Методички 3-й курс 1-й семестр / ДЛЯ ТЕХ КТО МЕТРОЛОГИЮ ЗАВАЛИЛ / sergeev_a_g_metrologiya_istoriya_sovremennost_p

Глава 10. Метрология вокруг нас

лые металлы, пестициды, соединения фенола, формальдегида, пропанида, сатурна, инсектицидов, метафоса, а также различные смеси этих веществ. В качестве тест-реакций регистрировались рост, развитие, размножение, плодовитость, активность окислительных ферментов, биолюминесценция, биоэлектрическая реакция, фотосинтез, дыхание и сердечный ритм, регенерация органов, дифференциальное окрашивание клеток, поведенческие реакции и др.

Было сделано заключение, что большинство испытанных биотестов достаточно достоверны и воспроизводимы. В табл. 10.1 приведены данные апробации по чувствительности некоторых видов организмов к испытанным токсикантам.

Â1997 ã. â Санкт-Петербурге на конференции «Международные

èнациональные аспекты экологического мониторинга» была впервые подчеркнута роль метрологии в экологическом мониторинге. В решениях конференции записано:

«признать важнейшей задачей международных и национальных метрологических организаций обеспечение достоверности экологи- ческого мониторинга;

рекомендовать национальным метрологическим организациям осуществлять активную проработку проектов развития эталонной базы для решения задач, связанных с мониторингом окружающей среды и природоохранной деятельностью;

рекомендовать научным метрологическим центрам Госстандарта России более активно участвовать в международных сличениях

284

10.2. Метрология, экология и гидрометеорология

эталонных образцов и интеркалибровках, выполняемых под эгидой международных организаций и на двусторонней основе;

отметить необходимость обеспечения взаимопонимания аккредитации измерительных лабораторий в Российской и Европейской системах аккредитации;

считать целесообразным включение национальных метрологи- ческих институтов в глобальную систему экологического мониторинга ООН с приданием им статуса международных центров, ответственных за метрологическое обеспечение мониторинга».

Естественно, что эффективность мониторинга зависит от достоверности измерений экологических параметров.

На горизонте – новые подходы, основанные, в частности, на достижениях генной и клеточной инженерии в области биотехнологии. Благодаря этим достижениям возможно создание искусственных биодатчиков с заданными свойствами. Уже получен ряд штаммов микроорганизмов и культур клеток, которые под влиянием внешних факторов среды могут изменять свои свойства (морфологические – размеры, форму, цветовую окраску, таксис и др.), проявляя высокую специфичность к действию определенного агента.

Подобранная система биотестов позволяет решать задачи диагностики загрязнителей водной среды и подходить к проблеме контроля на уровне экологической характеристики состояния водных объектов, тем самым повышая чувствительность контроля за степенью опасности загрязнения водной среды.

Таким образом, для существенного повышения эффективности существующей системы контроля за качеством природной водной среды необходимо, наряду с гидрохимическими и санитарно-гидро- биологическими методами анализа, широко использовать биологи- ческие показатели, т. е. переводить контроль на уровень экологического нормирования.

С самого зарождения науки о погоде метеорология была связана с измерениями температуры, давления и влажности воздуха, количества осадков, высоты снежного покрова, что невозможно без соответствующего метрологического обеспечения. Сегодня задачи метеорологии существенно усложнились, да и само название изменилось. Теперь это гидрометеорология, в сферу интересов которой

285

Глава 10. Метрология вокруг нас

входит определение физико-химических и оптических параметров атмосферы, поверхностной плотности, мощности и энергии солнеч- ного излучения, физико-химических характеристик почвы, электрических и магнитных полей, уровней радиоактивности, динами- ческих, физических, оптических и биологических параметров морей, океанов, озер и рек, включая ледовый покров и т. д. Все это делается, как утверждает Л.Н. Брянский, «не от хорошей жизни».

С развитием цивилизации зависимость человечества от погодных условий на суше и на море, казалось бы, должна была уменьшаться. На самом деле все обстоит совсем по-другому. Человечество вынуждено осваивать новые территории (в том числе в неустойчи- вых и неблагоприятных климатических зонах), низменные побережья морей и океанов, строить линии электропередачи, плотины, высотные сооружения, уничтожать леса. Рост населения привел к дефициту посевных площадей. Все это повысило значимость прогнозов погоды и изменений климата, включая засушливые и дождливые годы, прогнозов землетрясений, извержений вулканов, штормов, наводнений, торнадо и цунами, изменений морских течений и т. п. Даже сверхмощная космическая техника иной раз зависит от погоды.

