Кіріспе
Өлшем ғылымы және оның қолданылуы
Метрология – өлшем туралы ғылыми зерттеу. Ол адам қызметін байланыстыратын бірліктер туралы ортақ түсінікті қалыптастырады. Метрология үш негізгі, бірін-бірі толықтыратын қызметке бөлінеді:
Өлшем бірліктерін анықтау
Осы өлшем бірліктерін іс жүзінде іске асыру
Трассабильность – практикада жасалған өлшемдерді эталондық стандарттармен байланыстыру.
Бұл бір-бірімен толықтыратын қызметтер метрологияның үш негізгі саласында әртүрлі дәрежеде қолданылады: Тұрақты стандарттың алғашқы жазбасы б.з. дейін 2900 жылы, Мысырдың патшалық шынтағы қара граниттен жасалған кезде болды. Басқа өркениеттер де жалпы қабылданған өлшем стандарттарын жасады, ал римдік және грек архитектурасы өлшемдердің әртүрлі жүйелеріне негізделген. Қазіргі метрологияның тамыры Француз революциясына дейін жетеді. Франция бойынша бірліктерді үйлестіруге бағытталған саяси мақсатпен табиғи көзден алынған ұзындық стандарты ұсынылды. Бұл 1795 жылы ондық негіздегі метрикалық жүйені құруға әкелді, ол басқа өлшемдер үшін де стандарттарды белгіледі. 1795 жыл мен 1875 жыл аралығында бірнеше ел метрикалық жүйені қабылдады. Халықаралық үйлесімділікті қамтамасыз ету үшін Метр конвенциясы бойынша Халықаралық салмақтар мен өлшемдер бюросы (БИМБ) құрылды. Ол адам қызметі үшін маңызды бірліктер туралы ортақ түсінікті қалыптастырады. Метрология – кең ауқымды сала, бірақ оны үш негізгі қызмет арқылы сипаттауға болады: халықаралық деңгейде қабылданған өлшем бірліктерін анықтау, осы өлшем бірліктерін іс жүзінде іске асыру және іздену тізбегін қолдану (өлшемдерді эталондық стандарттармен байланыстыру). 2019 жылдың мамыр айына дейін негізгі бірліктерді анықтайтын физикалық объектілер болған жоқ. Негізгі бірліктерді өзгертудің мақсаты – жүйенің барлығын физикалық тұрақтылардан шығару болып табылады, бұл прототиптік килограмды алып тастауды қажет етті, себебі ол бірлік анықтамаларына тәуелді болатын соңғы артефакт еді. Бірліктерді қайта анықтауда ғылыми метрология маңызды рөл атқарады, өйткені негізгі бірліктердің нақты анықтамаларын алу үшін физикалық тұрақтылардың дәл өлшемдері қажет. Артефактсыз килограмның мәнін қайта анықтау үшін Планк тұрақтысының мәнін миллиардтан жиырма бөліктен білу керек. Киббл теңгерімі мен Авогадро жобасы арқылы ғылыми метрология Планк тұрақтысының килограмды қайта анықтауға мүмкіндік беретін жеткілікті төмен белгісіздікпен мәнін анықтады. Мұндай заңдық талаптар денсаулықты, қоғамдық қауіпсіздікті, қоршаған ортаны қорғау, салық салуды, тұтынушыларды қорғау және әділ сауданы қамтамасыз ету қажеттілігінен туындауы мүмкін. Халықаралық құқықтық метрология ұйымы (OIML) сауда-саттықты тежемеу үшін ұлттық шекаралардағы ережелерді үйлестіруге көмектесу үшін құрылды. Бұл үйлестіру бір елдегі өлшеу құралдарын сертификаттаудың басқа елдегі сертификаттау процесімен үйлесімділігін қамтамасыз етеді, осылайша өлшеу құралдарын және оларға негізделген өнімдерді саудалауға мүмкіндік береді. WELMEC 1990 жылы Еуропалық Одақта және Еуропалық еркін сауда қауымдастығына (ЕАЭО) мүше мемлекеттер арасында заңды метрология саласындағы ынтымақтастықты дамыту үшін құрылды. АҚШ-та заңды метрология Ұлттық стандарттар және технология институтының (NIST) салмақтар мен өлшемдер кеңсесінің бақылауында, оны жеке штаттар жүзеге асырады. Конвенция бойынша, осы бірліктердің әрқайсысы өзара тәуелсіз болып саналады және оларды анықтайтын тұрақтылардан тікелей құрастыруға болады. Барлық басқа SI бірліктері жеті негізгі бірліктің дәрежелерінің көбейтіндісі ретінде құрастырылады. Қайталанатын SI бірліктерінің маңыздылығы BIPM-ге барлық SI негізгі бірліктерін физикалық тұрақтылар тұрғысынан анықтау міндетін аяқтауға мүмкіндік берді. Физикалық тұрақтыларға қатысты емес, артефактілерге немесе нақты заттарға қатысты SI негізгі бірліктерін анықтау арқылы оларды жоғары дәлдікпен және қайталамалылықпен іске асыруға болады. Халықаралық метрология сөздігінде (VIM) үш мүмкін іске асыру әдісі анықталған: бірліктің оның анықтамасынан физикалық іске асырылуы, анықтаманы қайта жаңғырту ретінде жоғары қайталамалы өлшеу (мысалы, ом үшін кванттық Холл эффектісі) және өлшем стандарты ретінде материалдық затты пайдалану.
