3. Метрология в современном мире

3.1 Метрология, измерения, измерительная техника

Метрология в самом широком понимании представляет собой науку об измерениях, о методах и средствах, обеспечении их един­ства, о способах достижения требуемой точности. Метрология служит теоретической основой измерительной техники. метрология занимается вопросами теории и практики обеспечения единства измерений. И чем больше развивается измерительная техника, тем большее значение приобретает метрология, создающая и совершенствующая теоре­тические основы измерений, обобщающая практический опыт в об­ласти измерений и направляющая развитие измерительной тех­ники.

Измерения являются одним из путей познания природы чело­веком, объединяющие теорию с практической деятельностью чело­века. Они являются основой научных знаний, служат для учета материальных ресурсов, обеспечения требуемого качества продук­ции, взаимозаменяемости деталей и узлов, совершенствования технологии, автоматизации производства, стандартизации, охра­ны здоровья и обеспечения безопасности труда и для многих дру­гих отраслей человеческой деятельности. Измерения количествен­но характеризуют окружающий материальный мир, раскрывая дей­ствующие в природе закономерности. Об этом очень образно ска­зал основоположник отечественной метрологии Дмитрий Иванович Менделеев: «Наука начинается... с тех пор, как начинают изме­рять».

Под измерительной техникой в широком понимании значения этих слов подразумевают как все технические средства, с по­мощью которых выполняют измерения, так и технику проведения измерений. Во всем мире ежедневно производятся сотни, тысячи миллиардов измерений. В интересах каждой страны, во взаимоот­ношениях между странами необходимо, чтобы результаты изме­рений, (где бы они не выполнялись), могли бы быть согласованы. Другими словами, необходимо, чтобы результаты измерений оди­наковых величин, полученные в разных местах и с помощью раз­личных измерительных средств, были бы воспроизводимы на уров­не требуемой точности.

В первую очередь для этого необходимо единообразие единиц физических величин и мер, осуществляющих вещественное их вос­произведение. Обеспечение высокой степени единообразия средств измерения является одним из условий обеспечения воспроизводи­мости результатов измерений. Кроме того, необходимо выполне­ние ряда других условий для того, чтобы обеспечить все те качества результатов измерений, которые нужны для их сопоставимо­сти и правильного использования, что в целом называют единст­вом измерений.

При всем множестве и многообразии предприятий, изготовляю­щих средства измерений, и при еще большем множестве (во много раз большем) предприятий, организаций и учреждений, произво­дящих измерения и использующих их результаты, метрология соз­дала и осуществила систему, направленную на всеобщее обеспе­чение единства измерений и единообразие средств измерений. Эта система вылилась в единую государственную службу, которая называется мет­рологической службой страны.

2. Метрология и человек

Обширна область измерений. От далеких галактик до мельчай­ших частиц, из которых построен атом, от температуры Солнца и ядерных реакций до низких температур криогенных установок, от электромагнитных волн, создаваемых и используемых человеком на Земле, до волн, приходящих на Землю от неведомых источни­ков, расположенных на расстояниях в сотни и тысячи световых лет.

Измерения служат для познания природы: точность измере­ний - это путь к открытиям, хранению и применению точных зна­ний. Измерять начали с давних пор. И с каждым годом роль и зна­чение измерений повышались. Человечество далеко ушло в техни­ке измерения. Пользуясь современными методами, ученые точно измеряют свойства вещей и явлений. Эти измерения являются од­ним из средств понятия природы, подчинения ее нашим нуж­дам. Старые средства измерений (палка, тень, чашка, камень) заме­нились новыми, позволяющими нам воспринимать невидимый свет, ощущать магнитные силы и другие явления, которые иначе были бы нам неизвестны. Звуковые и электромагнитные волны служат для измерений глубины океанов, толщины ледников, больших расстояний на Зем­ле, расстояний до Луны и других планет. Звуковые волны, отра­жаясь от дна океана, приходят обратно как эхо. Время, за которое эти волны проделывают путь туда и обратно, дает возможность определить глубину океана, так как скорость прохождения их в воде известна (эхолот). Электромагнитные волны, отражаясь от предметов, на которые они направлены, или от планет распространяются со скоростью света и тоже приходят обратно подобно эху, и позволяют опреде­лить расстояние (радиолокация).

