Метрология – это научное исследование измерений . [1] Он устанавливает общее понимание единиц, имеющих решающее значение для связи человеческой деятельности. [2] Современная метрология уходит корнями в политическую мотивацию Французской революции к стандартизации единиц измерения во Франции, когда был предложен стандарт 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 разделена на три основных пересекающихся вида деятельности: [6] [7]
Эти пересекающиеся виды деятельности в разной степени используются в трех основных подобластях метрологии: [6]
В каждой стране существует национальная система измерений (НМС) в виде сети лабораторий, калибровочных центров и органов по аккредитации, которые реализуют и поддерживают ее метрологическую инфраструктуру. [8] [9] НМС влияет на то, как измерения проводятся в стране, и на их признание международным сообществом, что оказывает широкомасштабное влияние на 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 социальных последствий. Чтобы способствовать справедливой торговле, должна существовать согласованная система измерения. [11]
Способность проводить измерения в одиночку недостаточна; Стандартизация имеет решающее значение для того, чтобы измерения были значимыми. [12] Первая запись о постоянном стандарте была сделана в 2900 году до нашей эры, когда царский египетский локоть был вырезан из черного гранита . [12] Было постановлено, что локоть равен длине предплечья фараона плюс ширина его руки, а строителям были переданы точные копии эталонов. [3] Об успехе стандартизированной длины для строительства пирамид свидетельствует то, что длины их оснований различаются не более чем на 0,05 процента. [12]
В Китае меры веса и меры имели полурелигиозное значение, поскольку они использовались ремесленниками в различных ремеслах и в ритуальной утвари и упоминаются в книге обрядов вместе с безменными весами и другими инструментами. [13]
Другие цивилизации создали общепринятые стандарты измерения, а римская и греческая архитектура основывалась на различных системах измерения. [12] Распад империй и последовавшие за ним Темные века привели к утрате многих знаний в области измерений и стандартизации. Хотя местные системы измерения были распространены, их сопоставимость была затруднена, поскольку многие местные системы были несовместимы. [12] В 1196 году Англия учредила Ассизе мер для создания стандартов измерения длины, а в Великую хартию вольностей 1215 года был включен раздел для измерения вина и пива. [14]
Современная метрология уходит корнями во времена Французской революции . С политической мотивацией гармонизировать единицы измерения 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 конвенции было образовано Международное бюро мер и весов ( фр . Bureau International des Poids et Mesures , или BIPM) . [3] [4] Хотя первоначальной миссией МБМВ было создание международных стандартов единиц измерения и их соотнесение с национальными стандартами для обеспечения соответствия, сфера его деятельности 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 ( французский : 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] Он устанавливает общее понимание единиц, имеющих решающее значение для человеческой деятельности. [2] Метрология является обширной областью, но ее можно обобщить через три основных вида деятельности: определение международно признанных единиц измерения, реализация этих единиц измерения на практике и применение цепочек прослеживаемости (связывание измерений с эталонами). стандарты). [2] [6] Эти концепции в разной степени применимы к трем основным областям метрологии: научная метрология; прикладная, техническая или промышленная метрология и законодательная метрология. [6]
Научная метрология занимается установлением единиц измерения, разработкой новых методов измерения, реализацией эталонов измерений и передачей прослеживаемости этих эталонов пользователям в обществе. [2] [3] Этот тип метрологии считается высшим уровнем метрологии, который стремится к высочайшей степени точности. [2] МБМВ ведет базу данных метрологической калибровки и измерительных возможностей институтов по всему миру. Эти институты, деятельность которых подвергается экспертной оценке, обеспечивают фундаментальные ориентиры для метрологической прослеживаемости. В области измерений МБМВ определил девять областей метрологии: акустика, электричество и магнетизм, длина, масса и связанные с ними величины, фотометрия и радиометрия, ионизирующее излучение, время и частота, термометрия и химия. [16]