The definition of units of measurement
The realisation of these units of measurement in practice
Traceability—linking measurements made in practice to the reference standards
These overlapping activities are used in varying degrees by the three basic sub fields of metrology: The first record of a permanent standard was in 2900 BC, when the royal Egyptian cubit was carved from black granite. Other civilizations produced generally accepted measurement standards, with Roman and Greek architecture based on distinct systems of measurement. Modern metrology has its roots in the French Revolution. With a political motivation to harmonise units throughout France, a length standard based on a natural source was proposed. This led to the creation of the decimal based metric system in 1795, establishing standards for other types of measurements. Several other countries adopted the metric system between 1795 and 1875; to ensure international conformity, the International Bureau of Weights and Measures (, or BIPM) was formed by the Metre Convention. It establishes a common understanding of units, crucial to human activity. Metrology is a wide reaching field, but can be summarized through three basic activities: the definition of internationally accepted units of measurement, the realisation of these units of measurement in practice, and the application of chains of traceability (linking measurements to reference standards). As of May 2019 no physical objects define the base units. The motivation in the change of the base units is to make the entire system derivable from physical constants, which required the removal of the prototype kilogram as it is the last artefact the unit definitions depend on. Scientific metrology plays an important role in this redefinition of the units as precise measurements of the physical constants is required to have accurate definitions of the base units. To redefine the value of a kilogram without an artefact the value of the Planck constant must be known to twenty parts per billion. Scientific metrology, through the development of the Kibble balance and the Avogadro project, has produced a value of Planck constant with low enough uncertainty to allow for a redefinition of the kilogram. Such statutory requirements may arise from the need for protection of health, public safety, the environment, enabling taxation, protection of consumers and fair trade. The International Organization for Legal Metrology (OIML) was established to assist in harmonising regulations across national boundaries to ensure that legal requirements do not inhibit trade. This harmonisation ensures that certification of measuring devices in one country is compatible with another country's certification process, allowing the trade of the measuring devices and the products that rely on them. WELMEC was established in 1990 to promote cooperation in the field of legal metrology in the European Union and among European Free Trade Association (EFTA) member states. In the United States legal metrology is under the authority of the Office of Weights and Measures of National Institute of Standards and Technology (NIST), enforced by the individual states. By convention, each of these units are considered to be mutually independent and can be constructed directly from their defining constants. All other SI units are constructed as products of powers of the seven base units. The importance of reproducible SI units has led the BIPM to complete the task of defining all SI base units in terms of physical constants. By defining SI base units with respect to physical constants, and not artefacts or specific substances, they are realisable with a higher level of precision and reproducibility. Three possible methods of realisation are defined by the international vocabulary of metrology (VIM): a physical realisation of the unit from its definition, a highly reproducible measurement as a reproduction of the definition (such as the quantum Hall effect for the ohm), and the use of a material object as the measurement standard.
Стандарттар
Стандарт (немесе эталон) – физикалық шаманың өлшем бірлігімен анықталған қатынасы бар объект, жүйе немесе тәжірибе. Стандарттар – өлшем құралдарын салыстыру үшін өлшем бірлігін іске асыру, сақтау немесе қайта жасау арқылы салмақтар мен өлшемдер жүйесінің негізгі эталоны болып табылады. Бастапқы стандарттар (ең жоғары сапалы) басқа ешқандай стандартқа сілтеме жасамайды. Екіншілік стандарттар бастапқы стандартқа сәйкес калибрленеді. Өлшем құралдарын немесе басқа материалдық өлшемдерді калибрлеу (немесе тексеру) үшін қолданылатын жұмыс стандарттары екіншілік стандарттарға қатысты калибрленеді. Бұл иерархия жоғары стандарттардың сапасын сақтайды. Жарық сәулесінің вакуумдағы жолының ұзындығы, 1/299 792 458 секундтың уақыт аралығында, өлшегіш блок сияқты материалдық стандартта бейнеленеді; бұл өлшегіш блок – механикалық салыстырғыштар арқылы екіншілік стандарттарды калибрлеуге қолданылатын бастапқы стандарт болып табылады.
Тiркеу және калибрлеу
Метрологиялық іздестіруге қабілеттілік – өлшеу нәтижесінің мұрағатталған, үзіліссіз калибрлеу тізбегі арқылы анықталған эталонға байланыстыру мүмкіндігі, мұндағы әр калибрлеу өлшеудің қателігіне үлес қосады. Бұл өлшеулерді салыстыруға мүмкіндік береді, нәтиже бір зертханадағы бұрынғы нәтижемен, бір жыл бұрын алынған өлшеу нәтижесімен немесе әлемнің кез келген жерінде жасалған өлшеу нәтижесімен салыстырылса да. Іздестіру тізбегі кез келген өлшеуді өлшемдердің жоғары деңгейлеріне, тіпті өлшем бірлігінің бастапқы анықтамасына дейін байланыстыруға мүмкіндік береді. Өлшеудің қателігі екі компоненттен тұрады: қателік аралығының ені және сенімділік деңгейі. Қателік аралығы – өлшеу мәнінің күтілетін диапазон, ал сенімділік деңгейі – нақты мәннің осы қателік аралығына түсу ықтималдығы. Қателік әдетте былай көрсетіледі:
Салмақтар мен өлшемдер жөніндегі жалпы конференция
Салмақтар мен өлшемдер жөніндегі Бас конференция (CGPM) – Конвенцияның басты шешім қабылдау органы болып табылады, оған мүше мемлекеттердің делегаттары және қауымдас мемлекеттердің дауыс беру құқығы жоқ бақылаушылары кіреді. Конференция әдетте төрттен алты жылға бір рет шақырылып, CIPM есебін тыңдайды және талқылайды, сондай-ақ CIPM кеңесі бойынша Халықаралық жүйедегі (SI) жаңа жетістіктерді бекітеді. Соңғы мәжіліс 2018 жылдың 13–16 қарашасында өтті. Конференцияның соңғы күні Халықаралық салмақтар мен өлшемдер комитетінің (CIPM) сол жылдың басында ұсынған төрт негізгі бірлікті қайта анықтау жөніндегі дауыс беру өтті. Жаңа анықтамалар 2019 жылдың 20 мамырында күшіне енді.
Халықаралық өлшемдер мен салмақтар комитеті
Халықаралық өлшемдер және салмақтар комитеті (CIPM) жоғары ғылыми деңгейге ие мүше мемлекеттерден тағайындалған он сегіз (бастапқыда он төрт) адамнан тұрады. Олар CGPM-ге әкімшілік және техникалық мәселелер бойынша кеңес беру үшін CGPM-мен бекітіледі. CIPM он консультативтік комитеттерге (КК) жауапты, олардың әрқайсысы метрологияның әртүрлі салаларын зерттейді; бір КК температураны өлшеуді, екіншісі массаны өлшеуді және т.б. қарастырады. CIPM жыл сайын Севрде жиналып, КК-нің есептерін талқылайды, мүше мемлекеттер үкіметтеріне BIPM-нің басқару және қаржылық мәселелері туралы жылдық есеп ұсынады және қажет болған жағдайда CGPM-ге техникалық мәселелер бойынша кеңес береді. CIPM-нің әрбір мүшесі әртүрлі мүше мемлекеттен болады, ал Франция (конвенцияны құрудағы рөлі ескеріле отырып) әрқашан бір орынға ие.
Халықаралық өлшемдер және салмақтар бюросы
Халықаралық өлшемдер және салмақтар бюросы (ХӨСБ) — Францияның Севр қаласында орналасқан, килограммның халықаралық прототипін сақтайтын, CGPM және CIPM үшін метрологиялық қызметтер ұсынатын, ұйымдардың хатшылығын қамтамасыз ететін және олардың мәжілістерін өткізетін ұйым. Ұзақ жылдар бойы метр мен килограмм прототиптері қайта калибрлеу үшін ХӨСБ штаб-пәтеріне қайтарылды.
Метрология институттары
Ұлттық метрология институтының (NMI) елдің өлшеу жүйесіндегі рөлі – ғылыми метрологияны жүргізу, негізгі бірліктерді іске асыру және біріншілік ұлттық стандарттарды сақтау. Барлық елдерде орталықтандырылған метрология институты бар емес; кейбіреулерінде жетекші NMI және белгілі бір ұлттық стандарттарға мамандандырылған бірнеше тараған институттар болады. Мысалы, АҚШ-та Ұлттық ғылыми-зерттеу кеңесі (NRC), Канадада, Германияда Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) және Ұлыбританияда Ұлттық физикалық зертханасы (NPL).
Калибрлеу зертханалары
Калибрлеу зертханалары көбінесе өнеркәсіптік құралдарды калибрлеуге жауапты. Австралия мен Ұлыбританияда Аккредиттеу қызметтері аккредиттеу органдарының мысалдары болып табылады.
Тиісті әсерлері
Метрология экономика, энергетика, қоршаған орта, денсаулық сақтау, өндіріс, индустрия және тұтынушылар сенімі сияқты көптеген салаларға кең ауқымды әсер етеді. Метрологияның сауда мен экономикаға тигізетін әсері оның ең айқын әлеуметтік салдарының екеуі болып табылады. Елдер арасындағы әділ және нақты сауданы жеңілдету үшін, өлшемдердің келісілген жүйесі болуы керек. Ортақ өлшем жүйесі және сапа стандарттары тұтынушылар мен өндірушілерге пайдалы: ортақ стандарт бойынша өндіріс шығындарды және тұтынушылардың тәуекелін азайтады, сондай-ақ өнімнің тұтынушылар қажеттіліктерін қанағаттандыруын қамтамасыз етеді. Қоршаған ортаны қорғау саясаты зерттеу деректеріне негізделген, ал климаттың өзгеруін бағалау және қоршаған ортаны реттеу үшін дәл өлшемдер маңызды. Регламенттан басқа, метрология инновацияларды қолдауда маңызды рөл атқарады, өлшеу мүмкіндігі техникалық инфрақұрылым мен құралдарды ұсынады, оларды одан әрі инновацияларды дамыту үшін пайдалануға болады. Жаңа идеялардың дамуына, оңай демонстрациялануына және таратылуына мүмкіндік беретін техникалық платформаны ұсына отырып, өлшем стандарттары жаңа идеяларды зерттеуге және кеңейтуге жағдай жасайды.