Российские метрологические организации

Подавляющее большинство Государственных эталонов РФ находится в старейшем метрологическом институте страны - Всероссийском научно-исследовательском институте им. Д.И. Менделеева (ВНИИМ) в Санкт-Петербурге. Во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева ведутся работы в области обеспечения единства измерений длины (эталон метра), угловых измерений, измерений массы, электрических и магнитных измерений, измерений параметров ионизирующих измерений, измерений давления, измерений температуры, физико-химических измерений. В этом институте ведутся работы по квантовой метрологии, по уточнению фундаментальных физических констант. ВНИИМ является базой Метрологической академии, учрежденной в 1992 г.

ВНИИМ имеет ряд уникальных возможностей постановки работ по совершенствованию эталонной базы страны, поскольку имеет филиалы - специальную помехозащищенную лабораторию в пригороде Санкт-Петербурга, в состав которой входит немагнитный корпус и подземная лаборатория, предназначенная для хранения эталонов-копий основных единиц физических величин.

В области измерений параметров времени и частоты в нашей стране имеется несколько научно-исследовательских институтов. Самый крупный из них - Всероссийский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) в пос. Менделееве под Москвой. Этот институт был создан как центр обеспечения единства измерения времени и частоты. Поскольку в настоящее время единицы частоты и времени воспроизводятся на объединенном эталоне с единицей длины, то работы ВНИИФТРИ имеют основополагающее значение во многих аспектах фундаментальной метрологии. Кроме этого специализация ВНИИФТРИ - акустические измерения, измерения низких температур, измерения давления, твердости, ионизирующих излучений и др.

В России функционируют еще два научно-исследовательских института, специализирующихся в основном в области измерений времени и частоты. Это Восточно-сибирский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ВС ВНИИФТРИ) в Иркутске и ГП «ВНИИФТИ» в Хабаровске. Основная специализация этих институтов определяется масштабами нашей страны и необходимостью иметь региональные эталоны времени.

Государственное предприятие ВНИИ оптико-физических измерений - ВНИИОФИ - сравнительно молодой метрологический институт, созданный для обеспечения единства измерений оптических величин. Особенную актуальность оптическая метрология приобрела в связи с внедрением их в технику и практику метрологии лазерной техники. ВНИИОФИ занимается обеспечением единства измерений оптических величин, оптико-акустическими измерениями, измерениями в медицине, метрологией лазерного излучения.

Центром работ по оснащению потребителей стандартными образцами является Уральский научно-исследовательский институт метрологии (ГПУНИИМ) в Екатеринбурге. Этот институт ведет реестры стандартных образцов, создаваемых на территории РФ. Кроме этого ведутся научно-исследовательские работы в радиотехнических, электрических и магнитных измерениях.

Государственные эталоны в области измерения радиотехнических величин, некоторых электрических и магнитных величин имеются в Сибирском научно-исследовательском институте метрологии (ГП «СНИИМ») в Новосибирске.

Основные положения теоретической метрологии, используемые при техническом регулировании в кинематографии

Понятие измерения

Измерение является одним из самых древнейших процессов познания человеком окружающего материального мира. Вся история цивилизации представляет собой непрерывный процесс становления и развития измерений, совершенствования средств и методов измерений, повышения их точности и единообразия мер. Современный научно-технический прогресс невозможен без широкого использования средств измерений и проведения многочисленных измерений. В нашей стране свыше 4 млн. человек считают измерение своей профессией. Доля затрат на измерения составляет (10-15) % всех затрат труда, достигая в электронике и точном машиностроении (50-70)% , используется около миллиарда средств измерений. При создании современных электронных систем до (60-80) % затрат приходится на измерения параметров материалов, компонентов и готовых изделий.

Для понятия «измерение» использовались различные определения:

- познавательный процесс, заключающийся в сравнении путем физического эксперимента данной величины с некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения (М.Ф. Маликов, Основы метрологии, 1949 г.);

- нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств (ГОСТ 16263-70);

- совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины (Рекомендации по межгосударственной стандартизации РМГ 29-99 Метрология. Основные термины и определения, 1999 г);

- совокупность операций, имеющих целью определить значение величины (Международный словарь по терминам в метрологии, 1994 г.).

