close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Sulaberidze

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
В. Ш. Сулаберидзе, А. Г. Чуновкина, Т. П. Мишура
ОСНОВЫ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ,
ПРИКЛАДНОЙ И ЗАКОНОДАТЕЛЬНОЙ
МЕТРОЛОГИИ
Учебное пособие
УДК 006.91(075.8)
ББК 30.10
С89
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор,
заслуженный метролог Российской Федерации В. А. Слаев;
кандидат технических наук, доцент М.С. Смирнова
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Сулаберидзе, В. Ш.
С89 Основы теоретической, прикладной и законодательной
метрологии: учебное пособие / В. Ш. Сулаберидзе, А. Г. Чуновкина, Т. П. Мишура. – СПб.: ГУАП, 2017. – 313 с.
ISBN 978-5-8088-1287-1
Рассмотрены вопросы становления и развития современной метрологии как научной дисциплины и области деятельности, играющей существенную роль в обеспечении инновационного развития промышленности,
экономики, науки, и торговли. Анализируются причины и тенденции
расширения сфер измерений и применения положений теоретической
и законодательной метрологии, как инструмента обеспечения единства
измерений.
Изложены теоретические основы современной метрологии, ключевые
понятия, основы построения систем единиц и шкал величин, основы обработки данных и оценивания точности измерений, получения и представления результата измерения в рамках как теории погрешностей результата измерения, так и в концепции неопределенности измерения.
Особое внимание уделено гармонизации национальных и международных нормативных документов в области метрологии. Описаны научнотехнические и законодательные основы обеспечения единства измерений, структура национальной системы обеспечения единства измерений,
сферы государственного регулирования и эталонная база России. Рассмотрены вопросы международного сотрудничества в области метрологии,
в первую очередь, вопросы взаимного признания результатов измерений.
Предназначено для студентов, изучающих дисциплины «Метрология», «Общая теория измерений», «Прикладная метрология», «Метрология и стандартизация», «Методы и средства измерений», «Физические
основы измерений», и обеспечивает приобретение обучающимися соответствующих компетенций согласно ФГОС 3+.
УДК 006.91(075.8)
ББК 30.10
ISBN 978-5-8088-1287-1
©
©
Сулаберидзе В. Ш., Чуновкина А. Г.,
Мишура Т. П., 2018
Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения, 2018
1. СТАНОВЛЕНИЕ И РАЗВИТИЕ
ОТЕЧЕСТВЕННОЙ МЕТРОЛОГИИ
1.1. Эволюция определения метрологии.
Основные события в становлении отечественной метрологии
Эволюция понимания того, что такое метрология и собственно формирование метрологии как научной дисциплины непосредственно связаны с эволюцией понятия «измерение».
В толковом словаре русского языка написано: «измерить – определить какой-нибудь мерой величину чего-нибудь»1. Следовательно, измерение – определение величины чего-нибудь путем сравнения с какой-нибудь мерой. Такое довольно общее определение понятия измерение, как мы убедимся далее, не является достаточно строгим в качестве
определения основного понятия метрологии как научной дисциплины.
По мере появления и развития потребности в согласованной (принятой по соглашению) трактовке таких понятий, как «величина»
и «мера», уточняется и определение понятия «измерение». Потребность в единообразной трактовке этих понятий объективно обусловлена развитием торговли (для установления эквивалентности при взаимном обмене товарами и другими объектами торговли), производства
(для единообразного понимания и представления характеристик продукции, а главное, в целях технической совместимости и взаимозаменяемости), и науки (для адекватного описания свойств эмпирических
объектов окружающего нас мира в числовых моделях).
В процессе удовлетворения этих потребностей меры из «специальных» эволюционировали в «общепринятые» для сообществ,
территорий, отдельных стран и, в конечном итоге, для всего человечества. Создавались системы мер (вес, объем, длина и др.) и развивалась деятельность по их описанию. Такие системы уже существовали в странах древнего мира.
Слово «метрология» составлено из двух греческих слов μέτρον
и λογος и буквально означает описание мер (учение о мерах). До начала систематической работы по международному сотрудничеству в области сравнения национальных мер и эталонов и до разработки первых предложений по созданию международной системы единиц величин понимание метрологии соответствовало буквальному смыслу
составляющих ее слов. Именно так она трактовалась в монографиях
1
С. И. Ожегов. Толковый словарь русского языка. М: СЭ, 1970.
3
Таблица 1.1
Исторические даты становления отечественной метрологии
Дата
Документ/Событие
996 г.
Устав князя Владимира о десятинах, судах
и о людях церковных
21.12.
1550 г.
Двинская грамота о
новых печатных мерах и осьминах
1681 г.
Наказ царя Федора
Алексеевича Большой
Московской таможне о
сборе таможенных пошлин
30.03.  Устав Воинских арти1716 г. кулов Петра I
18.06.
1719 г.
05.04.
1722 г.
1736 г.
4
Содержание и последствия
Поручение верховного надзора за мерами
и весами епископам с обязательством «городские и торговые всякие мерила... блюсти
без пакости, ни умалити, ни множити...»
Предписывала создание первых образцовых печатных («орлёных») мер объема для
сыпучих тел – медных осьмин, которые
следовало хранить централизованно в приказах Московского государства. С них надлежало изготовить деревянные копии и,
заклеймив их, разослать по уездам для городских померщиков и торговцев «всякое
жито мерити»
Все весы должны быть сходны с таможенными, заорлёными весами. Обязывал таможенного голову при вступлении в должность поверять контари, терези, гири
и фунты. За найденные у торговцев воровские весы определялась конфискация товаров и ссылка с семьей. Иногородним торговым людям давали из таможни на время
торговли печатные железные аршины
за пошлину; при отъезде брали их обратно
Наказание за обмер и обвес – возвратить
добро втрое (которым обманул), взимать
штраф и подвергнуть телесному наказанию
Указ Сенатский о наЗапрещается продавцам иметь незаорблюдении
порядка
лёные весы и меры; за фальшивые меры
и чистоты по городу
и весы устанавливается штраф
Санкт-Петербургу
В Адмиралтейской коллегии иметь правдивые весы и аршины с клеймами, котоРегламент
об
упрые применять только для поверки остальравлении Адмиралтейных весов и мер длины каждые полгода,
ства и верфи и часть
что вменялось в обязанность контролеру.
вторая
регламента
Учреждается должность вагмейстера и унМорского
тервагмейстеров; устанавливаются правила для взвешивания разных материалов
Комиссия разработала «Регламент», в коОрганизована первая
тором были определены размеры исходв России Правительных образцов мер длины, веса и объема
ственная Комиссия по
и установлена связь между их геометримерам и весам
ческими параметрами, выдвинуты идеи
Продолжение табл. 1.1
Дата
Документ/Событие
Содержание и последствия
17.09.
1781 г.
Именной указ, данный
Сенату: Устав о вине
7.04.
1795 г.
Правительство Франции официально объявило о введении десятичной системы счета
мер
по созданию эталонов, основанных на
физических постоянных, и применению
десятичного принципа построения мер
(задолго до разработки метрической системы). Регламент определял порядок
хранения, изготовления, поверки и клеймения образцовых мер. Вскоре из бронзы
былаотлитаи позолоченаобразцоваямеравеса –
1 фунт, тогда как эталон английского фунта был создан лишь в 1766 г. Однако в начале 1742 г. Комиссия была распущена,
а Регламент не был утвержден
В каждом винном магазине должны
были устанавливаться засвидетельствованные и клейменные в Казенной
палате меры. Контрольные меры должны быть учреждены в магистрате или
ратуше, чтобы покупщик вина мог той
мерой поверить объем купленного товара. Для разрешения споров между
продавцом и покупщиком назначались
специальные люди.
Задолго до этого указа (с 1716 г.) существовала система клеймления емкостей
для вина, затем она отменялась и вновь
(в 1749 г.) восстанавливалась
Учреждены две временные единицы измерений – метр и килограмм. В 1799 г.
специальным декретом (законодательно)
Национальным собранием Франции были
утверждены и переданы на хранение в Национальный архив эталоны метра и килограмма.
Эти эталоны получили названия «метр
Архива» и «килограмм Архива». Они
соответствовали прежнему метру и килограмму, но были изготовлены из
сплава на основе платины
Об учреждении при Санкт-Петербургском
Высочайше
утвержМонетном дворе собрания образцовых мер
13(25).12. денная записка мии весов главнейших иностранных госу1829 г. нистра
финансов
дарств. Проведение сличений российских
Е. Ф. Канкрина
эталонов и образцовых мер с иностранными
5
Продолжение табл. 1.1
Дата
6
Документ/Событие
1832 г.
Создание абсолютной
физической системы
единиц (СГС)
11.10.
1835 г.
Именной указ, данный Сенату «О системе Российских мер
и весов»
04.06.
1842 г.
Именной указ, данный
Сенату
«Положение
о весах и мерах»
Содержание и последствия
Система СГС (сантиметр, грамм, секунда) была предложена немецким ученым
К. Гауссом. В 1874 г. Максвелл и Томсон
усовершенствовали систему, добавив в нее
электромагнитные единицы измерения.
Величины многих единиц системы СГС
были признаны неудобными для практического использования, и вскоре она была
заменена системой, основанной на метре,
килограмме и секунде (МКС). СГС продолжали использовать параллельно с МКС,
в основном, в научных исследованиях.
После принятия в 1960 г. системы СИ СГС
почти вышла из употребления в инженерных приложениях, однако продолжает
широко использоваться, например, в теоретической физике и астрофизике из-за более
простого вида законов электромагнетизма
Установил основания Российской системы мер; утвердил первые эталоны.
Предусмотрел создание государственного учреждения для хранения основных
образцов мер и организацию централизованной регулярной поверки мер и весов.
3а основание системы были приняты: линейная мера – сажень в 7 английских футов с разделением на 3 аршина, каждый
в 28 дюймов, или 16 вершков; мера веса –
фунт, равный весу перегнанной воды в объеме 25,019 куб. дюймов; мера жидких тел –
ведро в 30 фунтов перегнанной воды или
750,57 куб. дюймов; мера сыпучих тел –
четверик в 64 фунта или в 1601,22 куб.
дюйма при температуре 13 1/3 °Реомюра
Впервые в истории отечественной метрологии установлены основы государственной службы мер и весов. С 01.01.1845 г.
на всей территории России введена единая
система мер. Учреждено первое государственное метрологическое и поверочное
учреждение России – Депо образцовых
мер и весов. Сформулированы функции
Депо и обязанности ученого-хранителя,
назначаемого из членов
Продолжение табл. 1.1
Дата
Документ/Событие
Содержание и последствия
Академии наук. Разработана система организации надзора и поверки мер
и весов. Указаны министерства и учреждения, которые обязаны были заниматься единообразием мер и весов
в государстве, определены порядок хранения, правила применения, производства и поверки от эталонов до рабочих
и торговых мер. Депо находилось на
территории Петропавловской крепости
с 1842 по 1880 гг. Основателем Депо и первым ученым-хранителем был академик
А. Я. Купфер.
В 1867 г. Д.И. Менделеев предложил
начать метрическую реформу в России
Подписание Россией Метрической конвенции
20.05.
наряду с полномочными
1875 г.
представителями правительств 17 государств
Перевод Депо образцовых мер и весов из ПеЯнварь тропавловской крепости
1880 г. в новое здание на Забалканском пр., 19; ныне
Московский пр., 19
Первая
Генеральная
Сентябрь
конференция по мерам
1889 г.
и весам (ГКМВ)
Мнение
Государст8(20).06. венного совета «Поло1893 г. жение о Главной палате мер и весов»
Мнение
Государст4(16).06.
венного совета «Поло1899 г.
жение о мерах и весах»
Создание Международной организации
по мерам и весам (МОМВ) и Международного бюро мер и весов (МБМВ)
Новое здание построено в целях улучшения условий хранения эталонов и научной
постановки метрологических работ. Ныне
по этому адресу размещается Всероссийский научно-исследовательский институт
метрологии ВНИИМ им. Д. И. Менделеева
Распределение копий эталонов метрической системы между государствами
путем жеребьевки
Реорганизация Депо образцовых мер
и весов в Главную палату мер и весов –
первый научный метрологический
центр страны. Инициатором реорганизации был Д. И. Менделеев. Определены основные функции Главной палаты
и ее штат
Определены основные направления проведения метрологической и поверочной
реформы в России, представленные в четырех главах: «О системе Российских
мер и весов», «Об учреждениях для поверки мер и весов», «О выделке, проверке
и клеймении мер и весов», «О надзоре за
употреблением торговых мер и весов»
7
Продолжение табл. 1.1
Дата
Документ/Событие
Содержание и последствия
Учрежден новый тип государственных
поверочных учреждений – поверочные
палатки. Предусматривалось совершенствование эталонной, лабораторной
и производственной базы Главной палаты мер и весов, расширение номенклатуры поверяемых средств измерений,
проведение испытаний новых типов измерительных приборов. Разрешено факультативное применение метрических
мер в стране
08.07.
1916 г.
14.09.
1918 г.
21.07.
1925 г.
1960 г.