Со времен Ломоносова и Лавуазье считался непреложным за­кон сохранения вещества, по которому сумма масс веществ, всту­пающих в химическую реакцию, равна массе продуктов реакции. Однако при химической реакции выделяется или поглощается энергия. В соответствии с теорией относительности и законом эквивалентности массы и энергии масса продуктов реакции не­сколько отличается от суммы реагирующих масс. Но долгое время показать это на опыте не удавалось, так как техника измерений была несовершенна. Теперь, когда техника измерений ушла далеко вперед, это изменение можно обнаружить, например, при ядерных реакциях при выделении очень большого количества энергии. Дру­гой пример — повышение точности измерения плотности воды при­вело в 1932 г. к открытию тяжелого изотопа водорода—дейтерия, ничтожное содержание которого в обычной воде немного увеличивает ее плотность.

Инженер производит измерения и расчеты, когда проектирует какое-то сооружение. Результаты измерений переносятся на техни­ческие чертежи. Измеряя, ин­женер может рассчитать прочность узлов и деталей машины. Когда изделие, построено, об измерениях забывают, но именно они и их точность лежат в основе его надежности и красоты.

В нашей стране измерения являются основной профессией многих трудящихся (работники отделов технического контроля, заводских лабораторий и испытательных центров и др.). Рабочее время, затрачиваемое на измерения работниками других профес­сий, составляет значительную долю трудовых затрат в торговле, медицине, промышленности, транспорте и многих других отраслях.

2. Метрология и прогресс. Метрология и автоматизация

Галилею приписывают изречение: «Измерять, что измеримо, делать измеримым то, что еще не измеримо». В этом лаконичном изречении заложена идея об опережающем значении метрологии для современного исследования.

В настоящее время прогресс во всех областях естественных наук, техники, промышленности, сельского хозяйства определяется, кроме экономических факторов, полнотой и достоверностью сведе­ний о физических, химических, биологических и других явлениях и процессах, о свойствах веществ, материалов, конструкций и т. п., найденных только путем измерений. Без получения посредством измерений достаточно полных и до­стоверных сведений было бы невозможно достигнуть крупнейших научных и практических результатов в области использования атомной энергии, освоении космоса, в области создания новых ма­териалов с заранее заданными свойствами.

Проблема повышения надежности изделий может решаться только на основе получения полной и достоверной измерительной информации о параметрах, определяющих их надежность. При решении каждой крупной проблемы объединяются и сов­местно используются до нескольких миллионов результатов изме­нений, выполняемых в различных местах в различное время по­средством различных приборов. Такое совместное использование результатов множества измерений возможно лишь при условии их полной сопоставимости. Одной из характерных черт научно-тех­нического прогресса в метрологии и измерительной технике явля­ется освоение измерения новых величин, характеризующих новые физические, химические, биологические и другие явления и про­цессы.

Число величин, поддающихся количественному измерению, по сравнению с прошлым возросло во много раз. Появилось много новых, подчас сложных средств измерений, как, например, инфракрасные спектрографы, хроматографы, масспектрографы и т. п.

Другой характерной чертой современного научно-технического прогресса в измерениях является расширение диапазонов изме­рения всех величин. Если 20 лет назад имелась практическая не­обходимость измерять температуру до 10000 К , то в настоящее время в связи с освоением космоса, плазмы, с созда­нием новых материалов и т. д. требуется измерять температуру до нескольких миллионов градусов. Повышение производительности и быстродействия измеритель­ной аппаратуры, ее универсальность и простота обслуживания обеспечивают экономию времени и средств при решении постав­ленных задач. Основная задача измерений в науке заключается в нахождении закономерных связей в физических, физико-химиче­ских, химических, биологических и медицинских проблемах. Высокие метрологические характеристики методов и средств измерений способствуют прогрессу в научных исследованиях. В свою очередь решение научных проблем часто открывает новые пути совершенствования измерений.

Большую роль в бурном росте значения метрологии сыграло развитие автоматизации. Именно автоматизация предъявила по­вышенные требования к точности, достоверности и сопоставимости результатов измерений. Ход общего развития науки и техники после второй мировой войны показал, что метрология является фундаментальной предпо­сылкой прогресса почти во всех отраслях науки, техники и эконо­мики. Чем сложнее научная проблема, тем большее значение имеет метрология.

2. Метрология, стандартизация и функции измерений

Проблема обеспечения высокого качества продукции находится в прямой зависимости от степени метрологического обслуживания производства. Это, в значительной мере, проблема умения правиль­но измерять параметры качества материалов и комплектующих из­делий, поддерживать заданные технологические режимы, т. е. из­мерять множество параметров технологических процессов, резуль­таты измерений которых преобразуются в управляющие команды.

В настоящее время нельзя назвать ни одной области науки, техники, многочисленных видов обслуживания населения, в ко­торых бы большая роль не принадлежала измерениям.

Метрология органически связана со стандартизацией, и эта связь выражается прежде всего в стандартизации единиц физических величин, системы государственных эталонов, средств изме­рений и методов поверок, в создании стандартных образцов свойств и состава веществ. В свою очередь стандартизация опи­рается на метрологию, обеспечивающую правильность и воспроиз­водимость результатов испытаний материалов и изделий, а также заимствует из метрологии методы определения и контроля ка­чества.

Можно выделить три главные функции измерений:

1) учет продукции, исчисляющейся по массе, длине, объему, расходу, мощности, энергии и т. д.;

2) измерения физических величин, технических параметров, ха­рактеристик процессов, состава и свойства веществ, проводимые при научных исследованиях, испытаниях и контроле продукции, в медицине, сельском хозяйстве и других отраслях;

3) измерения, проводимые для контроля и регулирования техно­логических процессов (особенно в автоматизированных производ­ствах) и для обеспечения нормального функционирования транс­порта и связи.

Наиболее наглядным является влияние метрологических харак­теристик измерений при выполнении первой из этих функций. Состояние современного весового хозяйства таково, что в про­цессе взвешивания остается неучтенным около 1% всех измеряе­мых продуктов производства. Не учитывается большая доля всех жидких и газообразных продуктов (нефть, газ, бензин и др.). Погрешности эксплуатируемых в настоящее время счетчиков энер­гии (в среднем 2%) приводят к неопределенности в учете такого же количества электроэнергии. Если эти проценты выразить в аб­солютных числах для зерна, нефти, газа, цемента, энергии, чугуна, стали, удобрений и других продуктов добычи и производст­ва, то многие потери, составляющие ежегодно многие сотни мил­лионов рублей, станут еще более очевидны.

Нарушение единства измерений, недостаточная их точность, не всегда продуманная организация измерений и метрологической службы приносят большие потери при выполнении второй и треть­ей функций измерений в народном хозяйстве.

В промышленности значительная часть измерений состава ве­щества все еще производится с помощью количественного или да­же качественного анализа. Погрешности этих анализов иногда бывают в несколько раз выше, чем разница между количествам отдельных компонентов, на которую согласно установленной для них рецептуре должны отличаться друг от друга металлы различ­ных марок, химических материалов и т. д. В результате происходит ухуд­шение качества машин и механизмов или даже возможные тяже­лые аварии. Недостаточная точность измерений размеров в станкостроитель­ной промышленности препятствует выпуску прецизионных станков высшего класса, а в свою очередь срок службы, например, подшип­ников, выпускаемых на недостаточно точном оборудовании, значи­тельно снижается.

В сельском хозяйстве активный контроль температуры и влажности в хранилищах может снизить потери зерна на 1-3%, отход картофеля - на 6-16%, ка­пусты - на 20%. Введение активного контроля физических усло­вий в теплицах позволит поднять производительность труда на 15%, снизить расход тепла на 10-15% и поднять урожайность овощей на 10-15%.

2. Метрология и повышение качества. Сертификация

Исключительно велика роль измерений в повышении качества продукции. Она заключается не только в контроле качества с помощью средств измерений, но и в обеспечении необходимых пока­зателей качества в самом технологическом процессе с помощью средств активного контроля.

Активный контроль подразумевает проведение измерений не по окончании изготовления (хранения и т.п.) изделия, во время производства. Это позволяет вмешиваться, при необходимости, в процесс производства с целью корректировки характеристик и останавливать процесс при достижении необходимых результатов. Таким образом можно исключить потери связанные с браком

Разработка каждого нового технологического процесса, созда­ние нового изделия должны основываться на уже разработанных и аттестованных методах и средствах измерений.

