Исторические предпосылки зарождения метрологии.

Потребности в метрологии уходят в глубокое прошлое. Первый Указ о калибрах стандартных был издан в 1555 г. во время царствования Ивана Грозного. При Петре I в период его революционных реформ стандартизация получила широкое развитие. Начали строить типовые дома, было введено деление орудий на три типа: пушки, гаубицы, мортиры. Издан Указ об изготовлении ружей и пистолетов по единому калибру. Учение о мерах возникло и развивалось, прежде всего, под влиянием запросов торговли по упорядочиванию и установлению единообразия мер.

В 1875 году семнадцатью государствами, в том числе и Россией, была подписана метрологическая конвенция, в которой была высказана необходимость создания, хранения и сличения международных и национальных прототипов метрических мер длины и массы – метра и килограмма, а также сличения с ними мер не метрических систем. С этой целью конвенция учредила международную научную организацию – Международное бюро мер и весов. В качестве высшего органа этой организации была назначена Генеральная конференция по мерам и весам. Для руководства деятельностью бюро был создан Международный комитет мер и весов, в состав которого входили ведущие метрологи стран конвенции. Оценивая Метрологическую конвенцию с обще познавательной точки зрения, следует признать, что конвенция явилась официальным актом признания метрологии как общественно полезной отрасли знаний.

Под влиянием достижений в научном прогрессе общая метрология постепенно претерпевала изменения. Ее научное содержание значительно обогатилось в связи с созданием систем измерений единиц различных физических величин. Целью метрологии стало обеспечение согласуемости результатов измерений физических величин.

Кроме международной организации в различных странах стали возникать национальные метрологические организации. В Германии в 1887 году был образован Физико-технический институт. В России главная палата мер и весов, созданная при Петре I, реорганизована в институт метрологии под руководством Д.И. Менделеева в 1893 году. В Объединенном королевстве Великобритании в 1899 году создана национальная физическая лаборатория. В США в 1901 году открыто национальное бюро стандартов.

С тех пор утекло много воды, но метрологической организацией Советского Союза, а теперь Российской Федерации, остался ВНИИМ имени Д.И. Менделеева. К нему добывался институт ВНИИФТРИ (физико-технических и радиотехнических измерений), находящийся около г. Зеленоград в поселке Менделеево.

Развитие метрологии в соответствующей области знаний начинается в период внедрения ее достижений в практику. Метрологическая деятельность начинается, как правило, из-за отсутствия единообразия мер и способов их применения. Результатом этого является несопоставимость экспериментов в пределах необходимой достоверности, что в конечном итоге тормозит развитие науки и приводит к экономическим потерям в промышленности.

Развитие метрологии нейтронного излучения началось после зарождения новых направлений ядерной физики – нейтронной физики и ее приложений. Основные теоретические и экспериментальные результаты нейтронной физики были получены в тридцатые и сороковые годы двадцатого века. В это время результаты научных исследований не выходили за пределы лабораторий, и проблема согласуемости результатов исследований не была первостепенной. Поэтому в то время национальные метрологические организации не занимались метрологическими проблемами нейтронной физики.

В последующий период нейтронная физика стала выходить из сферы теоретических и экспериментальных исследований в область практического использования. Появилась новая отрасль промышленности – ядерная энергетика, стало развиваться ядерное приборостроение, широкое применение получил нейтронный активационный анализ. Постепенно основные представления нейтронной физики становились достоянием не только физиков, но и инженеров. Ее методы и средства начали применяться в самых различных областях науки, техники и промышленности. В связи с этим, возникла необходимость решения проблемы обеспечения согласуемости результатов измерений. Эта задача может быть решена только с привлечением метрологических организаций.

В пятидесятые годы двадцатого века были начаты метрологические исследования в области нейтронного излучения в ведущих национальных метрологических лабораториях. Стала очевидной необходимость координации усилий по отдельным направлениям метрологической деятельности в международном масштабе. Поэтому в 1958 году при международном бюро мер и весов был создан консультативный комитет по ионизирующим излучениям, в деятельности которого принимают участие самые различные международные организации. К ним относятся международное агентство по атомной энергии, международный комитет по радиологическим единицам, международный комитет по радиационной защите, международная организация по стандартизации и др.

Метрология, основные определения и термины.

Подводя итоги, отметим, что техническое законодательство – совокупность правовых норм, регламентирующих требования к техническим объектам: продукции или услугам, а также к процессам их жизненного цикла.

Федеральный закон “О техническом регулировании” является основным законодательным источником технического права в Российской Федерации.

Техническое регулирование сферы экономической деятельности будет осуществляться посредством разработки и принятия технических регламентов и эта деятельность в настоящее время находится в стадии развития.

Возвращаясь от экономической справки к метрологии, следует отметить, что фундаментальной проблемой метрологии является проблема измерения физических величин. Физической величиной называют понятие, характеризующее свойство или состав объектов вещественного мира, а также протекающих явлений и процессов. Количественную оценку физических величин осуществляют путем измерений. Измерением физической величины называю познавательный процесс, заключающийся в сравнении путем физического эксперимента данной величины с ее значением, принятым за единицу сравнения. Таким образом, при измерении физической величины решается задача во сколько раз исследуемая величина больше или меньше единицы сравнения, которую принято называть единицей измерений. Единичное количество физической величины определяют как размер единицы, а число, полученное в эксперименте, именуют числовым значением измеряемой величины.

Это соотношение принято называть уравнением измеряемой величины. Из всего вышесказанного следует, что для выполнения измерений физической величины, то есть для получения результата измерений в виде числового значения, необходимо иметь доступ к овеществленной, воспроизводимой единице измерений. Назовем единицу измерений мерой. Мера является овеществленным носителем некоторого количества физической величины и служит для сравнения в процессе измерений с такого же рода величиной, с целью получения числового значения измеряемой величины. Мерой может быть не только вещество, но и излучение. Устройство, используемое в процессе измерений, на языке метрологии называют измерительным прибором или измерительной установкой. Совокупность меры и измерительного прибора часто именуют средством измерения.

Среди всех известных физических величин можно выбрать некоторый набор независимых, используя которые можно определить все известные физические величины.

Исторически первой системой единиц физических величин была принятая в 1791 г. Национальным собранием Франции метрическая система мер. Она не являлась еще системой единиц в современном понимании, а включала в себя единицы длин, площадей, объемов, вместимостей и веса, в основу которых были положены две единицы: метр и килограмм.

В 1832 г. немецкий математик К. Гаусс предложил методику построения системы единиц как совокупности основных и производных. Он построил систему единиц, в которой за основу были приняты три произвольные, независимые друг от друга единицы - длины, массы и времени. Все остальные единицы можно было определить с помощью этих трех. Такую систему единиц, связанных определенным образом с тремя основными, Гаусс назвал абсолютной системой. За основные единицы он принял миллиметр, миллиграмм и секунду. В дальнейшем с развитием науки и техники появился ряд систем единиц физических величин, построенных по принципу, предложенному Гауссом, базирующихся на метрической системе мер, но отличающихся друг от друга основными единицами.

Рассмотрим главнейшие системы единиц физических величин.

Система СГС.

Система единиц физических величин СГС, в которой основными единицами являются сантиметр как единица длины, грамм как единица массы и секунда как единица времени, была установлена в 1881 г.

Система МКГСС.

Применение килограмма как единицы веса, а в последующем как единицы силы вообще, привело в конце XIX века к формированию системы единиц физических величин с тремя основными единицами: метр - единица длины, килограмм-сила - единица силы и секунда - единица времени.

Система МКСА.

Основы этой системы были предложены в 1901 г. итальянским ученым Джорджи. Основными единицами системы МКСА являются метр, килограмм, секунда и ампер.