8
Закон Государственного совета и Государственной думы «Об изменении действующих
узаконений о мерах
и весах и об установлении новых штатов
Главной палаты мер
и весов и местных поверочных палаток»
Декрет Совета Народных
Комиссаров
РСФСР «О введении
международной метрической десятичной системы мер и весов»
Постановление
СНК
СССР «О признании
Международной
метрической конвенции,
заключенной в Париже 20 мая 1875 г., имеющей силу для СССР»
Принятие XI Генеральной конференцией по
мерам и весам Международной системы единиц (SI)
Утверждены новые положения о мерах
и весах и о Главной палате мер и весов.
Установлены штаты Главной палаты
и местных поверочных палаток
Создание Межведомственной комиссии
для повсеместного внедрения в России
метрической системы мер
Установлено обязательное применение
метрической системы мер в СССР
Современный вариант метрической системы СИ является наиболее широко
используемой системой единиц в мире
как в повседневной жизни, так и в науке, и технике. В настоящее время СИ
принята в качестве основной системы единиц большинством стран мира
и почти всегда
Продолжение табл. 1.1
Дата
Документ/Событие
1961 г.
Утверждение
ГОСТ
9867–61 «Международная система единиц»
28.04.
1993 г.
Принятие закона «Об
обеспечении
единства измерений» от
28.04.1993 г. № 4871–1
Содержание и последствия
применяется в области техники, даже
в тех странах, в которых в повседневной жизни сохраняются традиционные
единицы. СИ определяет семь основных
и производные единицы физических величин, а также набор приставок. Основные единицы: килограмм, метр, секунда,
ампер, кельвин, моль и кандела. В системе СИ принято, что эти единицы имеют
независимую размерность, то есть ни
одна из основных единиц не может быть
получена из других.
Производные единицы получаются из основных с помощью алгебраических действий, таких как умножение и деление.
Приставки можно использовать перед названиями единиц; они означают, что единицу нужно умножить или разделить на определённое целое число, степень числа 10
Применение Международной системы
единиц в СССР установлено ГОСТ 9867–61.
Эта система единиц должна применяться
с 1 января 1963 г. как предпочтительная.
В 1978 г. утвержден СТ СЭВ 1052–78 «Единицы физических величин». На его основе
позже был принят ГОСТ 8.417–81 и далее – его редакция 2002 г.
Установлены правовые основы обеспечения единства измерений в РФ; регламентированы отношения государственных
органов управления РФ с юридическими
и физическими лицами по вопросам изготовления, выпуска, эксплуатации, ремонта, продажи и импорта средств измерений;
защищены права и законные интересы
граждан от отрицательных последствий
недостоверных результатов измерений.
Государственные эталоны единиц измерений являются «исключительной федеральной собственностью, подлежат утверждению Госстандартом России и находятся в его ведении». Ответственность за
«создание, совершенствование, хранение
и применение государственных эталонов»
9
Продолжение табл. 1.1
Дата
Документ/Событие
14.10.
1999 г.
Подписание
«Договоренности о взаимном
признании национальных измерительных эталонов и сертификатов
калибровки и измерений, выдаваемых национальными метрологическими институтами»
(CIPM MRA)
1999 г.
Опубликован
аутентичный перевод ISO
GUM 1993
09.03.
2004 г.
Указ Президента Российской Федерации
№ 314
26.06.
2008 г.
Принятие
Федерального закона «Об
обеспечении
единства измерений» от
26.06.2008 г. № 102ФЗ,
соответствующий рекомендациям
МОЗМ OIML D1 2005
«Элементы закона по
метрологии»
10
Содержание и последствия
возложена на государственные научные
метрологические центры – научно-исследовательские метрологические институты
Госстандарта России
Это важнейший документ, регулирующий
взаимодействие национальных метрологических институтов в области обеспечения единства измерений в международном
масштабе. Он предусматривает экспертную оценку измерительных возможностей
национальных эталонов (на основе результатов ключевых сличений) с последующей
регистрацией их в базе данных Международного бюро мер и весов. В настоящее время к ней присоединились более 50 стран
В отечественную метрологическую
практику впервые официально введено понятие «неопределенность измерений» в соответствии с GUM 1993
На базе Госстандарта России была создана
Федеральная служба по техническому регулированию и метрологии, преобразованная 20 мая в Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии
«Ростехрегулирование». С 09.06.2010 –
«Росстандарт» (Постановление Правительства Российской Федерации № 408)
Цели закона:
– установление правовых основ обеспечения единства измерений в Российской Федерации;
– защита прав и законных интересов
граждан, общества и государства от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений;
– обеспечение потребности граждан,
общества и государства в получении объективных, достоверных и сопоставимых
результатов измерений, используемых
в целях защиты жизни и здоровья граждан, охраны окружающей среды, животного и растительного мира, обеспечения
обороны и безопасности государства,
в том числе экономической безопасности;
Окончание табл. 1.1
Дата
21.07.
2014 г.
2015 г.
Документ/Событие
Содержание и последствия
– содействие развитию экономики Российской Федерации и научно-техническому прогрессу
Изложены существенные уточнения
102-ФЗ, касающиеся метрологических
служб органов исполнительной власти
и юридических лиц, а также впервые
определены правила аттестации первичных референтных методик измерений
Принятие
Федерального закона «О внесении изменений в ФЗ
«Об обеспечении единства измерений»» от
21.07.2014 г. № 254-ФЗ
Введены в действие
Национальная терминология в области меРМГ 29–2013. Метротрологии максимально гармонизирована
логия. Основные терс международным словарем VIM 3–2008
мины и определения
и словарях. Например, в книге Ф. И. Петрушевского «Общая метрология», вышедшей в СПб в 1849 г., написано: «метрология есть
описание всякого рода мер по их наименованиям, подразделениям
и взаимному отношению». Согласно Толковому словарю Д. Н. Ушакова 1935 г. «метрология – наука о мерах и весах разных времен и народов». В этих определениях прослеживается «исторический» взгляд
на метрологию. В своем развитии метрология прошла стадии: «описание» или «собрание сведений» о мерах – «учение о единицах и эталонах» – «наука об измерениях»1. Интересно в связи с этим отметить
события Российской и мировой истории, важные с точки зрения становления и развития отечественной метрологии (табл. 1.1) [1].
1.2. Современное определение метрологии.
Структура. Объект и предмет исследований
В современном понимании метрология – это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности [2, ст.2.1]. К основным направлениям метрологии относятся:
– единицы величин и их системы;
– общая теория измерений;
– методы и средства измерений;
– методы определения точности измерений;
1Н.
А. Шостьин. Очерки истории русской метрологии XI–XIX века. М.: Изд-во
Стандартов, 1975.
11
– основы обеспечения единства измерений и единообразия
средств измерений;
– эталоны единиц величин (первичные и государственные разрядные);
– методы передачи размеров единиц от эталонов средствам измерений.
Качественно новый уровень и собственно становление современной
метрологии как естественно научной дисциплины связаны с появлением таких понятий, как «физическая величина», «единица физической величины», «средство измерений», «единство измерений» и др.
Объект и предмет современной метрологии. Любая наука характеризуется набором признаков, ей присущих: объект, предмет,
понятийный аппарат, целостная структура и внутренняя непротиворечивость, исходные постулаты или аксиомы, методы и средства
исследований, адекватность, перспективность.
Под адекватностью теории понимается ее способность описывать
наблюдаемые эмпирические объекты и явления, а под перспективностью – способность предсказывать ненаблюдаемые явления.
Если объектом научного познания выступает весь материальный
мир и формы его отображения, то объектом научного исследования
является конкретный эмпирический объект или явление, то есть
часть действительности, на которую направлена познавательная
деятельность исследователя с целью выявления закономерностей
развития и возможностей последующего использования в практической деятельности.
Предметом научного исследования могут выступать причины
возникновения этого процесса или явления, закономерности его
развития, разнообразные свойства, качества и т. д.; т. е. под предметом понимают значимые с теоретической или практической точки зрения свойства, особенности или стороны объекта, изучаемые
в данном исследовании.
В определении объекта и предмета метрологии в учебной литературе имеются разночтения. К объектам метрологии относят:
средства измерений, физические величины, эталоны и единицы
физических величин, методики выполнения измерений. В некоторых учебниках средства измерений, как и метрологические нормы
и правила, относят к средствам метрологии. Предмет метрологии
определяют как извлечение (получение) количественной информации о свойствах объектов или измерение свойств объектов с требуемой точностью и достоверностью, измерения и их единство, или как
предмет трех основных разделов метрологии.
12
Таким образом, если метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения
требуемой точности, то ее предметом являются измерения характеристик свойств и параметров объектов, явлений и процессов,
методы и средства обеспечения их единства и требуемой точности. С этой точки зрения, средства измерений, эталоны и единицы
физических величин и, тем более, методы и методики выполнения
измерений должны классифицироваться не как объекты метрологии, а как средства обеспечения единства измерений.
К средствам метрологии, следовательно, можно отнести разрабатываемые и заимствованные из других научных отраслей методы
исследований, а также нормы и правила в метрологии, получаемые
на основе результатов теоретических исследований, обеспечивающие в совокупности достижение цели метрологии как точной науки, а именно: адекватного отображения «эмпирических систем с отношениями в числовых системах с отношениями». Здесь применена
терминология из книги И. Пфанцагля [3]. Отсюда, кстати, следует,
что объектом метрологии являются эти самые «эмпирические системы с отношениями».
С точки зрения деятельности в интересах общества, целью метрологии является разработка научных, организационных и правовых основ обеспечения единства и требуемой точности измерений.
Структура современной метрологии. Согласно [2] современная
метрология включает в себя три раздела:
– теоретический – раздел, предметом которого является разработка фундаментальных основ метрологии;
– законодательный – раздел, предмет которого – установление обязательных технических и юридических требований по применению
единиц величин, эталонов, методов и средств измерений, направленных на обеспечение единства и требуемой точности измерений;
– практический (прикладной) – раздел, предметом которого являются вопросы практического применения разработок теоретической метрологии и положений законодательной метрологии.
Предметы трех разделов метрологии в совокупности и образуют
предмет метрологии в целом.
Основные разделы теоретической метрологии:
– Основные понятия и термины. Обобщение и уточнение понятий метрологии. Создание единой системы основных понятий, отображающих уровень развития метрологии.
– Теория передачи единиц физических величин. Разработка алгоритмов передачи единиц ФВ при их воспроизведении. Развитие
13
и совершенствование эталонов единиц физических величин, стандартных образцов, схем передачи размера единицы величины, а
также референтных методик.
– Теория построения средств измерений. Обобщение опыта конкретных наук в области построения средств и методов измерений.
Разработка новых и совершенствование известных измерительных
преобразователей.
– Теория точности измерений. Обобщение методов, развиваемых в конкретных областях измерений. Теория точности измерения и точности средства измерений. Теория измерительных процедур. Описание результата измерения.
– Принципы и методы определения и нормирования метрологических характеристик средств измерений. Описание и обоснование
нормирования метрологических характеристик средств измерений.
– Теория метрологической надежности средств измерений. Разработка методов анализа и обеспечения метрологической надежности средств измерений.
– Теория методов измерений. Разработка и исследования методов измерений, методов обработки измерительной информации,
теории планирования измерений, повышение точности измерений
в интересах развивающихся отраслей науки, техники и других
сфер экономической деятельности.
Законодательная метрология, в соответствии с рекомендациями МОЗМ [4], включает: «все виды деятельности, на которые распространяются установленные в законодательном порядке требования к измерениям, единицам измерений, средствам измерений
и методам измерений; эти виды деятельности, осуществляемые
правительственными органами власти или от их имени, направлены на обеспечение соответствующего уровня доверия к результатам
измерений, полученным в сфере, регулируемой государством. Законодательная метрология применяется к торгующим сторонам,
а также для защиты отдельных лиц и общества в целом (например,
в целях обеспечения законности, при измерениях в области здравоохранения и безопасности). Официальные органы власти должны
уделять специальное внимание результатам измерений, особенно
в тех случаях, когда при оценке результатов измерений возникает
конфликт интересов и, следовательно, требуется вмешательство
беспристрастного судьи. Необходимость законодательной метрологии особенно очевидна в случаях, когда участники рынка не организованы и/или недостаточно компетентны, либо их деятельность
не сбалансирована. Законодательная метрология обычно включает
14
положения, касающиеся единиц измерений, результатов измерений (например, применительно к фасованным товарам в упаковках) и средств измерений. Этими положениями охватываются законодательные обязательства, относящиеся к результатам измерений
и средствам измерений, а также к законодательному контролю, осуществляемому Правительством или по его поручению».
Четыре главных вида деятельности законодательной метрологии [4]: 1) установление законодательных требований; 2) контроль/
оценка соответствия товаров и видов деятельности, подвергаемых
регулированию; 3) надзор за товарами и видами деятельности, подвергаемыми регулированию; 4) создание инфраструктуры, необходимой для обеспечения прослеживаемости результатов измерений
и средств измерений в регулируемой области.
Области регулируемой ответственности Правительства распространяются также на те законы, в которых соответствие правовым
нормам зависит от результатов измерений.
