Развитие и роль метрологии

Метрология (от греч. «метро» - маара, «логос» - учение) – учение об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства к требуемой точности. Современная метрология проникает во все науки и дисциплины, имеющие дело с измерениями, и является для них единой наукой.

Измерения являются одной из древнейших областей человеческой деятельности. Потребность в измерениях возникла в незапамятные времена, уже у первобытного человека, когда нужно было кроить шкуры для одежды, строить хижины, изготовлять орудия охоты и труда. Широкое распространение измерения получили с развитием торговли, ремесленничества и строительства.

Когда-то в разных странах и даже в одной стране были разные единицы и меры одной величины. Людей удовлетворяли такие непостоянные и не воспроизводимые с достаточной точностью, например, единицы длины и меры, как пядь малая (расстояние между расставленными большим и указательным пальцами руки), локоть (расстояние от локтевого сгиба руки до конца сжатого кулака) и т.п. То есть, как говорится, «всяк мерил на свой аршин» (расстояние от плеча до кончика среднего пальца руки). Были и такие единицы длины, как дюйм (длина трех приложенных друг к другу ячменных зерен) и др. Эти единицы величин служили одновременно и мерами, т.е. разновидностью средств измерений. Таким образом, единства измерений и единообразия мер не было, не было единых образцов, эталонов. Со временем в разных странах были установлены единые стандартные единицы величин, а затем и единые международные единицы величин.

Так, в России, уже в 996 году, князь Владимир повелел соблюдать установленные единые единицы длины и веса по всему государству. В 1550 году царем Иваном Грозным были установлены единые медные меры длины с государственным клеймом, копии которых были разосланы по уездам.

Однако такие единицы величин, не удовлетворяли основное научное требование к единице измерения, которое заключается в том, что единица измерения величены должна быть функцией устойчивого физического явления, которое может быть многократно воспроизведено с помощью имеющихся технических средств с достаточной точностью. Поэтому в 1795 году во Франции за основную единицу длины, а затем и за основную исходную единицу метрической системы единиц, был принят 1м, соответствовавший 1/40 миллионной части длины дуги Парижского меридиана Земли. В то время эта величина считалась устойчивым физическим явлением, что не соответствует современным данным. В 1875 году 1 метр был принят в качестве международной единицы длины в метрической системе единиц. Международным эталоном метра служили сначала платиновая концевая мера, затем платиново-иридиевый брус Х-образного сечения со штрихами, нанесенными на расстоянии 1 м между ними. Эти меры хранились в Париже, а затем для других стран были изготовлены 34 копии, в том числе и для России. Эти копии использовались в России в качестве государственных эталонов единицы длины вплоть до 1960 года (они и сейчас хранятся во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева в Петербурге, но используются как рабочие эталоны). С 1983 года метр выражают длиной пути, проходимого светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды, т.е. через скорость света, которая принята за фундаментальную физическую константу.

В наше время точность измерений частоты значительно превосходит точность измерений любой другой физической величины. Поэтому любые физические величины, какие возможно, стремятся преобразовать в частоту и особо точные измерения сводить к измерению частоты. Для этого используют длину волны ультрастабилизированного лазера, обеспечивая связь единиц длины, времени и частоты.

Средства измерений позволяют обнаруживать и оценивать то, что недоступно нашим органам чувств. Например, глаз человека не может увидеть 0,001 мм, а средство измерения позволяет увидеть, т.к. показывает эту величину с большим увеличением. Современные средства измерений позволяют измерять, например, линейные размеры в несколько тысяч раз меньше толщины человеческого волоса, которая составляет 30-60 мкм. Современные средства позволяют измерять, например, длину с точностью до 10 ^–14 м, то есть, до сотой пикометра и точнее.

В современных условиях расширяется применение средств измерений непосредственно в процессе изготовления продукции, в том числе автоматическое управление точностью изготовления продукции, т.е. изготовление и измерение ведут одновременно.

В наше время измерения с точностью до долей микрометра все чаще выполняют с помощью электроники, оптоэлектроники и лазерной техники. Большое внимание уделяется защите измерений от влияния и компенсации условий внешней среды. Для увеличения разрешающей способности глаз применяют фотоэлектрические микроскопы, с помощью которых можно вести измерения в нанометрах. Электронные узлы выполняют на транзисторах, печатных и интегральных схемах, что увеличивает срок их службы и облегчает обслуживание, замену. Использование волоконной оптики позволяет улучшить освещенность измерительного пространства, прежде всего в труднодоступных местах, без температурного влияния. Есть приборы для голографического контроля трехмерных объектов. Все чаше применяют быстродействующие, в том числе автоматические средства, позволяющие одновременно измерять несколько параметров объектов без выверки их положения, позволяющие исключить необходимость отсчета результатов измерений по шкалам за счет использования цифровой электронной индикации, позволяющие исключить расчеты за счет включения в измерительную цепь компьютера и вести автоматическую запись результатов с помощью самопишущих и печатающих устройств.

Работы по обеспечению единства измерений в России осуществляются на основе Федерального закона Российской Федерации от 26 июня 2008 г. № 102 «Об обеспечении единства измерений», а возглавляется Государственной метрологической службой Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии¹ (Росстандарт, Госстандарт).

Роль метрологии невозможно переоценить, т.к. измерения являются одним из важнейших условий познания человеком природы, явлений и свойств окружающего мира. Измерения позволяют получить наиболее объективную количественную информацию в любых сферах человеческой деятельности. Без измерений невозможен прогресс человечества.

Крупнейший ученый Д.И. Менделеев говорил: «Наука начинается с того места, откуда начинают измерять». Без измерений невозможно развитие техники и производства. Без измерений невозможно определить действительные значения параметров продукции, нельзя достичь заданного уровня качества продукции, в том числе ее взаимозаменяемости (выполнения норм точности параметров).

В наше время огромное значение имеет точность измерений, в том числе при изготовлении высокоточного технологического оборудования и инструментов, особенно при изготовлении самих средств измерения.

При изготовлении изделий большие затраты труда приходятся на выполнение различных измерений. В таких отраслях промышленности, как электронная, радиотехническая, авиа- и приборостроение, прецизионное станкостроение эти затраты иногда доходят до 50 – 60 % от общих затрат.

Неправильный выбор метода, способа, схемы, методики и средства измерения (СИ), несоблюдение норм, правил, требований, методик измерений приводит к скрытому браку, к неоправданным затратам, иногда даже к потере здоровья и гибели людей.

Для технического прогресса, для достижения высокого уровня качества продукции необходимо опережающее развитие СИ.

Большое значение имеет международное сотрудничество в области метрологии, которое осуществляется по следующим направлениям: участие и защита интересов России в деятельности международных (региональных) организаций по стандартизации, метрологии и сертификации; обеспечение ведущей роли России в деятельности по межгосударственной стандартизации, метрологии и сертификации в рамках СНГ; обеспечение присоединения России к Всемирной торговой организации (ВТО); гармонизация национальных стандартов Российской Федерации, правил и процедур подтверждения соответствия продукции и услуг установленным требованиям с международнопризнанными стандартами, правилами и процедурами; защита национальных интересов и обеспечение национальной безопасности; повышение конкурентоспособности отечественной продукции, расширение экспорта продукции и услуг и объемов импортозамещения; выполнение международных обязательств и повышение авторитета России на международной арене.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

¹- Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии входит в систему федеральных органов исполнительной власти Российской Федерации и находится в ведении Министерства промышленности и торговли РФ.

Основные понятия о метрологии и метрологическом обеспечении

В современном научном понимании метрология – учение об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Метрологию включает три составляющие: законодательную метрологию, теоретическую (научную, фундаментальную) и практическую (прикладную).

Теоретическая метрология разрабатывает основы метрологии:

- ведет исследования возможностей использования физических явлений, законов, закономерностей, эффектов для установления новых и совершенствования существующих единиц величин и создания средств их воспроизведения, хранения и передачи;

- устанавливает единицы величин и их системы;

- создает и совершенствует системы воспроизведения, хранения и передачи размеров единиц величин;

- устанавливает номенклатуру, методы нормирования, оценки и контроля показателей точности результатов измерений, а также метрологические показатели СИ;

- разрабатывает принципы, методы, способы и приемы обработки результатов измерений.

Законодательная метрология устанавливает обязательные для исполнения технические и юридические требования области метрологии, нуждающиеся в регламентации и контроле со стороны государства или государств (в том числе по применению единиц физических величин, эталонов, методов и средств измерений, направленных на обеспечение единства измерений).

Практическая метрология занимается вопросами практического применения разработок теоретической метрологии и положений законодательной метрологии в машиностроении. В настоящее время к техническим измерениям, рассматриваемым во взаимной связи с точностью и взаимозаменяемостью, относят измерения линейных, угловых и радиусных величин. Результаты измерений выражают в узаконенных единицах величин.

Основные задачи метрологии (ГОСТ 16263-70) – установление единиц физических величин, государственных эталонов и образцовых средств измерений, контроля и испытаний, обеспечение единства измерений и единообразие средств измерений, разработка методов оценки погрешностей состояния средств измерения, контроля и испытаний, а также передачи размеров единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочим средствам измерений.

Метрологическое обеспечение – деятельность метрологических служб, направленная на достижение и поддержание единства измерений.

Основные цели метрологического обеспечения:

- опережающее развитие СИ по отношению к объектам измерений;

- повышение качества и эффективности НИР, ОКР, испытаний;

- повышение качества продукции и эффективности производства;

- повышение достоверности и эффективности контроля качества продукции;

- повышение эффективности управления качеством и производством продукции;

- создание необходимых условий для специализации и кооперирования производства, в том числе в международном масштабе;

- повышение автоматизации производственных процессов и управления производством.

Принципы метрологического обеспечения (МО):

- преемственность, т.е. аккумулирование отечественного и зарубежного опыта;

- системность, т.е. установление связей метрологического обеспечения с основными стадиями жизненного цикла изделия;

- комплексность, т.е. функциональная взаимосвязь всех подразделений предприятия и его работников;

- стандартизация, т.е. использование стандартов в качестве основных нормативно-технических документов, регламентирующих организационно-методические, технико-диагностические и юридические принципы деятельности;

- оптимизация, т.е. принятие оптимальных решений для достижения цели;

- динамичность, т.е. совершенствование системы МО с учетом новых достижений науки, техники и технологии, а также развитие методов организации и управления производством;

- автоматизация, т.е. передача на компьютер всех трудоемких функций МО, которые могут быть алгоритмизированы.

Нормативно-правовой основой метрологического обеспечения точности измерений является Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ)

Техническая база метрологического обеспечения включает в себя следующие составляющие:

- система госэталонов единиц величин, обеспечивающая воспроизведение единиц с наивысшей точностью;

- система передачи размеров единиц величин от эталонов остальным средствам измерений с помощью средств поверки (калибровки);

- система разработки, постановки на производство и выпуска в обращение рабочих средств измерений, обеспечивающих определение с требуемой точностью показателей продукции, технологических процессов и других объектов;

- система обязательных госиспытаний средств измерений, предназначенных для массового и серийного производств и ввоза из-за границы партиями, обеспечивающая единообразие средств измерений при их разработке и выпуске в обращение;

- система госповерки (калибровки) средств измерений, обеспечивающая единообразие средств при их изготовлении, эксплуатации и ремонте;

- система стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов, обеспечивающая воспроизведение единиц величин, характеризующих состав и свойства веществ и материалов;

- система стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов, обеспечивающая достоверными данными научные исследования, разработку конструкций и технологических процессов, процессов получения и использования материалов.