Метрология — это научное изучение измерений . [1] Она устанавливает общее понимание единиц, что имеет решающее значение для связи между деятельностью человека. [2] Современная метрология берет свое начало в политической мотивации Французской революции стандартизировать единицы во Франции, когда был предложен эталон длины, взятый из естественного источника. Это привело к созданию десятичной метрической системы в 1795 году, установив набор стандартов для других типов измерений. Несколько других стран приняли метрическую систему между 1795 и 1875 годами; для обеспечения соответствия между странами Метрической конвенцией было создано Международное бюро мер и весов (BIPM) . [3] [4] Это превратилось в Международную систему единиц (СИ) в результате резолюции 11-й Генеральной конференции по мерам и весам (CGPM) в 1960 году. [5]
Метрология делится на три основных пересекающихся вида деятельности: [6] [7]
Эти пересекающиеся виды деятельности используются в разной степени тремя основными подобластями метрологии: [6]
В каждой стране существует национальная система измерений (NMS) как сеть лабораторий, калибровочных центров и органов аккредитации, которые внедряют и поддерживают ее метрологическую инфраструктуру. [8] [9] NMS влияет на то, как проводятся измерения в стране, и на их признание международным сообществом, что оказывает широкое влияние на ее общество (включая экономику, энергетику, окружающую среду, здравоохранение, производство, промышленность и доверие потребителей). [10] [11] Влияние метрологии на торговлю и экономику является одним из наиболее легко наблюдаемых общественных воздействий. Для содействия справедливой торговле должна быть согласованная система измерений. [11]
Одной лишь возможности измерения недостаточно; стандартизация имеет решающее значение для того, чтобы измерения были осмысленными. [12] Первое упоминание о постоянном стандарте относится к 2900 г. до н. э., когда царский египетский локоть был высечен из черного гранита . [12] Было установлено, что локоть равен длине предплечья фараона плюс ширина его руки, и строителям были предоставлены копии стандартов. [3] Успех стандартизированной длины для строительства пирамид подтверждается тем, что длины их оснований различаются не более чем на 0,05 процента. [12]
В Китае меры и веса имели полурелигиозное значение, поскольку использовались в различных ремеслах ремесленниками и в ритуальной утвари и упоминаются в книге обрядов вместе с безменом и другими инструментами. [13]
Другие цивилизации создали общепринятые стандарты измерений, при этом римская и греческая архитектура основывались на различных системах измерений. [12] Распад империй и последовавшие за этим Темные века привели к потере многих знаний об измерениях и стандартизации. Хотя местные системы измерений были распространены, сопоставимость была затруднена, поскольку многие местные системы были несовместимы. [12] Англия создала Ассизу мер для создания стандартов для измерения длины в 1196 году, а Великая хартия вольностей 1215 года включала раздел для измерения вина и пива. [14]
Современная метрология берет свое начало во Французской революции . С политической мотивацией гармонизировать единицы по всей Франции был предложен стандарт длины, основанный на естественном источнике. [12] В марте 1791 года был определен метр . [4] Это привело к созданию десятичной метрической системы в 1795 году, установив стандарты для других типов измерений. Несколько других стран приняли метрическую систему между 1795 и 1875 годами; для обеспечения международного соответствия Метрической конвенцией было образовано Международное бюро мер и весов ( фр . Bureau International des Poids et Mesures , или BIPM) . [3] [4] Хотя первоначальной миссией BIPM было создание международных стандартов для единиц измерения и соотнесение их с национальными стандартами для обеспечения соответствия, сфера его применения расширилась и теперь включает электрические и фотометрические единицы, а также стандарты измерения ионизирующего излучения . [4] Метрическая система была модернизирована в 1960 году с созданием Международной системы единиц (СИ) в результате резолюции 11-й Генеральной конференции по мерам и весам ( фр . Conference Generale des Poids et Mesures , или CGPM). [5]