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 1954 г. Х Генеральная конференция по мерам и весам установила шесть основных единиц (метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, кандела и моль). Система, основанная на утвержденных в 1954 г. шести основных единицах, была названа Международной системой единиц, сокращенно СИ (SI - начальные буквы французского наименования Systeme International). Был утвержден перечень шести основных, двух дополнительных и первый список двадцати семи производных единиц, а также приставки для образования кратных и дольных единиц. В РФ система СИ регламентируется ГОСТом 8.417-81.

Системы единиц можно рассматривать как теоретическую основу измерений физических величин. Для практического же осуществления тех или иных физических измерений необходимо иметь набор соответствующих мер. Прежде всего, основных физических величин, тогда производные величины могут быть определены на основании уравнений связи. Меры производных величин целесообразно создавать только при условии, если это не вызывает принципиальных или технических трудностей, а также оправдано с экономической точки зрения. Например, создавать меры для ядерно-физических констант – лишено смысла, хотя это возможно для некоторых из них.

По способу получения результатов измерения подразделяют на прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямые - это измерения, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных. При прямых измерениях экспериментальным операциям подвергают измеряемую величину, которую сравнивают с мерой непосредственно или же с помощью измерительных приборов, градуированных в требуемых единицах. Примерами прямых служат измерения длины тела линейкой, массы при помощи весов и тому подобное.

Косвенные - это измерения, при которых искомую величину определяют на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, полученными в прямых измерениях, т.е. измеряют не собственно определяемую величину, а другие, функционально с ней связанные. Примеры косвенных измерений: определение объема тела по прямым измерениям его геометрических размеров, нахождение удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения. Косвенные измерения широко распространены в тех случаях, когда искомую величину невозможно или слишком сложно измерить непосредственно или когда прямое измерение дает менее точный результат. Роль их особенно велика при измерении величин, недоступных непосредственному экспериментальному сравнению, например размеров астрономического или внутриатомного порядка.

Совокупные - это производимые одновременно прямые измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые величины определяют решением системы уравнений, получаемых при измерении различных сочетаний этих величин.

Совместные - это производимые одновременно измерения двух или нескольких не одноименных величин для нахождения зависимостей между ними.

По характеристике точности.

Равноточные измерения физической величины. Выполняются одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях.

Соответственно, неравноточные измерения – разными по точности средствами измерений в различных условиях. Это деление следует из-за того, что обрабатывают результаты этих измерений различными методами.

По отношению к изменению во времени измеряемой величины.

Статические измерения и динамические измерения.

Метод измерения – это способ экспериментального определения значения физической величины, т. е. совокупность используемых при измерениях физических явлений и средств измерений.

Каким образом можно классифицировать методы измерений?

Метод непосредственной оценки заключается в определения значения физической величины по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия. Например – измерение напряжения вольтметром. Этот метод является наиболее распространенным, но его точность зависит от точности измерительного прибора.

Метод сравнения с мерой – в этом случае измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой. Точность измерения может быть выше, чем точность метода непосредственной оценки.

Метод противопоставления, при котором измеряемая и воспроизводимая величина одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между величинами. Пример: измерение веса с помощью рычажных весов и набора гирь.

Дифференциальный метод, при котором на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой. При этом уравновешивание измеряемой величины известной производится не полностью. Пример: измерение напряжения постоянного тока с помощью дискретного делителя напряжения, источника образцового напряжения и вольтметра.

Нулевой метод, при котором результирующий эффект воздействия обеих величин на прибор сравнения доводят до нуля, что фиксируется высокочувствительным прибором – нуль-индикатором. Пример: измерение сопротивления резистора с помощью четырехплечевого моста, в котором падение напряжения на резисторе с неизвестным сопротивлением уравновешивается падением напряжения на резисторе известного сопротивления.

Метод замещения, при котором производится поочередное подключение на вход прибора измеряемой величины и известной величины, и по двум показаниям прибора оценивается значение измеряемой величины, а затем подбором известной величины добиваются, чтобы оба показания совпали. При этом методе может быть достигнута высокая точность измерений при высокой точности меры известной величины и высокой чувствительности прибора. Пример: точное измерение малого напряжения при помощи высокочувствительного гальванометра, к которому сначала подключают источник неизвестного напряжения и определяют отклонение указателя, а затем с помощью регулируемого источника известного напряжения добиваются того же отклонения указателя. При этом известное напряжение равно неизвестному.

Метод совпадения, при котором измеряют разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов. Пример: измерение частоты вращения детали с помощью мигающей лампы стробоскопа: наблюдая положение метки на вращающейся детали в моменты вспышек лампы, по известной частоте вспышек и смещению метки определяют частоту вращения детали.

Основные этапы физического эксперимента. Погрешности физических величин.

Первым этапом любого эксперимента является постановка измерительной задачи. Он включает в себя следующие операции.

- сбор данных об условиях измерения и исследуемой физической величины, т. е. накопление априорной информации об объекте измерения и ее анализ;

- формирование модели объекта и определение измеряемой величины;

- постановка измерительной задачи на основе принятой модели объекта измерения;

- выбор конкретных величин, посредством которых будет находиться значение измеряемой величины;

- формулирование уравнения измерения.

Вторым этапом процесса измерения является планирование эксперимента. В общем случае оно выполняется в следующей последовательности:

- выбор методов измерений непосредственно измеряемых величин и возможных типов СИ;

- априорная оценка погрешности измерения;

- определение требований к метрологическим характеристикам средств измерений и условиям их проведения;

- выбор средств измерений в соответствии с указанными требованиями;

- выбор параметров измерительной процедуры (числа наблюдений для каждой измеряемой величины, моментов времени и точек выполнения наблюдений);

- подготовка средств измерений к выполнению экспериментальных операций;

- обеспечение требуемых условий измерений или создание возможности их контроля.

Эти первые два этапа, являющиеся подготовкой к эксперименту, имеют принципиальное значение, поскольку позволяют определить конкретное содержание следующих этапов. Подготовка проводится на основе априорной информации, и ее качество зависит от того, в какой мере она была использована. Эффективная подготовка является необходимым, но не достаточным условием достижения цели измерения. Допущенные в ее процессе ошибки с трудом обнаруживаются и корректируются на последующих этапах.

Третий этап измерений - эксперимент. Это главный этап. В узком смысле он является отдельным измерением. В общем случае последовательность действий на данном этапе такая:

- взаимодействие средств измерений с объектом измерений;

- преобразование экспериментальной информации в новую форму, удобную для хранения;

- запись (архивация) экспериментального результата;

- заполнение протокола (экспериментального журнала), в который заносятся все объективные и субъективные сведения, относящиеся к проведенному эксперименту. К ним относятся: дата и время проведения эксперимента, условия проведения измерений, возникшие в процессе эксперимента не предвиденные обстоятельства, имена файлов, в которых хранится конкретная информация и все то, что по мнению экспериментатора может повлиять на исход выполняемых измерений.

Последним этапом эксперимента является обработки экспериментальных данных. В общем случае обработка данных осуществляется в последовательности, которая отражает логику решения измерительной задачи:

- предварительный анализ информации, полученной на предыдущих этапах измерения;

- вычисление и внесение возможных поправок на систематические погрешности;

- формулирование и анализ математической задачи обработки данных;

- построение или уточнение возможных алгоритмов обработки данных, т.е. алгоритмов вычисления результата измерения и показателей его погрешности;

- анализ возможных алгоритмов обработки и выбор одного из них на основании известных свойств алгоритмов, априорных данных и предварительного анализа экспериментальных данных;

- проведение вычислений согласно принятому алгоритму, в итоге которых получают значения измеряемой величины и погрешностей измерений;

- анализ и интерпретация полученных результатов;

- запись результата измерений и погрешности в соответствии с установленной формой представления результатов.