По состоянию на май 2019 года никакие физические объекты не определяют базовые единицы. [17] Мотивация изменения базовых единиц состоит 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 необходимы 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, благодаря разработке весов Киббла и проекта Авогадро , дала значение постоянной Планка с достаточно низкой неопределенностью, чтобы можно было переопределить килограмм. [18]
Прикладная, техническая или промышленная метрология занимается применением измерений в производственных и других процессах и их использованием в обществе, обеспечивая пригодность средств измерений, их калибровку и контроль качества. [2] Производство качественных измерений важно в промышленности, поскольку оно влияет на стоимость и качество конечного продукта, а также на 10–15% влияет на производственные затраты. [6] Хотя в этой области метрологии основное внимание уделяется самим измерениям, прослеживаемость калибровки измерительного прибора 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 требований законодательства и касается измерений, единиц измерения , средств измерений и методов измерения и осуществляется компетентными органами». [21] Такие законодательные требования могут возникать из необходимости защиты здоровья, общественной безопасности, окружающей среды, обеспечения возможности налогообложения, защиты потребителей и справедливой торговли. Международная организация законодательной метрологии ( МОЗМ ) была создана для оказания помощи в гармонизации правил через национальные границы, чтобы гарантировать, что юридические требования не препятствуют торговле. [22] Такая гармонизация гарантирует, что сертификация измерительных приборов в одной стране совместима с процессом сертификации в другой стране, что позволяет торговать измерительными приборами и продукцией, которая на них основана. WELMEC был создан в 1990 году для развития сотрудничества в области законодательной метрологии в Европейском Союзе и между государствами-членами Европейской ассоциации свободной торговли (ЕАСТ). [23] В Соединенных Штатах законодательная метрология находится в ведении Управления мер и весов Национального института стандартов и технологий (NIST), соблюдение которого осуществляется 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 строятся как произведения степеней семи основных единиц. [25] : 129
Поскольку базовые единицы являются эталонными точками для всех измерений, проводимых в единицах СИ, если эталонное значение изменится, все предыдущие измерения будут неверными. До 2019 года, если бы от международного прототипа килограмма отломили кусок, он все равно определялся бы как килограмм; все предыдущие измеренные значения килограмма были бы тяжелее. [3] Важность воспроизводимых единиц СИ побудила BIPM завершить задачу определения всех базовых единиц СИ с точки зрения физических констант . [26]
Определяя базовые единицы СИ относительно физических констант, а не артефактов или конкретных веществ, их можно реализовать с более высоким уровнем точности и воспроизводимости. [26] После переопределения единиц СИ 20 мая 2019 года килограмм , ампер , кельвин и моль определяются путем установки точных числовых значений постоянной Планка ( h ), элементарного электрического заряда ( e ), постоянной Больцмана. ( k ) и константа Авогадро ( NA ) соответственно. Секунда , метр и кандела ранее определялись с помощью физических констант ( цезиевого стандарта (Δ ν Cs ) , скорости света ( с ) и светосилы540 × 10 12 Гц видимое световое излучение ( К кд )), с учетом поправок к их нынешним определениям. Новые определения направлены на улучшение системы СИ без изменения размера каких-либо единиц, обеспечивая тем самым преемственность существующих измерений. [27] [25] : 123, 128
Реализация единицы измерения есть ее превращение в реальность . [28] Три возможных метода реализации определены в международном словаре метрологии (VIM): физическая реализация единицы измерения из ее определения, высоковоспроизводимое измерение как воспроизведение определения (например, квантовый эффект Холла для Ом ), а также использование материального объекта в качестве эталона измерения. [29]
Эталон (или эталон) — это объект, система или эксперимент с определенным отношением к единице измерения физической величины. [30] Стандарты являются фундаментальной основой для системы мер и весов, поскольку они реализуют, сохраняют или воспроизводят единицу измерения, с которой можно сравнивать измерительные приборы. [2] В иерархии метрологии существует три уровня стандартов: первичные, вторичные и рабочие стандарты. [20] Первичные стандарты (самого высокого качества) не ссылаются ни на какие другие стандарты. Вторичные стандарты калибруются по первичному стандарту. Рабочие эталоны, используемые для калибровки (или проверки) средств измерений или других материальных мер, калибруются по вторичным эталонам. Иерархия сохраняет качество более высоких стандартов. [20] Примером стандарта могут служить меры длины. Мерный блок представляет собой блок из металла или керамики с двумя противоположными сторонами, отшлифованными ровно и параллельно, на точном расстоянии друг от друга. [31] Длина пути света в вакууме за интервал времени 1/299 792 458 секунды воплощена в эталоне артефакта, таком как измерительный блок; этот измерительный блок затем является первичным эталоном, который можно использовать для калибровки вторичных эталонов с помощью механических компараторов. [32]
Метрологическая прослеживаемость определяется как «свойство результата измерения, при котором результат может быть связан с эталоном через документированную непрерывную цепочку калибровок, каждая из которых вносит свой вклад в неопределенность измерения». [33] Он позволяет сравнивать измерения независимо от того, сравнивается ли результат с предыдущим результатом в той же лаборатории, с результатом измерения годичной давности или с результатом измерения, выполненного где-либо еще в мире. [34] Цепочка прослеживаемости позволяет ссылаться на любое измерение на более высокие уровни измерений, обратно к исходному определению единицы. [2]
Прослеживаемость чаще всего достигается путем калибровки , устанавливающей взаимосвязь между показаниями измерительного прибора (или вторичного эталона) и значением стандарта. Калибровка — это операция, которая устанавливает связь между эталоном измерения с известной неопределенностью измерения и оцениваемым устройством. Этот процесс определит значение измерения и неопределенность калибруемого устройства и создаст связь с эталоном измерения. [33] Четырьмя основными причинами калибровки являются обеспечение прослеживаемости, обеспечение соответствия прибора (или эталона) другим измерениям, определение точности и установление надежности. [2] Прослеживаемость работает в виде пирамиды: на верхнем уровне находятся международные стандарты, на следующем уровне национальные метрологические институты калибруют первичные эталоны посредством реализации единиц, создавая связь прослеживаемости из первичного эталона и определения единицы. [34] Посредством последующих калибровок между национальными метрологическими институтами, калибровочными лабораториями, а также промышленными и испытательными лабораториями реализация определения единицы распространяется вниз по пирамиде. [34] Цепочка прослеживаемости работает вверх от нижней части пирамиды, где измерения, проводимые промышленными и испытательными лабораториями, могут быть напрямую связаны с определением единицы измерения наверху через цепочку прослеживаемости, созданную калибровкой. [3]
Неопределенность измерения — это величина, связанная с измерением, которая 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 измеренное значение, а уровень достоверности — это то, насколько вероятно, что истинное значение попадет в интервал неопределенности. Неопределенность обычно выражается следующим образом: [2]
Где y — значение измерения, U — значение неопределенности, а k — коэффициент охвата, [a] указывает доверительный интервал. Верхний и нижний предел интервала неопределенности можно определить путем сложения и вычитания значения неопределенности из значения измерения. Коэффициент охвата k = 2 обычно указывает на 95%-ную уверенность в том, что измеренное значение попадет в интервал неопределенности. [2] Другие значения k могут использоваться для указания большей или меньшей достоверности интервала, например k = 1 и k = 3 обычно указывают на 66% и 99,7% достоверности соответственно. [36] Значение неопределенности определяется путем сочетания статистического анализа калибровки и вклада в неопределенность, обусловленного другими ошибками в процессе измерения, которые можно оценить на основе 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 мер и весов (CGPM), предоставила форум представителям государств-членов. Второй, Международный комитет мер и весов (CIPM), был консультативным комитетом метрологов высокого уровня. Третье, Международное бюро мер и весов (BIPM), предоставило секретарские и лабораторные помещения для CGPM и CIPM. [37]
