Рисунок 1.14 – Пересечения видов деятельности метрологии

(Источник: выполнено автором по научным трудам [46-49])

Определение единиц измерения может быть длительным процессом, например, для научного обоснования метра потребовалось более десяти лет. Практическая реализация единиц измерения происходит быстрее, но также для новых процессов может занимать продолжительное время. Очень важным видом деятельности метрологии является отслеживаемость (Traceability, есть перевод «прослеживаемость») или привязка измерений, сделанных на практике, к эталонным стандартам.

Научная часть метрологии включает в себя три основные раздела, представленные на рисунке 1.15:

Рисунок 1.15 – Разделы научной части метрологии

(Источник: выполнено автором)

Разделы научной части метрологии подразделяются на:

– теоретическая или фундаментальная метрология (в англоязычных источниках «научная метрология») рассматривает общие теоретические проблемы, такие как разработка теории и проблем измерений физических величин, их единиц, методов измерений [50];

– прикладная метрология – изучает вопросы практического применения разработок теоретической метрологии. В её ведении находятся все вопросы метрологического обеспечения;

– законодательная метрология – устанавливает обязательные технические и юридические требования по применению единиц физической величины, методов и средств измерений.

Теоретическая или фундаментальная (научная) метрология занимается установлением единиц измерения, разработкой новых методов измерения, реализацией эталонов и передачей отслеживаемости (прослеживаемости) от этих эталонов пользователям [45, 46]. Этот раздел считается высшим уровнем метрологии, стремящимся к высокой степени точности [45]. Международное бюро мер и весов (BIPM) поддерживает базу данных по метрологической калибровке и измерительным возможностям институтов по всему миру. Такая деятельность подвергается экспертной оценке, обеспечивает фундаментальные ориентиры для метрологической отслеживаемости (прослеживаемости).

В области измерений Международное бюро мер и весов (BIPM) определило девять областей метрологии [51]:

– акустика;

– электричество и магнетизм;

– длина;

– масса и связанные с ней величины;

– фотометрия и радиометрия;

– ионизирующее излучение;

– время и частота;

– термометрия;

– химия.

Прикладная метрология (в англоязычных источниках, техническая или промышленная) занимается:

– применением измерений к производственным и другим процессам и их использование в обществе;

– обеспечением пригодности средств измерений, их калибровки и контроля качества [45].

В промышленности важны качественные измерения, поскольку они влияют на стоимость и качество конечного продукта и на 10–15 % влияют на производственные затраты [46]. Хотя основное внимание в этой области метрологии уделяется самим измерениям, прослеживаемость калибровки измерительных приборов необходима. Такая необходимость заключается в обеспечении уверенности в измерении. Признание метрологической компетентности в промышленности может быть достигнуто посредством соглашений о взаимном признании, аккредитации или экспертной оценки [46]. Промышленная метрология важна для экономического и промышленного развития страны, а состояние программы промышленной метрологии страны может указывать на её экономический статус [51-53].

Законодательная метрология касается деятельности, которая вытекает из требований законодательства и касается измерений, единиц измерения, средств измерений и методов измерения, которые осуществляются метрологическими органами [52]. Такие законодательные требования могут возникать из необходимости защиты здоровья, общественной безопасности, окружающей среды, обеспечения возможности налогообложения, защиты потребителей и справедливой торговли. Международная организация по законодательной метрологии (OIML) была создана для оказания помощи в гармонизации нормативных требований за пределами национальных границ. Международная организация по законодательной метрологии (OIML) должна гарантировать, что законодательные требования не препятствуют торговле [51]. Эта гармонизация гарантирует, что сертификация измерительных приборов в одной стране совместима с процессом сертификации в другой стране, что позволяет торговать измерительными приборами и продуктами, которые на них основаны.

В Европейском Союзе в 1990 году для продвижения европейского сотрудничества в области законодательной метрологии была создана организация WELMEC. Целью WELMEC стало развитие сотрудничества в области законодательной метрологии и между государствами-членами Европейской ассоциации свободной торговли (ЕАСТ) [52-58]. В Соединённых Штатах законодательная метрология находится в ведении Управления мер и весов Национального института стандартов и технологий (NIST), за соблюдением которого следят отдельные штаты [52-58]. В Российской Федерации данной функцией обладают законодательные органы, согласующие свою работу с Росстандартом.

До настоящего времени все базовые измерительные единицы не определены никакими физическими объектами [52-58]. Пока человечеству и науке не удаётся сделать шаг в привязке измерительных единиц к не изменяющимся физическим объектам. При этом цель метрологии остаётся с самого начала одна: эталонные меры привязать к таким физическим объектам. Попробую объяснить это на примере килограмма. Для определения в качестве физического объекта массы, например, ядра атома, надо «отвязать» массу тела от существующего эталона, но и это ещё не все: для точного определения основных единиц требуются точные измерения физических констант. Так, чтобы переопределить стоимость килограмма без существующего эталона, значение постоянной Планка должно быть известно с точностью до двадцати частей на миллиард [52, 53]. Научная метрология благодаря разработке весов Киббла (Весы Киббла – прибор для установления соотношения между массой и электрической мощностью) и Проекта Авогадро (Project Avogadro) дали значение постоянной Планка с достаточно низкой неопределенностью, чтобы можно было переопределить килограмм [53]. Понимая это, можно уверенно сказать, что третье тысячелетие пройдёт под основной задачей по привязке базовых измерительных единиц к новым физическим объектам «Нано размерности».

Аксиомы* метрологии:

– любое измерение есть сравнение;

– любое измерение без априорной** информации невозможно;

– результат любого измерения без округления значения является случайной величиной.

* Аксиома – исходное положение какой-либо теории, принимаемое в рамках данной теории истинным без требования доказательства.

** Априори – знание, полученное до опыта и независимо от него, то есть знание, как бы заранее известное.

История метрологии

Метрология ведёт свою историю с античных времён и даже упоминается в Библии: «Неверные весы – мерзость пред Господом, но правильный вес угоден Ему. (Притча 11:1)». Возможно, первое упоминание о мере измерения относится к 2900 г. до н.э., когда египетский локоть Фараона был вырезан из черного гранита [51]. Локоть был определён как длина предплечья фараона плюс ширина его руки. Этот артефакт послужил строителям в качестве меры измерения размера. На точность стандартной длины материалов, использующихся при строительстве пирамид, указывает длина их оснований, отличающаяся не более чем на 0,05 процента [53].