Метрология определяется Международным бюро мер и весов (BIPM) как «наука об измерениях, охватывающая как экспериментальные, так и теоретические определения на любом уровне неопределенности в любой области науки и техники». [15] Она устанавливает общее понимание единиц, имеющих решающее значение для человеческой деятельности. [2] Метрология — это широкомасштабная область, но ее можно обобщить с помощью трех основных видов деятельности: определение международно признанных единиц измерения, реализация этих единиц измерения на практике и применение цепочек прослеживаемости (связывание измерений с исходными эталонами). [2] [6] Эти концепции применяются в различной степени к трем основным областям метрологии: научной метрологии; прикладной, технической или промышленной метрологии и законодательной метрологии. [6]
Научная метрология занимается установлением единиц измерения, разработкой новых методов измерения, реализацией эталонов измерений и передачей прослеживаемости от этих эталонов к пользователям в обществе. [2] [3] Этот тип метрологии считается высшим уровнем метрологии, который стремится к наивысшей степени точности. [2] BIPM ведет базу данных возможностей метрологической калибровки и измерений институтов по всему миру. Эти институты, чья деятельность рецензируется, предоставляют основные опорные точки для метрологической прослеживаемости. В области измерений BIPM выделила девять областей метрологии, а именно акустику, электричество и магнетизм, длину, массу и связанные с ними величины, фотометрию и радиометрию, ионизирующее излучение, время и частоту, термометрию и химию. [16]
По состоянию на май 2019 года никакие физические объекты не определяют основные единицы. [17] Мотивация изменения основных единиц заключается в том, чтобы сделать всю систему выводимой из физических констант , что потребовало удаления прототипа килограмма, поскольку это последний артефакт, от которого зависят определения единиц. [18] Научная метрология играет важную роль в этом переопределении единиц, поскольку для точного определения основных единиц требуются точные измерения физических констант. Чтобы переопределить значение килограмма без артефакта, значение постоянной Планка должно быть известно с точностью до двадцати частей на миллиард. [19] Научная метрология посредством разработки весов Киббла и проекта Авогадро вывела значение постоянной Планка с достаточно низкой неопределенностью, чтобы обеспечить переопределение килограмма. [18]
Прикладная, техническая или промышленная метрология занимается применением измерений к производству и другим процессам и их использованием в обществе, обеспечивая пригодность измерительных приборов, их калибровку и контроль качества. [2] Производство качественных измерений важно в промышленности, поскольку это влияет на ценность и качество конечного продукта и на 10–15% влияет на производственные затраты. [6] Хотя акцент в этой области метрологии делается на самих измерениях, прослеживаемость калибровки измерительных приборов необходима для обеспечения уверенности в измерениях. Признание метрологической компетентности в промышленности может быть достигнуто посредством соглашений о взаимном признании, аккредитации или экспертной оценки. [6] Промышленная метрология важна для экономического и промышленного развития страны, и состояние программы промышленной метрологии страны может указывать на ее экономический статус. [20]
Законодательная метрология «касается деятельности, которая вытекает из установленных законом требований и касается измерений, единиц измерения , измерительных приборов и методов измерения, и которая выполняется компетентными органами». [21] Такие установленные законом требования могут возникать из необходимости защиты здоровья, общественной безопасности, окружающей среды, обеспечения налогообложения, защиты потребителей и справедливой торговли. Международная организация по законодательной метрологии ( OIML ) была создана для содействия гармонизации правил через национальные границы, чтобы гарантировать, что законодательные требования не препятствуют торговле. [22] Эта гармонизация гарантирует, что сертификация измерительных приборов в одной стране совместима с процессом сертификации другой страны, позволяя торговлю измерительными приборами и продуктами, которые зависят от них. WELMEC была создана в 1990 году для содействия сотрудничеству в области законодательной метрологии в Европейском союзе и среди государств-членов Европейской ассоциации свободной торговли (EFTA). [23] В Соединенных Штатах законодательная метрология находится в ведении Управления мер и весов Национального института стандартов и технологий (NIST), которое обеспечивается отдельными штатами. [22]
Международная система единиц (СИ) определяет семь основных единиц: длину , массу , время , электрический ток , термодинамическую температуру , количество вещества и силу света . [24] По соглашению, каждая из этих единиц считается взаимно независимой и может быть построена непосредственно из их определяющих констант. [25] : 129 Все остальные единицы СИ построены как произведения степеней семи основных единиц. [25] : 129