Гидрометеорология – одна из первых отраслей народного хозяйства, в которых стали применяться автоматизированные средства измерений параметров атмосферы (давления, температуры, влажности и системы дистанционной передачи результатов), а также вы- числительная техника. Для средне- и долгосрочных прогнозов погоды необходим учет разнообразных данных от сотен метеостанций. Сами алгоритмы их обработки очень сложны, поэтому только применение ЭВМ позволило выполнять эти вычисления в приемлемые сроки.

Широте решаемых задач соответствует и парк средств измерений, используемых в гидрометеорологии. Велика и ответственность за правильное функционирование этого парка. Не случайно в ст. 13 Закона Российской Федерации «Об обеспечении единства измерений» в числе отраслей, входящих в сферу государственного метрологического контроля и надзора, указана и гидрометеорология. Подсчеты показывают, что она пользуется в той или иной мере услугами не менее 80% государственных эталонов России.

286

10.3.Метрология на службе сельского хозяйства, пищевой отрасли и правосудия

10.3.Метрология на службе сельского хозяйства, пищевой отрасли и правосудия

Развитие сельского хозяйства и его техническое перевооружение на базе достижений науки и техники невозможны без совершенствования метрологии в этой области, поскольку роль измерений в производстве продукции сельского хозяйства и пищевой промышленности постоянно возрастает.

В сельскую местность пришла стандартная индустриальная технология. Утверждены несколько десятков программ комплексной стандартизации, согласно которым для агропромышленного комплекса разрабатываются стандарты на конечную продукцию, удобрения, химические средства защиты растений и животных, конт- рольно-измерительную аппаратуру.

При анализе требований к приборам, предназначенным для различных направлений сельского хозяйства (животноводство, производство и хранение зерна и др.), выяснилось, что многие из них взаимозаменяемы. Так, прибор СУ-1Ф, разработанный специально для применения в сельскохозяйственном производстве, используется как указатель уровня концентрированных кормов в бункерах, сигнализатор уровня зерна и продуктов его переработки в силосах, а также уровня наполнения шнеков.

Среди серийно выпускаемых приборов контроля и регулирования технологических процессов для сельского хозяйства используются терморегуляторы для теплогенераторов, регуляторы температуры теплоносителя в сушилке, виброустойчивые термометры сопротивления с диапазоном измерения температур от –50 до +150 °С. Для ступенчатого контроля и регулирования тепловой обработки тушек птицы на птицефабриках, для систем отопления и вентиляции различных помещений используются полупроводниковые регуляторы температуры.

Значительное место в автоматизации технологических процессов в кормоперерабатывающей, кормозаготовительной, мясной и молочной промышленности и животноводстве занимает весоизмерительная и весодозирующая техника. Интересно, что привес зависит от оптимального температурного режима: свинья съедает 10 кг корма при температуре 18 °С и 15 кг корма при температуре 15 °С.

287

Глава 10. Метрология вокруг нас

Кстати, и качество силосных кормов должно многократно контролироваться путем измерения содержания питательных веществ при закладке силоса, в процессе хранения и при скармливании. Для животноводства выпускаются автоматические весовые дозаторы дискретного действия, применяемые при изготовлении комбикормов, и весы для взвешивания молока.

Производство комбикормов требует строгого соотношения входящих в рецепт ингредиентов. Общий поток материалов на комбикормовых предприятиях (от поступления до расфасовки готового продукта) идет через автоматические весовые дозаторы дискретного действия, поэтому центральной установкой является система автоматического весового дозирования, значительно повышающая производительность. В настоящее время изготавливаются комплексы весового дозирования, состоящие из многокомпонентных весовых дозаторов (на 9–16 ингредиентов) с единой системой программного управления и обеспечивающие дозирование порциями от 10 до 3000 кг.

Широко используются автомобильные весы. Более 30% весов выпускают с документированной регистрацией результатов взвешивания.

Âпоследние годы в сельском хозяйстве широко применяются приборы неразрушающего контроля. Здесь особо следует отметить ультразвуковые толщиномеры, предназначенные для измерения толщины спинного жира и слоя боковых мышц у живого животного, а также для проверки беременности животных и контроля за жизнедеятельностью плода.

Âорганизации длительного и правильного хранения зернопродуктов большую роль играют портативные и полевые влагомеры зерна. Использование этих приборов способствует сокращению потерь зерна, снижению расходов электроэнергии при сушке, определению сроков комбайнирования. Достоинством поточного влагомера является также возможность его включения в автоматизированный технологический процесс сушки зерна в зерноочиститель- но-сушильных комплексах.

Особое значение придается применению в автоматических дозаторах и системах микропроцессорной техники, созданию и изготовлению автоматизированных систем управления технологически-

288

10.3. Метрология на службе сельского хозяйства, пищевой отрасли и правосудия

ми процессами производства кормов, переработке зерна и техни- ческих культур, разработке и освоению высокопроизводительных автоматов для расфасовки пищевых продуктов, комплексного оборудования для управления дозированием и смесеприготовления на полностью автоматизированных производствах комбикормов, зерноперерабатывающей и пищевой промышленности.