Генеральная конференция по мерам и весам ( французский : 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 от 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 конференции было проведено голосование по новому определению четырех базовых единиц, которое Международный комитет мер и весов (CIPM) предложил ранее в том же году. [39] Новые определения вступили в силу 20 мая 2019 года. [40] [41]
Международный комитет мер и весов ( французский : Comité International des Poids et Mesures , или CIPM) состоит из восемнадцати (первоначально четырнадцати) [42] лиц из государства-члена с высоким научным авторитетом, назначенных CGPM для консультирования CGPM. по административным и техническим вопросам. Он отвечает за десять консультативных комитетов (КС), каждый из которых исследует отдельный аспект метрологии; в одном CC обсуждается измерение температуры, в другом — измерение массы и т. д. CIPM ежегодно собирается в Севре для обсуждения отчетов CC, представления ежегодного отчета правительствам стран-членов об управлении и финансах BIPM, а также для консультирования CGPM по техническим вопросам, если это необходимо. Каждый член CIPM представляет разные страны-члены, при этом Франция (в знак признания ее роли в создании конвенции) всегда имеет одно место. [43] [44]
Международное бюро мер и весов ( французское : 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 в себе секретариат организаций и проводит их заседания. [45] [46] На протяжении многих лет прототипы метра и килограмма были возвращены 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 ( французский язык : Organization Internationale de Métrologie Légale , или OIML) — межправительственная организация, созданная в 1955 году для содействия глобальной гармонизации процедур законодательной метрологии, облегчающей международную торговлю. [48] Такая гармонизация технических требований, процедур испытаний и форматов отчетов об испытаниях обеспечивает уверенность в измерениях для торговли и снижает затраты, связанные с расхождениями и дублированием измерений. [49] МОЗМ публикует ряд международных отчетов в четырех категориях: [49]
Хотя МОЗМ не имеет юридических полномочий навязывать свои рекомендации и руководящие принципы своим странам-членам, она обеспечивает стандартизированную правовую основу для этих стран, чтобы помочь в разработке соответствующего гармонизированного законодательства по сертификации и калибровке. [49] МОЗМ обеспечивает соглашение о взаимной приемке (MAA) для средств измерений, подлежащих законодательному метрологическому контролю, которое после утверждения позволяет принимать отчеты об оценке и испытаниях средств измерений во всех странах-участницах. [50] Участники соглашения, выдающие сертификаты MAA, выдают отчеты об оценке типа MAA после демонстрации соответствия стандарту 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 продукцией, которая на них основана.
Международное сотрудничество по аккредитации лабораторий (ILAC) — это международная организация агентств по аккредитации, занимающихся сертификацией органов по оценке соответствия. [51] Он стандартизирует практику и процедуры аккредитации, признавая компетентные калибровочные центры и помогая странам создавать свои собственные органы по аккредитации. [2] ILAC первоначально начиналась как конференция в 1977 году с целью развития международного сотрудничества в области аккредитованных результатов тестирования и калибровки для облегчения торговли. [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 за счет включения аккредитации проверяющих органов. [51] [52] Благодаря этой стандартизации работа, выполняемая в лабораториях, аккредитованных подписавшими сторонами, автоматически признается на международном уровне через MRA. [53] Другая работа, проделанная ILAC, включает продвижение аккредитации лабораторий и инспекционных органов, а также поддержку развития систем аккредитации в развивающихся странах. [53]
Объединенный комитет руководств по метрологии (JCGM) – это комитет, который создал и поддерживает два руководства по метрологии: « Руководство по выражению неопределенности в измерениях» (GUM) [54] и «Международный словарь метрологии – основные и общие понятия и связанные с ними термины» (VIM). ). [33] JCGM представляет собой сотрудничество восьми партнерских организаций: [55]
JCGM состоит из двух рабочих групп: JCGM-WG1 и JCGM-WG2. JCGM-WG1 отвечает за GUM, а JCGM-WG2 — за VIM. [56] Каждая членская организация назначает одного представителя и до двух экспертов для участия в каждом заседании и может назначить до трех экспертов для каждой рабочей группы. [55]