1.3. Расширение областей, объектов измерений
и роли метрологии в различных сферах деятельности
Распространение научных методов и практических результатов
на любые сферы деятельности, где возникает потребность в сравнении, вовсе не означает, что эти сферы деятельности автоматически
становятся частью метрологии и должны применять те же термины
и понятия, что и в метрологии. Например, если в экспертных оценках используются методы, позволяющие повысить объективность
таких оценок, то из этого вовсе не следует, что эксперт превращается в аналог средства измерений, то есть выполняет функции измерительного прибора, даже если экспертные оценки назвать «экспертными измерениями». Кроме того, понятие измерения в «широком смысле» следует искать в толковых словарях. В точных же
науках «расширенные» определения основных понятий в итоге
сводятся к четким, точным и однозначно понимаемым терминам.
В этом легко убедиться, проанализировав взаимосвязь и иерархию
понятий, например, в Международном словаре по метрологии JCGM
200:2008/2012 (VIM 3), или РМГ 29–2013 [2].
Потребность в придании основным понятиям метрологии
большей

общности объясняется во Введении к словарю VIM 3–2008
следующим образом: «Потребность впервые охватить измерения
в области химии и лабораторной медицины, а также включить понятия, связанные с метрологической прослеживаемостью, неопределенностью измерений и специфическими признаками, стала при15
чиной создания этой третьей редакции словаря. В настоящем Словаре принимается, что нет фундаментальных различий в основных
принципах измерений в физике, химии, лабораторной медицине,
биологии и инженерных дисциплинах. Кроме того, сделана попытка удовлетворить потребности в понятиях, касающихся измерений
в таких областях, как биохимия, наука о питании, судебно-экспертная деятельность и молекулярная биология».
В социологических исследованиях под измерением понимается
«процесс приписывания чисел конкретным эмпирическим объектам в соответствии с разработанным способом шкалирования»
(С.Л. Клигер, М.С. Косолапов, Ю.Н. Толстова. Шкалирование при
сборе и анализе социологической информации. М.: Наука, 1978.).
В этих измерениях нет общепринятой единицы и эталона единицы
величины. В указанной книге есть ссылки на работы, подтверждающие это. Исследования научных текстов (Lorge I. The Fundamental
Nature of Measurement. Washington, 1951), показали, что в выборке
из 2,5 миллионов слов термин «measure» встречался более 400 раз
и имел 40 различных определений. А анализ в работе Bonjean С.М.,
Hill R.J., McLemore S.D. Sociological Measurement (San Francisco,
1967) большого массива использованных шкал за период с 1954 г. по
1965 г. на основе публикаций в главных социологических журналах
США показал, что для 3609 попыток измерения было использовано
около 2100 различных шкал и лишь 28 % этих шкал применялись
более, чем один раз. Из всего этого следует, что: 1) важнейшая в таких измерениях процедура – шкалирование; 2) шкалы вследствие
отсутствия естественной единицы – императивные [3]; 3) измерения
в императивных шкалах имеют смысл лишь тогда, когда прогнозы
оправдываются [3].
Есть и другие важные отличия измерений в социологии и метрологии: эмпирическими объектами в метрологии являются объекты
окружающего нас материального мира, а в социологии – субъект,
выбранный социологом. Два этих вида эмпирических объектов проявляют себя в отношениях различного уровня. Поэтому и методы
их отображения в числовых моделях с отношениями существенно
различны. Следовательно, абсолютное совпадение понятий метрологии и социологии недостижимо, да и вряд ли стоит стремиться
к такому совпадению исключительно ради совпадения. Заимствование методов одной науки другой и без того их взаимно обогащает.
К этому необходимо добавить, что отношения эмпирических
объектов окружающего нас материального мира, описываемые
в шкалах порядка и интервалов, могут быть выявлены в процессе
16
контроля с целью установления соответствия характеристик объекта норме, для численного описания которой требуется «стандартный» образец. В более сложном случае, когда измеренное значение
величины лишь частично характеризует свойства сложного (многокомпонентного) объекта и может зависеть от состояния этого объекта, возникает потребность в «стандартной» методике измерений,
каковой и является «референтная методика» (см. разд. 2, 4).
Метрология, как вид деятельности – это деятельность по обеспечению единства измерений во всех сферах – в науке, технологиях, производстве, экономике, торговле, здравоохранении, образовании, охране окружающей среды и т. д. Наличие систем обеспечения
единства измерений на корпоративном, отраслевом, национальном
и международном уровнях создает условия для повышения уверенности в безопасности и предотвращения недобросовестной конкуренции, стимулирует инновационное развитие экономики и торговли.
Поэтому метрология является важным элементом инфраструктуры
экономики как на национальном, так и на международном уровне.
Поскольку влияние метрологии распространяется на все структурные элементы экономики, и не только на те, которые относятся
к экономически эффективным (прибыльным), но и на те, которые
классифицируются как «общественное благо» или как инвестиции в будущее (здоровье, образование, благосостояние и др.). Такое
место метрологии в структуре экономики означает, что в развитии
этого вида деятельности заинтересовано, в первую очередь, общество в целом. Из этого следует, что и в поддержке метрологической
деятельности должно участвовать общество в целом – путем государственного финансирования, по крайней мере, наиболее важных
видов метрологических работ. К таким работам относятся, в первую
очередь, научные исследования и разработки по созданию новых
и совершенствованию существующих эталонов единиц величин;
разработка и внедрение новых методов и средств измерений, стандартных образцов, норм и правил по метрологии; деятельность по
гармонизации национальной системы с международными нормами.
В контексте возрастания значимости метрологии во многих сферах деятельности особую важность приобретает наличие развитой
«национальной метрологической инфраструктуры». Ведущая роль
государства (в лице органов исполнительной власти/правительства)
в создании, поддержании и развитии инфраструктуры метрологии
отмечается в Рекомендациях МОЗМ [4]: Роль Правительства в области метрологии заключается в обеспечении необходимых условий для достижения доверия общества к результатам измерений.
17
Это требует от Правительства деятельности, необходимой для развития метрологии, создания соответствующей инфраструктуры,
поддержки исследований в области метрологии и защиты как отдельных лиц, так и компаний от возможных злоупотреблений,
связанных с измерениями. Эта деятельность должна быть организована в порядке проведения всесторонней и последовательной политики, для реализации которой целесообразно иметь Закон о метрологии. Важность метрологии для социального и экономического
развития требует проведения всесторонней и последовательной политики в области метрологии, для осуществления которой законами должны учитываться все проблемы, касающиеся потребителей,
предприятий, образования, здравоохранения, безопасности и защиты населения. Это требует создания иерархической метрологической структуры во главе с Центральным метрологическим органом,
входящим в структуру Государственных органов исполнительной
власти, координирующим проведение метрологической политики
и метрологической деятельности в стране. Этот орган должен также активно взаимодействовать как с национальными структурами,
ответственными за аккредитацию и стандартизацию, так и с соответствующими международными метрологическими организациями. Структуры метрологической системы и законодательной метрологии должны быть приспособлены к специфическим особенностям
страны (например, масштабность, экономика, научная и промышленная инфраструктура и т. д.).
1.4. Метрология как элемент
системы технического регулирования
Структура системы технического регулирования РФ определена Федеральным законом «О техническом регулировании» от 27.12.2002 г.
№ 184-ФЗ. Закон регулирует отношения, возникающие при:
– разработке, принятии, применении и исполнении обязательных требований к объектам технического регулирования (продукции, в том числе зданиям и сооружениям (далее – продукция), или
к продукции и связанным с требованиями к продукции процессам
проектирования (включая изыскания), производства, строительства, монтажа, наладки, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации);
– применении и исполнении на добровольной основе требований
к объектам технического регулирования в целях добровольного
подтверждения соответствия;
– оценке соответствия.
18
Важным нормативно-правовым актом технического регулирования является Технический регламент – документ, который принят международным договором Российской Федерации, или указом
Президента Российской Федерации, или постановлением Правительства Российской Федерации, или нормативным правовым актом федерального органа исполнительной власти по техническому
регулированию и устанавливает обязательные для применения
и исполнения требования к объектам технического регулирования.
Технические регламенты принимаются в целях:
– защиты жизни или здоровья граждан, имущества физических
или юридических лиц, государственного или муниципального имущества;
– охраны окружающей среды, жизни или здоровья животных
и растений;
– предупреждения действий, вводящих в заблуждение приобретателей, в том числе потребителей;
– обеспечения энергетической эффективности и ресурсосбережения.
Принятие технических регламентов в иных целях не допускается.
Технический регламент не может содержать требования к продукции, причиняющей вред жизни или здоровью граждан, накапливаемый при длительном использовании этой продукции и зависящий от других факторов, не позволяющих определить степень
допустимого риска. В этих случаях технический регламент может
содержать требование, касающееся информирования приобретателя, в том числе потребителя, о возможном вреде и о факторах, от
которых он зависит.
Подтверждение соответствия – документальное удостоверение
соответствия продукции или иных объектов, процессов проектирования (включая изыскания), производства, строительства, монтажа, наладки, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации
и утилизации, выполнения работ или оказания услуг требованиям
технических регламентов, положениям стандартов, сводов правил
или условиям договоров (184-ФЗ).
Подтверждение соответствия на территории Российской Федерации может носить добровольный или обязательный характер. Добровольное подтверждение соответствия осуществляется в форме
добровольной сертификации. Обязательное подтверждение соответствия осуществляется в формах: принятия декларации о соответствии; обязательной сертификации.
Добровольное подтверждение соответствия осуществляется по
инициативе заявителя на условиях договора между заявителем
19
и органом по сертификации. Добровольное подтверждение соответствия может осуществляться для установления соответствия документам по стандартизации, системам добровольной сертификации,
условиям договоров.
Обязательное подтверждение соответствия проводится только
в случаях, установленных соответствующим техническим регламентом, и исключительно на соответствие требованиям технического регламента. Объектом обязательного подтверждения соответствия может быть только продукция, выпускаемая в обращение на
территории Российской Федерации. Форма и схемы обязательного
подтверждения соответствия могут устанавливаться только техническим регламентом с учетом степени риска недостижения целей
технических регламентов.
Декларирование соответствия осуществляется по одной из следующих схем:
– принятие декларации о соответствии на основании собственных доказательств;
– принятие декларации о соответствии на основании собственных доказательств, доказательств, полученных с участием органа
по сертификации и (или) аккредитованной испытательной лаборатории (центра).
Продукция, соответствие которой требованиям технических регламентов подтверждено в порядке, предусмотренном настоящим
Федеральным законом, маркируется знаком обращения на рынке.
Изображение знака обращения на рынке устанавливается Правительством Российской Федерации. Данный знак не является специальным защищенным знаком и наносится в информационных целях.
Организационные основы системы технического регулирования
и ее элементов определены Федеральными законами «О техническом
регулировании» (№ 184-ФЗ), «Об обеспечении единства измерении»
(№ 102-ФЗ), «О стандартизации» (№ 164-ФЗ), «Об аккредитации
в национальной системе аккредитации» (№ 412-ФЗ) и утвержденными положениями о: Федеральном агентстве по техническому регулированию, стандартизации и метрологии, Национальном органе
по стандартизации, Федеральной службе по аккредитации в национальной системе аккредитации, а также таких участников системы
технического регулирования, как: Системы сертификации, Органы
по сертификации, Испытательные лаборатории, Метрологические
службы государственных органов, государственных корпораций,
юридических лиц, Национальные метрологические институты, региональные центры стандартизации и метрологии.
20
Техническое регулирование
102-ФЗ
184-ФЗ
Нормы
Технические регламенты
Стандарты
162-ФЗ
Приемка
и ввод в эксплуатацию
Оценка соответствия
Государственный
контроль (надзор)
Подтверждение
соответствия
Сертификация Декларирование
Утверждение типа
Аккредитация
Регистрация
Испытания
Лицензирование
Одобрение
412-ФЗ
Рис. 1.1. Элементы системы технического регулирования
Взаимосвязи указанных Федеральных законов с элементами
системы технического регулирования РФ показаны на рис. 1.1. Из
рисунка видно, что обеспечение единства измерений является важным элементом системы технического регулирования, поскольку
обеспечивает установление требований к измерениям и контроль
их выполнения (соответствия) в сферах государственного контроля
(надзора), подтверждения соответствия, утверждения типа средств
измерений, испытаний продукции и др.
Законом «Об обеспечении единства измерений» № 102-ФЗ предусмотрено государственное регулирование обеспечения единства
измерений в тех областях деятельности, в которых правовыми актами РФ, в первую очередь законом «О техническом регулировании»
№ 184-ФЗ, установлены обязательные метрологические требования.
Сфера государственного регулирования обеспечения единства
измерений распространяется также на единицы величин, эталоны
единиц величин, стандартные образцы и средства измерений, к которым установлены обязательные требования.
Федеральные органы исполнительной власти определяют измерения, относящиеся к сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, и устанавливают к ним обязательные метрологические требования, в том числе показатели точности измерений.
В сфере государственного регулирования обеспечения единства
измерений к применению допускаются средства измерений утвержденного типа, прошедшие поверку, а также обеспечивающие соблюдение установленных законодательством РФ обязательных требо21
ваний, включая обязательные метрологические требования к измерениям, обязательные метрологические и технические требования
к средствам измерений, и установленных законодательством РФ
о техническом регулировании обязательных требований.
Измерения, относящиеся к сфере государственного регулирования, должны выполняться по референтным методикам измерений
и другим аттестованным методикам измерений, за исключением
методик измерений, предназначенных для выполнения прямых измерений, с применением средств измерений утвержденного типа,
прошедших поверку.
Подтверждение соответствия методов прямых измерений обязательным метрологическим требованиям к измерениям осуществляется в процессе утверждения типов данных средств измерений.
В остальных случаях подтверждение соответствия методик измерений обязательным метрологическим требованиям к измерениям
осуществляется путем аттестации методик измерений. Результаты
измерений должны быть выражены в единицах величин, допущенных к применению в РФ.
Аккредитация в области обеспечения единства измерений осуществляется в соответствии с законодательством РФ об аккредитации в национальной системе аккредитации.
1.5. Цели и задачи развития
системы обеспечения единства измерений в РФ до 2025 г.
Стратегия обеспечения единства измерений в Российской Федерации до 2025 г. утверждена распоряжением Правительства РФ от
19.04.2017 г. № 737-р.
В основу разработки Стратегии положена концепция, заключающаяся в том, что система обеспечения единства измерений является
элементом государственной инфраструктуры, без которого производство материальных благ невозможно.
Система обеспечения единства измерений аналогична таким элементам инфраструктуры экономики, как транспорт, электроэнергетика, связь, которые необходимы для производства промышленной
продукции, товарообмена, а также при реализации таких государственных функций, как налогообложение, оборона и безопасность.
При этом в соответствии со ст. 1 Федерального закона «Об обеспечении единства измерений» сфера государственного регулирования
обеспечения единства измерений распространяется на измерения,
выполняемые при осуществлении многих видов деятельности, относящихся к инфраструктурным элементам экономики.
22
Сфера влияния системы обеспечения единства измерений распространяется на достижение таких целевых ориентиров долгосрочного
социально-экономического развития, как экономика лидерства и инноваций, экономика, конкурентоспособная на мировом уровне, безопасность граждан и общества, взаимодействие государства, частного
бизнеса и общества как субъектов инновационного развития.
Единство измерений в стране достигается в результате функционирования системы обеспечения единства измерений, которую образуют совокупность законодательных и иных нормативных правовых актов, нормативно-технических и методических документов
в области обеспечения единства измерений, участники системы
обеспечения единства измерений, эталонная база и парк рабочих
средств измерений.
Государством выделены сферы национальной экономики, в которых государство принимает на себя ответственность за обеспечение
единства измерений и осуществляет непосредственное регулирование.
В сферах национальной экономики, не относящихся к области
государственного регулирования обеспечения единства измерений,
государство создает необходимые условия для самостоятельной деятельности хозяйствующих субъектов по обеспечению единства измерений.
Система обеспечения единства измерений обеспечивает надежное и эффективное функционирование, в том числе таких областей
деятельности, как здравоохранение, охрана окружающей среды,
обеспечение безопасных условий и охраны труда, выполнение государственных учетных операций, учет количества энергетических
ресурсов, обеспечение обороноспособности и безопасности государства. Признание результатов измерений и испытаний, осуществленных в какой-либо стране, возможно только при наличии метрологической инфраструктуры, действующей по принятым международным принципам и правилам.
Позиционирование системы обеспечения единства измерений
как инфраструктурной обеспечивающей системы требует введения
ряда новых показателей ее развития, в том числе характеризующих
степень удовлетворенности граждан и хозяйствующих субъектов
состоянием системы обеспечения единства измерений.
На современной постиндустриальной инновационной стадии развития общества результаты измерений, выполняемых с наилучшей
возможной точностью, используются на всех стадиях жизненного
цикла любой высокотехнологичной продукции, начиная от проектирования и заканчивая утилизацией. Точность и разнообразие
23
измерений определяют и характеризуют уровень развития науки,
промышленности, здравоохранения, энергетики, транспорта, обороноспособности, что обусловливает необходимость опережающего
развития системы обеспечения единства измерений. Опыт передовых стран показывает, что опережающее развитие системы обеспечения единства измерений как одной из наиболее высокотехнологичных сфер экономики оказывает стимулирующее воздействие на
развитие других ее элементов.
В глобальном масштабе международная промышленная кооперация и торговля требуют интеграции систем обеспечения единства
измерений всех промышленно развитых стран, заключающейся
в применении общих единиц величин, измерительных процедур
и установлении эквивалентности эталонов.
Целями Стратегии являются:
– развитие системы обеспечения единства измерений до уровня
стран – лидеров в области промышленного развития, обеспечение ее
эффективного функционирования с использованием преимущественно отечественных импортонезависимых технологий и приборной базы;
– создание условий, способствующих построению инновационной экономики Российской Федерации;
– достижение полного метрологического обеспечения измерений
в сфере государственного регулирования, в том числе в области обороны и безопасности государства.
Задачи развития системы обеспечения единства измерений в соответствии с поставленными целями формулируются с учетом задач и приоритетов социально-экономического развития Российской
Федерации, обеспечения ее обороноспособности и национальной
безопасности, приведенных в документах стратегического планирования Российской Федерации.
К общеэкономическим задачам относятся:
– создание сети территориально-производственных кластеров,
реализующих конкурентный потенциал территорий;
– укрепление международных позиций Российской Федерации;
– расширение использования преимуществ международной интеграции;
– расширение Евразийского экономического союза, учрежденного
Договором о Евразийском экономическом союзе от 29 мая 2014 г., включая гармонизацию законодательства и правоприменительной практики.
В области социально-экономического развития Российской Федерации основными приоритетами являются повышение конкурентоспособности национальной экономики, улучшение качества жиз24
ни российских граждан путем гарантирования высоких стандартов
жизнеобеспечения.
Важнейшим приоритетом является формирование национальной инновационной системы, включающей:
– интегрированную с высшим образованием систему научных
исследований и разработок, развитие внутрифирменной (корпоративной) науки, в том числе путем расширения ее доступа к уникальному научному оборудованию в рамках поддерживаемой государством инфраструктуры (центры коллективного пользования);
– обеспечение экономики высокопрофессиональными кадрами.
В сфере промышленности приоритетами являются:
– формирование мощного научно-технологического комплекса,
обеспечивающего лидерство Российской Федерации в научных исследованиях и технологиях по приоритетным направлениям, формирование центров глобальной компетенции в промышленности,
в сфере интеллектуальных услуг и других секторах экономики, в том
числе в кооперации с ведущими мировыми производителями, выход
на мировые рынки с новыми высокотехнологичными продуктами;
– модернизация высокотехнологичных отраслей экономики с помощью интенсивного технологического обновления массовых производств на базе новых энерго- и ресурсосберегающих экологически
безопасных технологий.
В сфере здравоохранения приоритетами являются:
– повышение качества и доступности медицинского обслуживания за счет использования перспективных информационных и телекоммуникационных технологий, достижений в области фармацевтики, биотехнологий и нанотехнологий.
В сфере энергетической безопасности приоритетами являются:
– преодоление дефицита энергетических мощностей (в генерации и передаче электроэнергии), внедрение ресурсосберегающих
технологий в электроэнергетике, использование экологически чистых, возобновляемых источников энергии;
– широкомасштабное повышение энергоэффективности, распространение высокоинтегрированных интеллектуальных системообразующих и распределительных электрических сетей нового поколения, способствующих превращению энергосети из «пассивного»
устройства передачи электроэнергии в «активный» элемент управления режимами работы.
В сфере экологии приоритетами являются:
– создание системы нормирования допустимого воздействия вредных факторов на окружающую среду и их снижение до уровней, со25
ответствующих наилучшим доступным технологиям, введение юридически обязывающих ограничений на выбросы углекислого газа;
– создание технологий дистанционной оценки состояния экосистем;
– повышение экологических требований к зданиям и сооружениям, к продуктам питания, к потребительским товарам, к экологичности транспортных средств, к отходам.
Для достижения стратегических целей национальной обороны
требуются: обеспечение современными видами вооружения, военной и специальной техники, модернизация оборонно-промышленного комплекса, в том числе на основе технологий двойного
назначения, включая технологическое обновление таких секторов, как машиностроение, автомобилестроение, станкостроение,
приборостроение, судостроение, авиастроение, ракетостроение,
которые имеют решающее значение для повышения среднего технологического уровня промышленности и обеспечения импортозамещения.
Обеспечение национальной безопасности государства в чрезвычайных ситуациях достигается путем развития единой государственной системы мониторинга, предупреждения и ликвидации
чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, ее
интеграции с аналогичными зарубежными системами.
Приведенные приоритеты и задачи социально-экономического
развития Российской Федерации позволяют определить основные
направления и приоритеты развития системы обеспечения единства измерений, к которым относятся:
– создание механизма прогнозирования потребностей экономики и общества в измерениях;
– обновление законодательства Российской Федерации в области
обеспечения единства измерений для его соответствия потребностям общества и государства;
– развитие эталонной базы Российской Федерации;
– развитие метрологического обеспечения в области обороны
и безопасности государства;
– развитие Государственной службы времени, частоты и определения параметров вращения Земли, Государственной службы стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов, Государственной службы стандартных справочных данных о физических
константах и свойствах веществ и материалов в соответствии с современными потребностями экономики;
– повышение уровня метрологического обеспечения приоритетных направлений развития науки, технологий и техники;
26
– повышение уровня информатизации и автоматизации функционирования системы обеспечения единства измерений, включая
выполняемые работы и услуги;
– решение задач по импортозамещению в части производства
средств измерений, стандартных образцов, эталонов;
– повышение эффективности федерального государственного метрологического надзора;
– решение кадровых проблем системы обеспечения единства измерений.
Контрольные вопросы
1. Определение метрологии как научной дисциплины.
2. Основные направления метрологии.
3. Объект и предмет современной метрологии.
4. Структура современной метрологии.
5. Основные разделы теоретической метрологии.
6. Метрология как вид деятельности.
7. Роль метрологии в экономике.
8. Метрология как элемент системы технического регулирования.
9. Организационные основы системы технического регулирования РФ.
10. Подтверждение соответствия в области обеспечения единства
измерений.
11. Государственное регулирование в области обеспечения единства измерений.
12. Инфраструктура метрологии.
13. Основные цели и задачи развития системы обеспечения единства измерений в РФ.
14. Цели Стратегии развития системы ОЕИ до 2025 г.
27
2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ СОВРЕМЕННОЙ МЕТРОЛОГИИ
Приведем две цитаты из статей в Российской метрологической
энциклопедии (РМА):
«Формирование системы основных понятий метрологии (как и любой другой науки или вида деятельности) является одним из важных,
но и одновременно труднейших направлений исследований, требующих
высокой квалификации и большого опыта исполнителей. Важность
иметь именно систему понятий, а не просто совокупность (или набор) понятий обусловлена тем, что только на основе системы понятий, где каждое понятие имеет строго определенное место, появляется возможность
упорядочения знаний, а также создания научно обоснованной системы
терминов. Система понятий любой науки, в том числе и метрологии, является средством упорядочения знаний; объясняет и уточняет отношения между понятиями; позволяет выработать оптимальную, унифицированную, стандартизированную терминологию; позволяет установить
эквивалентность между терминологиями различных языков. Именно
систематизация понятий в сочетании с их классификацией определяет
качество системы понятий» (М. Н. Селиванов, РМА-2001).
«В качестве принципов определения основных понятий выделены:
общность, однозначность, внутренняя логическая непротиворечивость,
соответствие другим понятиям (т. е. возможность как своего выведения
из более общих понятий, так и выведения из него менее общих понятий),
простота, удобство, историческая преемственность и возможность верификации, т. е. проверки истинности определяемого понятия. При рассмотрении системы основных понятий необходимо также руководствоваться
такими принципами, как полнота (замкнутость), непротиворечивость (согласованность), взаимная независимость и удобство (целесообразность).
Определения основных метрологических понятий базируются
на ряде постулатов. Попытки их сформулировать делались неоднократно, однако до сих пор отсутствует общепризнанная система
постулатов. Требования к системе постулатов аналогичны требованиям к системе понятий. В концептуальный базис метрологии, как
науки об измерениях, наряду с основными понятиями должны, повидимому, входить следующие постулаты:
1. Объекты (процессы) реального мира измеримы (т. е. любые их
свойства могут быть измерены). Отметим при этом, что получаемая
измерительная информация используется для построения моделей
объекта (процесса).
2. Измерение устанавливает соответствие между свойством объекта и его (числовой) моделью. Приведенные постулаты и понятия
28
дают такие преимущества, как соответствие возможным перспективам развития современной метрологии, применимость во всех измерительных шкалах и устранение разрыва в определении одних и тех
же понятий в различных областях научного знания» (В. А. Слаев,
А. Г. Чуновкина, РМА-2015).
2.1. Понятие о величине
Различают реальные (физические и нефизические, измеряемые
и оцениваемые) и идеальные (математические) величины (рис. 2.1).
Согласно VIM 3, величина – свойство явления, тела или вещества,
которое может быть выражено количественно в виде числа с указанием отличительного признака как основы для сравнения (ст. 1.1).
Примечание 1. Основное понятие «величина» может быть разделено на несколько уровней конкретных понятий, например, «длина – радиус – радиус окружности».
Примечание 2. Указание основы для сравнения может касаться
единицы измерения, методики измерения, стандартного образца
или их комбинации.
Примечание 3. Обозначения величин приведены в серии Международных стандартов ISO 80000 и IEC 80000 «Величины и единицы...».
Примечание 4. Предпочтительным форматом IUPAC-IFCC для
обозначения величин в лабораторной медицине является «система – компонент; род величины».
Пример. «Плазма (крови) – ион натрия; молярная концентрация,
равна 143 ммоль/л для данного человека в данный момент времени».
Примечание 5. Определяемая здесь величина скалярная. Однако вектор или тензор, компоненты которых являются величинами,
также рассматриваются как величины.
Примечание 6. Понятие «величина» в общем смысле может быть
подразделено, например, на понятия «физическая величина», «хиВеличины
Реальные
Физические
Нефизические
Измеряемые
Оцениваемые
Идельные
Математические
Рис. 2.1. Классификация величин
29
мическая величина» и «биологическая величина» или основная величина и производная величина.
По принадлежности к различным группам физических процессов
ФВ делятся на пространственно-временные, механические, тепловые, электрические и магнитные, акустические, световые, физикохимические, ионизирующих излучений, атомной и ядерной физики.
Единица измерения, единица – действительная скалярная величина, определенная и принятая по соглашению, с которой можно
сравнить любую другую величину того же рода и выразить их отношение в виде числа (ст. 1.9).
Примечание. Единицы измерения имеют присвоенные им по соглашению наименования и обозначения.
Рассмотрим определения этих же понятий в РМГ 29–2013.
Величина – свойство материального объекта или явления, общее
в качественном отношении для многих объектов или явлений, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них (ст. 3.1).
Примечание. Определение, данное в VIM-3 (1.1), включает также
способ количественного выражения размера величины как числа
и основы для сравнения. В качестве основы для сравнения может
выступать единица измерения, методика измерения, стандартный
образец или их комбинации.
Сравнение этой формулировки с формулировкой в предыдущей
версии РМГ наглядно демонстрирует эволюцию понятий современной метрологии, обусловленную расширением применения ее методов в научной и практической деятельности. В редакции РМГ 29–99
физическая величина; величина – одно из свойств физического
объекта (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них (ст. 3.1).
Основное отличие приведенных формулировок в том, что в РМГ 29–
99 имеются в виду только физические величины.
Размер величины: Количественная определенность величины,
присущая конкретному материальному объекту или явлению (3.2).
Род (величины): Качественная определенность величины (3.3).
Пример 1. Длина и диаметр детали – однородные величины.
Пример 2. Длина и масса детали – неоднородные величины.
Примечание. Однородные величины в рамках данной системы
величин имеют одинаковую размерность величины. Однако величины одинаковой размерности не обязательно будут однородными.
Примечание. В VIM 3 (1.19) значение величины определено как число и основа для сравнения, совместно выражающие размер величины.
30
В зависимости от основы для сравнения значение величины может
быть выражено: числом и единицей измерения, числом и указанием
методики измерений, числом и указанием стандартного образца.
Числовое значение (величины): Отвлеченное число, входящее
в значение величины (3.5).
Измеряемая величина: Величина, подлежащая измерению (4.2).
Здесь уместно такое уточнение – измеряемой физической величиной будем называть физическую величину, подлежащую измерению, измеряемую или измеренную в соответствии с основной целью
измерительной задачи.
Значение величины – выражение размера величины в виде некоторого числа принятых единиц или чисел, баллов по соответствующей шкале измерений (ст. 3.4).
Примечание. В VIM 3 (ст. 1.19) значение величины определено
как число и основа для сравнения, совместно выражающие размер
величины. В зависимости от основы для сравнения значение величины может быть выражено: числом и единицей измерения, числом
и указанием методики измерений, числом и указанием стандартного образца.
Единица (измерения) (величины) – величина фиксированного
размера, которой присвоено числовое значение, равное единице,
определяемая и принимаемая по соглашению для количественного
выражения однородных с ней величин (ст. 3.14).
Аддитивная величина: Величина, разные значения которой могут быть суммированы, умножены на числовой коэффициент, разделены друг на друга (3.28).
Пример. К аддитивным величинам относятся длина, масса и др.
Неаддитивная величина: Величина, для которой суммирование, ее значений не имеет смысла (3.29).
Пример. Термодинамическая температура.
Порядковая величина: Величина, определенная в соответствии
с принятыми по соглашению методом измерений или методикой измерений, для которой может быть установлено, в соответствии с ее
размером, общее порядковое соотношение с другими величинами
того же рода, но для которой не применимы алгебраические операции над этими величинами (3.30).
Пример 1. Твердость по шкале С. Роквелла.
Пример 2. Октановое число для легкого топлива.
Пример 3. Сила землетрясения по шкале Рихтера.
Пример 4. Субъективный уровень боли в брюшной полости по
шкале от нуля до пяти.
31
Примечание 1. Порядковые величины могут входить только в эмпирические соотношения и не имеют ни единиц измерения, ни размерностей
величин. Разности и отношения порядковых величин не имеют смысла.
Примечание 2. Порядковые величины располагаются в соответствии со шкалами значений порядковой величины.
Взаимосвязь терминов РМГ 29–2013 с понятием «величина» показана на рис. 2.2.
3.32
шкала значений
порядковой величины
3.30
порядковая
величина
3.27
исчисление
величин
3.31
3.33
шкала значений
принятая
величины
опорная шкала
3.28
3.29
аддитивная неаддитивная
величина
величина
3.3
3.1
3.2
род
величина размер
величины
величины
3.4
3.5
3.26
значение числовое уравнение
величины значение связи между
величины числовыми
значениями
3.14
единица
измерения
величины
(свойство)
3.34
качественное
свойство
3.13
величина
с размерностью
единица
3.15
система
единиц
величин
3.12
показатель
размерности
величин
3.6
система
величин
3.7
уравнение
связи между
величинами
3.10
Международная
система величин
3.9
производная
величина
3.11
размерность
величины
3.8
основная
величина
Рис. 2.2. Схема терминов, связанных с понятием «величина»
32
Единство измерений (ЕИ) – состояние измерений, при котором
их результаты выражены в узаконенных единицах величин или
в значениях по установленным шкалам измерений, а показатели
точности измерений не выходят за установленные границы (9.1).
Определение, приведенное в законе «Об обеспечении единства
измерений» № 102-ФЗ не отличается принципиально от данного
в РМГ 29–2013: единство измерений – состояние измерений, при
котором их результаты выражены в допущенных к применению
в Российской Федерации единицах величин, а показатели точности
измерений не выходят за установленные границы.
Эти расширенные определения не содержат связи с первичными
эталонами единиц величин. В свою очередь, это создает предпосылки для более общей трактовки понятия «единство измерений», позволяющей относить к метрологии так называемые «измерения» в экспертных оценках, проводимые в императивных шкалах. Некоторые
авторы считают, что это обогащает метрологию и даже способствует
ее развитию. Согласиться с этим невозможно даже по той причине,
что в подобных «измерениях» нереально существование единицы величины и ее эталона, а следовательно, и основы единства измерений.
В расширении областей применения методов метрологии, упоминаемых во «Введении» к VIM 3, такого противоречия нет. Декларируемое там расширение понятий метрологии в сферах медицинских,
химических, биологический и т. п. измерений имеет огромное практическое значение. Однако поскольку в этих сферах измерений не
реализуется прослеживаемость к первичному эталону или стандартному образцу (ввиду их отсутствия), то важнейшим средством обеспечения единства измерений становится референтная методика.
Такая трактовка цели и значения расширенных определений основных понятий метрологии подтверждается включением в новую редакцию РМГ 29–2013 понятия «метрологическая прослеживаемость».
Метрологическая прослеживаемость – свойство результата измерения, в соответствии с которым результат может быть соотнесен
с основой для сравнения через документированную непрерывную
цепь калибровок, каждая из которых вносит вклад в неопределенность измерений (9.2).
Примечание 1. «Основой для сравнения» может быть определение единицы измерения через ее практическую реализацию или
методика измерений, или эталон.
Примечание 2. Метрологическая прослеживаемость требует наличия установленной калибровочной иерархии и/или поверочной
схемы.
33
Шкалирование при сравнении качественных признаков не относится к точной науке – метрологии, что следует и из примечания 1
к ст. 2.1 VIM 3. Но это не значит, что подобные «измерения» невозможны или вовсе бесполезны.
В книге Пфанцагля [3] подобные измерения называются императивными. Универсальность, объективность и обоснованность шкал,
возникающих в императивных измерениях, всегда сомнительна
или, по крайней мере, неоднозначна. Шкалы императивных измерений (главным образом в социологии) имеют смысл только тогда,
когда, как считает Пфанцагль, они пригодны для прогнозирования.
Пригодны в том смысле, что прогнозы подтверждаются. Вопрос, однако, в том, обладают ли таким свойством прогнозы, составляемые,
например, по результатам «измерений» умственных способностей
людей?
Контрольные вопросы
1. Классификация величин.
2. Определение величины по VIM 3 и РМГ 29–2013.
3. Определение единицы измерения по VIM 3 и РМГ 29–2013.
4. Значение величины по VIM 3 и РМГ 29–2013.
5. Аддитивная и неаддитивная величина.
6. Единица измерения.
7. Объекты измерений.
8. Экстенсивная величина.
9. Интенсивная величина.
10. Физическая величина.
11. Единицы величин.
12. Понятие измерения по VIM 3 и РМГ 29–2013.
13. Определение единства измерений по VIM 3 и РМГ 29–2013.
2.2. Понятие о шкалах величин.
Единицы и системы единиц физических величин
2.2.1. Типы шкал
Согласно VIM 3 (1.27) шкала значений величины; шкала величины; шкала измерений – упорядоченный набор значений величин данного рода, используемый для ранжирования в соответствии
с размером величин этого рода.
Более строгим представляется определение, данное в РМГ 29–
2013 (практически не отличающееся от такового в РМГ 29–99):
шкала (значений) величины; шкала измерений – упорядоченная
34
совокупность значений величины, служащая исходной основой
для измерений данной величины (3.31).
Различают пять основных типов шкал измерений:
1. Шкалы наименований (шкалы классификации). Используются для классификации эмпирических объектов со свойствами эквивалентности. Эти свойства нельзя считать физическими величинами (ФВ), поэтому шкалы такого вида не являются шкалами ФВ.
Это самый простой тип шкал, основанный на приписывании качественным свойствам объектов чисел, играющих роль имен.
В шкалах наименований, в которых отнесение отражаемого
свойства к тому или иному классу эквивалентности осуществляется с использованием органов чувств человека, наиболее адекватен
результат, выбранный большинством экспертов. При этом большое
значение имеет правильный выбор классов эквивалентной шкалы,
то есть они должны надежно различаться наблюдателями, экспертами, оценивающими данное свойство. Числа, приписанные объектам, могут служить для определения вероятности или частоты
появления данного объекта, но не для суммирования и других математических операций.
Поскольку данные шкалы характеризуются только отношениями
эквивалентности, то в них отсутствует понятия: «ноль», «больше»,
«меньше» и «единица измерения». Примером шкал наименований являются атласы цветов, предназначенные для идентификации цвета.
2. Шкалы порядка (шкалы рангов) условны. По РМГ 29–2013,
шкала (значений) порядковой величины – шкала значений величины для порядковых величин (3.32).
Примечание. Шкала значений порядковой величины может
устанавливаться путем измерений в соответствии с методикой измерений.
Если свойство данного эмпирического объекта проявляет себя
в отношении эквивалентности и порядка по возрастанию или убыванию количественного проявления свойства, то для него может
быть построена шкала порядка. Она является монотонно возрастающей или убывающей и позволяет установить отношение больше/
меньше между величинами, характеризующими указанное свойство. В шкалах порядка существует или не существует «ноль», но
принципиально нельзя ввести единицы измерения, так как для них
не установлено отношение пропорциональности и соответственно
нет возможности судить, во сколько раз больше или меньше конкретные проявления свойства.
В случаях, когда уровень познания явления не позволяет точно
установить отношения, существующие между величинами данной
35
характеристики, либо применение шкалы удобно и достаточно для
практики, используют условные (эмпирические) шкалы порядка.
Условная шкала – это шкала величины, исходные значения которой выражены в условных единицах. Например, шкала вязкости
Энглера, 12-бальная шкала Бофорта для силы морского ветра, шкалы твердости и др.
Широкое распространение получили шкалы порядка с нанесенными на них реперными точками. К таким шкалам, например, относится шкала Мооса для определения твердости минералов, которая
содержит 10 опорных (реперных) минералов с различными условными числами твердости: тальк – 1; гипс – 2; кальций – 3; флюорит – 4;
апатит – 5; ортоклаз – 6; кварц – 7; топаз – 8; корунд – 9; алмаз – 10.
Минерал относят к той или иной градации твердости на основании
эксперимента, который состоит в том, что испытуемый материал
царапается опорным. Если после царапанья испытуемого минерала
кварцем (7) на нем остается след, а после ортоклаза (6) – не остается,
то твердость испытуемого материала составляет более 6, но менее 7.
Более точного ответа в этом случае дать невозможно.
В условных шкалах одинаковым интервалам между размерами
данной величины не соответствуют одинаковые размерности чисел,
отображающих размеры. С помощью этих чисел можно найти вероятности, моды, медианы, квантили, однако их нельзя использовать
для суммирования, умножения и других математических операций.
Определение значения величин при помощи шкал порядка
нельзя считать измерением, так как на этих шкалах не могут быть
введены единицы измерения. Операцию по приписыванию числа требуемой величине следует считать оцениванием. Оценивание
по шкалам порядка является неоднозначным и весьма условным,
о чем свидетельствует рассмотренный пример.
3. Шкалы интервалов (шкалы разностей) являются дальнейшим развитием шкал порядка и применяются для объектов, свойства которых удовлетворяют отношениям эквивалентности, порядка и аддитивности. Шкала интервалов состоит из одинаковых
интервалов, имеет единицу измерения и произвольно выбранное
начало – нулевую точку.
К таким шкалам относятся летоисчисление по различным календарям, температурные шкалы Цельсия, Фаренгейта и Реомюра.
На шкале интервалов определены действия сложения и вычитания интервалов. По шкале времени интервалы можно суммировать
или вычитать и сравнивать, во сколько раз один интервал больше
другого, но складывать даты каких-либо событий бессмысленно.
36
Шкала интервалов величины Q описывается уравнением
Q = Q0 + q[Q],
где q – числовое значение величины; Q0 – начало отсчета шкалы;
[Q] – единица рассматриваемой величины. Такая шкала полностью
определяется заданием начала отсчета Q0 шкалы и единицы данной
величины [Q].
Задать шкалу можно двумя путями. При первом из них выбирают два значения величины Q01 и Q1, которые относительно просто
реализуются физически. Эти значения называются опорными точками, или основными реперами, а интервал (Q1 – Q01) – основным
интервалом. Точка Q01 принимается за начало отсчета, а величина
(Q1 – Q01)/n = [Q]1 за единицу Q. При этом n должно быть таким, чтобы [Q]1 была целой величиной.
Перевод одной шкалы интервалов Q = Q01 + q1[Q]1 в другую
Q = Q02 + q2[Q]2 осуществляется на основе равенства Q01 + q1[Q]1 =
= Q02 + q2[Q]2. Такой перевод относится к так называемым допустимым преобразованиям шкал.
При втором пути задания шкалы единица воспроизводится непосредственно как интервал, его доля или некоторое число интервалов
размеров данной величины, а начало отсчета выбирается каждый раз
по-разному в зависимости от конкретных условий изучаемого явления. Например, шкала времени, в которой 1 с = 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующих переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. За начало отсчета
принимается начало изучаемого явления.
4. Шкалы отношений (пропорциональные и аддитивные) описывают свойства эмпирических объектов, которые удовлетворяют отношениям эквивалентности, порядка и аддитивности (шкалы второго
рода аддитивные), а в ряде случаев и пропорциональности (шкалы
первого рода пропорциональные). Их примерами являются шкала
массы (второго рода), термодинамической температуры (первого рода).
В шкалах отношений существует однозначный естественный
критерий нулевого количественного проявления свойства и единица измерений, установленная по соглашению. С формальной точки зрения, шкала отношений является шкалой интервалов с естественным началом отсчета. К значениям, полученным по этой шкале, применимы все арифметические действия, что имеет важное
значение при измерении ФВ.
Шкалы отношений самые совершенные. Они описываются уравнением, называемым основным уравнением измерений, Q = q[Q],
37
где Q – ФВ, для которой строится шкала; [Q] – единица измерения;
q – числовое значение ФВ. Переход от одной шкалы отношений
к другой происходит в соответствии с уравнением q2 = q1[Q1]/[Q2].
5. Абсолютные шкалы – это шкалы, под которыми понимают шкалы, обладающие всеми признаками шкал отношений, но дополнительно имеющие естественное однозначное определение единицы измерения и не зависящие от принятой системы единиц измерения. Они соответствуют относительным величинам: коэффициентам усиления, ослабления и др. Для образования многих производных единиц в системе
СИ используются безразмерные и счетные единицы абсолютных шкал.
Отметим, что шкалы наименований и порядка называют неметрическими (концептуальными), а шкалы интервалов и отношений – метрическими (материальными). Абсолютные и метрические шкалы относятся
к разряду линейных. Шкалы измерений реализуются путем стандартизации как самих шкал и единиц измерений, так и, в необходимых случаях, способов и условий их однозначного воспроизведения (табл. 2.1).
В последующем мы будем обращаться к термину «измерительная
задача», поэтому приведем здесь его определение по РМГ 29–2013.
Измерительная задача – задача, заключающаяся в определении
значения физической величины с требуемой точностью в данных условиях измерений (4.23). Из этого определения следует, что измерительные задачи характеризуются не только измеряемыми физическими величинами, но и условиями измерений. Условия измерений
могут быть различными и специфическими, и тогда формулируется
так называемая специальная измерительная задача. Поскольку измеряемая физическая величина количественно характеризует систему, явление или процесс, то одним из основных признаков классификации ФВ является исследуемый объект.
Таблица 2.1
Таблица допустимых преобразований шкал
Шкалы
Допустимые преобразования
Номинальная
Порядка
Интервалов
Логарифмическая
интервальная
Разностей
Отношений
Абсолютная
x → f(x), взаимно-однозначные преобразования
x → f(x), монотонные преобразования
x → rx + s, r > 0, позитивно аффинные преобразования
38
x → txr, t, r > 0, степенные преобразования
x → x + s, преобразования сдвига
x → tx, t > 0, преобразования подобия
x → x, тождественные преобразования
Важными понятиями в теории измерений являются единица
и размерность ФВ. Наличие единицы измерения ФВ, ее размерности
и шкалы позволяет установить все необходимые количественные
отношения между физическими величинами при их измерении.
При этом различают основные и производные единицы физических величин, вводимые в той или иной системе единиц. Основными
единицами называют единицы основных физических величин системы. Производными – единицы производных ФВ системы. Основные
ФВ для каждой системы величин принимаются в некоторой степени
условно и являются независимыми от других величин этой системы.
Физическая величина, определяемая через основные величины,
называется производной. Размерность такой ФВ представляет собой степенной одночлен, составленный из произведений символов
единиц основных ФВ, возведенных в соответствующую степень.
Все ФВ являются элементами соотношений, формализующих
наши представления о действительности. В тех случаях, когда
ФВ непосредственно определяется каким-либо основополагающим
уравнением, она аддитивна, то есть ее значения могут быть суммированы, умножены на числовой коэффициент, разделены друг
на друга. Другими словами, эта ФВ имеет естественную масштабную шкалу, определяемую исключительно единицей измерения
ФВ. К таким ФВ относятся масса, сила, длина, давление, скорость,
время и др. Напротив, если ФВ не определяется непосредственно
из основополагающего уравнения, она оказывается неаддитивной,
то есть перечисленные выше математические действия над ней лишены физического смысла. Такой неаддитивной ФВ является температура. Смысл температуры как ФВ устанавливают уравнения
идеального газа, газокинетической теории, статистической физики,
термодинамики и теплового излучения. Однако ни в одном из этих
случаев нельзя прямо и непосредственно измерить температуру.
Для неаддитивных ФВ шкала уже не может определяться только
единицей ФВ. Необходимо также задать масштаб шкалы ФВ. Задание масштаба шкалы – исключительно вопрос соглашения. Именно
этим объясняется существование различных температурных шкал:
Фаренгейта, Реомюра, Цельсия, Кельвина.
Существование согласованной международной системы единиц
позволяет сопоставлять результаты любых измерений. Наличие такой системы кажется нам естественным. Однако так было не всегда.
Первые шаги в создании общепринятой единицы ФВ были сделаны
в XVIII в. во Франции. В 1790 г. постановлением Национального собрания (эпоха Великой французской революции) была образована
39
комиссия из ведущих ученых, которая предложила принять в качестве единицы длины 10–7 долю одной четвертой земного меридиана.
Это предложение было утверждено 30 марта 1791 г., а в 1799 г. были
введены: единица длины – метр, единица веса – килограмм, вначале
определенный как вес кубического дециметра воды при +4 °С, а также
единица времени – секунда (1/86400 часть средних солнечных суток).
Казалось бы, простая вещь – единица длины, но даже в этом, пожалуй, самом простом случае консенсус достигался не так просто.
Даже через сто лет после введения метра существовали проблемы
сличения единиц длины. Профессор В. В. Болотов описывает в своих лекциях1 следующий случай: «В 1895 г. два профессора, английский Ченей и русский Менделеев, производили сличение двух мер:
русской полусажени и английского ярда. Для ума простого работа
эта покажется несложной и неважной; однако знаменитые ученые
работали целых три дня, и неудивительно: они произвели 22 серии
сличений, или 880 микрометрических измерений и 132 отсчета термометров…. В заключение труда составлен был протокол, последние
слова которого гласили следующее: «так как вопрос о тождественности нормальной температуры 62 °F и 16,667 °С по стоградусной
шкале водородного термометра в настоящее время не может быть
рассматриваем, как окончательно решенный, то в этом отношении
предстоящий отчет мы считаем не безусловно точным, а провизорным»».
Между прочим, единица длины «ярд» имеет «королевское происхождение»: согласно указу английского короля Генриха I (1065–
1135 гг.) ярд равен расстоянию от кончика королевского носа до
конца среднего пальца его же вытянутой руки. Гораздо менее «благородно» происхождение введенной еще в Киевской Руси (9–12 вв.)
единицы длины – локоть, так как она относится, как сказали бы
современные юристы, к неопределенному кругу лиц.
Что касается единицы веса, то правильнее было бы говорить не
о весе, а о массе, но в то время не делалось различий между массой и весом. Отметим, что метр и килограмм определены не как
естественные величины, а сравнением с эталонами (прототипами):
килограмм – масса, равная массе, международного прототипа килограмма. Это не очень удобно, так как усложняет обеспечение стабильности, сохранности, возможности восстановления и повышение точности воспроизведения единицы.
1В.
40
В. Болотовъ. Лекции по истории древней церкви. С.-Петербургъ, 1907.
А вот как выглядит процедура сопоставления дат в формальной
хронологии (Лекции В. В. Болотова): «Для того чтобы получить верные результаты, надо год по мусульманской эре помножить на 32,
произведение разделить на 33, полученное частное сложить с 622
и 1/2 и сумма почти всегда даст с достаточной точностью соответствующий год нашей эры».
В фундаментальном труде «Маятниковые часы», изданном
в 1673 г., X. Гюйгенс привел формулу для периода T так называемых малых колебаний маятника длиной l:
T = 2π l / g .
Это уравнение позволяет выразить меру длины через естественную меру времени. Секунда как единица времени тогда уже была
общепринятой. Гюйгенс предложил универсальную меру длины,
равную 1/3 длины секундного маятника, которую он назвал часовым футом. «Эта мера не только может быть определена везде
в мире, но и на все будущие века °°может быть всегда восстановлена» – писал Гюйгенс. Однако период колебаний маятника при одной и той же его длине зависит от географической широты, из-за
изменения значения ускорения свободного падения (силы тяжести).
Таким образом, мера не является строго универсальной.
В 1675 г. Тито Буратини в книге «Универсальная мера» вернулся к этой идее и для обозначения универсальной единицы длины –
длины секундного маятника, ввел название «метр» (от греческого
слова metron, что означает мера).
В те же годы 1000 гран (грамм) стали называть килограммом,
а его эталоном, единицей веса, был неофициально принят вес кубического дециметра воды при температуре +4 °С.
2.2.2. Системы единиц величин
Впервые понятие о системе единиц физических величин ввел немецкий ученый К. Гаусс в 1832 г. По его методу при образовании системы единиц сначала устанавливают или выбирают произвольно
несколько величин, независимых друг от друга. Единицы этих величин называются основными, так как они являются основой построения системы. Основные единицы устанавливают таким образом,
чтобы, пользуясь математической зависимостью между величинами, можно было бы образовать единицы других величин. Единицы,
выраженные через основные единицы, называются производными.
Полная совокупность основных и производных единиц, установленных таким путем, и является системой единиц физических величин.
41
Можно выделить следующие особенности описанного метода построения системы единиц физических величин.
Во-первых, метод построения системы не связан с конкретными
размерами основных единиц. Например, в качестве одной из основных единиц мы можем выбрать единицу длины, но какую именно,
безразлично. Это может быть или метр, или дюйм, или фут. Но производная единица будет зависеть от выбора основной единицы. Например, производной единицей измерения площади будет квадратный метр, или квадратный дюйм, или квадратный фут.
Во-вторых, построение системы единиц возможно для любых величин, между которыми имеется связь, выражаемая в математической форме в виде уравнения.
В-третьих, выбор величин, единицы которых должны стать основными, ограничен соображениями рациональности, и, в первую
очередь, тем, что оптимальным является выбор минимального числа основных единиц, который позволил бы образовать максимальное число производных единиц.
В-четвертых, система единиц должна быть когерентна. Производную единицу [z] можно выразить через основные [L], [M], [T], …
с помощью уравнения
[z] =
K ⋅ [L]α ⋅ [M ]β ⋅ [T ]γ ,
где K – коэффициент пропорциональности.
Когерентность (согласованность) системы единиц заключается
в том, что во всех формулах, определяющих производные единицы
в зависимости от основных, коэффициент пропорциональности равен единице. Это дает ряд существенных преимуществ, упрощает
образование единиц различных величин, а также проведение вычислений с ними.
