Метрология — наука об измерениях

Метрология (от греч. «метро» — мера, «логос» — учение) — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и требуемой точности*.

* Здесь и далее толкование терминов соответствует МИ-2247-93 «Рекомендация. Метрология. Основные термины и определения».

Современная метрология включает три составляющие: за­конодательную метрологию, фундаментальную (научную) и прак­тическую (прикладную) метрологию.

Метрология как наука и область практической деятельности возникла в древние времена. Основой системы мер в древне­русской практике послужили древнеегипетские единицы изме­рений, а они в свою очередь были заимствованы в Древней Греции и Риме. Естественно, что каждая система мер отлича­лась своими особенностями, связанными не только с эпохой, но и с национальным менталитетом.

Наименования единиц и их размеры соответствовали воз­можности осуществления измерений «подручными» способами, не прибегая к специальным устройствам. Так, на Руси основ­ными единицами длины были пядь и локоть, причем пядь слу­жила основной древнерусской мерой длины и означала расстояние между концами большого и указательного пальца взрослого человека. Позднее, когда появилась другая единица — аршин — пядь (1/4 аршина) постепенно вышла из употреб­ления.

Мера «локоть» пришла к нам из Вавилона и означала рас­стояние от сгиба локтя до конца среднего пальца руки (иногда — сжатого кулака или большого пальца).

С XVIII в. в России стали применяться дюйм, заимствован­ный из Англии (назывался он «палец»), а также английский фут. Особой русской мерой была сажень, равная трем локтям (около 152 см), и косая сажень (около 248 см).

Указом Петра I русские меры длины были согласованы с английскими, и это по существу — первая ступень гармониза­ции российской метрологии с европейской.

Метрическая система мер была введена во Франции в 1840 г. Значимость ее принятия в России подчеркнул Д.И. Менделеев, предсказав большую роль всеобщего распростране­ния метрической системы как средства содействия «будущему желанному сближению народов».

С развитием науки и техники требовались новые измерения и новые единицы измерения, что в свою очередь стимулирова­ло совершенствование фундаментальной и прикладной метро­логии.

Первоначально прототип единиц измерения искали в при­роде, исследуя макрообъекты и их движение. Так, секундой стали считать часть периода обращения Земли вокруг оси. По­степенно поиски переместились на атомный и внутриатомный уровень. В результате уточнялись «старые» единицы (меры) и появились новые. Так, в 1983 г. было принято новое определе­ние метра: это длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды. Это стало возможным после того, как скорость света в вакууме (299792458 м/с) метрологи приня­ли в качестве физической константы. Интересно отметить, что теперь с точки зрения метрологических правил метр зависит от секунды.

В 1988 г. на международном уровне были приняты новые константы в области измерений электрических единиц и вели­чин, а в 1989 г. принята новая Международная практическая температурная шкала МТШ-90.

На этих нескольких примерах видно, что метрология как наука динамично развивается, что, естественно, способствует совершенствованию практики измерений во всех других науч­ных и прикладных областях.

Качеством и точностью измерений определяется возмож­ность разработки принципиально новых приборов, измеритель­ных устройств для любой сферы техники, что говорит в пользу опережающих темпов развития науки и техники измерений, т.е. метрологии. Вместе с развитием фундаментальной и практиче­ской метрологии происходило становление законодательной метрологии.

Законодательная метрология — это раздел метрологии, вклю­чающий комплексы взаимосвязанных и взаимообусловленных общих правил, а также другие вопросы, нуждающиеся в регла­ментации и контроле со стороны государства, направленные на обеспечение единства измерений и единообразия средств изме­рений*.

* Определение термина соответствует МИ-2247-3 «ГСИ. Метрология. Основные термины и определения».

Законодательная метрология служит средством государст­венного регулирования метрологической деятельности посред­ством законов и законодательных положений, которые вводят­ся в практику через Государственную метрологическую службу и метрологические службы государственных органов управле­ния и юридических лиц. К области законодательной метроло­гии относятся испытания и утверждение типа средств измере­ний и их поверка и калибровка, сертификация средств измере­ний, государственный метрологический контроль и надзор за средствами измерений.

Метрологические правила и нормы законодательной метро­логии гармонизованы с рекомендациями и документами соот­ветствующих международных организаций. Тем самым законо­дательная метрология способствует развитию международных экономических и торговых связей и содействует взаимопони­манию в международном метрологическом сотрудничестве.

Рассмотрим содержание основных понятий фундаменталь­ной и практической метрологии.

Измерения как основной объект метрологии связаны как с физическими величинами, так и с величинами, относящимися к другим наукам (математике, психологии, медицине, обществен­ным наукам и др.). Далее будут рассматриваться понятия, отно­сящиеся к физическим величинам.

Физической величиной называют одно из свойств физического объекта (явления, процесса), которое является общим в качест­венном отношении для многих физических объектов, отличаясь при этом количественным значением. Так, свойство «прочность» в качественном отношении характеризует такие материалы, как сталь, дерево, ткань, стекло и многие другие, в то время как степень (количественное значение) прочности — величина для каждого из них совершенно разная.

Измерением называют совокупность операций, выполняемых с помощью технического средства, хранящего единицу величи­ны и позволяющего сопоставить с нею измеряемую величину. Полученное значение величины и есть результат измерений. Интересно отметить соответствие в целом этой современной трактовки с толкованием данного термина философом П.А. Флоренским, которое вошло в «Техническую энциклопедию» издания 1931 г.: «Измерение — основной познавательный про­цесс науки и техники, посредством которого неизвестная вели­чина количественно сравнивается с другою, однородною с ней и считаемою известной».

Одна из главных задач метрологии — обеспечение единства измерений — может быть решена при соблюдении двух условий, которые можно назвать основополагающими:

· выражение результатов измерений в единых узаконенных единицах;

· установление допустимых ошибок (погрешностей) ре­зультатов измерений и пределов, за которые они не должны выходить при заданной вероятности.

Погрешностью называют отклонение результата измерений от действительного (истинного) значения измеряемой величи­ны. При этом следует иметь в виду, что истинное значение фи­зической величины считается неизвестным и применяется в тео­ретических исследованиях; действительное значение физиче­ской величины устанавливается экспериментальным путем в предположении, что результат эксперимента (измерения) в мак­симальной степени приближается к истинному значению. По­грешности измерений приводятся обычно в технической доку­ментации на средства измерений или в нормативных документах. Правда, если учесть, что погрешность зависит еще и от ус­ловий, в которых проводится само измерение, от эксперимен­тальной ошибки методики и субъективных особенностей чело­века в случаях, где он непосредственно участвует в измерениях, то можно говорить о нескольких составляющих погрешности измерений либо о суммарной погрешности.

Единство измерений, однако, не может быть обеспечено лишь совпадением погрешностей. Требуется еще и достовер­ность измерений, которая говорит о том, что погрешность не выходит за пределы отклонений, заданных в соответствии с по­ставленной целью измерений. Есть еще и понятие точности измерений, которое характеризует степень приближения по­грешности измерений к нулю, т.е. полученного при измерении значения к истинному значению измеряемой величины.

Обобщает все эти положения современное определение по­нятия единство измерений — состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах, а погрешно­сти известны с заданной вероятностью и не выходят за уста­новленные пределы.

Как выше отмечено, мероприятия по реальному обеспече­нию единства измерений в большинстве стран мира установле­ны законами и входят в функции законодательной метрологии, к рассмотрению которых обратимся позже.

А сейчас перейдем к содержанию основного объекта метроло­гии — измерений.