Метрология

Метрология — это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства, а также о способах достижения требуемой точности измерений. Как область знаний, метрология изучает физические величины, единицы их измерения, эталоны, методики выполнения измерений и способы оценки погрешностей. Основной целью метрологии является обеспечение достоверности и сопоставимости результатов измерений, что необходимо для научных исследований, промышленного производства, торговли, здравоохранения, обороны и других сфер деятельности.

История развития метрологии

Древние системы мер

Потребность в измерениях возникла на ранних этапах развития человеческого общества. Первые системы мер основывались на частях человеческого тела (локоть, фут, дюйм, сажень) или на естественных объектах (зерно, шаг). В Древнем Египте для строительства пирамид использовались царские локти — эталонные мерные стержни. В Древнем Риме была создана система мер, основанная на футе (29,6 см) и либре (фунте). В Древней Руси применялись такие меры, как верста, сажень, аршин, пуд и золотник.

Метрическая система

Важнейшим этапом в истории метрологии стало создание метрической системы мер во Франции в конце XVIII века. В 1795 году был принят закон о введении десятичной метрической системы, основанной на двух естественных эталонах: метре (одна десятимиллионная часть четверти парижского меридиана) и грамме (вес одного кубического сантиметра дистиллированной воды при температуре 4 °C). В 1875 году 17 государств, включая Российскую империю, подписали Метрическую конвенцию, учредившую Международное бюро мер и весов (МБМВ) в Севре (Франция). Это положило начало международной унификации единиц измерений.

Развитие в СССР и России

В СССР метрология получила мощное развитие в связи с индустриализацией и необходимостью стандартизации. В 1925 году был создан Комитет по стандартизации при Совете Труда и Обороны. В 1931 году основан Всесоюзный научно-исследовательский институт метрологии имени Д. И. Менделеева (ВНИИМ) в Ленинграде, который стал главным метрологическим центром страны. В 1993 году принят Закон РФ «Об обеспечении единства измерений», установивший правовые основы метрологической деятельности. В настоящее время в России действует Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт), а также сеть государственных региональных центров метрологии (ЦСМ).

Основные понятия и определения

Физическая величина

Физическая величина — это свойство, общее в качественном отношении для многих материальных объектов, но индивидуальное в количественном отношении для каждого из них. Примеры: длина, масса, время, температура, сила тока. Различают основные и производные физические величины. Основные величины определены Международной системой единиц (СИ) и включают: длину (метр), массу (килограмм), время (секунда), силу электрического тока (ампер), термодинамическую температуру (кельвин), количество вещества (моль) и силу света (кандела).

Единица измерения

Единица измерения — это конкретная физическая величина, принятая по соглашению для количественного выражения однородных с ней величин. Единицы могут быть основными (метр, килограмм) и производными (ньютон, джоуль, вольт). В России и большинстве стран мира обязательна к применению Международная система единиц (СИ), введённая в 1960 году.

Эталон

Эталон — это средство измерений (или комплекс средств), предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы физической величины, а также для передачи её размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений. Эталоны делятся на первичные (государственные), вторичные и рабочие. Первичный эталон воспроизводит единицу с наивысшей в стране точностью. Например, государственный первичный эталон единицы массы — килограмма — представляет собой платино-иридиевую гирю, хранящуюся в ВНИИМ имени Д. И. Менделеева.

Погрешность и точность измерений

Погрешность измерения — это отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Различают систематическую погрешность (постоянную или закономерно изменяющуюся) и случайную погрешность (непредсказуемую). Точность измерений — это качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению. Количественно точность выражается через погрешность.

Классификация видов измерений

По способу получения результата

• Прямые измерения — искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных (например, измерение длины линейкой, массы — весами).
• Косвенные измерения — искомое значение определяют на основе известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям (например, определение плотности тела по его массе и объёму).
• Совокупные измерения — проводятся одновременно для нескольких одноимённых величин, а искомые значения находят решением системы уравнений.
• Совместные измерения — проводятся одновременно для двух или нескольких разноимённых величин для нахождения зависимости между ними.

По характеру изменения измеряемой величины

• Статические измерения — измеряемая величина остаётся постоянной во времени (например, размер детали).
• Динамические измерения — измеряемая величина изменяется во времени (например, скорость движения, температура при нагреве).

По точности

• Технические измерения — выполняются с заданной точностью, достаточной для практических целей.
• Лабораторные (прецизионные) измерения — выполняются с максимально возможной точностью, часто с использованием эталонов.

Метрологическое обеспечение

Поверка и калибровка

Поверка средств измерений — это совокупность операций, выполняемых в целях подтверждения соответствия средств измерений метрологическим требованиям. Поверка обязательна для средств измерений, применяемых в сферах государственного регулирования обеспечения единства измерений (торговля, здравоохранение, оборона, экология и др.). Калибровка — это совокупность операций, устанавливающих соотношение между значением величины, полученным с помощью данного средства измерений, и соответствующим значением величины, воспроизводимым эталоном. Калибровка, в отличие от поверки, является добровольной процедурой.

Государственный метрологический контроль и надзор

В России государственный метрологический контроль и надзор осуществляют органы Росстандарта. Он включает:

• утверждение типа средств измерений;
• поверку средств измерений;
• лицензирование деятельности по изготовлению, ремонту, продаже и прокату средств измерений;
• государственный метрологический надзор за выпуском, состоянием и применением средств измерений, а также за количеством товаров, отчуждаемых при торговых операциях.

Международное сотрудничество

Международное сотрудничество в области метрологии координируется Международным бюро мер и весов (МБМВ), Международной организацией законодательной метрологии (МОЗМ) и Международной организацией по стандартизации (ИСО). Россия участвует в этих организациях, а также в работе региональных метрологических организаций, таких как КООМЕТ (Евро-Азиатское сотрудничество государственных метрологических учреждений).

Применение метрологии

В промышленности

Метрология обеспечивает точность изготовления деталей, контроль качества продукции, взаимозаменяемость узлов и агрегатов. В машиностроении, приборостроении, авиастроении и других отраслях без метрологического контроля невозможно серийное производство.

В науке

Научные исследования требуют точных измерений для проверки гипотез, получения эмпирических данных и построения математических моделей. Метрология лежит в основе физики, химии, биологии, геологии и других наук.

В торговле и сфере услуг

Измерения массы, объёма, длины, времени и других величин используются при купле-продаже товаров, оказании услуг (например, такси, доставка). Обеспечение единства измерений защищает права потребителей.

В здравоохранении

Медицинские измерения (давление, температура, дозировка лекарств, биометрические параметры) требуют высокой точности и надёжности. Метрологическое обеспечение медицинской техники обязательно.

В обороне и безопасности

Точность измерений критична для систем навигации, вооружения, связи, а также для контроля радиационной, химической и биологической безопасности.

Современные тенденции

Цифровизация метрологии

Переход к цифровым эталонам, использование интернета вещей (IoT) для дистанционной поверки, внедрение технологий блокчейн для обеспечения достоверности данных измерений. Разрабатываются «цифровые двойники» эталонов.

Квантовая метрология

Переопределение основных единиц СИ через фундаментальные физические константы (постоянная Планка, скорость света, постоянная Больцмана, заряд электрона). Это позволяет отказаться от материальных эталонов и повысить точность воспроизведения единиц. В 2019 году вступило в силу новое определение килограмма, основанное на постоянной Планка.

Нано- и микрометрология

Развитие методов измерения нанометровых размеров, атомно-силовая микроскопия, сканирующая электронная микроскопия. Эти методы необходимы для микроэлектроники, нанотехнологий и биомедицины.

Источники

1. Закон РФ «Об обеспечении единства измерений» от 26.06.2008 № 102-ФЗ (в действующей редакции).
2. ГОСТ Р 8.000-2020 «Государственная система обеспечения единства измерений. Основные положения».
3. Международный словарь по метрологии (VIM) — 3-е издание, 2012.
4. Сергеев А. Г., Крохин В. В. Метрология: учебник для вузов. — М.: Логос, 2015.
5. Бурдун Г. Д., Марков Б. Н. Основы метрологии. — М.: Издательство стандартов, 1985.