Для автоматического обогрева теплиц и поддержания в них требуемого климата созданы и серийно выпускаются управляющие электронные логические устройства. В комплекте с общепромышленными преобразователями и исполнительными приборами они обеспечивают автоматический рo´ зжиг горелки, автоматический пуск и остановку котла, предварительную вентиляцию топки, необходимые в пусковой момент блокировки, позиционное авторегулирование теплопроизводительности котла, автоматическую защиту и сигнализацию при аварийных ситуациях.

В зерновой промышленности применяется много приборов, измеряющих твердость, средний вес семян, содержание в них клейковины, крахмала. Созданный в Венгрии инсектометр предназначен для обнаружения в зерне насекомых. С помощью эталонных программ он позволяет выявить до 50 видов вредителей пшеницы, овса, риса, кофе и других культур. Остроумный прибор работает следующим образом. Определенная порция зерна подогревается до 40 °С. Именно при такой температуре жучки, находящиеся в зерне, расправляют крылья и создают при этом микрошумы, которые усиливаются прибором в миллион раз и преобразуются в электрические импульсы. Электронный блок инсектометра по частоте и интенсивности шумов опознает образ вредителей и через 30 с выдает сведения о количестве насекомых.

Велико количество приборов для контроля за качеством молока. Содержание белка в нем зависит от очень многих причин. И если качество молока ухудшилось, определить причину можно лишь путем проведения множества анализов на приемных пунктах, в лабораториях и селекционных центрах. И тут не обойтись без фотоколориметрических измерителей белка в молоке, электронно-оптичес- кого жиромера и электронного измерителя его температуры.

Сохранить сельскохозяйственную продукцию не менее важно, чем вырастить ее. Даже в холодильнике скоропортящиеся ягоды

289

Глава 10. Метрология вокруг нас

сохраняются плохо. А вот если кроме холода на ягоды воздействовать еще и слабым ионизирующим облучением, потери при хранении уменьшатся в 5–10 раз. Большинство вредных микроорганизмов погибает при незначительной дозе радиации. Но радиационные методы безвредны, если используется ионизирующее излучение в диапазоне от 0,1 до 10 кГр. Понятно, что при применении методов радиационной биотехнологии в разных отраслях хозяйства очень важно соблюдать заданные количественные нормы с помощью надежных средств измерений.

Метрологическое обеспечение пищевой промышленности предполагает три основных направления работ:

1)создание новых методов, средств измерений и стандартных образцов, необходимых для контроля и автоматизации технологи- ческих процессов и контроля за качеством продукции;

2)разработка соответствующей нормативной документации на продукцию и методы ее испытаний, на методы и средства поверки средств измерения отраслевого назначения;

3)проведение научных исследований в области метрологии в от-

расли.

Очень важно знать содержание токсинов (нитратов, пестицидов, тяжелых металлов) в поступающей на переработку и готовой продукции. Сегодня предельно допустимой нормой считается концентрация их не более 10–6 мг/кг, которая может контролироваться только приборами. Для сельхозпродукции могут использоваться средства и методы измерений, приведенные выше.

Велика роль метрологии и в повседневных ситуациях, связанных с учетом продукции. В фильме «Броненосец Потемкин» матросы взбунтовались, считая, что повар ворует мясо. Взяли контрольный вес, сварили мясо и взвесили его. Оказалось, что вес вареного мяса снизился за счет его уварки. Повара оправдали. То есть метрологический эксперимент позволил восстановить справедливость.

Если допустить в угле или руде наличие 1% излишней по сравнению с нормой влаги, то стоимость перевозок топлива возрастет по стране на 2 млрд руб. в год. Теплота сгорания угля при этом уменьшится на 1,3%, что равносильно потере 15 млн т угля в год.

290

10.4. Метрология в биомедицине и спорте

Осуществляя метрологический надзор за средствами измерений, контролируя точностные характеристики стандартных измерительных процессов и методик выполнения измерений, метрологи охраняют не только природу, но и государственную собственность. Иногда естественная усушка и утруска продукции используется в криминальных целях. Поэтому одной из основных функций метрологии в народном хозяйстве является учет количества продукции общественно полезного труда, особенно при транспортировке новой продукции. Неучтенные продукты идут на компенсацию неоправданного сверхнормативного расхода и теряются для народного хозяйства.

Криминалистика также не обходится без метрологии, используя, например, шкалы наименований при определении группы крови, идентификации ядов, фрагментов человеческого тела и многого другого.