Национальная измерительная система (НМС) – это сеть лабораторий, калибровочных центров и органов по аккредитации, которые внедряют и поддерживают измерительную инфраструктуру страны. [8] [9] НМС 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 международных организации. [58]
Роль национального метрологического института (НМИ) в системе измерений страны заключается в проведении научной метрологии, реализации базовых единиц и поддержании первичных национальных эталонов. [2] НМИ обеспечивает прослеживаемость по международным стандартам страны, закрепляя ее национальную иерархию калибровки. [2] Чтобы национальная система измерений была признана на международном уровне Соглашением о взаимном признании CIPM, НМИ должен участвовать в международных сравнениях своих измерительных возможностей. [9] МБМВ 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 стандартах. [2] Некоторыми примерами НМИ являются Национальный институт стандартов и технологий (NIST) [60] в США, Национальный исследовательский совет (NRC) [61] в Канаде, Физико-технический Bundesanstalt (PTB) в Германии, [62] и Национальной физической лаборатории (Великобритания) (NPL). [63]
Калибровочные лаборатории обычно несут ответственность за калибровку промышленного оборудования. [9] Калибровочные лаборатории аккредитованы и предоставляют услуги по калибровке отраслевым фирмам, что обеспечивает обратную связь с национальным метрологическим институтом. Поскольку калибровочные лаборатории аккредитованы, они дают компаниям ссылку на национальные метрологические стандарты. [2]
Организация считается аккредитованной, когда авторитетный орган путем оценки персонала и систем управления организации определяет, что она компетентна предоставлять свои услуги. [9] Для международного признания орган по 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] Чтобы обеспечить объективную и технически надежную аккредитацию, органы независимы от других учреждений национальной системы измерений. [9] Национальная ассоциация органов по тестированию [64] в Австралии и Служба аккредитации Соединенного Королевства [65] являются примерами органов по аккредитации.
Метрология оказывает широкомасштабное влияние на ряд секторов, включая экономику, энергетику, окружающую среду, здравоохранение, производство, промышленность и доверие потребителей. [10] [11] Влияние метрологии на торговлю и экономику – два наиболее очевидных социальных воздействия. Чтобы способствовать справедливой и точной торговле между странами, должна существовать согласованная система измерения. [11] Точное измерение и регулирование потребления воды, топлива, продуктов питания и электроэнергии имеют решающее значение для защиты потребителей и способствуют потоку товаров и услуг между торговыми партнерами. [66] Общая система измерения и стандарты качества приносят пользу потребителю и производителю; производство по единому стандарту снижает затраты и потребительский риск, гарантируя, что продукт отвечает потребностям потребителей. [11] Транзакционные издержки снижаются за счет увеличения эффекта масштаба . Несколько исследований показали, что усиление стандартизации измерений оказывает положительное влияние на ВВП . В Соединенном Королевстве примерно 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 было связано со стандартизацией, а в Германии годовая экономическая выгода от стандартизации составляет примерно 0,72% ВВП. [11]
Законодательная метрология снизила количество несчастных случаев и травм при использовании измерительных приборов, таких как радары и алкотестеры , за счет повышения их эффективности и надежности. [66] Измерение человеческого тела является сложной задачей, с плохой повторяемостью и воспроизводимостью , а достижения в метрологии помогают разрабатывать новые методы для улучшения здравоохранения и снижения затрат. [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 проводить измерения обеспечивает техническую инфраструктуру и инструменты, которые затем можно использовать для реализации дальнейших инноваций. Предоставляя техническую платформу, на которой можно строить, легко демонстрировать и распространять новые идеи, стандарты измерений позволяют исследовать и расширять новые идеи. [11]
... любое применение метрологии может подпадать под сферу законодательной метрологии, если правила применимы ко всем методам и приборам измерений и, в частности, если контроль качества контролируется государством.
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )