Теоретична і прикладна метрологія

Конспект лекцій за темою

„Теоретична і прикладна метрологія”

Зміст

1. Вступ

1.1 Мотиви винаходу та застосування засобів вимірювальної техніки.

1.2 Концептуальні підходи до створення еталонів фізичних величин.

1.3 Зв'язок метрології з іншими науками.

2. Міжнародне співробітництво у сфері метрології

3. Освітянська діяльність у сфері метрології.

4. Роль вимірювань у розвитку гуманітарних наук

4.1 Вимірювання якості (кваліметрія).

4.2 Вимірювання інформації.

4.3 Вимірювання у медицині.

4.4 Вимірювання у педагогіці.

4.5 Вимірювання у юриспруденції.

4.6 Вимірювання у економіці.

4.7 Вимірювання у соціології

4.8 Вимірювання у історії

4.9 Вимірювання у спорті

4.10 Вимірювання у мистецтві.

Заключні положення

1. Вступ

Починаючи новий предмет традиційно ми маємо с перших кроків визначитися з його місцем та призначенням у багатогранній діяльності людини. І це нам допоможе зробити аналіз визначень, що таке є метрологія.

Офіційне: метрологія - це наука про вимірювання (Vocabulary International in Metrology)

Розгорнуте: метрологія - це наука про вимірювання, методи і засоби забезпечення їх єдності та способи досягнення потрібної точності.

Єдність вимірювань – це стан вимірювань, коли їх результати виражені в узаконених одиницях, а похибки відомі.

Точність – близькість результату вимірювання до істинного значення величини.

Наочне: метрологія - це діяльність, пов'язана з вимірюваннями.

Види діяльності:

Партійна фракція депутатів Верховної Ради вносить зміни до Закону України "Про метрологію та метрологічну діяльність" - політична, законотворча.

Вчений-зберігач проводить звірення національного еталону України з національним еталоном іншої країни - наукова, міжнародна

Робітник вимірює розміри деталі, що обробляється на верстаті - виробнича, прикладна

Хазяйка готує святковий торт та відміряє складові за рецептом – побутова

Продавець на ринку підпилює гирю - кримінальна

Пішохід переходить вулицю в забороненому місці та оцінює швидкість автомобіля, що наближається – повсякденна, підпадає під дію кодексу про адміністративні правопорушення.

Мета курсу – довести до слухачів історію виникнення вимірювань, основні поняття метрології та її місце у суспільному житті.

Метрологія відповідає на вічне питання - Скільки?

1.1 Мотиви винаходу та застосування засобів вимірювальної техніки

Людина народжується для вимірювань. Вимірювання є одним із засобів виживання людини, Вона саме є вимірювальним приладом, використовуючи для цього п'ять своїх природних органів чуття - зір, слух, смак, нюх, дотик. (довжину, масу, кут, час, температуру, силу світла, швидкість та напрям тощо).Натуральне кустарне виробництво.

Примітивні поняття о відносних шкалах та мірах.

"На око" - найстаріший універсальний метод вимірювання.

Хоча й на разі органолептичні методи вимірювання широко застосовуються, особливо у галузі контролю якості продуктів харчування.

Далі - поява виробництва та торгівлі. Натуральний обмін, поява грошей (одиниця еквівалентної вартості товару), оцінка кількості товару – ваги, гирі, міри довжини і місткості. Щоб торгівля здійснювалась без обману - інститути повірників на наглядачів. Агірономи та агіропрати (древня Греція).

Самим сильним почуттям людини є жадібність.

Еталони – церква (віра, гріх) пізніше - монетні двори (точність, жорсткий нагляд).

Біблія:

„Неверные весы - мерзость пред Господом, но правильный вес угоден Ему.”

„Да будут у вас весы верные, гири верные, ефа верная и гин верный.”

1.2 Концептуальні підходи

Задача - де, у чому шукати міру, еталон?

Використовуючи самого себе - пальці, руки, ноги, зріст тощо.

1.У самій людині містяться одиниці довжини (лікоть, дюйм, п'ядь, фут, сажень тощо).

2. У світі, у якому живемо. Земний меридіан, період обертання Землі навколо Сонця.

3. Універсальні світові константи.

Еталон – ЗВТ, що забезпечую відтворення та (або) зберігання одиниці та передавання її розміру іншим ЗВТ.

1.3 Зв'язок метрології з іншими науками

Основою класичної метрології є фізика і сама метрологія по суті є прикладною галуззю фізики. Всі засоби вимірювальної техніки представляють собою матеріальні об'єкти та використовують у якості основи методу вимірювання ті чи інші фізичні закони, явища та ефекти.

Математика знайшла своє застосування в метрології при розробці теорії і методів статистичної обробки результатів вимірювання та теорії похибок вимірювання.

Решта наук та дисциплін здебільш лише використовують методологію та матеріальну базу метрології для вирішення власних вимірювальних задач.

Сучасна метрологія складається з трьох основних підрозділів:

- наукова (теоретична) метрологія

- прикладна (практична) метрологія

- законодавча метрологія

Міжнародна система одиниць SI

1. Метрична.

2. Когерентна.

Існує сім основних одиниць фізичних величин, які взагалі описують метрологічну картину матеріального світу. Метр, кілограм, секунда, кельвін, ампер, кандела та моль. Решта - похідні.

Система SI народилася у надрах Французької революції і в неї закладена колективна ідеологія. „Для всіх народів, на всі часи”.

Всі ЗВТ умовно розподілені на дванадцять видів:

01 - вимірювання геометричних величин;

02 - вимірювання механічних величин;

03 - вимірювання параметрів потоку, витрати, рівня та об'єму речовин;

04 - вимірювання тиску, вакуумні вимірювання;

05 - вимірювання фізико-хімічного складу та властивостей речовин;

06 - температурні та теплофізичні вимірювання;

07 - вимірювання часу та частоти;

08 - електричні і магнітні вимірювання:

09 - радіотехнічні і радіоелектронні вимірювання;

10 - вимірювання акустичних величин;

11 - оптико-фізичні вимірювання;

12 - вимірювання характеристик іонізуючих випромінювань та ядерних констант.

Основними задачами наукової метрології є:

- розробка теоретичних основ метрології;

- розробка та вдосконалення методів відтворення одиниць фізичних величин та передавання їх розмірів;

- розробка та зберігання еталонів фізичних величин.

Основне рівняння вимірювання:

Х = кх_о+Δ

де Х – істинне значення вимірюваної величини; х_о – одиниця вимірювання; к – кількість одиниць вимірювання, що відповідає значенню вимірюваної величини; Δ – похибка (невизначеність) вимірювання - міра недосконалості вимірювання.

Признак науки – те, що вона оперує з абстракціями.

Математика – точка, лінія, нескінченість.

Фізика – ідеальний газ, абсолютно чорне тіло.

Метрологія – істинне значення вимірюваної величини.

Одиниця вимірювання – величина певного розміру, прийнята за угодою для кількісного відображення однорідних з нею величин. Розмірність

Похибка вимірювання – різниця між результатом вимірювання та істинним значення вимірюваної величини.

Невизначеність вимірювання – параметр, що характеризує розсіяння значень, які можна приписати вимірюваній величині.

Шкала – послідовність значень величини, які присвоєні цим величинам відповідно до узгоджених правил. Шкали найменувань, порядку, відношення.

Найменувань – класифікація тварин, рослин, груп крові, смак тощо. Робиться оцінка еквівалентності.

Порядку – рівень знань, рівень майстерності спортсменів, інтенсивність землетрусу тощо

Умовні числа, бали. Визначається не тільки еквівалентність, але і зростання чи зменшення.

Відношення - температура, інтервали часу, довжини тощо. Вимірюються інтервальні скалярні величини. Має іменовану одиницю вимірювання (або умовну) та нуль шкали. Може мати реперні точки. Позитивні та негативні значення.

Методи вимірювання – прямі, опосередковані; зіставлення, протиставлення, порівняння з мірою, компенсаційні, накладання.

Основними задачами прикладної метрології є:

- розробка та виробництво засобів вимірювальної техніки (ЗВТ);

- застосування ЗВТ;

- повірка (калібрування, атестація, випробування) ЗВТ;

- розробка методик виконання вимірювання.

Тенденції – виключення присутності людини при реалізації процесу вимірювання. Ворог №1 точних вимірювань – людина.

Ваги рівноплечі (накладання гир) –шкальні нерівноплечі – шкальні квадрантні - тензоваги – автоматичні чекодрукуючі ваги

Загальні тенденції у приладобудуванні:

Мініатюрізація сенсорів на базі нанотехнологій

Перехід з аналогових на цифрові технології оброблення вимірювальної інформації.

Самодіагностування, індикація нештатних ситуацій

Збереження архівів результатів вимірювання та нештатних ситуацій.

Передача вимірювальної інформації на великі відстані.

Інтеграція ЗВТ у вимірювально-інформаційні системи.

Захист від несанкціонованого втручання.

Екологічність (електромагнітна сумісність, утилізація тощо).

Директива Євросоюзу МІД 22

Основними задачами законодавчої метрології є:

- розробка та впровадження нормі правил у сфері метрології;

- дозвільна діяльність у сфері метрології;

- наглядова діяльність у сфері метрології.

Закон України „Про метрологію та метрологічну діяльність”

Стаття 20. Сфера державного метрологічного контролю і нагляду

Державний метрологічний контроль і нагляд стосовно засобів вимірювальної техніки та методик виконання вимірювань поширюється на вимірювання, результати яких використовуються під час:

- робіт із забезпечення охорони здоров'я;

- робіт із забезпечення захисту життя та здоров'я громадян;

- контролю якості та безпеки продуктів харчування і лікарських засобів;

- контролю стану навколишнього природного середовища;

- контролю безпеки умов праці;

- геодезичних і гідрометеорологічних робіт;

- торговельно-комерційних операцій і розрахунків між покупцем (споживачем) і продавцем (постачальником, виробником, виконавцем), у тому числі у сферах побутових і комунальних послуг, телекомунікаційних послуг і послуг поштового зв'язку;

- податкових, банківських і митних операцій;

- обліку енергетичних і матеріальних ресурсів (електричної і теплової енергії, газу, води, нафтопродуктів тощо), за винятком внутрішнього обліку, який ведеться підприємствами, організаціями та фізичними особами - суб'єктами підприємницької діяльності;

- робіт, пов'язаних з державною реєстрацією земельних ділянок і нерухомого майна;

- робіт із забезпечення технічного захисту інформації, необхідність якого визначена законодавством;

- робіт, що виконуються за дорученням органів прокуратури та правосуддя;

- робіт з оцінки відповідності продукції, процесів, послуг;

- реєстрації національних і міжнародних спортивних рекордів.

Метрологічна служба країни складається з:

- національного органу з метрології (Держспоживстандарт України);

- національних метрологічних інститутів (ННЦ "Інститут метрології");

- метрологічних служб міністерств та відомств;

- територіальних національних органів;

- метрологічних служб підприємств та організацій;

- суб'єктів підприємницької діяльності у сфері метрології.

2. Міжнародне співробітництво у сфері метрології

Міжнародні та регіональні метрологічні організації:

Генеральна конференція з мір та ваг (CGPM) - вищий орган світу з питань встановлення одиниць вимірювання, їх визначення і методів відтворення за допомогою еталонів. (Скликається не рідше, ніж один раз за 6 років). Постійний орган - CIMP (Міжнародний комітет з мір та ваг -18 кращих вчених-метрологів). BIMP (Міжнародне бюро мір та ваг) - зберігаються світові еталони основних одиниць системи SI.

OIML, IMECO.

Регіональні: EUROMET, COOMET, МТКМ (для країн СНД).

SIM, NORAMET - Америка. APLMF - Азія та Тихий океан, SADCMET - Африка.

Звіряння еталонів, взаємне визнання сертифікатів повірки та випробування ЗВТ.

3. Освітянська діяльність у сфері метрології.

Одеський технікум вимірювань (з минулого року - інститут).

Кафедри та факультети у вузах, курси підвищення кваліфікації (УкрНДНЦ, колишній ВІСМ).

Журнали "Український метрологічний журнал", "Метрологія та прилади" тощо.

4. Роль вимірювань у розвитку гуманітарних наук

Розвиток суспільства призвів до перегляду ролі вимірювань та підвищення їх значущості та застосування.

4.1 Вимірювання якості (кваліметрія)

Вартість товару чи послуги обумовлюється його кількістю та якістю.

Захист прав споживачів стає однією з основних державних функцій у передових країнах.

Кваліметрія - вимірювання (визначення) якості товарів та послуг.

4.2 Вимірювання у медицині

Найважливіша сфера інтересів людини та держави - охорона здоров'я. Вимірювання показників фізіологічного стану людини при діагностуванні хвороби - є життєво важливою задачею.

- антропометрія;

- контроль фізіологічних процесів;

- контроль імунної системи;

- контроль психічного стану;

- інше

4.3 Вимірювання інформації

Одиниця кількості інформації – байт. 1 байт=8 біт. 1 біт – сукупність логічного 0 та 1.

На фізичному рівні цифрової техніки логічному нулю відповідає електричний імпульс з амплітудою менше 1В, а одиниці – кілька вольт.

Платня:

- за час з’єднання;

- за кількість переданої інформації;

- за швидкість при безлімітному трафіку.

Відповідає уявленню про людину.

Історично це можна розподілити так:

1. Фізичне тіло

2. Біологічний об’єкт

3. Соціальний об’єкт

4. Інформаційний об’єкт

4.4 Вимірювання у педагогіці

Вимірювання (оцінювання) рівня знань та умінь людини, що опановує певний навчальний курс. Мається шкала. МВВ, ЗВТ (екзаменатор), та похибки (випадкові та систематичні).

4.5 Вимірювання у юриспруденції

Вимірювання (оцінювання) рівня провини та визначення відповідного покарання за злочин. Мається шкала та МВВ (Кодекси). Мається процедура. Слідство, речові докази, свідки, адвокат-прокурор-суд. Феміду зображали із рівноплечими вагами в руці за із зав’язаними очима, що мало доводити її об’єктивність (відсутність систематичних похибок).

Одна з найкраще теоретично та практично розроблених МВВ. В одній руці ЗВТ, в іншій – МВВ та пов’язка на очах щоб систематичні похибки не спотворювали результат вимірювання.

4.6 Вимірювання у економіці

Одиниця вимірювання еквіваленту вартості – грошова. Є шкала, є еталон – долар США, євро. Але – нестабільні. Золото, срібло. Голова Нацбанку України по суті є вчений-зберігач грошової одиниці - гривні, підтримуючи стабільним її курс по відношенню до міжнародного еталону грошової одиниці – долару США.

Вимірювання економічного стану підприємства. Вимірювання стану та динаміки розвитку ринку певних товарів чи послуг. Вимірювання стану та динаміки розвитку ринку цінних паперів, праці, фінансів тощо. Вимірювання інвестиційного ризику, ефективності виробництва певної продукції. Нова дисципліна – економетрія.

4.7 Вимірювання у соціології

Методи вимірювання суспільної думки з певних питань.

Нова дисципліна – соціометрія.

Вимірювальна проблема вільного волевиявлення громадян при проведенні виборів членів парламенту та президента країни, прийняття колегіальних рішень.

Приклад – система „Рада”. ЗВТ та МВВ виявилися недосконалими, з можливістю несанкціонованого доступу та фальсифікації результатів голосування.

4.8 Вимірювання у історії

Точний, об’єктивний аналіз, інтерпретація історичних фактів – це взагалі кричуща проблема сьогодення. Процес вимірювання історичної правди на протязі останніх десятиріч підлягає такому потужному політичному тиску, що результат містить величезні систематичні похибки, причому різних знаків та кольорів.

Універсальний та дуже приблизний метод обробки результатів історичних вимірювань - правда лежить десь посередині. Вислухати всі протилежні думки та усереднити.

Ізотопний аналіз вуглецю-12. Жак Ів Кусто (тавро на гирі).

4.9 Вимірювання у спорті

Хто сильніший, швидший, вищій, кращій.

Час, відстань, висота, вага – за допомогою ЗВТ, методів відео та фото фінішу.

Складніше у ігрових видах спорту. Суддівські помилки, договірні матчі.

Ще складніше – у спортивно-мистецьких видах (художня гімнастика, фігурне катання тощо) Безліч правил – по суті МВВ. Але головна проблема, головне джерело систематичних похибок – проблема суддівства. Споріднено з юриспруденцією. Принцип колегіальності суддівства у деяких видах спорту.

4.10 Вимірювання у мистецтві

Музика, Поезія, Танок, Образотворче мистецтво.

Мають таки метрологічні поняття, як ритм, метр, розмір, перспектива, пропорції.

Вимірювання та знаходження (відображення) ГАРМОНІЇ, КРАСОТИ.

90-60-90, тестостерон, Міс Всесвіт. – жіноча красота.

Експерти. Вартість цього твору оцінена у ХХХХХХ доларів, а вартість того взагалі неоціненна.

Дехто вважає, що універсальна одиниця вимірювання всього у світі є гроші.

Майбутній володар світу - джип – швидкість – дерево – мішок з г... та кістками. Закон фізики.

Король Георг V. У 35 років практично володар світу (Англії та Франції). Несвіжа вода – дизентерія – смерть. Закон біології.

Закони природи вищі законів людини. Закони людини можна переписати за гроші. Закони природи – ні. Їм можна лише слідувати, враховувати їх. Їх можна відкривати та вивчати.

Але змінити – неможливо.

В цьому випадку метрологія бере на себе надважливу функцію сьогодення - бути регулятором та індикатором людських зазіхань, бажань, прагнень.

6. Висновки

„Ми не помічаємо метрологію як повітря, яким дихаємо” (Д.І.Менделєєв)

Література

1. Боженко Л. І.. Стандартизація, метрологія та кваліметрія у машинобудуванні: Навчальний посібник. — Л. : Світ, 2003. — 328с.

2. Дегтярев А.А., Летягин В.А., Погалов А.И., Угольников С.В. Метрология: Учебное пособие для вузов /Под редакцией А.А.Дегтярева – М.: Академический проект, 2006.- 256с.

3. Сарафанова Е.В. Метрология, стандартизация и сертификация: Учебное пособие.-М.: Издательство РИОР, 2005.-96с.

4. Шишкин И.Ф. Теоретическая метрология: Учебник для вузов. - М.: Изд-во стандартов, 1991.-492с.

5. Бурдун Г.Д., Марков Б.Н. Основы метрологии: Учебное пособие для вузов. Издание второе, дополненное. М., Издательство стандартов, 1975, 1-336с.