Поскольку базовые единицы являются опорными точками для всех измерений, проводимых в единицах СИ, если опорное значение изменилось, все предыдущие измерения были бы неверными. До 2019 года, если бы часть международного прототипа килограмма была отломана, она все равно была бы определена как килограмм; все предыдущие измеренные значения килограмма были бы тяжелее. [3] Важность воспроизводимых единиц СИ привела к тому, что BIPM завершило задачу определения всех основных единиц СИ в терминах физических констант . [26]
Определяя основные единицы СИ относительно физических констант, а не артефактов или конкретных веществ, они реализуемы с более высоким уровнем точности и воспроизводимости. [26] После пересмотра СИ 20 мая 2019 года килограмм , ампер , кельвин и моль определяются путем установки точных числовых значений для постоянной Планка ( h ), элементарного электрического заряда ( e ), постоянной Больцмана ( k ) и постоянной Авогадро ( N A ) соответственно. Секунда , метр и кандела ранее определялись физическими константами ( стандарт цезия (Δ ν Cs ), скорость света ( c ) и световая эффективность540 × 10 12 Гц видимого светового излучения ( K cd )), с учетом исправления их текущих определений. Новые определения направлены на улучшение SI без изменения размера каких-либо единиц, тем самым обеспечивая преемственность с существующими измерениями. [27] [25] : 123, 128
Реализация единицы измерения — это ее преобразование в реальность. [28] Международный словарь метрологии (VIM) определяет три возможных метода реализации : физическая реализация единицы из ее определения, высоковоспроизводимое измерение как воспроизведение определения (например, квантовый эффект Холла для ома ) и использование материального объекта в качестве эталона измерения. [29]
Стандарт (или эталон) — это объект, система или эксперимент с определенной связью с единицей измерения физической величины. [30] Стандарты являются основополагающим эталоном для системы мер и весов, реализуя, сохраняя или воспроизводя единицу, с которой можно сравнивать измерительные приборы. [2] В иерархии метрологии существует три уровня эталонов: первичные, вторичные и рабочие эталоны. [20] Первичные эталоны (наивысшего качества) не ссылаются ни на какие другие эталоны. Вторичные эталоны калибруются относительно первичного эталона. Рабочие эталоны, используемые для калибровки (или проверки) измерительных приборов или других материальных мер, калибруются относительно вторичных эталонов. Иерархия сохраняет качество высших эталонов. [20] Примером эталона могут служить концевые меры длины. Концевая мера — это блок из металла или керамики с двумя противолежащими поверхностями, отшлифованными точно плоско и параллельно, на точном расстоянии друг от друга. [31] Длина пути света в вакууме в течение временного интервала 1/299 792 458 секунды воплощена в эталонном артефакте, таком как калибровочный блок; этот калибровочный блок затем является первичным стандартом, который может использоваться для калибровки вторичных стандартов с помощью механических компараторов. [32]
Метрологическая прослеживаемость определяется как «свойство результата измерения, посредством которого результат может быть соотнесен с эталоном через документированную непрерывную цепь калибровок, каждая из которых вносит вклад в неопределенность измерения». [33] Она позволяет сравнивать измерения, независимо от того, сравнивается ли результат с предыдущим результатом в той же лаборатории, результатом измерения год назад или с результатом измерения, выполненного в любой другой точке мира. [34] Цепочка прослеживаемости позволяет соотносить любое измерение с более высокими уровнями измерений обратно к исходному определению единицы. [2]
Прослеживаемость достигается непосредственно через калибровку , устанавливая связь между показанием на стандартном прослеживаемом измерительном приборе и значением компаратора (или сравнительного измерительного прибора). Процесс определит значение измерения и неопределенность калибруемого устройства (компаратора) и создаст связь прослеживаемости с эталоном измерения. [33] Четыре основные причины для калибровок — обеспечить прослеживаемость, гарантировать, что прибор (или эталон) соответствует другим измерениям, определить точность и установить надежность. [2] Прослеживаемость работает как пирамида, на верхнем уровне находятся международные стандарты, которые созерцают мировые стандарты. Следующий уровень — национальные метрологические институты, которые имеют первичные стандарты, прослеживаемые к международным стандартам. Стандарты национальных метрологических институтов