тем или иным способом, в том числе и количественно. Если свойство объекта (явления, процесса) является качественной категорией, так как характеризует отличительные особенности в различии или общности его с другими объектами, то понятие величины служит для количественного описания одного из свойств этого объекта. Величины подразделяются на идеальные и реальные, последние из которых бывают физические и нефизические. Пример физических величин и их классификация приведены на рис. 5.1.
Рис. 5.1 Классификация физических величин
Количественное содержание индивидуального свойства объекта является размером величины, а числовую оценку ее размера называют значением величины. Например, разные вещества обладают той или иной плотностью, но каждое из них имеет вполне определенное значение: у воды плотность при 20 °С равна 0, 998 г/см3, а ртути — 13, 540 г/см3. Отсюда следует, что одна и та же величина как вполне определенное свойство будет при одинаковых единицах измерения для разных веществ, фаз и систем отличаться размером.
Единица величины — это фиксированное значение величины, которое принято за единицу данной величины и применяется для количественного выражения однородных с ней величин. Различают истинное значение величины, идеально отражающее свойство объекта, и действительное — найденное экспериментально, достаточно близкое к истинному значению величины и которое можно использовать вместо него.
Основное уравнение измерения:
Q=q[Q], (5.1)
где Q — значение величины — это оценка ее размера в виде некоторого числа принятых для нее единиц; q — числовое значение величины Q — отвлеченное число, выражающее отношение значения величины к соответствующей единице данной величины; [Q] — выбранная единица измерения величины Q. Например, за единицу измерения напряжения электрического тока принят 1 В, тогда значение напряжения электрической сети U= q
[U] = 220
[1 В] = 220 В. Здесь числовое значение q = 220. Но если за единицу напряжения принять [1 кВ], то U= q
[U] = 0, 22- [1 кВ] = 0, 22 кВ, т.е. числовое значение q - 0, 22. Таким образом, применение различных единиц (1 В и 1 кВ) приводит к изменению числового значения результата измерения.
Единство измерений - такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в допущенных к применению в Российской Федерации единицах величин, а показатели точности измерений не выходят за установленные границы. Единство измерений необходимо для того, чтобы можно было сопоставить результаты измерений, выполненных в разных местах, в разное время, с использованием разных методов и средств измерений.
Области и виды измерений
Область измерений — совокупность измерений величин, свойственных какой-либо области науки или техники и выделяющихся своей спецификой. Вид измерений — часть области измерений, имеющая свои особенности и отличающаяся однородностью измеряемых величин.
Принято различать следующие области и виды измерений:
Измерение геометрических величин: длин, отклонений формы поверхностей, параметров сложных поверхностей, углов.
Измерение механических величин: массы, плотности, силы, количества движения, мощности, энергии, вязкости, напряжений.
Измерение параметров потока, расхода, уровня, объема веществ.
Измерение давления: избыточного давления; абсолютного давления, переменного давления, вакуума.
Физико-химические измерения.
Теплофизические и температурные измерения: температуры, теплофизических величин.
Измерения времени и частоты.
Измерения электрических и магнитных величин: силы электрического тока, электрического заряда, электрического напряжения, потока электрического смещения, электрической емкости, магнитодвижущей силы, магнитной индукции, магнитного потока,
индуктивности, электрического сопротивления, электрической проводимости,
магнитной проводимости, активной мощности, энергии.
Радиотехнические измерения.
Измерения акустических величин: периода, частоты периодического процесса, длины волны, звукового давления, скорости звука, звуковой мощности, времени реверберации.
Оптические и оптико-физические измерения.
Измерения ионизирующих излучений: поглощенной дозы ионизирующего излучения; активности радионуклидов; эквивалентной дозы ионизирующего излучения.
Объектом измерения являются система, процесс, явление и т.д., которые характеризуются одной или несколькими измеряемыми величинами. Примером объекта измерений может быть технологический химический процесс, во время которого измеряют температуру, давление, энергию, расход веществ и материалов и другие параметры.
Шкалы измерений
Измерения различных величин, характеризующих свойства систем, явлений и других процессов, занимают важное место в повседневной жизни. Разнообразные проявления (количественные или качественные) любого свойства образуют множества, отображения элементов которых образуют шкалы измерения этих свойств. Шкала измерений количественного свойства является шкалой величины. Шкала величины — это упорядоченная совокупность значений величины, служащая исходной основой для измерений данной величины.
В метрологии установлены различные типы шкал измерений.
Шкалы наименований характеризуются оценкой (отношением) эквивалентности различных качественных проявлений свойства. Эти шкалы не имеют нуля и единицы измерений, в них отсутствуют отношения сопоставления типа «больше — меньше». Это самый простой тип шкал.