С увеличением сложности промышленных предприятий число «точек измерения» возросло во много раз. В результате, для из­мерительных комплексов службы управления отдельными про­мышленными установками потребовалось выделять отдельные по­мещения. Количество информации, получаемой от всех измери­тельных устройств, оказалось настолько большим, что для его переработки необходимо применять ЭВМ.

С каждым годом задача сбора и переработки измерительной информации становится все шире. Современные информационно-вычислительные комплексы позволяют собирать в центральном пункте все существенные результаты измерений, относящихся к одной установке или к цеху или к предприятию в целом. Эта ин­формация, соответственно обработанная, воссоздает картину всех важнейших процессов, происходящих на данном объекте (установ­ке, цехе, предприятии) и дает возможность управлять ими опти­мальным образом.

Быстродействие приборов позволяет накопить за короткий промежуток времени большое число результатов измерений. Возможность передачи этих результатов на обработку в вы­числительное устройство позволяет снизить погрешности измере­ний, обусловленные случайными причинами. Быстродействие определяет возможность снижения систематических погрешностей, и исключить влияние непостоянства, скажем, рабочего тока потенциометра на результат измерения. Существенно повышается точность косвен­ных измерений, так как быстродействие прибора обусловливает уменьшение зависимости измеряемой величины от непостоянства параметров влияющих величин.

В настоящее время стремятся строить измерительные средства по модульно-блочному принципу, согласно которому измеритель­ное средство комплектуется стандартными блоками, выполняю­щими определенные функции измерительной цепи. Это ускоряет построение измерительных средств, упрощается его эксплуатация и снижается себестоимость их производства.

Все чаще и чаще различные величины измеряются путем их преобразования в унифицированные электрические или пневмати­ческие сигналы. Необходимо подчеркнуть, что многие современные измеритель­ные устройства, особенно если они действуют с использованием вспомогательной электрической или пневматической связи, сами по себе содержат цепь регулирования и при их разработке и при­менении необходимо использовать теорию и технику автоматического регулирова­ния.

В области машиностроения существуют другие проблемы. Такой является уже упоминавшаяся ранее непрерывно растущая потребность в повышении точности измерения во всем диапазоне линейных размеров, особенно в об­ластях измерений малых величин, а также больших расстояний. Качество формы изделия еще не поддается измерению в такой степени, в какой это необходимо.

Автоматизация процесса изготовления предъявляет повышен­ные метрологические требования к измерительным устройствам, поскольку управление этим производством строится на использо­вании измерительной информации.

Важнейшей проблемой современного приборостроения является повышение эксплуатационной надежности и в особенности долго­временной метрологической надежности средств измерения. Если вообще отказ одного из всего комплекса измерительных устройств, может быть причиной выхода из строя станка или какой-либо дру­гой установки, то «метрологический отказ», т. е. нарушение точно­сти, потеря чувствительности и т. п., остающиеся незамеченными, могут стать причиной выпуска некондиционной продукции, иска­жений сигналов в линиях связи, появления нарушений в функцио­нировании транспорта, уменьшения эффективности средств обо­роны и т. д.

Оставаясь незамеченными в течение длительного времени, эти «метрологические отказы» в конце концов, при неблагоприятном стечении обстоятельств, могут стать причиной катастрофы.

В настоящее время для подтверждения надежности и указанных в обозначении продукта или сопроводительной документации сведений о его качестве к партии продукта прилагается СЕРТИФИКАТ. Сертификат - документ подтверждающий соответствие указанных и действительных свойств продукции. Существуют несколько схем сертификации, наиболее распространенной является сертификация третей (независимой от потребителя и изготовителя) стороной. В развитых странах существуют специальные сертификационные центры получившие (от государства где расположен центр или государства заинтересованного в покупке продукции) лицензию на проведение испытаний продукции. Как правило, эти центры имеют собственные лаборатории которые проводят испытания партий продукции. Кроме испытаний существует множество мероприятий обеспечивающих гарантию стабильных свойств и высокого качества выпускаемой продукции. После поведения испытаний и проверки условий изготовления продукции центр выдает СЕРТИФИКАТ и несет материальную ответственность в случае несоответствия заявленного и действительного качества сертифицированной партии продукта.