Во всех определениях измерения присутствует понятие физической величины.

Измеряемые величины

Физическая величина – одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.

В последнее время все большее распространение получает деление величин на физические и нефизические. При этом под физическими понимают величины, которые характеризуют свойства физического мира и применяются в физических науках и технике. Для них существуют единицы измерения. Физические величины в зависимости от правил их измерения могут характеризовать свойства объектов (длина, масса), состояние системы (давление, температура), процессы (скорость, мощность).

К нефизическим относят величины, для которых нет единиц измерения. Они могут характеризовать как свойства материального мира, так и понятия, используемые в квалиметрии, психологии, социологии, экономике и других науках. Если под измерениями физических величин понимают экспериментальное сравнение одной измеряемой величины с другой известной величиной того же качества, принятой в качестве единицы, то под измерениями нефизических величин следует понимать нахождение соответствий между объектами, их состояниями или процессами по известным правилам.. В этом случае правильнее было бы говорить не об измерении, а об оценивании величин, понимая оценивание как установление качества, степени, уровня чего-либо в соответствии с установленными правилами.

Физические величины характеризуются определенными свойствами [12]:

- размер физической величины — количественная определенность физической величины, присущая конкретному материальному объекту, системе, явлению или процессу;

- значение физической величины — выражение размера физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц;

- истинное значение физической величины — значение физической величины, которое идеальным образом характеризует в качественном и количественном отношении соответствующую физическую величину (может быть соотнесено с понятием абсолютной истины и получено только в результате бесконечного процесса измерений с бесконечным совершенствованием методов и средств измерений);

- действительное значение физической величины - значение физической величины, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него;

- единица измерения физической величины - физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное 1, и применяемая для количественного выражения однородных с ней физических величин;

- система физических величин - совокупность физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины принимаются за независимые, а другие определяются как функции этих независимых величин;

- основная физическая величина – физическая величина, входящая в систему величин и условно принятая в качестве независимой от других величин этой системы;

- производная физическая величина – физическая величина, входящая в систему величин и определяемая через основные величины этой системы;

- система единиц физических единиц - совокупность основных и производных единиц физических величин, образованная в соответствии с принципами для заданной системы физических величин.

Измерительные шкалы

Размеры физических величин составляют измерительную шкалу.

Измерительная шкала - это упорядоченная совокупность значений физической величины, служащая основой для измерений данной величины. Шкалой измерений также называют порядок определения и обозначения возможных значений конкретной величины или проявлений какого-либо свойства. Понятия шкалы возникли в связи с необходимостью изучать не только количественные, но и качественные свойства объектов и явлений.

В зависимости от степени сложности, точности и их функциональных возможностей, измерительные шкалы принято делить на определенные группы.

1. Шкала наименований (классификации) – это самая простая шкала, которая основана на приписывании объекту названий, знаков или цифр для их идентификации или нумерации. Например, атлас цветов (шкала цветов) или классификационная шкала моделей и марок мультимедийных устройств одинакового функционального назначения. Данные шкалы характеризуются только отношением эквивалентности (равенства) и в них отсутствуют понятия больше, меньше, отсутствуют единицы измерения и нулевое значение. Процесс оценивания в таких шкалах состоит в достижении эквивалентности путем сравнения испытуемого образца с одним из эталонных образцов. Таким образом, шкала наименований отражает качественные свойства.

2. Шкала порядка (ранжирования) - упорядочивает объекты относительно какого-либо их свойства в порядке убывания или возрастания, например, землетрясений, силы ветра. Эти шкалы описывают уже количественные свойства. В данной шкале невозможно ввести единицу измерения, так как эти шкалы в принципе нелинейны. В ней можно говорить лишь о том, что больше или меньше, хуже или лучше, но невозможно дать количественную оценку во сколько раз больше или меньше. В некоторых случаях в шкалах порядка может быть нулевая отметка.

Шкалы порядка и наименований называют неметрическими шкалами.

3. Шкала интервалов (разностей) состоит из одинаковых интервалов, имеет условную единицу измерения и произвольно выбранное нулевое значение. Для этих шкал имеют смысл соотношения эквивалентности, порядка, суммирования интервалов (разностей) между количественными проявлениями свойств. Примерами таких шкалы являются различные шкалы времени, расстояний и температурная шкала Цельсия. Результаты измерений по этой шкале (разности) можно складывать и вычитать.

4. Шкала отношений - это шкала интервалов с естественным (не условным) нулевым значением и принятые по соглашению единицы измерений. Результаты измерений в ней можно вычитать, умножать и делить. В некоторых случаях возможна и операция суммирования для аддитивных величин. Аддитивной называется величина, значения которой могут быть суммированы, умножены на числовой коэффициент и разделены друг на друга (например, длина, масса, сила и др.). Неаддитивной величиной называется величина, для которой эти операции не имеют физического смысла, например, термодинамическая температура.

5. Абсолютная шкала (нормированная шкала отношений) - это шкала отношений, в которой однозначно (а не по соглашению) присутствует определение единицы измерения. Абсолютные шкалы присущи относительным единицам (коэффициенты усиления, полезного действия и др.), единицы таких шкал являются безразмерными.

Шкалы разностей, отношений и абсолютные называются метрическими (физическими) шкалами.

6.Классификационная шкала, используется для решения задач классификации и ранжирования объектов по значениям нефизических величин. К таким шкалам относятся шкалы, использующие терм-множества и функции принадлежности к этим множествам, т.е. лингвистические шкалы. Могут быть построены с использованием таких методов, как кластерный анализ, метод нечетких нейронных сетей, метод анализа иерархий и т.п.

Системы физических величин

Производная физическая величина Q может быть выражена через другие основные физические величины … уравнением вида

,

где k - коэффициент пропорциональности; α, β, γ - показатели степени.

Формулы, выражающие одни физические величины через другие, называются уравнениями между физическими величинами. Значение коэффициента не зависит от выбора единиц, а определяется только характером связи величин, входящих в уравнение.

Для каждой системы число основных величин должно быть вполне определенным и его стараются свести к минимуму. Основные величины могут выбираться произвольно, но важно, чтобы система была удобной для практического применения. Основные и дополнительные величины системы SI приведены в таблицах 4.1. и 4.2.

Размерностью производной физической величины называется выражение в форме степенного одночлена, составленного из произведений символов основных величин в различных степенях и отражающее связь данной физической величины с физическими величинами, принятыми в данной системе величин за основные, с коэффициентом пропорциональности, равным 1. Показатели степени основных величин, входящих в одночлен, могут быть целыми, дробными, положительными и отрицательными в зависимости от связи рассматриваемой величины с основными. Размерность производной величины определяется путем подстановки в определяющее уравнение вместо входящих в него величин их размерностей. Причем, для этого используются простейшие уравнения связи, которые могут быть представлены в виде формулы. Например, если определяющим уравнением для скорости является уравнение v=s/t, где s — длина пути, пройденного за время t, то размерность скорости определяется по формуле L / T.

Форма уравнений, связывающих величины, не зависит от размеров единиц: какие бы единицы мы не выбирали, соотношения величин останутся неизменными и одинаковыми с соотношениями числовых значений. Этим свойством измерение отличается от всех других приемов оценки величин.

Размерность величин обозначается символом dim. Так размерность скорости будет выражена как .

Размерность является более общей характеристикой, чем уравнение связи между величинами, т.к. одну и ту же размерность могут иметь величины разной природы, например, сила и кинетическая энергия.

Размерности имеют широкое практическое применение и позволяют:

- переводить единицы из одной системы в другую;

- проверять правильность расчетных формул;

- оценивать изменение размера производной величины при изменении размеров основных величин.