Определение, предмет, цель и задачи метрологии

ВВЕДЕНИЕ

Метрология – наука об измерениях, методах достижения их единства и требуемой точности. Она тесно связана и развивается совместно с измерительной техникой, являющейся разделом прикладной физики. Измерительные приборы являются объектом исследований метрологии. Развивая общую теорию измерений, метрология основной упор в своей деятельности делает на исследования способов достижения единства измерений.

Метрология ионизирующих излучений развивается совместно с ядерным приборостроением при использовании приемов и методологии общей метрологии, занимается созданием методов и средств обеспечения единства измерений, характеристик радионуклидов, потоков излучений и дозиметрических величин.

Открытие естественной радиоактивности и появление искусственных радионуклидов в окружающей среде оказало большое влияние на жизнедеятельность человечества. Широкое применение радиоактивных веществ и источников ионизирующего излучения в различных отраслях народного хозяйства при одновременном росте номенклатуры этих веществ и источников требует обеспечения единообразия и правильности измерений, унификации и упорядочения посредством стандартизации.

Повышение качества измерений становится одной из основных задач метрологии. Под качеством измерений понимается совокупность свойств состояния измерений, обусловливающих получение результатов измерений с требуемыми точностными характеристиками в необходимом виде и в установленный срок. От качества измерительной информации об активности радионуклидов зависит правильность диагноза при радионуклидной диагностике заболеваний, а от качества информации о поглощенной дозе – эффективность лучевой терапии. Обоснованность решения о том, браковать или разрешить к использованию партию пищевых продуктов, определяется качеством измерительной информации об удельной или объемной активности этих продуктов. От качества измерительной информации об индивидуальной дозе сотрудника зависит обоснованность принимаемого решения о возможности продолжения им работ с источниками ионизирующих излучений или о выборе метода лечения при аварийном облучении. Таким образом, результаты метрологических работ в области измерений ионизирующих излучений оказывают непосредственное влияние на решение экономических, экологических и социальных вопросов.

Основная проблема метрологии – общая теория измерений, образование единиц физических величин и их систем, методы и средства измерений, методы определения точности измерений, основы обеспечения единства измерений и метрологической исправности средств измерений, создание эталонов и образцовых средств измерений, методы передачи размеров единиц от эталонов к образцовым и далее рабочим средствам измерений.

В области ионизирующих излучений основной задачей стандартизации является обеспечение единства и достоверности измерений в стране, создание государственных эталонов единиц физических величин и совершенствование методов и средств измерений высшей точности. Государственная система стандартизации Республики Беларусь – совокупность государственных организационных структур, структур в отраслях народного хозяйства Беларуси, определенного порядка и правил их взаимодействия при выполнении работ по стандартизации.

Цель – повышение технического уровня и качества продукции, роста производительности труда, экономии трудовых и материальных ресурсов во всех отраслях народного хозяйства, развитие и совершенствование системы стандартизации на основе внедрения достижений науки, техники и практического опыта.

Изучение метрологии и стандартизации базируется на знаниях таких основных дисциплин, как математика и физика, а также на знаниях, полученных при изучении радиометрии, дозиметрии и радиологии, математической статистики.

 

МЕТРОЛОГИЯ

 

Лекция 1. СИСТЕМА ЕДИНИЦ ИЗМЕРЕНИЯ

 

1.1. Краткая историческая справка о развитии метрологии

 

Познание реального мира человеком осуществляется в чувственной и логической формах. В первом случае человек получает чувственные впечатления, высказываемые в форме суждений, во втором проводится анализ и синтез полученной информации. Результатом логического познания является вскрытие свойств объектов, их взаимоотношений. В основе всех форм познания лежат наблюдения и эксперименты. Если при этом отображаются не только качественные, но и количественные отношения между объектами, то такие взаимоотношения называются измерениями. Измерения, таким образом являются одним из важнейших путей познания реального мира человеком.

Измерения были основой взаимоотношений людей с древнейших времен. При этом вырабатывались определенные представления о размерах, формах, свойствах предметов и явлений, а также правила и способы их сопоставлений. Вначале это были примитивные измерения. При этом человек сравнивал наблюдаемые им предметы с размерами собственного тела, которое выполняет роль мер, воссоздающих единицы разных величин.

В Древней Руси единицами длины были пядь, локоть, сажень и другие единицы измерения. По указу Петра I русские меры длины были согласованы с английскими. В те времена меры и единицы величин были произвольными, что затрудняло сравнение результатов измерений. С течением времени люди пришли к пониманию ценности специальных вещественных мер для измерений.

В 1835 г. Николай I в «Указе правительствующему Сенату» утвердил сажень – как основную меру длины в России и образцовый фунт (кубический дюйм воды при температуре 13,3 градуса по Реомюру в безвоздушном пространстве) – как основную единицу массы. Один фунт равен 409,51241 г.

Для поддержания единства установленных мер эталоны находились в храмах и церквах.

Для воспроизведения, хранения и передачи размера единиц разных величин с помощью специальных мер-эталонов в некоторых странах были созданы специальные метрологические учреждения. В России таким учреждением было созданное в 1842 г. Депо образцовых мер и весов.

В 1849 г. издана первая научно-учебная книга Ф. И. Петрушевского «Общая метрология», по которой учились первые поколения русских метрологов.

Важным этапом в развитии русской метрологии явилось подписание Россией метрической конвенции 20 мая 1875 года. В этом же году была создана Международная организация мер и весов (МОМВ). Местом пребывания этой организации является французский город Севр.

В 1873 г. в Петербурге на базе Депо образцовых мер и весов была образована Главная палата мер и весов, которую до 1907 г. возглавлял Д. И. Менделеев.

В 1900 г. при Московском окружном пробирном управлении состоялось открытие Поверочной палатки торговых мер и весов.

В годы Советской власти метрология получила дальнейшее развитие. В 1918 г. принят декрет правительства Российской Федерации «О введении международной метрической системы мер и весов».

В 1930 г. произошло объединение метрологии и стандартизации. Был организован целый ряд метрологических институтов.

В 1954 г. образован Комитет стандартов, мер и измерительных приборов при Совмине СССР – Госстандарт СССР.

После распада СССР в 1992 г. Госстандарт был преобразован в Белстандарт, в подчинении которого находится Белорусский государственный институт стандартизации и сертификации – БелГИСС.

Белстандарт Республики Беларусь совместно с БелГИСС ведут разработку рекомендаций, государственных стандартов, вносят изменения в межгосударственные, региональные и национальные стандарты, а также контролируют их деятельность и осуществляют ее прекращение на территории Республики Беларусь.

 

Определение, предмет, цель и задачи метрологии

 

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности (от греческого «метро» – мера, «логос» – наука). Основными проблемами метрологии являются общая теория измерений; единицы физических величин и их системы; методы и средства измерений; методы определения точности измерений; основы обеспечения единства измерений и их однообразия.

Современная метрология включает три относительно самостоятельных раздела:

– теоретическую (фундаментальную) метрологию;

– прикладную (практическую) метрологию;

– законодательную метрологию.

Теоретическая метрология – это учение о физических величинах и их размерностях, о наиболее общих проблемах измерения физических величин и обработки результатов наблюдений. Сюда относят вопросы измерительных преобразований и шкал физических величин, проблемы построения и унификации систем физических величин и их единиц, создания эталонов, способных хранить и воспроизводить размер единицы физической величины с максимально возможной точностью и передавать информацию о ее размере рабочим средствам измерений.

Законодательная метрология рассматривает комплекс взаимосвязанных общих требований, норм и правил, направленных на обеспечение единства измерений и требующих регламентации и контроля со стороны государственных, межгосударственных и международных органов и организаций.

Прикладная метрология занимается вопросами практического применения методов и средств, обеспечивающих единство измерений.

Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов и процессов, т. е. измерение свойств и объектов с заданной точностью и достоверностью.

Объектом метрологии являются свойства объективных реальностей (тел, веществ, процессов, явлений).

Цель метрологии – обеспечение единства и необходимой точности измерений в масштабах государства и всего человечества.

Важнейшей задачей метрологии является обеспечение единства измерений. Она решается при соблюдении двух условий:

– выражение результатов измерений в узаконенных единицах;

– установление допускаемых погрешностей результатов измерений и границ, за которые они не должны выходить при заданной вероятности. Погрешности измерений указываются в паспорте, ТУ и иной нормативной документации, прилагаемой к средству измерения.

Основные задачи метрологии (ГОСТ 16263–70):

– установление единиц физических величин, государственных эталонов и образцовых средств измерения, контроля и испытаний;

– обеспечение единства измерений и единообразных средств измерений;

– разработка методов оценки погрешностей, состояния средств измерения, контроля и испытания;

– передача размеров единиц от эталонов и образцовых средств измерений рабочим средствам измерений.

Для поддержания единства измерений создается метрологическое обеспечение, включающее метрологию в качестве научной основы и метрологическую службу в виде сети учреждений, деятельность которых направлена на метрологическое обеспечение. Кроме того, она включает комплекс нормативно-технических документов, которые устанавливают правила и положения, относящиеся к обеспечению точности измерений. Техническую основу метрологического обеспечения составляют эталоны единиц величин и система передачи размеров единиц всем средствам измерений.

Таким образом, под метрологическим обеспечением принято понимать установление и применение научных, нормативно-техни-ческих и организационных основ, технических средств, правил и норм с целью достижения единства и необходимой точности (достоверности) измерений, необходимых для количественной оценки объектов материального мира и возникающих в них явлений. Основные положения метрологического обеспечения установлены государственными стандартами.

 

Система единиц измерений

 

Систему понятий метрологии удобно начинать с рассмотрения понятий свойство и величина.

Свойство объекта – одна из его отличительных черт и особенностей. Тяжелый, длинный, сильный, яркий – это примеры свойств объектов. Свойства, которые можно выразить количественно, называются величинами. Величины классифицируются: на реальные и идеальные (любое значение в математике), физические и нефизические (социология), измеряемые и оцениваемые.

Измеряемые величины могут быть выражены количественно в установленных единицах измерения. Величины, для которых не может быть введена единица измерения, относятся к оцениваемым. Оценивание величины производят при помощи установленной шкалы.

По видам явлений физические величины классифицируют на слудующие группы:

– вещественные, описывающие физические и физико-химические свойства веществ, материалов и изделий из них;

– энергетические, описывающие энергетические характеристики процессов преобразования, передачи и использования энергии;

– физические величины, характеризующие протекание процессов во времени.

Существуют и другие уровни и подходы к классификации физических величин.

В последние десятилетия кроме физических величин в прикладной метрологии начали использоваться и так называемые нефизические величины. Это связано с применением термина «измерение» в экономике, информатике, управлении качеством.

Величина – свойство, общее в качественном отношении для многих объектов (состояний, систем, процессов), но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.

В реальной действительности измеряют величины, присущие конкретным процессам, предметам, явлениям, т. е. величины конкретных размеров.

Под размером величины понимают количественную определенность величины, присущую процессам, предметам, системам. Сопоставляя размер некоторой величины с ее единицей, получают ее значение.

Значение величины – это выражение размера величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц.

Единица физической величины представляет собой значение данной величины, которое по определению считается равным единице и применяется для количественного выражения однородных с ней величин.

Например: m = 24 кг,

где m – величина (масса);

24 – числовое значение;

кг – единица этой величины (массы).

Таким образом, результат измерения в общем виде записывают в форме, называемой основным уравнением измерения:

 

Х = N · [х],

 

где Х – измеряемая величина;

N – числовое значение величины;

[х] – единица физической величины.

Физическую величину характеризует ее истинное значение, которое идеальным образом отражает свойство объекта в качественном и количественном отношении.

Действительным значением называют значение физической величины, найденное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него.

Выделяются несколько независимых величин, которые не cводятся одна к другой и выбираются произвольно по соглашению так же, как и их число. Их называют основными физическими величинами. Основные физические величины входят в систему величин и не зависят друг от друга.

Все остальные величины (производные) определяются математическими уравнениями, в которые входят основные физические величины или их комбинации.

Производные физические величины входят в систему величин и определяются через уравнения, связывающие их с основными физическими уравнениями.

Однако, это не значит, что первые имеют принципиальное преимущество перед вторыми. При одном выборе они могут быть приняты за основные величины, при другом – могут быть производными.

Основным величинам соответствуют основные единицы измерения, производным – производные единицы измерения.

Основные единицы – единицы величин, размеры и размерности которых в данной системе приняты за исходные при образовании размеров и размерностей производных единиц.

Производные единицы – единицы величины, образованные в соответствии с уравнениями, связывающими их с основными единицами.

Единицы физических величин делятся на системные, т. е. входящие в какую-либо систему единиц, и внесистемные,которые не укладываются ни в одну из систем. От многих внесистемных единиц нельзя отказаться ввиду их удобства применения в определенных областях.

Система единиц – это совокупность основных и производных единиц, относящихся к некоторой системе величин, образованных в соответствии с принятыми по договоренности правилами.

Среди внесистемных единиц выделяют десятичные кратные (во много раз больше) и дольные (во много раз меньше) единицы (табл. 1). Кратные и дольные единицы образуются умножением системной единицы на 10ⁿ, где n – целое положительное или отрицательное число.

 

Таблица 1. Десятичные внесистемные единицы измерения

 

Виды единицы	Наименование	Множитель	Обозначение
Кратные	дека		да
гекто	102	г
кило	103	к
мега	106	М
гига	109	Г
тера	1012	Т
пета	1015	П
Дольные	экса	1018	Э
деци	10-1	д
санти	10-2	с
мили	10-3	м
микро	10-6	мк (мкм)
нано	10-9	н
пико	10-12	п
фемто	10-15	ф
атто	10-18	а

 

Вторую группу внесистемных единиц образуют единицы, построенные из основных единиц системы не по десятичному принципу. К ним относят такие единицы, как минута, час, миллиметр ртутного столба, электронвольт.

Третья группа – это единицы, не связанные с какой-либо системой. Сюда входят все устаревшие национальные единицы, такие, как старые русские, английские и т. п. Кроме того, к этой группе относятся единицы, используемые в большей или меньшей мере до настоящего времени: карат, морская миля и ряд других единиц.

Развитие науки и техники, а также торговли и международных отношений требовало унификации единиц физических величин в международном масштабе, что привело к образованию в конце ХVIII века метрической системы мер, но в эту систему входили только единицы массы, длины, площади, объема, вместимости и плотности. Поэтому эту систему нельзя было считать универсальной, т. е. охватывающей единицы всех физических величин. Существовал и ряд других систем единиц.

В настоящее время на практике применяются две системы единиц: Международная система единиц и симметричная (гауссова) система (СГС).

Симметричная система или система СГС существует более 100 лет и до настоящего времени используется в научных исследованиях (физике, астрономии и смежных науках), а также в периодической научной литературе. В ней присутствуют только три основные единицы – сантиметр, грамм, секунда. Она хороша тем, что в электромагнитных уравнениях присутствует только одна константа – скорость света. Недостатком этой системы является то, что подавляющее большинство ее единиц далеко от практики (единицы измерения, относящиеся к электростатике и электрическому току, не имеют названий).

Для практического применения мировой общественностью используется Международная система единиц.

В 1960 г. 11-я Генеральная конференция по мерам и весам приняла решение о создании Международной системы единиц, которой было присвоено Международное сокращенное название SI – Sistem Internаtional – международная система или в русской транскрипции – СИ. Аббревиатура СИ при чтении произносится раздельно (Эс – и), а не вместе СИ.

Обычно говорят и пишут «единицы СИ», так как слово «система» входит в сокращенное наименование.

В Республике Беларусь данная система введена с 1 января 1963 г. (ГОСТ 9867–61). Этим стандартом было предусмотрено, что Международная система единиц должна применяться как предпочтительная во всех областях науки, техники и народного хозяйства, а также в преподавании. С 1 января 1982 г. ГОСТ 8.417–81 «Единицы физических величин» ввел в нашей стране в действие СИ как обязательную к применению. Были изъяты из обращения такие внесистемные единицы измерения активности радионуклида в источнике, как Кюри, миллиграмм-эквивалент радия. Переход к этой системе был завершен к 1 января 1990 г.

На этой конференции было заключено международное соглашение о выборе основных физических величин (длина, масса, время, сила электрического тока, температура, сила света, количество вещества).

Основные единицы СИ: единица длины – метр (м); единица массы – килограмм (кг); единица времени – секунда (с); единица силы электрического тока – ампер (А); единица термодинамической температуры – кельвин (К); единица силы света – кандела (кд) и единица количества вещества – моль.

Данная система содержит две дополнительные единицы: единицу плоского угла – радиан (рад) и единицу телесного угла – стерадиан (ср).

Эти единицы не входят в число основных, практически они считаются безразмерными, но вместе с тем не являются производными, так как их размеры не зависят от выбора основных единиц системы.

Существуют точные определения основных величин. Однако на практике эти определения реализуются с конечной точностью.

В 1983 г. на 17-й Генеральной конференции по мерам и весам было установлено новое определение метра на основании фундаментальной постоянной (скорости света в вакууме). Измерить эталонную длину можно, определив время, за которое свет проходит этот отрезок.

Метр равен длине пути, проходящего светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды. Небольшие длины и сам метр определяют косвенным методом. С помощью радиооптических мостов измеряют частоту стабилизированных лазеров и вычисляют значение их длин волн, а затем с помощью интерферометров отсчитывается их нужное число. Шкала длины – шкала отношений.

Единицей массы служит килограмм. Он равен массе международного эталона килограмма, который хранится в Международном бюро мер и весов в г. Севр во Франции и представляет собой цилиндр из сплава платины (90 %) и иридия (10 %), высота и диаметр которого равны 39 мм.

Единица времени секунда в настоящее время определяется следующим образом:

секунда равна 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома ¹³³Cs при отсутствии возмущений. Шкала време- ни – шкала разностей.

Взаимосвязь между электродинамикой и механикой позволила в 1948 г. дать новое определение единицы силы тока:

Ампер равен силе неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины с ничтожно малой площадью кругового сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м друг от друга, вызывал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия между ними, равную 2∙10^-7 Н. В реальной действительности его реализовать нельзя. Поэтомуон определяется косвенно с помощью ампервесов через вольт и ом, воспроизводимых с применением устройств, действие которых определяется константами Джозефсона и Клитцена. Шкала токов – аддитивная шкала отношений.

Основной термодинамической величиной является термодинамическая температура. Для температуры существует значение абсолютного нуля. В связи с этим в 1854 г. Джон Томсон предложил определять единицу этой величины интервалом от абсолютного нуля до одного выбранного значения температуры в качестве второго репера, воспроизводимого наиболее точно. В качестве него была выбрана тройная точка воды. Отсюда:

кельвин – единица термодинамической температуры, которая равна 1/273,16 части этого интервала. Шкала токов – аддитивная шкала отношений.

Количество вещества было введено в международную систему единиц в качестве основной величины в 1971 г. Это дало возможность описывать количественные соотношения в химии и физической химии с помощью единиц СИ. Единица количества вещества определяется следующим образом.

Моль – единица количества вещества. Представляет собой количество вещества системы, содержащей столько же структурных единиц, сколько содержится атомов в ¹²С массой 0,012 кг. Структурными элементами могут быть атомы, ионы, молекулы, электроны или специальные группы частиц. Эталоны моля не создаются. По сути дела, это счетная единица, численно равная постоянной Авогадро (6,025∙10²³ частиц). Средств измерений, отградуированных в молях, не выпускается.

Электромагнитное излучение описывается с помощью фотометрических величин, которые выражаются через единицы основных физических величин – метр, килограмм и секунду.Для описания излучения через его воздействие на человеческий глаз используются соответствующие редуцированные фотометрические (светотехнические) величины. Основной величиной при этом служит сила света, которая измеряется в канделах. В международном соглашении определена спектральная чувствительность человеческого глаза. Кривая спектральной чувствительности позволяет связать между собой мощность излучения и световой поток через фотометрический эквивалент излучения.

Кандела равна силе света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540∙10¹² Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ст (ватт/стерадиан). Шкала силы света – аддитивная шкала отношений.

На базе основных единиц построено свыше 100 производных единиц. Наиболее важные из них имеют собственные имена и краткие обозначения (18 единиц).

Основным величинам системы присваивается символ в виде прописной буквы латинского или греческого алфавита (табл. 2, 3). Этот символ носит название размерности основной физической величины.

 

Таблица 2. Основные единицы СИ

 

Величина	Единица
Наименование	Размерность	Наименование	Обозначение
международное	русское
Длина	L	метр	m	м
Масса	M	килограмм	kg	кг
Время	T	секунда	S	с
Сила электрического тока	I	ампер	A	А
Термодинамическая температура	O	кельвин	K	К
Сила света	J	кандела	cd	кд
Количество вещества	N	моль	mol	моль

Таблица 3. Дополнительные единицы СИ

 

Наименование величины	Единица
Наименование	Обозначение
международное	русское
Плоский угол	радиан	rad	рад
Телесный угол	стерадиан	sr	ср

 

Представив физические величины в виде символов, объективно существующие взаимоотношения между ними можно отобразить уравнениями. Это дает возможность привлечь математический аппарат для более глубокого анализа картины реального мира.

Символы – это обозначение размерности, которая характеризует качественную сторону основных физических величин. Размерности всех других величин (производных) выражают через размерности основных величин.

Размерностью называется математическое соотношение, отражаю-щее связь данной величины с основными величинами системы.

Размерность производной величины – это выражение в виде степенного одночлена, составленного из произведений символов основных величин и отражающих связь данной величины с другими величинами, принятыми в данной системе за основные. Размерность – это условность определяемая выбором системы единиц.

Рассмотрим ряд примеров, чтобы понять разницу между размерностью и обозначением единицы.

Величина	Единица	Формула	Обоз-начение	Размерность
Cкорость	м/сек	v = S / t	v	LT-1
Масса	ньютон	Р = m q	Н	МLT-2
Ускорение	метр на секунду в квадрате	a = V: t	м/с2	LT-2
Давление	паскаль	р = Р: S × МLT-2: L2	Па	L-1MT-2