10.4. Метрология в биомедицине и спорте

Метрологическое обеспечение спорта неразрывно связано с достижениями метрологии в биомедицине, поскольку состояние параметров человеческого тела – цель биомедицинского обследования как пациента больницы, так и спортсмена. Конечно, предметом спортивной метрологии являются и спортивные результаты – скорость, масса, высота. Здесь измеряют не только физические, но и нефизические величины с помощью шкалы измерений. В последнее время много внимания, особенно на ответственных международных состязаниях, уделяется допинговому контролю, что еще более объединяет тематику метрологии в биомедицине и спорте. Поэтому сна- чала рассмотрим, чем «занимается» метрология в биомедицине.

Медицинская метрология возникла на стыке технических и медицинских наук и как самостоятельное научное направление сформировалась в конце 60-х – начале 70-х годов ХХ в., когда во ВНИИФТРИ был организован специализированный отдел в этой области. Медицинская метрология изучает как общие для всех биологических объектов физические свойства (электрические, тепловые, акустичесие и др.), так и качественно отличные, присущие

291

Глава 10. Метрология вокруг нас

только организму человека как высокоорганизованной системе (психические, психофизиологические, биохимические и др.). Для метрологического обеспечения измерений физических свойств биологического объекта в принципе применимы общие подходы, используемые в метрологии, т.е. с помощью существующих эталонов физических величин и поверочных схем может быть выполнена градуировка медицинских измерительных приборов в соответствующих единицах и оценка их инструментальных погрешностей.

Д.И. Менделеев утверждал, что «в природе мера и вес суть главные орудия познаний». Это же в полной мере относится и к биомедицине. Вспомним, что любая диагностическая процедура в больнице начинается с измерения температуры больного. До нашего времени биомедицина носила эмпирический характер, опираясь на многовековые, иногда случайные наблюдения. И сейчас еще в отношении строгого научного обоснования медицине далеко до физики или химии. Но в наши дни техника оказывает врачу-прак- тику, биологу и медику-исследователю неоценимую помощь. Современные медицинские средства, очень точные и сложные внутри, в эксплуатации просты, надежны и «разумны» благодаря встроенным микропроцессору или микроЭВМ. Биомедицинские установки и приборы в большинстве случаев имеют нормированные метрологи- ческие характеристики, т. е. являются средствами измерений. Поэтому сегодня можно говорить о медицинской метрологии со всеми элементами метрологического обеспечения.

Любопытно, что Гильберт, который ввел в науку само понятие «электричество», по профессии был медиком. А сейчас электронная аппаратура не только лечит, выполняет анализы-исследования, но и помогает ставить диагноз заболевания. Чем выше точность медицинских измерений, тем больше достоверность результатов диагностики. Сегодня номенклатура измеряемых параметров жизнедеятельности организма чрезвычайно широка. Все это осуществляется специальными медицинскими средствами измерения, точность которых постоянно повышается. Одна из сторон деятельности медицинской метрологии связана с исследованиями специфических свойств организма и его сенсорных систем – восприятием и переработкой информации, мышлением и памятью, функциональным

292

10.4. Метрология в биомедицине и спорте

состоянием, работоспособностью, утомляемостью и др. Для характеристики указанных свойств организма вводят некоторые условные величины и для них устанавливают закономерные связи с физическими величинами биологического объекта, через которые они выражаются.

В последние годы в стране изготовлено более 1000 наименований медицинских приборов, в основном электронных или лазерных. За рубежом число таких специализированных средств измерений еще больше. Все медицинские средства измерений в зависимости от назначения можно классифицировать по трем группам. Это приборы, используемые:

•при диагностике общего состояния организма человека или отдельных его органов;

•при терапии, когда на организм в лечебных целях оказывают искусственное воздействие и по фиксируемой реакции (отклику) принимают решение об эффективности лечения;

•в гигиене, когда измеряют влияние различных параметров среды обитания на биологический организм (человек, животное, растение).

Во ВНИИФТРИ функционирует специальный отдел медицинской метрологии. Эти же вопросы изучают и в Международном бюро мер и весов. Здоровье человека серьезно зависит от проведения точной диагностики и правильного лечения, а для этого необходимы достоверные измерения.

«Человек есть мера всех вещей», – говорили древние греки. Это применимо и к процессам, протекающим в человеческом организме, которые могут заполнить собой довольно обширный интервал на шкале скоростей.

Одно из самых наглядных движений человека – ходьба. Скорость размеренного, неторопливого шага около 1 м/с. В силу своей привычности именно эта величина и взята за единицу шкалы измерения. Скорость бега приближается к 10 м/с. При этом интенсивно движутся все части тела. Требуется взаимосогласованность их движений. Нервные сигналы, управляющие этими движениями, должны быть очень точными и быстрыми. Неудивительно, что скорость распространения нервных импульсов по нейроволокнам достигает

293