Введение
Наука измерений и ее применение
Метрология – это научное изучение измерений. Она устанавливает общее понимание единиц, что имеет решающее значение для согласования человеческой деятельности. Метрология подразделяется на три основных взаимосвязанных направления деятельности:
Определение единиц измерения
Реализация этих единиц измерения на практике
Обеспечение прослеживаемости – установление связи между измерениями, выполненными на практике, и эталонными стандартами.
Эти взаимосвязанные направления деятельности в различной степени используются в трех основных областях метрологии: Первая запись о постоянном эталоне относится к 2900 г. до н.э., когда царственный египетский локоть был вырезан из черного гранита. Другие цивилизации создавали общепринятые эталоны измерений, а римская и греческая архитектура основывалась на различных системах измерений. Современная метрология берет свое начало во Французской революции. Политическая мотивация к гармонизации единиц во Франции привела к предложению эталона длины, основанного на природном источнике. Это привело к созданию десятичной метрической системы в 1795 году, установившей стандарты для других видов измерений. Несколько других стран приняли метрическую систему в период с 1795 по 1875 год; для обеспечения международного единообразия Международное бюро мер и весов (или BIPM) было создано на основе Конвенции о метре. Оно устанавливает общее понимание единиц, что имеет решающее значение для человеческой деятельности. Метрология – это широкая область, которую можно обобщить в трех основных направлениях деятельности: определение международно признанных единиц измерения, реализация этих единиц измерения на практике и применение цепочек прослеживаемости (установление связи между измерениями и эталонными стандартами). По состоянию на май 2019 года ни один физический объект не определяет основные единицы. Мотивация изменения основных единиц заключается в том, чтобы сделать всю систему выводимой из физических констант, что потребовало исключения прототипа килограмма, поскольку он является последним артефактом, от которого зависят определения единиц. Научная метрология играет важную роль в этом переопределении единиц, поскольку для точных определений основных единиц требуются точные измерения физических констант. Чтобы переопределить значение килограмма без использования артефакта, значение постоянной Планка должно быть известно с точностью до двадцати частей на миллиард. Научная метрология, благодаря разработке баланса Киббла и проекта «Авогадро», получила значение постоянной Планка с достаточно низкой неопределенностью, чтобы позволить переопределение килограмма. Такие нормативные требования могут возникать из-за необходимости защиты здоровья, общественной безопасности, окружающей среды, обеспечения налогообложения, защиты прав потребителей и справедливой торговли. Международная организация по правовой метрологии (OIML) была создана для содействия гармонизации правил на национальном уровне, чтобы гарантировать, что правовые требования не препятствуют торговле. Эта гармонизация обеспечивает совместимость сертификации измерительных приборов в одной стране с процессом сертификации в другой стране, что позволяет торговать измерительными приборами и продуктами, которые от них зависят. WELMEC была создана в 1990 году для содействия сотрудничеству в области правовой метрологии в Европейском Союзе и среди государств-членов Европейской ассоциации свободной торговли (EFTA). В Соединенных Штатах правовая метрология находится в ведении Управления мер и весов Национального института стандартов и технологий (NIST) и обеспечивается отдельными штатами. По соглашению каждая из этих единиц считается взаимно независимой и может быть построена непосредственно из ее определяющих констант. Все остальные единицы СИ строятся как произведения степеней семи основных единиц. Важность воспроизводимых единиц СИ привела к тому, что BIPM завершила задачу определения всех основных единиц СИ с точки зрения физических констант. Определяя основные единицы СИ относительно физических констант, а не артефактов или конкретных веществ, можно добиться их реализации с более высокой точностью и воспроизводимостью. Международный словарь метрологии (VIM) определяет три возможных метода реализации: физическая реализация единицы из ее определения, высоко воспроизводимое измерение как воспроизведение определения (например, квантовый эффект Холла для ома) и использование материального объекта в качестве эталона измерения.
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.
Стандарты
Стандарт (или эталон) — это объект, система или эксперимент, имеющий определенное соотношение с единицей измерения физической величины. Стандарты служат фундаментальной основой для системы единиц и мер, реализуя, сохраняя или воспроизводя единицу, относительно которой можно калибровать измерительные приборы. Первичные стандарты (наивысшего качества) не опираются ни на какие другие стандарты. Вторичные стандарты калибруются относительно первичного стандарта. Рабочие стандарты, используемые для калибровки (или поверки) измерительных приборов или других материальных мер, калибруются относительно вторичных стандартов. Эта иерархия обеспечивает сохранение качества более высоких стандартов. Длина пути, пройденного светом в вакууме за интервал времени, равный 1/299 792 458 секунды, воплощается в эталонном артефакте, таком как поверочная плита; эта поверочная плита, в свою очередь, является первичным стандартом, который может быть использован для калибровки вторичных стандартов с помощью механических компараторов.
Отслеживаемость и калибровка
Метрологическая прослеживаемость определяется как "свойство результата измерения, посредством которого результат может быть соотнесен с эталоном через документированную, непрерывную цепочку калибровок, каждая из которых вносит вклад в неопределенность измерения". Она обеспечивает возможность сравнения измерений, будь то сравнение с предыдущим результатом в той же лаборатории, с результатом измерения, выполненным год назад, или с результатом измерения, полученным в любой точке мира. Цепочка прослеживаемости позволяет соотнести любое измерение с более высокими уровнями измерений, восходящими к исходному определению единицы. Неопределенность измерения включает два компонента: ширину интервала неопределенности и уровень достоверности. Интервал неопределенности – это диапазон значений, в пределах которого, как ожидается, находится значение измерения, а уровень достоверности – вероятность того, что истинное значение попадает в этот интервал. Неопределенность обычно выражается следующим образом:
Генеральная конференция по мерам и весам
Генеральная конференция по мерам и весам (или CGPM) является главным органом принятия решений Конвенции и состоит из делегатов государств-членов и наблюдателей без права голоса от ассоциированных государств. Конференция обычно собирается каждые четыре-шесть лет для рассмотрения и обсуждения доклада CIPM и утверждения новых разработок в Международной системе единиц (СИ) по рекомендации CIPM. Последнее заседание состоялось 13–16 ноября 2018 года. В последний день конференции состоялось голосование по переопределению четырех основных единиц, предложенному Международным комитетом мер и весов (CIPM) ранее в том же году. Новые определения вступили в силу 20 мая 2019 года.
Международный комитет по мерам и весам
Международный комитет мер и весов (или CIPM) состоит из восемнадцати (первоначально четырнадцати) человек, представляющих государства-члены с высоким научным уровнем, назначаемых CGPM для консультирования CGPM по административным и техническим вопросам. Он отвечает за работу десяти консультативных комитетов (КК), каждый из которых изучает различные аспекты метрологии: один КК рассматривает измерение температуры, другой – измерение массы и так далее. CIPM ежегодно собирается в Севре для обсуждения отчетов КК, представления правительствам государств-членов ежегодного доклада об управлении и финансах BIPM, а также 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.
Международное бюро мер и весов
Международное бюро мер и весов (или BIPM) — организация, расположенная в Севре, Франция, которая отвечает за хранение международного прототипа килограмма, предоставляет метрологические услуги для CGPM и CIPM, содержит секретариат этих организаций и является местом проведения их заседаний. На протяжении многих лет прототипы метра и килограмма возвращались в штаб-квартиру BIPM для повторной калибровки.
Институты метрологии
Роль национального метрологического института (NMI) в системе измерений страны заключается в проведении научных метрологических исследований, реализации основных единиц и поддержании первичных национальных эталонов. Не во всех странах существует централизованный институт метрологии; в некоторых есть ведущий НМИ и несколько децентрализованных институтов, специализирующихся на конкретных национальных эталонах. Примерами являются Национальный исследовательский совет (NRC) в США, Национальный исследовательский совет (NRC) в Канаде, Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) в Германии и Национальная физическая лаборатория (NPL) в Соединенном Королевстве.
Лаборатории калибровки
Калибровочные лаборатории обычно отвечают за калибровку промышленного оборудования. В Австралии и Соединенном Королевстве Служба аккредитации является примером органов по аккредитации.
Влияние
Метрология оказывает широкое влияние на множество секторов, включая экономику, энергетику, окружающую среду, здравоохранение, производство, промышленность и доверие потребителей. Влияние метрологии на торговлю и экономику – два из наиболее заметных ее социальных последствий. Для обеспечения справедливой и точной торговли между странами необходима согласованная система измерений. Общая система измерений и стандарты качества выгодны как потребителям, так и производителям: производство в соответствии с общим стандартом снижает затраты и риски для потребителей, гарантируя соответствие продукции их потребностям. Экологическая политика базируется на данных исследований, а точные измерения имеют важное значение для оценки изменения климата и экологического регулирования. Помимо регулирования, метрология необходима для поддержки инноваций, поскольку возможность измерения предоставляет техническую инфраструктуру и инструменты, которые затем могут быть использованы для дальнейшего развития инноваций. Предоставляя техническую платформу, на которой новые идеи можно разрабатывать, легко демонстрировать и распространять, стандарты измерений позволяют исследовать и расширять новые идеи.