Определение метрологии как науки. Теоретическая, прикладная и законодательная метрология

Определение метрологии как науки. Теоретическая, прикладная и законодательная  метрология

 

Метрология – это наука об измерениях, методах достижения их единства и требуемой точности. 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 наукой о различных мерах и соотношениях между ними. Измерение – познавательный процесс, заключающийся в сравнении данной величины с известной величиной, принятой за единицу.

 

Предметом метрологии является обработка количественной информации о свойствах объектов и процессов  с заданной достоверностью.

 

Меры на Руси: длина –  аршин, сажень (3 аршина), верста; вес  – пуд (16,4 кг); жидкие тела – бочки, ведра, кружки, бутылки.

 

В XV–XVIII вв. в связи с  бурным ростом науки появилась необходимость  измерения (барометры, гидрометры, манометры (давление воды), паровые машины (мощность измеряется в лошадиных силах)).

 

В XIX–XX вв. происходят новые  физические открытия, появляется необходимость  измерения в атомной и молекулярной физике. В 1827 г. в России образована комиссия образцовых мер и весов. Д.И. Менделеев сыграл большую роль в становлении метрологической  службы, возглавляя ее с 1892 по1907 г. В 1970 г. образован Госстандарт СССР, в 1993 г. Госстандарт преобразован в  Госстандарт России.

 

В современном понимании  метрология – это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения  их единства и способах достижения требуемой точности. К основным направлениям метрологии относятся:

общая теория измерений;

единицы физических величин  и их системы;

методы и средства измерений; методы определения точности измерений;

основы обеспечения единства измерений и единообразия средств  измерения;

эталоны и образцовые средства измерений; методы передачи размеров единиц от эталонов и образцовых средств  измерений рабочим средствам  измерений.

 

Основным законодательным  документом в метрологии является Закон  «Об обеспечении единства измерений», принят в 1992 г., который направлен  на защиту прав и интересов граждан, экономики страны от отрицательных  последствий, недостоверных результатов  измерений.

 

Метрологию подразделяют на теоретическую, прикладную и законодательную.

 

Теоретическая метрология занимается вопросами фундаментальных исследований, созданием системы единиц измерений, физических постоянных, разработкой новых методов измерения.

 

Прикладная (практическая) метрология занимается вопросами практического применения в различных сферах деятельности результатов теоретических исследований в рамках метрологии.

 

Законодательная метрология включает совокупность взаимообусловленных правил и норм, направленных на обеспечение единства измерений, которые возводятся в ранг правовых положений (уполномоченными на то органами государственной власти), имеют обязательную силу и находятся под контролем государства. Ее основная задача – создание и совершенствование системы государственных стандартов, которые устанавливают правила, требования и нормы, определяющие организацию и методику проведения работ по обеспечению единства и точности измерений, а также организация и функционирование соответствующей государственной службы.

 

Эталон - средство измерений (или комплекс средств измерений), предназначенное для воспроизведения  и хранения единицы физической величины (кратных либо дольных значений единицы  этой величины) с целью передачи ее размера другим средствам измерений  данной физической величины.

 

 

Эталон должен обладать следующими 3 свойствами:

 

Воспроизводимость - возможность воспроизведения единицы физической величины (на основе ее теоретического определения) с наименьшей погрешностью для существующего уровня развития измерительной техники. Это достигается постоянным исследованием эталона в целях определения систематических погрешностей и их исключения путем введения соответствующих поправок.

Неизменность - свойство эталона  удерживать неизменным размер воспроизводимой  им единицы в течение длительного  интервала времени, при этом все  изменения, зависящие от внешних  условий, должны быть строго определенными  функциями величин, доступных точному  измерению. Реализация этих требований привела к идее создания "естественных" эталонов различных величин, основанных на физических постоянных.

Сличаемость - возможность обеспечения сличения нижестоящих по поверочной схеме, в первую очередь вторичных эталонов, с наивысшей точностью для существующего уровня развития техники измерения. Это свойство предполагает, что эталоны по своему устройству и действию не вносят каких-либо искажений в результаты сличений и сами не претерпевают изменений при проведении сличения.

 

 

По своему метрологическому назначению эталоны делятся на первичные, специальные и вторичные.

 

Первичный эталон обеспечивает воспроизведение и хранение единицы  физической величины с наивысшей  в стране (по сравнению с другими  эталонами той же величины) точностью. Первичные эталоны - это уникальные средства измерений, которые представляют собой сложнейшие измерительные  комплексы, созданные с учетом новейших достижений науки и техники. Первичные  эталоны составляют основу государственной  системы обеспечения единства измерений.

Специальный эталон обеспечивает воспроизведение единицы физической величины в особых условиях, в которых  прямая передача размера единицы  от первичного эталона с требуемой  точностью не осуществима и для  этих условий заменяет первичный  эталон.

 Первичный или специальный  эталон, официально утвержденные  в качестве исходного для страны, называются государственными эталонами. Его утверждение проводит главный метрологический орган страны - Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии. Государственные эталоны создаются, хранятся и применяются центральными метрологическими научными институтами страны. В состав государственных эталонов включаются средства измерения, с помощью которых хранят и воспроизводят размер единицы физической величины с точностью, которая должна соответствовать уровню лучших мировых достижений и удовлетворять потребностям науки и техники, а также средства измерения с помощью которых контролируют условия измерений и неизменность воспроизводимого или хранимого размера единицы и осуществляют передачу размера единицы. Государственные эталоны России периодически сличаются с государственными эталонами других стран. Например, эталон метра и килограмма сличают один раз в 25 лет, эталон света - один раз в три года.

Вторичные эталоны являются частью подчиненных средств хранения единиц и передачи их размеров, создаются и утверждаются в тех случаях, когда это необходимо для организации поверочных работ, а также для обеспечения сохранности и наименьшего износа государственного эталона.

 Вторичные эталоны  по своему метрологическому назначению  подразделяются на эталоны-копии,  эталоны сравнения и эталоны-свидетели. 

Эталон-копия - предназначен для передачи размера единицы  рабочим эталонам. Эталон-копия представляет собой копию государственного эталона  только по метрологическому назначению, поэтому он всегда является его физической копией.

Эталон сравнения - применяется  для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут  быть непосредственно сличаемы друг с другом.

Эталон-свидетель - предназначен для проверки сохранности и неизменности государственного эталона и замены его в случае порчи или утраты.

Рабочий эталон - применяется  для передачи размера единицы  от эталона-копии образцовым средствам  измерения и в отдельных случаях - наиболее точным рабочим средствам  измерений.

 

 

 

 

Единство измерений - состояние измерительного процесса, при котором результаты всех измерений выражаются в одних и тех же узаконенных единицах измерения и оценка их точности обеспечивается с гарантированной доверительной вероятностью. В применявшихся до недавнего времени сравнительно простых методах измерений погрешность результатов измерений почти полностью определялась погрешностями средств измерений. Поэтому для достижения единства измерений было достаточно обеспечить единообразие средств измерений, т.е. такое состояние средств измерений, когда они проградуированы в узаконенных единицах измерений, а их метрологические свойства соответствуют нормам.

 

Государственная система  обеспечения единства измерений - это  система обеспечения единства измерений  в стране, реализуемая, управляемая  и контролируемая федеральным органом  исполнительной власти по метрологии - Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии (Ростехрегулирование).

 

Деятельность по ОЕИ направлена на охрану прав и законных интересов  граждан и установленного правопорядка и экономики, а также на содействие экономическому и социальному развитию страны путем защиты от отрицательных  последствий недостоверных результатов  измерений во всех сферах жизни общества на основе конституционных норм, законов, постановлений Правительства Российской Федерации и нормативных документов.

 

Деятельность по ОЕИ осуществляется в соответствии с:

 

 

 

 

 

§1. Цели и задачи метрологии. История  развития метрологии. Основные определения  в области метрологии

 

 

 

1. Метрология (от греч. μέτρον  — мера, измерительный инструмент  и от др.-греч. λόγος — мысль, причина, наука) — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности (РМГ 29-99). Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов с заданной точностью и достоверностью. Средством метрологии является совокупность измерений и метрологических стандартов, обеспечивающих требуемую точность.

 

Метрология состоит из 3 разделов:

 

·  Теоретическая

 

Рассматривает общие теоретические  проблемы (разработка теории и проблем  измерений, физических величин, их единиц, методов измерений).

 

·  Прикладная

 

Изучает вопросы практического  применения разработок теоретической  метрологии. В её ведении находятся  все вопросы метрологического обеспечения.

 

·  Законодательная

 

Устанавливает обязательные технические и юридические требования по применению единиц физической величины, методов и средств измерений.

 

К целям и задачам метрологии относятся:

 

·  создание общей теории измерений;

 

·  образование единиц физических величин и систем единиц;

 

·  разработка и стандартизация методов и средств измерений, методов определения точности измерений, основ обеспечения единства измерений  и единообразия средств измерений;

 

·  создание эталонов и  образцовых средств измерений, поверка  мер и средств измерений, методики выполнения измерений. Приоритетной подзадачей данного направления является выработка  системы эталонов на основе физических констант;

 

·  установление единиц физических величин (ФВ).

 

2. Метрология как область  практической деятельности зародилась  в древности. Наименования единиц  измерения и их размеры появлялись  в давние времена чаще всего  в соответствии с возможностью  применения единиц и их размеров  без специальных устройств, т.е.  создавались с ориентацией на те единицы, что были «под руками и ногами». В России в качестве единиц длины были «пядь», «локоть». В начале 1840 г., во Франции была введена метрическая система мер. Значимость метрической системы глубоко оценил Д.И. Менделеев. В 1867 г. с трибуны съезда русских естествоиспытателей он выступил с призывом содействовать подготовке метрической реформы в России. По его инициативе Петербургская академия наук предложила учредить международную организацию, которая обеспечивала бы единообразие средств измерений в международном масштабе. Это предложение получило одобрение, и в 1875 году на Дипломатической метрологической конференции, проведенной в Париже, в которой участвовали 17 государств (в том числе Россия), была принята Метрическая конвенция. Большую роль в становлении метрологии в России сыграл Д.И. Менделеев, руководивший отечественной метрологией в период с 1892 по 1907 г. «Наука начинается... с тех пор, как начинают измерять», — в этом научном кредо великого ученого выражен, по существу, важнейший принцип развития науки, который не утратил актуальности и в современных условиях. В 1893 году в России под руководством Менделеева была создана Главная палата мер и весов. В 1931, в Ленинграде на базе этой палаты был создан Всесоюзный НИИ метрологии им. Д.И.Менделеева. В 1960 была принята международная система единиц СИ.

 

 

 

 

Основным объектом измерения в  метрологии являются физические величины..

 

Физическая величина (краткая  форма термина — «величина») применяется  для описания материальных систем и  объектов (явлений, процессов и т.п.), изучаемых в любых науках (физике, химии и др.). Cуществуют основные и производные величины. В качестве основных выбирают величины, которые характеризуют фундаментальные свойства материального мира. Механика базируется на трех основных величинах, теплотехника — на четырех, физика — на семи. ГОСТ 8.417 устанавливает семь основных физических величин — длина, масса, время, термодинамическая температура, количество вещества, сила света, сила электрического тока, с помощью которых создается все многообразие производных физических величин и обеспечивается описание любых свойств физических объектов и явлений.

 

Измеряемые величины имеют  качественную и количественную характеристики.

 

Формализованным отражением качественного различия измеряемых величин является их размерность. Согласно международному стандарту ИСО размерность  обозначается символом dim. Размерность основных величин — длины, массы и времени — обозначается соответствующими заглавными буквами: dim l = L; dim m = М; dim t = Т.

 

Каждый показатель размерности  может быть положительным или  отрицательным, целым или дробным, нулем. Если все показатели размерности  равны нулю, то величина называется безразмерной. Она может быть относительной, определяемой как отношение одноименных  величин (например, относительная диэлектрическая  проницаемость), и логарифмической, определяемой как логарифм относительной  величины (например, логарифм отношения  мощностей или напряжений).

 

Количественной характеристикой  измеряемой величины служит ее размер. Получение информации о размере  физической или нефизической величины является содержанием любого измерения.

 

Простейший способ получения  информации, который позволяет составить  некоторое представление о размере  измеряемой величины, заключается в  сравнении его с другим по принципу «что больше (меньше)?» или «что лучше (хуже)?» При этом число сравниваемых между собой размеров может быть достаточно большим. Расположенные в порядке возрастания или убывания размеры измеряемых величин образуют шкалы порядка. Операция расстановки размеров в порядке их возрастания или убывания с целью получения измерительной информации по шкале порядка называется ранжированием. Для обеспечения измерений по шкале порядка некоторые точки на ней можно зафиксировать в качестве опорных (реперных). Точкам шкалы могут быть присвоены цифры, часто называемые баллами. Знания, например, оценивают по четырехбалльной реперной шкале, имеющей следующий вид: неудовлетворительно, удовлетворительно, хорошо, отлично. По реперным шкалам измеряются твердость минералов, чувствительность пленок и другие величины (интенсивность землетрясений измеряется по двенадцатибалльной шкале, называемой международной сейсмической шкалой).

 

Недостатком реперных шкал является неопределенность интервалов между реперными точками. Например, по шкале твердости, в которой одна крайняя точка соответствует наиболее твердому минералу — алмазу, а другая наиболее мягкому — тальку, нельзя сделать заключение о соотношении эталонных материалов по твердости.

 

Наиболее совершенной  является шкала отношений. Примером ее может служить температурная  шкала Кельвина. В ней за начало отсчета принят абсолютный нуль температуры, при котором прекращается тепловое движение молекул; более низкой температуры  быть не может. Второй реперной точкой служит температура таяния льда. По шкале Цельсия интервал между этими реперами равен 273,16°С. По шкале отношений можно определить не только, на сколько один размер больше или меньше другого, но и во сколько раз он больше или меньше.

 

В зависимости от того, на какие интервалы разбита шкала, один и тот же размер представляется по-разному. Например, длина перемещения  некоторого тела на 1 м может быть представлена как L = 1 м = 100 см = 1000 мм. Отмеченные три варианта являются значениями измеряемой величины — оценками размера величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Входящее в него отвлеченное число называется числовым значением. В приведенном примере  это 1, 100, 1000.

 

 

 

 

 

Объекты и субъекты метрологии

 

Объектом метрологии являются физические величины. Под понятием «физическая величина» в метрологии, как и в физике, понимается свойство физических объектов (систем), общее в качественном отношении многим объектам, но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта, т. е. свойство, которое может быть для одного объекта в то или иное число раз больше или меньше, чем для другого (например, длина, масса, плотность, температура, сила, скорость). Количественное содержание свойства, соответствующего понятию «физическая величина», в данном объекте – размер физической величины.

 

Совокупность величин, связанных  между собой зависимостями, образует систему физических величин. Объективно существующие зависимости между  физическими величинами представляют рядом независимых уравнений. Число  уравнений m всегда меньше числа величин n. Поэтому m величин данной системы определяют через другие величины, а n – m величин – независимо от других. Последние величины принято называть основными физическими величинами, а остальные – производными физическими величинами.

 

Наличие ряда систем единиц физических величин, а также значительного  числа внесистемных единиц, неудобства, связанные с пересчетом при переходе от одной системы единиц к другой, требовало унификации единиц измерений. Рост научно-технических и экономических  связей между разными странами обусловливал необходимость такой унификации в международном масштабе.

 

Требовалась единая система  единиц физических величин, практически  удобная и охватывающая различные  области измерений. При этом она  должна была сохранить принцип когерентности (равенство единице коэффициента пропорциональности в уравнениях связи  между физическими величинами).

 

В России действует ГОСТ 8.417-2002, предписывающий обязательное использование  СИ. В нем перечислены единицы  измерения, приведены их русские  и международные названия и установлены  правила их применения. По этим правилам в международных документах и  на шкалах приборов допускается использовать только международные обозначения. Во внутренних документах и публикациях  можно использовать либо международные либо русские обозначения (но не те и другие одновременно).

 

Производные единицы Международной  системы единиц образуются с помощью  простейших уравнений между величинами, в которых числовые коэффициенты равны единице. Так, для линейной скорости в качестве определяющего  уравнения можно воспользоваться  выражением для скорости равномерного движения v = l/ t.

 

При длине пройденного  пути (в метрах) и времени t, за которое пройден этот путь (в секундах), скорость выражается в метрах в секунду (м/с). Поэтому единица скорости СИ – метр в секунду – это скорость прямолинейно и равномерно движущейся точки, при которой она за время t с перемещается на расстояние 1 м.

 

Субъекты метрологии:

государственная метрологическая  служба;

метрологические службы федеральных  органов исполнительной власти и  юридических лиц;

метрологические организации.

показать содержание

 

 

 

 

 

 

 

Государственная система  обеспечения единства измерений

 

Решение важнейших научно-технических  задач, в том числе проблемы обеспечения  качества продукции, в значительной степени зависит от достижения единства и достоверности измерений.

 

Единство измерений - состояние  измерительного процесса, при котором  результаты всех измерений выражаются в одних и тех же узаконенных  единицах измерения и оценка их точности обеспечивается с гарантированной  доверительной вероятностью. В применявшихся  до недавнего времени сравнительно простых методах измерений погрешность  результатов измерений почти  полностью определялась погрешностями  средств измерений. Поэтому для  достижения единства измерений было достаточно обеспечить единообразие средств  измерений, т.е. такое состояние средств  измерений, когда они проградуированы  в узаконенных единицах измерений, а их метрологические свойства соответствуют  нормам.

 

Государственная система обеспечения  единства измерений - это система  обеспечения единства измерений  в стране, реализуемая, управляемая  и контролируемая федеральным органом  исполнительной власти по метрологии - Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии (Ростехрегулирование).

 

Деятельность по ОЕИ направлена на охрану прав и законных интересов  граждан и установленного правопорядка и экономики, а также на содействие экономическому и социальному развитию страны путем защиты от отрицательных  последствий недостоверных результатов  измерений во всех сферах жизни общества на основе конституционных норм, законов, постановлений Правительства Российской Федерации и нормативных документов.

 

Деятельность по ОЕИ осуществляется в соответствии с:

 

Конституцией Российской Федерации (ст.71);

 

Законом Российской Федерации  ”Об обеспечении единства измерений”;

 

постановлением Правительства  Российской Федерации от 12.02.94 № 100 ”Об  организации работ по стандартизации, обеспечению единства измерений, сертификации продукции и услуг”;

 

ГОСТ Р 8.000-2000 и другими нормативными документами ГСИ, принимаемыми и утверждаемыми ФАТРиМ России.

 

ОЕИ в стране осуществляется на:

 

государственном уровне;

 

уровне федеральных органов исполнительной власти;

 

уровне юридического лица.

 

Государственное управление деятельностью по ОЕИ осуществляет Государственный комитет Российской Федерации по стандартизации и метрологии (ФАТРиМ России) в соответствии с Положением о ФАТРиМ России, утвержденным Правительством Российской Федерации.

 

ОЕИ в пределах установленной  ответственности федерального органа исполнительной власти осуществляет его  метрологическая служба.

 

ОЕИ в пределах установленной  области деятельности юридического лица осуществляет метрологическая  служба предприятия (организации) или  иная служба, выполняющая ее функции.

 

Цель государственной  системы обеспечения единства измерений - создание общегосударственных правовых, нормативных, организационных, технических  и экономических условий для  решения задач по обеспечению  единства измерений и предоставление всем субъектам деятельности возможности  оценивать правильность выполняемых  измерений.

 

Основные задачи ГСИ:

 

-   разработка оптимальных  принципов управления деятельностью  по обеспечению единства измерений;

 

-   организация и  проведение фундаментальных научных  исследований с целью создания  более 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, унификация  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 средствам  измерений, применяемым в стране;

 

-   создание и совершенствование  вторичных и рабочих эталонов, комплексных поверочных установок  и лабораторий;

 

-   установление общих  метрологических требований к  эталонам, средствам измерений, методикам  выполнения измерений, методикам  поверки (калибровки) средств измерений  и других требований, соблюдение которых является необходимым условием обеспечения единства измерений;

 

-   разработка и экспертиза  разделов метрологического обеспечения  федеральных и иных государственных  программ, в том числе программ  создания и развития производства  оборонной техники;

 

-   осуществление государственного  метрологического контроля: поверка  средств измерений; испытания  с целью утверждения типа средств  измерений; лицензирование деятельности  юридических и физических лиц  по изготовлению и ремонту  средств измерений;

 

-   осуществление государственного  метрологического надзора: за  выпуском, состоянием и применением  средств измерений; эталонами  единиц величин; аттестованными  методиками выполнения измерений;  соблюдением метрологических правил  и норм; количеством товаров, отчуждаемых  при совершении торговых операций; количеством фасованных товаров  в упаковках любого вида при  их расфасовке и продаже;

 

-   разработка принципов  оптимизации материально-технической  и кадровой базы органов Государственной  метрологической службы;

 

-   аттестация методик  выполнения измерений;

 

-   калибровка и сертификация  средств измерений, не входящих  в сферы государственного метрологического  контроля и надзора;

 

-   аккредитация метрологических  служб и иных юридических и  физических лиц по различным  видам метрологической деятельности;

 

-   аккредитация поверочных, калибровочных, измерительных, испытательных  и аналитических лабораторий,  лабораторий неразрушающего и  радиационного контроля в составе  действующих в Российской федерации  систем аккредитации;

 

-   участие в работе  международных организаций, деятельность  которых связана с обеспечением  единства измерений, и в подготовке  к вступлению России в ВТО;

 

-   разработка совместно  с уполномоченными федеральными  органами исполнительной власти  порядка определения стоимости  (цены) метрологических работ и  регулирования тарифов на эти  работы;

 

-   организация подготовки  и подготовка кадров метрологов;

 

-   информационное обеспечение  по вопросам обеспечения единства  измерений;

 

-   совершенствование  и развитие ГСИ.

 

Существуют принципы обеспечения  единства измерений, к основным из которых относятся:

 

·  применение только узаконенных  единиц физических величин (ФВ);

 

·  воспроизведение ФВ с помощью государственных эталонов;

 

·  применение узаконенных  средств измерений, которые прошли государственные испытания и  которым переданы размеры единиц ФВ от государственных эталонов;

 

·  обязательный периодический  контроль через установленные промежутки времени характеристик применяемых  средств измерений;

 

·  гарантия обеспечения  необходимой точности измерений  при использовании поверенных средств  измерений и аттестованных методик  выполнения измерений;

 

·  использование результатов  измерений только при условии  оценки их погрешности с заданной вероятностью;

 

·  систематический контроль за соблюдением метрологических правил и норм, государственный надзор и ведомственный контроль за средствами измерений.

 

Для реализации этих принципов  созданы необходимые правовая, техническая  и организационная основы.

 

Правовая подсистема.

 

Правовая подсистема - комплекс взаимосвязанных законодательных  и подзаконных актов (в том  числе межотраслевых нормативных  документов ГСИ), объединенных общей  целевой направленностью и устанавливающих  согласованные требования к следующим  взаимосвязанным объектам деятельности по ОЕИ: