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

Глава 11. Прогнозирование развития метрологии

только те значения измерений, которые были определены с помощью поверенных или соответствующим образом контролируемых компонентов измерительной системы. Тем самым немаловажное значение в названных мероприятиях метрологического обеспечения приобретают испытания СИ.

Совершенствование метрологии испытаний

Современные средства измерения все чаще представляют собой сложные открытые системы, иногда объединенные в сеть. Программное обеспечение определяет важнейшие метрологические характеристики таких систем, а их высокая сложность требует большого объема испытаний.

В условиях более коротких инновационных периодов и глобальной конкуренции производителям СИ приходится работать в сжатые сроки, что требует разработки эффективных испытательных процедур применительно как к утверждению типа, так и к поверке.

Работы по совершенствованию организационно-методических основ испытаний СИ с целью утверждения их типа проводятся в соответствии с многочисленными основополагающими документами. В рамках международного сотрудничества национальных органов метрологии стран – участниц СНГ в части гармонизации систем испытаний средств измерений для целей утверждения их типа были введены в действие соответствующие постановления Госстандарта России:

•ÐÌÃ 51-2002 «ГСИ. Документы на методики поверки средств измерений. Основные положения»;

•ÏÌÃ 06-2001 «Порядок взаимного признания результатов испытаний, утверждения типа, поверки и метрологической аттестации средств измерений».

При проведении работ по аккредитации лабораторий в качестве государственных центров испытаний средств измерений (ГЦИ СИ) аттестационные комиссии учитывают положения ГОСТ Р ИСО 5725-2002 в части требований к испытательным лабораториям. Всем аккредитованным ГЦИ СИ даны рекомендации, уточняющие разделы проведения испытаний на определение их соответствия утвер-

344

11.3. Основные направления модернизации метрологического обеспечения

жденному типу, порядка предоставления материалов испытаний на соответствие утвержденному типу; требования к порядку и процедуре продления сроков действия сертификатов об утверждении типа СИ, их аннулирования и переоформления. Решение поставленных задач невозможно без соответствующей организации метрологических служб в отраслях.

Важным направлением метрологии представляется развитие встроенных систем для контроля метрологических характеристик. Этому способствуют совершенствование микропроцессорной техники, ее возможности создавать средства измерений со встроенными элементами контроля (самоконтроля) и насущная потребность в таких средствах в условиях эксплуатации технических объектов.

Совершенствование методических основ метрологических служб в отраслях

Совершенствование методических основ деятельности метрологических служб в отраслях предусматривает анализ деятельности их метрологических служб и анализ состояния документов, регламентирующих эту деятельность. Для этого разработаны нормативные и рекомендательные документы, среди которых одним из важнейших, регламентирующих деятельность метрологических служб является Положение о метрологической службе. Организационной основой деятельности метрологических служб является ПР 50.732–93 «Типовое положение о метрологической службе государственных органов управления Российской Федерации и юридических лиц», которое устанавливает структуру, права и обязанности метрологической службы отрасли и подлежит согласованию с Ростехрегулированием.

Ведется Федеральный реестр аттестованных методик выполнения измерений, применяемых в сфере распространения государственного метрологического контроля и надзора. Он является источ- ником официальной информации о результатах работ по аттестации и стандартизации методик выполнения измерений (МВИ), применяемых в сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора, и о лицах, получивших право на аттестацию МВИ.

345

Глава 11. Прогнозирование развития метрологии

Федеральный реестр содержит разделы:

•Аттестованные методики выполнения измерений.

•Аттестованные методики выполнения измерений в сфере обороны и безопасности.

•Метрологические службы юридических лиц, аккредитованные на право аттестации МВИ.

•Метрологические службы юридических лиц, аккредитованные на право аттестации МВИ в сфере обороны и безопасности.

Сведения, содержащиеся в реестре, являются базой для информационного обслуживания заинтересованных юридических и физи- ческих лиц.

Распоряжением Правительства Российской Федерации от 28 февраля 2006 г. ¹ 266-р одобрена Концепция развития национальной системы стандартизации до 2010 г. Цель концепции – заменить систему государственной стандартизации в ходе реформы технического регулирования на национальную систему стандартизации по обеспечению баланса интересов государства, хозяйствующих субъектов, общественных организаций и потребителей в условиях глобализации экономических отношений. При этом ставится задача повысить конкурентоспособность российской экономики и создать условия для развития предпринимательства, повышения ка- чества товаров и услуг, а сама стандартизация рассматривается как элемент технического регулирования.

Фундаментальные проблемы метрологии ХХI в.

В настоящее время количественные характеристики всех практически используемых физических явлений в окружающем нас мире могут быть определены на основе существующих теорий фундаментальных взаимодействий и значений ФФК. Точность, с которой может быть вычислена на основе теории какая-либо характеристика процесса, в значительной мере зависит от точности известных соответствующих ФФК. С наибольшей точностью сейчас определена константа электромагнитных взаимодействий. В метрологии применение квантовых стандартов, функционирование которых основано на явлениях микрофизики, также приводит к повышению

346

11.3. Основные направления модернизации метрологического обеспечения

точности воспроизведения единиц физических величин и передачи их размеров.

Современная метрология претерпела заметные качественные и идеологические изменения. По сути дела, в ее рамках возникла новая наука – фундаментальная метрология – наука о фундаментальных процессах, законах, управляющих этими процессами в физике,

èпределах их применимости. Цель метрологии – использование новых физических эффектов для создания и совершенствования естественных эталонов, уточнение значений основных физических констант и способов их согласования, установление принципиальных пределов измерения (квантовых, термодинамических, релятивистских и т. д.).

Роль фундаментальных постоянных в метрологии состоит в возможности установления связи между различными единицами, а также между разными системами таких единиц. В то же время эти константы входят в фундаментальные физические теории, что приводит к инвариантным (по отношению к изменениям системы единиц) соотношениям между результатами измерений разных величин.

Таким образом, фундаментальные константы дают возможность количественно сопоставить выводы основных физических законов

èтем самым определяют точность, полноту и единство наших представлений об окружающем мире. К таким представлениям в первую очередь относятся свойства пространства и времени, а также свойства четырех основных физических взаимодействий – гравитационного, электромагнитного, слабого и сильного (ядерного).

Физики-метрологи предлагают замкнутую схему, отражающую необходимые связи в фундаментальной метрологии (рис. 11.4).

Переход к квантовым стандартам (эталонам) в последние годы является основным направлением совершенствования эталонной базы метрологических организаций многих стран, так как квантовые эталоны обладают рядом явных преимуществ при обеспечении стабильности и единства измерений. Разработка, внедрение и применение квантовых стандартов единиц физических величин наивысшей точности в первую очередь базируется на использовании зна-

чений ФФК, таких, как скорость света c, постоянная Планка , постоянная Больцмана k, массы и заряды элементарных частиц

347

Глава 11. Прогнозирование развития метрологии

Фундаментальная

метрология

Оптимизация

системы

естественных

эталонов

Рис. 11.4. Связи фундаментальной метрологии

(электрона, протона) и т. д. Более того, нахождение с высокой точ- ностью значений ФФК и повышение точности воспроизведения физических единиц и передачи их размера с помощью квантовых эталонов взаимосвязаны.

Сказанное выше позволяет сделать вывод, что основой повышения точности, стабильности и воспроизводимости единиц физических величин с помощью новых эталонов является использование квантовых закономерностей микрофизики и фундаментальных физических констант. Правда, не исключается возможность изменения константы электромагнитных взаимодействий с увеличением возраста Вселенной или даже при движении Земли в пространстве Вселенной. При этом надо учитывать возможное изменение констант не только электромагнитных, но и слабых, сильных и гравитационных взаимодействий, что в настоящее время не делается. Кроме вариаций констант взаимодействий возможны также вариации элементарных частиц.

Точность теоретических расчетов различных процессов в последнее время существенно возросла и сравнялась с предельной точ-

348

11.3. Основные направления модернизации метрологического обеспечения

ностью, достигаемой при проведении экспериментальных измерений, что позволяет при обработке этих данных использовать вычисленные теоретические значения в качестве опорных.

Перспективным направлением метрологических исследований является замена платиноиридиевого прототипа килограмма квантовым эталоном массы, который будет основан, вероятнее всего, на атомной единице массы и числе Авогадро или постоянной Планка. Для повышения точности воспроизведения единицы и передачи ее размера с помощью квантового эталона массы требуется более точ- ное определение числа Авогадро и постоянной Планка, а также разработка наиболее точных экспериментальных и теоретических методов нахождения масс элементарных частиц, атомов, ионов и молекул. Можно предположить, что в дальнейшем в рамках теории великого объединения всех взаимодействий станет возможно, например, вычислять с высокой точностью массы произвольного количества вещества, состоящего из любых типов частиц, задавая при этом значения одной или нескольких ФФК.

Не исчерпаны возможности совершенствования детища Государственной службы времени и частоты – ВНИИФТРИ, где в 50– 60-х годах прошлого столетия были разработаны лучшие в мире кварцевые часы, созданы квантовые (молекулярные и водородные) генераторы, комплекс аппаратуры государственного первичного эталона времени и частоты, воспроизводящего атомную секунду, система передач сигналов атомного времени по радио- и телевизионным каналам, усовершенствована система определения параметров вращения Земли. Основные метрологические характеристики ГСВЧ с 1967 г. по настоящее время были повышены более чем в 1000 раз. Несмотря на рекордные показатели точности и стабильности, существует возможность значительно улучшить эти показатели при переходе от микроволновых к оптическим стандартам частоты и времени и стандартам частоты нового поколения – атомным фонтанам, в которых используются охлажденные лазерным излучением до температуры порядка милликельвина атомы и ионы. В последние годы наблюдается существенный прогресс в области создания лазеров с высокой стабильностью и точностью воспроизведения частоты излучения.

349

Глава 11. Прогнозирование развития метрологии

Изменение функционального назначения астрономических методов в ГСВЧ сопровождалось пересмотром методических и технических приемов их реализации. Потребовалась разработка таких методов измерений и их математической обработки, которые позволили существенно повысить точность и разрешающую способность аппаратуры. В техническом плане это внедрение методов спутниковой дальнометрии (лазерная локация и прием сигналов спутниковых навигационных систем) и метода интерферометрии сверхудаленных космических радиоисточников. Точность этих методов на два порядка превышает точность классических астрооптических определений, но достигается это ценой использования аппаратуры чрезвычайной сложности, создание которой требует значительных капитальных затрат. По этой причине использование таких методов

âГСВЧ активизировалось в основном в последнее время. При этом

âдополнение к собственным измерениям привлекаются также данные зарубежных станций.

Âплане совершенствования математической обработки наблюдений следует отметить внедрение вероятностно-статистического метода вычислений всемирного времени (М.Б. Кауфман, 1975), обеспечившего повышение разрешающей способности (до суток) и оперативности (бюллетени «Всемирное время» стали выходить еженедельно). С 1985 г. кроме всемирного времени вычисляются также координаты полюса – сначала по данным астрооптических наблюдений широты, затем с использованием спутниковых измерений. Собственно, с этого момента и начато определение именно параметров вращения Земли. По мере внедрения новых способов измерений совершенствовалась и методика обработки, обеспечивающая объединение разнородных данных на основе методов математической статистики.

Одна из задач Государственного метрологического центра ГСВЧ – обеспечение взаимодействия с международными организа-

циями при согласовании ряда важнейших проблем ГСВЧ, а именно:

• обеспечения единства измерений времени и частоты и вклад ГМЦ в формирование группового эталона времени и частоты – секция времени МБМИ (Франция);

350

11.3.Основные направления модернизации метрологического обеспечения

•обеспечения потребителей единообразной и высокоточной информацией о времени и частоте – ITU (Международный союз электросвязи);

•признания калибровочных, поверочных и аттестационных работ, проводимых в различных странах;

•участия в совместных работах по определению всемирного (астрономического) времени.

Важную роль в работе ГСВЧ играла межведомственная комиссия времени и эталонных частот, которая способствовала объединению усилий в развитии и совершенствовании ГСВЧ России. Значи- тельным этапом в развитии ГСВЧ явилось постановление Правительства Российской Федерации «Положение о Государственной службе времени и частоты и определения параметров вращения Земли», принятое в 2001 г. В нем подчеркивались важность совершенствования ГСВЧ, повышения точности и надежности воспроизведения и хранения размеров единиц времени и частоты, а также шкал времени и их доведения до потребителей.

В 2005 г. Консультативный комитет по единицам МКМВ принял рекомендацию по возможному изменению определения килограмма, ампера, моля и кельвина на основе фундаментальных физических постоянных величин. Безусловно это приведет и к изменению эталонной базы физических величин.

Измерения усложняются, все большую роль в их осуществлении играют методические факторы. На первый план выходят методики выполнения измерений, в которых значительное место отводится алгоритмам обработки данных. Измерительные эксперименты становятся все более дорогостоящими, что делает необходимой их оптимизацию. Факторами оптимизации, наряду с качеством аппаратуры, становятся также методические, вычислительные и другие аспекты измерений. Все это вместе означает, что метрология должна быть непосредственным заказчиком для приборостроения, электроники, физиков-атомщиков.

Создаваемые в настоящее время на базе новейших технологий системы и комплексы требуют существенного повышения точности и надежности эталонов и других систем метрологии.

351

Приложение

Ï Ð È Ë Î Æ Å Í È ß

Приложение I

Таблицы мер и единиц Древнего мира

352

Приложение

353