используются для установления прослеживаемой связи с местными лабораторными стандартами, эти лабораторные стандарты затем используются для установления прослеживаемой связи с промышленными и испытательными лабораториями. Через эти последующие калибровки между национальными метрологическими институтами, калибровочными лабораториями и промышленными и испытательными лабораториями реализация определения единицы распространяется вниз по пирамиде. [34] Цепочка прослеживаемости работает снизу вверх пирамиды, где измерения, проводимые промышленностью и испытательными лабораториями, могут быть напрямую связаны с определением единицы наверху через цепочку прослеживаемости, созданную калибровкой. [3]
Неопределенность измерения — это значение, связанное с измерением, которое выражает разброс возможных значений, связанных с измеряемой величиной — количественное выражение сомнения, существующего в измерении. [35] Неопределенность измерения состоит из двух компонентов: ширины интервала неопределенности и уровня достоверности. [36] Интервал неопределенности — это диапазон значений, в который, как ожидается, попадет значение измерения, в то время как уровень достоверности — это вероятность того, что истинное значение попадет в интервал неопределенности. Неопределенность обычно выражается следующим образом: [2]
Где y — значение измерения, U — значение неопределенности, а k — коэффициент покрытия, [a] указывает доверительный интервал. Верхний и нижний предел интервала неопределенности можно определить, прибавляя и вычитая значение неопределенности из значения измерения. Коэффициент покрытия k = 2 обычно указывает на 95%-ную уверенность в том, что измеренное значение попадет в интервал неопределенности. [2] Другие значения k можно использовать для указания большей или меньшей уверенности в интервале, например, k = 1 и k = 3 обычно указывают на 66% и 99,7%-ную уверенность соответственно. [36] Значение неопределенности определяется посредством комбинации статистического анализа калибровки и вклада неопределенности от других ошибок в процессе измерения, который можно оценить из таких источников, как история прибора, спецификации производителя или опубликованная информация. [36]
Несколько международных организаций поддерживают и стандартизируют метрологию.
Метрическая конвенция создала три основные международные организации для содействия стандартизации мер и весов. Первая, Генеральная конференция по мерам и весам (CGPM), предоставила форум для представителей государств-членов. Вторая, Международный комитет по мерам и весам (CIPM), был консультативным комитетом метрологов высокого уровня. Третья, Международное бюро мер и весов (BIPM), предоставила секретариат и лабораторные помещения для CGPM и CIPM. [37]
Генеральная конференция по мерам и весам ( фр . Conférence générale des poids et mesures , или CGPM) является основным органом принятия решений конвенции, состоящим из делегатов от государств-членов и наблюдателей без права голоса из ассоциированных государств. [38] Конференция обычно собирается каждые четыре-шесть лет для получения и обсуждения отчета CIPM и одобрения новых разработок в SI в соответствии с рекомендациями CIPM. Последнее заседание состоялось 13–16 ноября 2018 года. В последний день этой конференции состоялось голосование по переопределению четырех основных единиц, которые Международный комитет по мерам и весам (CIPM) предложил ранее в том же году. [39] Новые определения вступили в силу 20 мая 2019 года . [40] [41]
Международный комитет мер и весов ( фр . Comité international des poids et mesures , или CIPM) состоит из восемнадцати (первоначально четырнадцати) [42] лиц из государств-членов с высоким научным статусом, назначенных CGPM для консультирования CGPM по административным и техническим вопросам. Он отвечает за десять консультативных комитетов (CC), каждый из которых исследует отдельный аспект метрологии; один CC обсуждает измерение температуры, другой — измерение массы и т. д. CIPM ежегодно собирается в Севре для обсуждения отчетов CC, представления ежегодного отчета правительствам государств-членов относительно управления и финансов BIPM и для консультирования CGPM по техническим вопросам по мере необходимости. Каждый член CIPM представляет отдельное государство-член, при этом Франция (в знак признания ее роли в создании конвенции) всегда имеет одно место. [43] [44]
Международное бюро мер и весов ( фр . Bureau international des poids et mesures , или BIPM) — организация, базирующаяся в Севре, Франция, которая хранит международный прототип килограмма , предоставляет метрологические услуги для CGPM и CIPM, размещает секретариат организаций и проводит их заседания. [45] [46] На протяжении многих лет прототипы метра и килограмма возвращались в штаб-квартиру BIPM для повторной калибровки. [46] Директор BIPM является членом CIPM по должности и членом всех консультативных комитетов. [47]
Международная организация законодательной метрологии ( фр . Organisation Internationale de Métrologie Légale , или OIML) — межправительственная организация , созданная в 1955 году для содействия глобальной гармонизации процедур законодательной метрологии, облегчающей международную торговлю. [48] Эта гармонизация технических требований, процедур испытаний и форматов отчетов об испытаниях обеспечивает достоверность измерений для торговли и снижает затраты, связанные с расхождениями и дублированием измерений. [49] OIML публикует ряд международных отчетов в четырех категориях: [49]
Хотя OIML не имеет юридических полномочий навязывать свои рекомендации и руководящие принципы своим странам-членам, она предоставляет стандартизированную правовую базу для этих стран, чтобы помочь им разработать соответствующее, гармонизированное законодательство для сертификации и калибровки. [49] OIML обеспечивает соглашение о взаимном признании (MAA) для измерительных приборов, которые подлежат законодательному метрологическому контролю, которое после одобрения позволяет принимать отчеты об оценке и испытаниях прибора во всех странах-участницах. [50] Выдающие участники соглашения выдают отчеты об оценке типа MAA сертификатов MAA после демонстрации соответствия ISO/IEC 17065 и системы коллегиальной оценки для определения компетентности. [50] Это гарантирует, что сертификация измерительных приборов в одной стране совместима с процессом сертификации в других странах-участницах, что позволяет торговать измерительными приборами и продуктами, которые зависят от них.
Международное сотрудничество по аккредитации лабораторий (ILAC) является международной организацией для аккредитационных агентств, участвующих в сертификации органов по оценке соответствия. [51] Она стандартизирует практику и процедуры аккредитации, признавая компетентные калибровочные учреждения и помогая странам разрабатывать свои собственные органы аккредитации. [2] ILAC изначально начиналась как конференция в 1977 году для развития международного сотрудничества в области аккредитованных результатов испытаний и калибровки для содействия торговле. [51] В 2000 году 36 членов подписали соглашение о взаимном признании ILAC (MRA), позволяющее автоматически принимать работу членов другим подписавшим сторонам, а в 2012 году оно было расширено и включило аккредитацию инспекционных органов. [51] [52] Благодаря этой стандартизации работа, выполняемая в лабораториях, аккредитованных подписавшими сторонами, автоматически признается на международном уровне через MRA. [53] Другая работа, выполняемая ILAC, включает продвижение аккредитации лабораторий и инспекционных органов и поддержку развития систем аккредитации в развивающихся экономиках. [53]
Объединенный комитет по руководствам по метрологии (JCGM) — это комитет, который создал и поддерживает два руководства по метрологии: Руководство по выражению неопределенности измерений (GUM) [54] и Международный словарь метрологии — основные и общие понятия и связанные с ними термины (VIM). [33] JCGM — это сотрудничество восьми организаций-партнеров: [55]
JCGM имеет две рабочие группы: JCGM-WG1 и JCGM-WG2. JCGM-WG1 отвечает за GUM, а JCGM-WG2 — за VIM. [56] Каждая организация-член назначает одного представителя и до двух экспертов для участия в каждом заседании и может назначить до трех экспертов для каждой рабочей группы. [55]
Национальная система измерений (NMS) представляет собой сеть лабораторий, калибровочных центров и органов аккредитации, которые внедряют и поддерживают измерительную инфраструктуру страны. [8] [9] NMS устанавливает стандарты измерений, обеспечивая точность, последовательность, сопоставимость и надежность измерений, проводимых в стране. [57] Измерения стран-членов Соглашения о взаимном признании CIPM (CIPM MRA), соглашения национальных метрологических институтов, признаются другими странами-членами. [2] По состоянию на март 2018 года CIPM MRA подписали 102 страны, в том числе 58 государств-членов, 40 ассоциированных государств и 4 международные организации. [58]
Роль национального метрологического института (НМИ) в системе измерений страны заключается в проведении научной метрологии, реализации основных единиц и поддержании первичных национальных эталонов. [2] НМИ обеспечивает прослеживаемость к международным эталонам для страны, закрепляя ее национальную иерархию калибровки. [2] Для того чтобы национальная система измерений была признана на международном уровне Соглашением о взаимном признании CIPM, НМИ должен участвовать в международных сравнениях своих измерительных возможностей. [9] BIPM ведет базу данных сравнений и список калибровочных и измерительных возможностей (CMC) стран, участвующих в CIPM MRA. [59] Не во всех странах есть централизованный метрологический институт; в некоторых есть ведущий НМИ и несколько децентрализованных институтов, специализирующихся на конкретных национальных эталонах. [2] Примерами НМИ являются Национальный институт стандартов и технологий (NIST) [60] в США, Национальный исследовательский совет (NRC) [61] в Канаде, Федеральное физико-техническое ведомство (PTB) в Германии [62] и Национальная физическая лаборатория (Великобритания) (NPL). [63]
Калибровочные лаборатории, как правило, отвечают за калибровку промышленных приборов. [9] Калибровочные лаборатории аккредитованы и предоставляют услуги калибровки промышленным фирмам, что обеспечивает прослеживаемость до национального метрологического института. Поскольку калибровочные лаборатории аккредитованы, они предоставляют компаниям прослеживаемость до национальных метрологических стандартов. [2]
Организация аккредитуется, когда авторитетный орган путем оценки персонала и систем управления организации определяет, что она компетентна предоставлять свои услуги. [9] Для международного признания орган аккредитации страны должен соответствовать международным требованиям и, как правило, является продуктом международного и регионального сотрудничества. [9] Лаборатория оценивается в соответствии с международными стандартами, такими как общие требования ISO/IEC 17025 к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий. [2] Для обеспечения объективной и технически достоверной аккредитации органы независимы от других учреждений национальной системы измерений. [9] Национальная ассоциация испытательных органов [64] в Австралии и Служба аккредитации Соединенного Королевства [65] являются примерами органов аккредитации.
Метрология оказывает широкое влияние на ряд секторов, включая экономику, энергетику, окружающую среду, здравоохранение, производство, промышленность и доверие потребителей. [10] [11] Влияние метрологии на торговлю и экономику является двумя из ее наиболее очевидных социальных воздействий. Для содействия справедливой и точной торговле между странами должна быть согласованная система измерений. [11] Точное измерение и регулирование воды, топлива, продуктов питания и электроэнергии имеют решающее значение для защиты потребителей и способствуют потоку товаров и услуг между торговыми партнерами. [66] Общая система измерений и стандарты качества приносят пользу потребителю и производителю; производство по общему стандарту снижает стоимость и риск для потребителя, гарантируя, что продукт соответствует потребностям потребителей. [11] Транзакционные издержки снижаются за счет увеличения экономии за счет масштаба . Несколько исследований показали, что повышение стандартизации в измерениях оказывает положительное влияние на ВВП . В Соединенном Королевстве, по оценкам, 28,4 процента роста ВВП с 1921 по 2013 год было результатом стандартизации; В Канаде в период с 1981 по 2004 год примерно девять процентов роста ВВП были связаны со стандартизацией, а в Германии ежегодная экономическая выгода от стандартизации оценивается в 0,72% ВВП. [11]
Законодательная метрология сократила количество несчастных случаев со смертельным исходом и травматизмом с помощью измерительных приборов, таких как радары и алкотестеры , за счет повышения их эффективности и надежности. [66] Измерение параметров человеческого тела является сложной задачей, с плохой повторяемостью и воспроизводимостью , и достижения в метрологии помогают разрабатывать новые методы для улучшения здравоохранения и сокращения расходов. [67] Экологическая политика основана на данных исследований, а точные измерения важны для оценки изменения климата и экологического регулирования. [68] Помимо регулирования, метрология имеет важное значение для поддержки инноваций, способность измерять обеспечивает техническую инфраструктуру и инструменты, которые затем могут использоваться для осуществления дальнейших инноваций. Предоставляя техническую платформу, на которой можно строить новые идеи, легко демонстрировать и делиться ими, стандарты измерений позволяют исследовать и расширять новые идеи. [11]
... любое применение метрологии может подпадать под сферу действия законодательной метрологии, если правила применимы ко всем методам и приборам измерений и, в частности, если контроль качества контролируется государством.
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )