Измерения - Введение

В своей жизни каждый человек тесно связан с метрологией: с момента рождения, когда его взвешивают и измеряют рост, и до конца жизни.

Метрология зародилась в глубокой древности и по словообразованию обозначает учение о мерах. В первом отечественном труде по метрологии «Общая метрология», ч.1 и 2 1849 г. Ф.И. Петрушевского приводится именно ее описательные функции: «Метрология есть описание всякого рода мер по их наименованиям, подразделениям и взаимному отношению».

В течение тысячелетий люди применяли в своей деятельности только меры длины, площади, объема, массы (веса) и времени. Поэтому область метрологии и ограничивалась описанием и рассмотрением этих мер. Нередко сюда включались также и монеты как меры ценности. В дальнейшем, в связи с усложнением задач, стоящих перед метрологией, понятие «метрология» меняется. К 1949 году под «метрологией» понималось учение о единицах и эталонах, а также учение об измерениях, приводимых к эталонам. С введением государственного стандарта ГОСТ 16263-70 под термином «метрология» было закреплено следующее определение: «Метрология - это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности». В этом определении сделан определенный шаг в сторону практического приложения - обеспечение единства измерений в стране. На важность измерений указывали многие крупнейшие ученые. Так, основоположник отечественной метрологии Д.И.Менделеев считал, что: «В природе мера и вес главные орудия познания, и нет столь малого, от которого не зависело бы все крупнейшее». Он справедливо полагал, что «наука начинается с тех пор, как начинают измерять. Точная наука немыслима без меры».

В настоящее время объектом метрологии являются все единицы измерения физических величин (механических, электрических, тепловых и др.), все средства измерения, виды и методы измерений, т.е. все то, что необходимо для обеспечения единства измерений и организации метрологического обеспечения на всех этапах жизненного цикла любых изделий и научных исследований, а также учет любых ресурсов.

Современная метрология как наука, опирающаяся на достижения других наук, их методы и средства измерений, в свою очередь способствует их развитию. Метрология проникает во все области человеческой деятельности, во все науки и дисциплины и является для всех них единой наукой. Нет ни одной области человеческой деятельности, где можно было бы обойтись без количественных оценок, получаемых в результате измерений. Измерения являются главным путем познания природы человека, основой научных знаний, служат для учета материальных ресурсов, обеспечения требуемого качества продукции, взаимозаменяемости деталей и узлов, совершенствования технологий, автоматизации производства, стандартизации, охраны здоровья и обеспечения безопасности людей и их имущества. Именно от степени метрологического обеспечения зависит решение проблем достижения высокого качества продукции. Для этого необходимо правильно измерять параметры качества материалов и комплектующих изделий, поддерживать заданные технологические режимы, правильно обрабатывать результаты измерений. Нарушение единства измерений, непродуманная их организация и недостаточная точность могут привести к очень большим потерям и даже жертвам.

Например, относительная погрешность определения влажности, равная 1%, в 1982 году привела к неточности определения годовой стоимости угля в 73 миллиона рублей, а зерна - 60 миллионов рублей. Чтобы было более наглядно метрологи обычно приводят такой пример: На складе было 100 кг огурцов. Проведенные измерения показали, что их влажность составляет 99%, т.е. в ста килограммов огурцов содержится 99 кг воды и 1 кг - сухого вещества. Через какое-то время хранения вновь была измерена влажность этой же партии огурцов. Результаты измерения, занесенные в соответствующий протокол, показали, что влажность уменьшилась до 98%. Поскольку влажность изменилась всего на один процент, то ни у кого не возникло мысли, а какова же масса оставшихся огурцов? А оказывается, что если влажность стала 98%, то огурцов осталось ровно половина, т.е. 50 кг. И вот почему. Количество сухого вещества в огурцах не зависит от влажности, следовательно, оно не изменилось, и как было 1 кг, так и осталось 1 кг, но если раньше это составляло 1%, то после хранения стало 2%. Составив пропорцию, легко определить, что огурцов стало 50 кг.

В промышленности значительная часть измерений состава вещества все еще производится с помощью качественного анализа. Погрешности этих анализов иногда бывают в несколько раз выше, чем разница между количествами отдельных компонентов, на которые должны отличаться друг от друга металлы различных марок, химических материалов и др. В результате таких измерений невозможно достичь необходимого качества продукции.

Можно выделить три основные функции измерений:

измерения физических величин (ФВ), технических параметров, характеристик процессов, состава и свойств веществ, проводимых при научных исследованиях, испытаниях и контроле продукции, в медицине, сельском хозяйстве, машиностроении и других отраслях хозяйства;измерения, проводимые для контроля и регулирования технологических процессов;
учет продукции, исчисляющийся по массе, длине, объему, расходу, мощности, энергии и т.д.; (особенно в автоматизированных производствах) и для обеспечения нормального функционирования транспорта и связи.

Наиболее наглядным является влияние измерений при выполнении первой функции. Повышение роли измерений в современном производстве требует решительного увеличения доли затрат на метрологическое обеспечение в общем объеме капитальных вложений. В последние годы существования СССР на метрологическое обеспечение уходило от 10% до 15% из всех затрат на выпуск продукции. Расходы на метрологическое обеспечение программы «Аполлон» составили около 60% стоимости всей программы. В Японии в настоящее время затраты на метрологическое обеспечение в 2...2,5 раза больше, чем затраты на выпуск продукции. Отсюда и традиционно высокое качество японской продукции. Пренебрежение метрологическим обеспечением обязательно влечет за собой не только ухудшение качества продукции, но и ставит вопрос о возможности ее дальнейшего выпуска.

В настоящее время в отечественной литературе ряд авторов выделяет такие понятия метрологии, как «теоретическая метрология», «прикладная (или практическая) метрология» и «общая метрология». Такое деление в значительной степени условно. ГОСТ 16263 закрепляет такие разделы метрологии, как «законодательная метрология», «теоретическая метрология» и «прикладная (практическая) метрология».

Законодательная метрология - раздел метрологии, включающий комплекс взаимосвязанных и взаимообусловленных общих правил, требований и норм, а также другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и контроле со стороны государства, направленные на обеспечение единства измерений и единообразия средств и способов измерений.

Теоретическая метрология - раздел метрологии, посвященный изучению ее теоретических основ.

Прикладная метрология - раздел метрологии, посвященный изучению вопросов практического применения в различных сферах деятельности результатов теоретических исследований в рамках теоретической метрологии и положений законодательной метрологии.

Метрология, являясь в известном смысле «наукой наук», естественно, не может обойтись без терминов и определений. Термины в метрологии отличаются от слов обиходного языка тем, что они имеют специализированное точно ограниченное научное значение. Точное значение конкретного явления природы или общества требует точного определения его названия. Наука закрепляет в терминах достижения научного познания. Нередко термин образуется из слова, имеющего в обиходном языке много значений, путем придания ему терминологического значения. Иногда это значение не отрывается от общего значения исходного слова, а только ограничивает его (например, эталон единицы ФВ), в других случаях происходит отрыв от значения исходного слова (например, полотно железной дороги). По определению, данному в Большой Советской Энциклопедии, (издание 3-е, т. 25, стр. 473-474), термин - слово или словосочетание, призванное точно обозначить понятие и его соотношение с другими понятиями в пределах специальной сферы. В этом определении есть одно, на первый взгляд не грозящее никакими осложнениями, ограничение: «в пределах специальной сферы». Метрология является одной из областей науки и, следовательно, для нее это ограничение имеет, казалось бы, такую же силу, как и для других областей науки. Тем не менее, в отношении метрологии дело обстоит намного сложнее. Роль метрологии за последние десятилетия чрезвычайно возросла. Метрология проникла и завоевала (в некоторых областях завоевывает) себе весьма твердые позиции. В силу того обстоятельства, что метрология распространилась практически на все области человеческой деятельности, метрологическая терминология тесно соприкасается с терминологией каждой из «специальных» сфер. При этом возникло что-то, напоминающее явление несовместимости. Тот или иной термин, приемлемый для одной области науки или техники, оказывается неприемлемым для другой, так как в традиционной терминологии другой области этим же словом может обозначаться совершенно другое понятие.

В целях наведения порядка в этом вопросе был разработан и утвержден государственный стандарт на метрологическую терминологию - ГОСТ 16263 «Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Термины и определения». Поскольку к терминам предъявляются требования лаконичности, им свойственна определенная условность. Не следует об этом забывать и применять утвержденные термины в соответствии с их определением, а с другой стороны понятия, данные в определении, заменять другими терминами.

В данной книге рассматриваются следующие вопросы:

Как уже было сказано, метрология - это наука, а ее практическим приложением является метрологическое обеспечение. В соответствии с определением основополагающего государственного стандарта по метрологии - ГОСТ 1.25-82, «метрологическое обеспечение» - это установление научных, организационных и нормативных основ и технических средств обеспечения единства и требуемой точности измерений.

Научной основой метрологического обеспечения (МО) является метрология. Организационной основой - метрологические службы: государственная, отраслевые и предприятий любой формы собственности. Нормативная основа МО - система стандартов государственной системы обеспечения единства измерений, правила Госстандарта, методические указания (МУ), методические инструкции (МИ), отраслевые стандарты (ОСТ), стандарты предприятий (СТП), технические условия (ТУ), метрологические нормы и правила. Технической основой МО - средства измерений и вспомогательное оборудование.

Необходимо, чтобы результаты измерений одинаковых величин, полученные в разных местах с помощью различных измерительных средств, были бы сопоставимы на уровне требуемой точности.