Пример шкалы наименований: шкалы цветов, представляемые в виде атласов цветов. При этом процесс измерений заключается в достижении (например, при визуальном наблюдении) эквивалентности испытуемого образца с одним из эталонных образцов, входящих в атлас цветов.
Шкалы порядка описывают свойства величин, упорядоченных по возрастанию или убыванию оцениваемого свойства, т.е. позволяют установить отношение больше/меньше между величинами, характеризующими это свойство. В этих шкалах в ряде случаев имеется нулевая отметка, но принципиальным для них является отсутствие единицы измерения, поскольку невозможно установить, в какое число раз больше или меньше проявляется свойство величины. Шкалы порядка: шкалы измерения твердости, баллов силы ветра, землетрясений, цветности воды, степени волнения моря. Например, для оценки степени волнения моря применяется условная 9-балльная шкала, в которой установлены соотношения между баллами и элементами волн (высота, длина, период). Шкала скорости ветра (шкала Бофорта) устанавливает соотношение между баллами и скоростью ветра (17-балльная шкала).
Шкалы интервалов (разностей) описывают свойства величин не только с помощью отношений эквивалентности и порядка, но также и с применением отношений суммирования и пропорциональности интервалов (разностей) между количественными проявлениями свойства. Шкалы интервалов могут иметь условно выбранное начало — нулевую точку и единицы измерений. К таким шкалам, например, относятся летосчисление по различным календарям, в которы
Шкала интервалов величины Q описывается уравнением
Q=Qo + q [Q], (5.3)
где q — числовое значение величины; Qo — начало отсчета шкалы; [Q]- единица рассматриваемой величины.
Такая шкала определяется заданием начала отсчета Qo шкалы и единицы величины [Q].
Шкалы отношений описывают свойства величин, для множества количественных проявлений которых применимы логические отношения эквивалентности, порядка и пропорциональности. В шкалах отношений существует естественный нуль и устанавливается единица измерения.
Шкалы отношений описываются уравнением
Q= q [Q],
где Q — величина, для которой строится шкала;
[Q] — единица измерения величины;
q — числовое значение величины.
А переход одной шкалы отношений к другой осуществляется через уравнение
q1=q2
Примерами шкалы отношений являются шкалы массы и термодинамической температуры, электромагнитных волн.
Абсолютные шкалы, кроме всех признаков шкал отношений, обладают дополнительным признаком: в них присутствует однозначное определение единицы измерения. Эти шкалы присущи таким относительным единицам, как коэффициенты усиления, ослабления, полезного действия и т.д. Ряду абсолютных шкал, например, коэффициентов полезного действия, присущи границы, заключенные между нулем и единицей.
Условные шкалы — шкалы величин, в которых не определена единица измерения. К ним относятся шкалы наименований и порядка.
Шкалы интервалов, отношений и абсолютные называются обычно метрическими (физическими), а шкалы наименований и порядка — неметрическими. Практическая реализация шкал измерений осуществляется путем стандартизации как самих шкал и единиц измерений, так и способов и условий их однозначного воспроизведения.
Система метрологического обеспечения в Российской Федерации
Нормативная база законодательной метрологии
Законодательная метрология — это раздел метрологии, предметом которого является установление обязательных нормативно-правовых, технических и юридических требований по применению единиц величин, средств и методов измерений, эталонов, направленных на обеспечение единства и необходимой точности измерений в интересах общества. Она распространяется на такие законодательно регулируемые сферы деятельности, существующие в любом государстве, как торговля, здравоохранение, безопасность, охрана окружающей среды.
Законодательная метрология служит средством государственного регулирования метрологической деятельности посредством законов и законодательных положений, которые вводятся в практику через метрологические службы государственных органов управления и юридических лиц.
В настоящее время создана система законодательного управления метрологической деятельностью на базе:
Конституции Российской Федерации;
Федерального закона № 102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений»;
Других федеральных законов, регулирующих отношения в области обеспечения единства измерений;
других нормативных и правовых документов по обеспечению единства измерений (рис. 6.1).
Рис. 6.1. Законодательная база метрологической деятельности
Целями Закона являются:
установление правовых основ обеспечения единства измерений в РФ;
защита прав и законных интересов граждан, общества и государства от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений и обеспечение их потребности в получении объективных, достоверных и сопоставимых результатов измерений;
содействие развитию экономики РФ и научно-техническому прогрессу.
В Законе установлено, что сфера государственного регулирования обеспечения единства измерений распространяется на:
здравоохранение;
ветеринарную деятельность;
охрану окружающей среды;
обеспечение безопасности при чрезвычайных ситуациях;
обеспечение безопасных условий и охраны труда;
производственный контроль за соблюдением установленных законодательством требований промышленной безопасности к эксплуатации опасного производственного объекта;
торговлю и товарообменные операции, расфасовку товаров;
выполнение государственных учетных операций;
оказание услуг почтовой связи и электросвязи;
оборону и безопасность государства;
геодезическую и картографическую деятельность;
гидрометеорологию;
проведение банковских, налоговых и таможенных операций;
оценку соответствия продукции обязательным требованиям;
проведение официальных спортивных соревнований, обеспечение подготовки спортсменов высокого класса;
выполнение поручений суда, органов прокуратуры, государственных органов исполнительной власти;
осуществление мероприятий государственного контроля (надзора).
Основные задачи государственной системы измерений:
разработка оптимальных принципов управления деятельностью по обеспечению единства измерений;
организация и проведение фундаментальных научных исследований с целью создания совершенных и точных методов и средств воспроизведения единиц и передачи их размеров;
установление системы единиц величин и шкал измерений, допускаемых к применению;
установление основных понятий метрологии, унификации их терминов и определений;
установление экономически рациональной системы государственных эталонов;
создание, утверждение, применение и совершенствование государственных эталонов;
установление систем (по видам измерений) передачи размеров единиц величин от государственных эталонов средствами измерений, применяемыми в стране;
создание и совершенствование вторичных и рабочих эталонов, комплектных поверочных установок и лабораторий;
установление общих метрологических требований к эталонам, средствам измерений, методикам выполнения измерений, методикам поверки (калибровки) средств измерений;
осуществление государственного метрологического надзора за состоянием и применением средств измерений, эталонами единиц величин, соблюдением метрологических правил и норм, количеством фасованных товаров в упаковках любого вида при их расфасовке и продаже;
аттестация методик выполнения измерений;
калибровка и сертификация средств измерений, не входящих в сферы государственного метрологического контроля и надзора;
аккредитация метрологических служб и иных юридических или физических лиц по различным видам метрологической деятельности;
аккредитация поверочных, калибровочных, измерительных, испытательных и аналитических лабораторий, лабораторий неразрушающего и радиационного контроля в составе действующих в РФ систем аккредитации.
Государственная система обеспечения единства измерений состоит из трех подсистем:
правовой;
технической;
организационной.
Лекция № 4
Организационная структура обеспечения единства измерений
Законодательство и другие нормативно-правовые акты, метрологическая наука в сочетании с метрологическими службами и метрологическим надзором составляют систему обеспечения единства измерений в стране. Обеспечение единства измерений в Российской Федерации выполняют следующие службы:
— федеральные органы исполнительной власти, осуществляющие установленные Правительством РФ функции
в области метрологии;
— государственные научные метрологические институты;
—_государственные региональные центры метрологии;
— метрологические службы;
— организации, осуществляющие деятельность по обеспечению единства измерений. Основными задачами федеральных органов исполнительной власти являются:
разработка государственной политики и нормативно-правового регулирования в области обеспечения единства измерений;
организация взаимодействия с международными организациями в области обеспечения единства измерений;
реализация государственной политики в области обеспечения единства измерений;
координация деятельности в области обеспечения единства измерений;
осуществление государственного метрологического надзора.
В систему метрологического обеспечения входит ряд государственных научных метрологических центров и научно-исследовательских институтов. Наиболее крупные из них — Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы (ВНИИМС, г. Москва), Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева (ВНИИМ, г. Санкт-Петербург), Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ, Московская область), Уральский научно-исследовательский институт метрологии (УНИИМ, г. Екатеринбург), Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений (ВНИИОФИ, г. Москва), Сибирский государственный научно-исследовательский институт метрологии (СНИИМ, г. Новосибирск), Всероссийский научно-исследовательский институт расходометрии (ВНИИР, г. Казань).
Основные задачи государственных научных метрологических институтов:
проведение фундаментальных и прикладных научных исследований, экспериментальных разработок в области обеспечения единства измерений;
разработка, совершенствование, содержание, сличение и применение государственных первичных эталонов единиц величин;
передача единиц величин от государственных первичных эталонов;
участие в разработке проектов нормативных документов;
проведение метрологической экспертизы нормативных и правовых документов;
создание и ведение Федерального информационного фонда по обеспечению единства измерений;
участие в международном сотрудничестве в области метрологии.
Для целей обеспечения единства измерений в Российской Федерации созданы:
Государственная служба времени, частоты и определения параметров вращения Земли;
Государственная служба стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов;
Государственная служба стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов.