Пронкин Н.С. Метрология, стандартизация и сертификация в атомной отрасли

Глава 6. Основные понятия и технические средства метрологии (ред. №8)

________________________________________________________________

Часть III

МЕТРОЛОГИЯ КАК ИНСТУМЕНТ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

Наука началась с того, как научились

измерять и обосновывать

результаты измерений

Глава 6. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА МЕТРОЛОГИИ

6.1. Основные термины и определения

Метрология – учение об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Основными задачами метрологии являются:

- создание общей теории измерений; разработка теоретических (фундаментальных) основ метрологии; разработка прикладных вопросов метрологии;

- обеспечение единства измерений (ОЕИ);

- разработка и внедрение систем единиц физических величин (ФВ);

- разработка и внедрение новейших эталонов, рабочих эталонов (образцовых средств измерений) соответствующих разрядов;

- разработка методов передачи размеров единиц рабочим эталонам; совершенствование поверочных схем;

- разработка и совершенствование стандартных образцов (СО) вещества и состава;

- разработка метрологических стандартов и нормативно-технических документов;

- разработка и совершенствование принципов, методов и методик измерений;

- разработка методов оценки погрешности измерений и погрешности СИ измерений;

- разработка методов снижения погрешностей измерения и погрешностей СИ.

- совершенствование оценки точности измерений на основе принципа неопределенности.

В соответствии со своими задачами разделы метрологии делятся на теоретическую, законодательную и практическую метрологии [4].

Теоретическая метрология – раздел метрологии, предметом которого является разработка фундаментальных основ метрологии.

Законодательная метрология – раздел метрологии, предметом которого является установление обязательных технических и юридических требований по применению единиц физических величин, эталонов, методов и СИ, направленных на ОЕИ в интересах общества.

Практическая (прикладная) метрология – раздел метрологии, предметом которого являются вопросы практического применения разработок теоретической метрологии и положений законодательной метрологии.

Сущность задач, стоящих перед практической метрологией, более подробно будет развернута в последующих разделах. Для общего понимания их, а также последующего материала, ниже приведен ряд метрологических определений в соответствии с РГМ 29-99 «Основные термины и определения», Федерального закона «Об обеспечении единства измерений», 2008 г. и Международного словаря (VIM), 1993 г.

Измерениям подвергается физическая величина - одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них. Например, плотностью характеризуют многие твердые и жидкие вещества и материалы, хотя каждый из образцов материалов и веществ имеет свою конкретную величину плотности.

Примечание. В международной практике вместо отечественного термина «физическая величина» [4] используется термин «величина» [59, 60]. Однако нельзя не согласиться с классификацией величин, приведенных в работе [5]: «Величины делятся на реальные и идеальные. Идеальной величиной является любое числовое значение. По существу это математическая абстракция, не связанная с каким-либо реальным объектом. Поэтому идеальные величины рассматриваются не в метрологии, а в математике.

Реальные величины делятся на физические и нефизические. Нефизические величины вводят, определяют и изучают в информатике, общественных, экономических и гуманитарных дисциплинах (например, в социологии, лингвистике). Примерами нефизических величин является количество информации в битах, размер капитала в долларах, различные рейтинги и др. Физические величины, рассматриваются в метрологии и являются свойствами материальных объектов, процессов и явлений. В отличие от нефизических, они объективно, независимо от желания человека существуют в окружающем нас мире. Физические величины делятся по способу количественного оценивания на измеряемые и оцениваемые….измеряемые величины – это ФВ, методы измерений которых уже созданы, оцениваемые – такие, методы измерений которых пока еще не созданы».

В классической метрологии различают истинное и действительное значения ФВ. Истинное значение ФВ – значение ФВ, которое идеальным образом характеризует в качественном и количественном отношении соответствующую величину. Действительное значение ФВ – значение ФВ, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него. Из приведенных определений видно, что истинное значение ФВ является неким теоретическим пределом значения ФВ, к которому можно приближаться сколь угодно близко по мере совершенствования методов измерения, но которое на сегодняшний момент времени заменяется действительным значением.

Любое измерение характеризуется погрешностью, т.е. отклонением результата измерения от действительного значения измеряемой величины, или точностью измерения, как одной из характеристик качества измерения, отражающей близость к нулю погрешности результата измерения.

В международной практике измерений разработана и в настоящее время широко применяется концепция неопределенности измерений. Ее принятие связано с появлением большого спектра новых измерительных задач, требующих другого подхода к оценке результатов и качества измерений, а также необходимостью создания условий для взаимного признания результатов измерений в разных странах на основе единого подхода.

До разработки концепции неопределенности измерений универсальной характеристикой оценки точности измерений повсеместно являлась погрешность измерений («концепция погрешности» измерений). Неопределенность измерений (uncertainty of measurement) определяется как параметр, связанный с результатом измерений и характеризующий рассеяние значений, которые можно приписать измеряемой величине [59]. Сравнительные характеристики неопределенности и погрешности измерений более подробно рассмотрены в гл. 10.

Одной из основных задач метрологии является обеспечение единства измерений, т.е. такого состояния измерений, при котором их результаты выражены в допущенных к применению в РФ единицах величин, а показатели точности измерений не выходят за установленные границы.

Примечание: Используя определение понятия «единство измерений», ответим на вопрос – что дает практически выполнение требования единства измерения и как оно практически обеспечивается?

Обеспечение единства измерений является, пожалуй, главной задачей метрологии. Поскольку единство измерения – это тот стержень, на который нанизываются все другие задачи метрологии. Из определения понятия «единства измерений» видно, что:

- результат измерения должен выражаться в узаконенных единицах, т.е. в единицах той системы единиц, которая в настоящее время принята компетентным органом в стране (в России в настоящее время принята международная система единиц SI, а компетентным органом является Росстандарт);

- в стране должна существовать система эталонов, которые предназначены для воспроизведения основных единиц системы SI и поверочные схемы, обеспечивающие передачу размеров основных единиц к эталонам более низких разрядов и рабочим СИ;

- для каждого эталона и рабочего СИ должны быть определены погрешности воспроизведения единицы измерения с заданной вероятностью;

- результаты измерений с заданной вероятностью должны быть представлены в некотором доверительном интервале относительно действительного значения ФВ.

Практически единство измерений в стране обеспечивается путем создания разветвленной системы метрологической службы, призванной выполнять работы по ОЕИ, а также осуществлять метрологический надзор и контроль выполнения действующих НД.

Обеспечение единства измерений позволяет сравнивать результаты измерений, полученных разными группами специалистов в разное время, в разных местах (странах) и проведенных в разных условиях и доверять этим результатам. Взаимное признание результатов измерений (например, между разными странами), позволяет осуществлять торговые операции между странами, признавать результаты новых научных исследований, спортивные рекорды и др.

В международной практике вместо термина единство измерений используется почти идентичный термин «прослеживаемость», который также как термин «единство измерений» переводится на английский язык словом traceability. Метрологическая прослеживаемость – свойство эталона единицы величины или СИ, заключающееся в документально подтвержденном установлении их связи с государственным первичным эталоном соответствующей единицы величины посредством сличения эталонов единиц величин, поверки, калибровки средств измерений¹.

Технические средства, предназначенные для измерений, имеющие нормированные метрологические характеристики, воспроизводящие и (или) хранящие единицы ФВ, размер которых принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени, называются средствами измерений (СИ) [4]. В Федеральном законе «Об обеспечении единства измерений» приводится более простое определение: средство измерений – техническое средство, предназначенное для измерений. Однако первоначальное определение более полно характеризует СИ, как практический инструмент (средство) осуществления измерений.