Первоначально были созданы системы единиц, основанные на
трех единицах. Эти системы охватывали большой круг величин,
условно называемых механическими. Они строились на основе тех единиц физических величин, которые были приняты в той
или другой стране. Из всех этих систем предпочтение можно отдать системам, построенным на единицах длины, массы и времени
как основных. Одной из этих систем, является система метр–килограмм–секунда (МКС). В физике удобно было применять систему сантиметр–грамм–секунда (СГС). Системы МКС и СГС в части
единиц механических величин когерентны. Серьезные трудности
встретились при измерении электрических и магнитных величин
этих систем.
42
В течение некоторого времени использовали так называемую
техническую систему единиц, построенную по схеме длина–сила–
время. Основными единицами этой системы являлись метр–килограмм-сила–секунда (МКГСС). Ее удобство заключалось в том, что
применение единицы силы в качестве одной из основных упрощало вычисления и выводы зависимостей для многих величин, необходимых в технике. Недостаток в том, что единица массы в ней
получалась численно равной 9,81 кг, а это нарушает метрический
принцип десятичности мер. Второй недостаток – сходность наименования единицы силы «килограмм-сила» и метрической единицы
массы «килограмм», что часто приводит к путанице. Третий недостаток системы МКГСС – ее несогласованность с практическими
электрическими единицами.
Поскольку системы механических единиц охватывали не все
физические величины, для отдельных отраслей науки и техники
системы единиц расширялись путем добавления еще одной основной единицы. Так появилась система тепловых единиц метр–килограмм–секунда–градус температурной шкалы (МКСГ). Система
единиц для электрических и магнитных измерений получена добавлением единицы силы тока – ампера (МКСА). Система световых
единиц содержит в качестве четвертой основной единицы единицу
силы света – канделу.
Наличие различных систем единиц измерения физических величин, большое число внесистемных единиц, неудобства, возникающие на практике в связи с пересчетами при переходе от одной
системы к другой, вызвали необходимость создания единой универсальной системы единиц, которая охватывала бы все отрасли науки
и техники и была бы принята в международном масштабе.
В 1948 г. на IX ГКМВ поступили предложения принять единую
практическую систему единиц. Международным комитетом мер
и весов был проведен официальный опрос мнений научных, технических и педагогических кругов всех стран, и на основе полученных ответов составлены рекомендации по единой практической системе единиц.
Х ГКМВ (1954 г.) приняла в качестве основных единиц новой системы следующие: длина – метр; масса – килограмм; время – секунда; сила тока – ампер; температура термодинамическая – кельвин;
сила света – кандела. После конференции был подготовлен список
производных единиц новой системы.
Совершенствование системы единиц имеет, как мы видим, долгую историю. Ее современные страницы открываются с создания
43
Международной системы единиц СИ (SI – Systeme International
d’Unites), рекомендованной XI ГКМВ в 1960 г. для применения
во всех странах. В систему СИ в качестве основных величин были
включены: длина (м), время (с), масса (кг), сила электрического тока
(А), температура (К), сила света (кд), а позже (в 1971 г.) и количество вещества (моль). Эталон метра было решено воспроизводить по
измерению естественной величины – долям волны монохроматического излучения (одна из спектральных линий криптона, 86Kr):
один метр содержит 1650763,73 длины волны в вакууме этой спектральной линии. Однако на XVII ГКМВ в 1983 г. это определение
было отменено, и метр был определен как длина пути, которую проходит свет в вакууме за 1/299792458 долю секунды.
К настоящему времени действуют следующие определения основных единиц:
метр – длина пути, которую проходит свет в вакууме за 1/299792458
долю секунды (решение XVII ГКМВ 1983 г.);
килограмм – масса, равная массе международного прототипа килограмма (решение X ГКМВ, 1954 г.), – цилиндра из сплава платина-иридий, хранится в Международном бюро мер и весов в Севре (Франция);
секунда – продолжительность 9192631770 периодов излучения,
соответствующего переходу между двумя уровнями сверхтонкой
структуры основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения со стороны внешних полей (решение XIII ГКМВ, 1967 г.);
ампер – сила не изменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии
1 м один от другого в вакууме, создал бы между проводниками
на длине в один метр силу взаимодействия, равную 2 10–7 Н (решение IX ГКМВ, 1948 г.);
кельвин – 1/273,161 часть термодинамической температуры тройной точки воды (решение XIII ГКМВ, 1967 г.); в МТШ-90 единица
температурной шкалы определяется разностью температур фазового перехода из твердого в жидкое состояние и тройной точки воды
(273,16 К точно), которая равна 0,01 К точно;
моль – количество вещества системы, содержащей столько же
структурных элементов, сколько содержится атомов в изотопе С12 массой 0,012 кг (принято в 1971 г.);
кандела – сила света в данном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·1012 Гц, энергетическая сила света излучения которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/cp (решение XVI ГКМВ, 1979 г.).
44
Внедрение системы СИ в нашей стране началось практически сразу
после ее принятия. В государственном стандарте СССР (ГОСТ 9867–61)
система СИ определена «как предпочтительная во всех областях науки, техники и народного хозяйства, а также при преподавании».
До сих пор, наряду с системой СИ, в некоторых отраслях науки
применяются система СГС и самая старая из всех – система МКГСС.
Как мы уже отмечали, помимо основных единиц системы существуют производные единицы (табл. 2.2). Дополнительными в системе СИ являлись: единица плоского угла – радиан, единица телеТаблица 2.2
Единицы системы СИ
Единица ФВ
Обозначение
Наименование русмеждуское народное
Основные ФВ
Физическая величина
Длина
Время
Масса
Сила электрического тока
Термодинамическая
температура
Сила света
Количество вещества
Размерность
по формуле
определения
метр
секунда
килограмм
ампер
м
с
кг
А
m
s
kg
A
м
с
кг
А
кельвин
К
K
К
кандела
моль
Кд
моль
cd
mоl
кд
моль
рад
ср
rad
sr
рад
ср
м3
m3
м3
джоуль
ватт
люкс
беккерель
паскаль
генри
кулон
Н
Па
Па с
м2/с
Дж
Вт
лк
Бк
Па
Гн
Кл
N
Pa
Pa s
m2/s
J
W
lx
Bq
Pa
H
C
кг м/с2
Н/м2 = кг/м с2
кг/м с
м2/с
Н м = кг м2/с2
Дж/с = кг м2/с3
кд/м2
с-1
кг/м с2
кг м2/с2 А2
Ас
вольт
В
V
кг м2/с3А
фарада
Ф
F
А2с4/кг м2
Примеры производных ФВ
Плоский угол
Телесный угол
Объем
Сила
Давление
Динамическая вязкость
Кинематическая вязкость
Работа
Мощность
Освещенность
Активность
Звуковое давление
Индуктивность
Электрический заряд
Электрическое
напряжение
Электрическая емкость
радиан
стерадиан
кубический
метр
ньютон
паскаль
45
сного угла – стерадиан. Производные единицы системы образуются
из основных единиц при помощи определяющих уравнений.
Система СИ хорошо продумана но, тем не менее, несовершенна.
Это, в частности, проявляется в том, что наличие идентичной размерности у нескольких производных единиц порождает некую неоднозначность системы. Однако анализ несовершенств системы СИ
не является предметом нашего курса.
2.2.3. Размерность физических величин
Формализованное отражение качественного различия измеряемых величин – их размерность. Размерность обозначается символом dim, происходящим от слова dimension, которое в зависимости
от контекста может переводиться и как размер, и как размерность.
Размерность основных физических величин обозначается соответствующими заглавными буквами. Например, для длины, массы
и времени: dim l = L; dim m = M; dim t = T.
Размерность производной единицы СИ физической величины z
в общем виде устанавливается из выражения:
=
dim z Lα MβT γ Iε θηNμ Jλ ,
где L, M, T, I, θ, N, J – размерности физических величин, единицы
которых приняты за основные; α, β, γ, ε, η, μ, λ – показатели степени, в которой соответствующая величина входит в уравнение, определяющее производную величину z.
Выражение отражает связь величины z с основными величинами системы, в которой коэффициент пропорциональности принят
равным единице (когерентная система).
Каждый из показателей размерности может быть положительным или отрицательным, целым или дробным числом, нулем. Если
все показатели размерности равны нулю, то такая величина называется безразмерной. Она может быть относительной, если определяется как отношение одноименных величин (например, относительная диэлектрическая проницаемость), и логарифмической,
если определяется как логарифм относительной величины (например, логарифм отношения звукового давления).
Примеры размерности производных единиц применительно
к единицам СИ:
0
S L2M0T0 I0 θ0 N0 J=
L2 ;
для единицы площади dim=
1 0 −1 0 0 0 0
V LM T I θ N J
= LT −1;
для единицы скорости dim=
1 0 −2 0 0 0 0
a LM T I θ N J
= LT −2 ;
для единицы ускорения dim=
2 1 −3 0 0 0 0
P LM T I θ N J
= L2 MT −3 .
для единицы мощности dim=
46
Размерности определяют связи между физическими величинами, но не характер величин. Есть величины, размерности производных единиц которых совпадают, хотя по своей природе эти величины различны. Например, размерности работы (энергии) и момента силы одинаковы и равны L2MT2.
Кратные единицы. Размеры метрических единиц, в том числе
и единиц СИ, для многих практических случаев неудобны, так как
слишком велики или очень малы. Поэтому пользуются кратными
и дольными единицами, то есть единицами, в целое число раз большими или меньшими единицы данной системы. Широко применяются десятичные кратные и дольные единицы, которые получаются
умножением исходных единиц на число 10, возведенное в степень.
Для образования наименований десятичных кратных и дольных
единиц используют соответствующие приставки (табл. 2.3).
Десятичные кратные и дольные единицы, наименования которых образованы при помощи приставок, не входят в когерентную
систему единиц. Применение их по отношению к системе следует рассматривать как рациональный способ изображения малых
и больших числовых значений.
Таблица 2.3
Десятичные кратные и дольные единицы величин
Множитель
1018
1015
1012
109
106
103
102
101
10–1
10–2
10–3
10–6
10–9
10–12
10–15
Наименование
экса
пета
тера
гига
мега
кило
гекто
дека
деци
санти
милли
микро
нано
пико
фемто
Приставка
Обозначение
русское
международное
Э
П
Т
Г
М
к
г
да
д
с
м
мк
н
п
ф
E
P
T
G
M
k
h
da
d
s
m
μ
n
p
f
47
Выбор десятичной кратной или дольной единицы СИ диктуется
прежде всего удобством ее применения. Из многообразия кратных
и дольных, которые могут быть образованы при помощи приставок,
выбирают единицу, приводящую к числовым значениям величины,
приемлемым на практике.
Некоторые дольные и кратные единицы получили ранее особые
наименования, которые сохранились до сих пор. Например, в качестве единиц, кратных секунде, применяют не десятичные кратные,
а исторически сложившиеся единицы: 1 мин = 60 с; 1 ч = 60 мин =
3600 с; 1 сут = 24 ч = 86400 с; 1 неделя = 7 сут = 604800 с. Для образования дольных единиц секунды применяют десятичные коэффициенты с соответствующими приставками к наименованию: миллисекунда (мс), микросекунда (мкс), наносекунда (нс).
Относительные и логарифмические величины и единицы. Широкое распространение в науке и технике имеют относительные
и логарифмические величины и их единицы, которые характеризуют состав и свойства материалов, отношения энергетических
и силовых величин и др. Такими характеристиками являются, например, относительное удлинение, относительная плотность, относительные диэлектрическая и магнитная проницаемость, усиление
и ослабление мощностей и т. п.
Относительная величина – безразмерное отношение физической
величины к одноименной физической величине, принимаемой за исходную. В число относительных величин входят и относительные
атомные или молекулярные массы химических элементов, выражаемые по отношению к одной двенадцатой (1/12) массы углерода – 12.
Относительные величины могут выражаться или в безразмерных
единицах (когда отношение двух одноименных величин равно 1), или
в процентах (когда отношение равно 10–2), или в промилле (отношение равно 10–3), или в миллионных долях (отношение равно 10–6).
Логарифмическая величина – логарифм (десятичный, натуральный или при основании «два») безразмерного отношения двух одноименных физических величин. В виде логарифмических величин
выражаются уровни звукового давления, усиление, ослабление, частотный интервал и т. п. Единицей логарифмической величины является бел (Б), определяемый следующим соотношением: 1 Б = lg (P2/Pl)
при Р2 = 10·Р1, где P1, P2 – одноименные энергетические величины
(мощности, энергии, плотности энергии и т. п.). Дольной единицей от
бела является децибел (дБ), равный 0,1 Б.
Внесистемными единицами называют те единицы физических
величин, которые не входят в применяемую в каждом конкретном
48
случае систему единиц ни как основные, ни как производные. Внесистемные единицы в той или иной степени всегда являются некоторой помехой к внедрению системы единиц. При проведении расчетов по теоретическим формулам необходимо все внесистемные
единицы приводить к соответствующим единицам системы. В некоторых случаях это бывает несложно, как, например, при десятичной кратности или дольности. В других случаях перевод единиц
сложен и нередко бывает источником ошибок. Кроме того, отдельные внесистемные единицы по своим размерам оказываются очень
удобными для некоторых отраслей науки, техники или для применения в быту, и отказ от них связан с рядом неудобств. Примерами
таких единиц могут служить: для длины – астрономическая единица, световой год, парсек; для массы – атомная единица массы и др.
Правила применения единиц величин в России регламентирует
Положение о единицах величин, допускаемых к применению в РФ,
утвержденное Постановлением Правительства РФ от 31 октября
2009 г. № 879 (в редакции Постановления Правительства Российской Федерации от 15.08.2015 г. N 847).
Контрольные вопросы
1. Определение шкалы по VIM 3 и РМГ 29–2013.
2. Типы шкал величин.
3. Допустимые преобразования шкал.
4. Системы единиц величин.
5. Когерентность системы единиц.
6. Основные единицы СИ.
7. Размерность физических величин.
8. Кратные и дольные единицы.
9. Относительные и логарифмические единицы.
10. Основные и дополнительные единицы величин системы СИ.
11. Производные единицы системы СИ.
12. Внесистемные единицы.
13. Размерность физических величин.
14. Измерительная задача.
2.3. Понятие об измерении
2.3.1. Измерение как отображение эмпирического объекта
в числовой системе
С философской точки зрения измерение является процессом отображения фрагмента действительности в пространстве абстрактных
49
образов этой действительности. Теория измерений устанавливает правила осуществления этого отображения (правила преобразования).
В случае, когда основой для сравнения служит единица величины, сущность измерения как процесса сравнения и его цель выражает основное уравнение измерений, записываемое в виде отношения величины и ее единицы: Q = q[Q], где Q – измеряемая ФВ;
q – числовое значение ФВ; [Q] – единица ФВ.
В приведенном определении измерения отражены: познавательный процесс – получение значения величины, осознанная деятельность технического характера – совокупность операций и, наконец,
метрологический аспект – сравнение с единицей.
Ограниченность числового значения q измеряемой величины Q
приводит при отображении к гомоморфизму, то есть к неоднозначности при отображении. Измерение является гомоморфным отображением, когда данному размеру Q в диапазоне от Q0 = q [Q] до Q1 = (q+1) [Q]
соответствует только одно значение Q0 = q [Q], а данному Q0 – множество размеров Q в указанном диапазоне (рис. 2.3).
Гомоморфизм вносит вероятностный аспект в отображение не только случайной, но и постоянной величины и является причиной появления неизбежной методической погрешности измерения – погрешности квантования. Эта погрешность возникает из-за принципиального
несовершенства измерения как метода отображения непрерывного
размера величины числом с ограниченным количеством разрядов.
По Пфанцаглю [3], при отображении «эмпирической системы
с отношениями» в «числовую систему с отношениями» на основе
прямых измерений возникают так называемые «фундаментальные» шкалы. Если же это отображение происходит на основе использования функциональных связей, то возникает понятие «производной» шкалы. Эта ситуация сходна с «косвенными» измерениями. Интересно, что сам Пфанцагль выражает сомнение в том, что
косвенные измерения вообще можно относить к измерениям.
Такое отношение к косвенным измерениям – следствие сформулированного в книге Пфанцагля положения: «цель науки всегда должQ0
q
Q
Q1 Размер ФВ
q + 1 Числовое значение ФВ
Рис. 2.3. Гомоморфизм операции измерения
50
на заключаться в построении независимых фундаментальных шкал
для свойств». Все остальное может быть описано эмпирическими соотношениями, но не построением «производных» шкал. Это специфическое соображение, особенно с учетом заключенной в нем специфической же трактовкой свойства, как будто полностью отрицает опыт
развития метрологии и, особенно, взаимного влияния ее разделов.
Вопрос существования фундаментальных и нефундаментальных
шкал – это, по существу, вопрос единиц, систем единиц и шкал ФВ.
Может ли наука достигнуть цели, сформулированной Пфанцаглем,
если число ФВ, с помощью которых описываются характеристики
свойств эмпирических объектов во всех отраслях деятельности, без
дольных и кратных превышает сто двадцать, а число государственных первичных эталонов единиц ФВ, например, в России, включая
специальные, превышает 160 (Росстандарт. Государственная эталонная база данных). В то же время в Международной системе единиц СИ
основных единиц всего семь, да и то лишь единица массы, может быть
отнесена без всяких оговорок к независимой, но определяемой не как
естественная единица ФВ, а по прототипу. Что касается единиц времени и длины, то это – естественные величины, но: 1) единица времени –
секунда устанавливается по частоте перехода между сверхтонкими
уровнями основного состояния атома 133Cs; 2) единица длины – метр –
расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени,
равный 1/с секунд, где с – скорость света в вакууме.
Как видно, для воспроизведения двух этих основных единиц системы СИ требуется воспроизведение единицы частоты и наличие
константы – скорости света в вакууме. Можно ли при этом считать,
что, например, единица длины воспроизводится в прямых независимых измерениях и, следовательно, образует «фундаментальную»
шкалу? Скорее наоборот: единица длины воспроизводится на основе использования функциональной связи с единицей времени и потому образует «производную» шкалу. Тем не менее, обе эти единицы являются основными в системе СИ.
Относительно выбора основных единиц ФВ существуют различные мнения, включая прямо противоположные: основная единица ФВ
должна быть единственной или наоборот – все известные ФВ должны
быть основными. Обе крайние точки зрения на практике вряд ли реализуемы. С одной стороны, при «сведении» всех известных нам ФВ,
отражающих, кстати, различные свойства эмпирических объектов,
к единственной основной теряется связь между ФВ и восприятием
свойств эмпирических объектов органами чувств. С другой стороны,
«бесконечное» число «независимых» единиц ФВ требует установления
51
между ними многочисленных функциональных взаимосвязей с коэффициентами, физический смысл которых не вполне ясен и, главное,
разный для разных областей знания. Кроме того, и в том, и в другом
случае потребуется радикальное изменение систем универсальных
физических констант. Оправдывается ли это конечным результатом?
Вряд ли, ведь окружающий нас материальный мир существует независимо от того, что нам о нем известно. Поэтому стремление к «абсолютизации» отображения «эмпирической системы с отношениями»
в «числовую систему с отношениями» вряд ли оправдано как с теоретической, так и с практической точек зрения. Скорее должно отыскиваться наиболее практически целесообразное решение. Собственно,
так и происходит, так как теоретическая и практическая метрология
взаимно влияют друг на друга, вследствие чего основное требование,
предъявляемое к системе единиц ФВ, заключается в том, что система
должна быть наиболее удобной для практических целей.
Таким образом, мы вынуждены признать, что почти все единицы
ФВ определяются в косвенных измерениях отнюдь не независимых ФВ
и, следовательно, не имеют фундаментальных по Пфанцаглю шкал.
То же самое относится к некоторым основным единицам ФВ системы
СИ (температура, сила тока) и, тем более, производным. При этом не
наблюдается признаков утраты наукой цели своего существования, вопреки упомянутому предположению Пфанцагля. Более того, метрология совершенно справедливо ставит на первое место не фундаментальность шкал ФВ, а другие свойства единиц ФВ, а именно: естественность
определения единицы, предельно достижимую точность воспроизведения, стабильность и сохранность во времени первичных эталонов единиц ФВ. Характеристики этих свойств зависят от уровня развития науки. В современных эталонных установках часто воспроизводится не
строго единица ФВ, а ее часть и/или шкала. Причем это имеет место
тогда, когда единица ФВ воспроизводится в измерениях естественных
величин, а не по прототипу. Например, эталон единицы длины, времени и частоты или единицы температуры и температурной шкалы.
Выбор основных единиц ФВ в известной степени произволен. Поэтому при возникновении практической потребности некоторые из
них вполне могут поменяться местами с единицами ФВ, определяемыми сейчас как производные.
Кстати сказать, многообразие функциональных связей ФВ, применяемых в различных отраслях знаний, создает возможности для
улучшения характеристик эталонов единиц ФВ путем переопределения последних. Причем, что важно отметить в контексте дискуссии
о фундаментальных и нефундаментальных шкалах ФВ, переопреде52
ление, как правило, связано с применением новых функциональных
связей между ФВ, то есть, иначе говоря, с реализацией косвенных, а
отнюдь не прямых измерений. Примером могут служить планируемые МКМВ переопределения основных единиц системы СИ.
Из приведенных рассуждений видно, что измерение – сложное
понятие, неразрывно связанное с целым рядом других важных понятий. Проиллюстрируем сказанное цитатой из РМА-2:
«Для того чтобы дать достаточно общее и содержательное определение
понятия «измерение», используем цепочку «порождающих» понятий:
«отражение» как восприятие окружающей действительности → «эксперимент» как познавательная деятельность, осуществляемая с определенной целью, (в том числе качественный, количественный, мысленный
или виртуальный) → «измерение». Таким образом, определение понятия
«измерение» должно отражать следующие аспекты: познавательная
деятельность, деятельность целевого характера, предусматривающая
взаимодействие объекта и субъекта познания; получение сведений количественного характера в результате проведения процедуры измерения
путем сравнения с мерой» (В. А. Слаев, А. Г. Чуновкина).
Согласно международному словарю VIM 3 измерение – процесс
экспериментального получения одного или более значений величины, которые могут быть обоснованно приписаны величине (2.1).
Примечание 1. Измерения не применяют в отношении качественных свойств.
Примечание 2. Измерение подразумевает сравнение величин
или счет объектов.
Примечание 3. Измерение предусматривает описание величины
в соответствии с предполагаемым использованием результата измерения, методику измерений и откалиброванную измерительную
систему, функционирующую в соответствии с регламентированной
методикой измерений и с учетом условий измерений.
С точки зрения предупреждения возможных ошибок при расширительной трактовке понятий «величина» и «измерение» приводимые примечания очень важны.
Согласно РМГ 29–99, измерение физической величины; измерение
величины; измерение – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой
величины с ее единицей и получение значения этой величины (ст. 5.1).
Примечание 1. Приведенное определение понятия «измерение»
удовлетворяет общему уравнению измерений, что имеет существенное значение в деле упорядочения системы понятий в метрологии.
53
54
4.3
объект
измерений
4.19
измерение
прямое
4.13
4.12
референтная первичная
референтная
методика
методика
измерений
измерений
4.20
4.21
4.22
измерение измерения измерения
косвенное совокупные совместные
4.5
4.4
4.2
4.11
метод
измеряемая принцип
методика
величина измерений измерений измерений
4.23
задача
измерительная
4.1
измерение
величины
4.10
4.6
метод
метод
измерений
сравнения
с мерой дифференциальный
4.8
4.9
4.7
метод
метод
метод
измерений
измерений измерений
нулевой замещением дополнением
Рис. 2.4. Схема терминов, связанных с понятием «измерение»
4.14
измерение
статическое
4.15
4.16
динамический
измерение
режим
динамическое
использования
СИ
4.17
измерение
абсолютное
4.18
измерение
относительное
4.25
вид
измерений
4.24
область
измерений
4.26
подвид
измерений
В нем учтена техническая сторона (совокупность операций), раскрыта метрологическая суть измерений (сравнение с единицей) и показан гносеологический аспект (получение значения величины).
Примечание 2. В тех случаях, когда невозможно выполнить измерение (не выделена величина как физическая и не определена
единица измерений этой величины) практикуется оценивание таких величин по условным шкалам.
По РМГ 29–2013 измерение (величины) – процесс экспериментального получения одного или более значений величины, которые
могут быть обоснованно приписаны величине (4.1).
Примечание 1. Измерение подразумевает сравнение величин или
включает счет объектов.
Примечание 2. Измерение предусматривает описание величины
в соответствии с предполагаемым использованием результата измерения, методики измерений и средства измерений, функционирующего в соответствии с регламентированной методикой измерений
и с учетом условий измерений.
В этой редакции понятие измерение расширено на процедуры
определения не только физических, но и порядковых величин. Это
подтверждают и определения значения величины и единицы величины по РМГ 29–2013.
Взаимосвязь терминов РМГ 29–2013 с понятием «измерение»
приведена на рис. 2.4.
2.3.2. Структурная схема измерений. Измерительная задача
Как уже отмечалось ранее, измерительной называется задача, заключающаяся в определении значения величины путем ее измерения с требуемой точностью в данных условиях измерений (РМГ 29–2013, 4.23).
Структурная схема измерений подчеркивает, в частности, то важное обстоятельство, что измерение не является самоцелью. Цель измерения всегда очень конкретна, и тем самым она конкретизирует
объект измерения, выделяя в нем измеряемую ФВ и определяя требования к объективности и истинности образа реальной действительности, что, с точки зрения метрологии, эквивалентно точности измерения. О точности измерения мы поговорим подробно позже, а пока
определим некоторые понятия, приведенные на (рис. 2.5).
Объект измерений: Материальный объект или явление, которые
характеризуются одной или несколькими измеряемыми и влияющими величинами (РМГ 29–2013, 4.3).
Модель объекта измерений – теоретико-физическая и математическая конструкция, отражающая свойства объекта, существенные
55
Условия
измерения
Объект
реального мира
«эмпирическая
система»
Результат
Средство
Физическая Входной
измерения Выходной наблюдений
величина
(измерительный)
Метод
Получение
сигнал
Цель Априорная
(представление)
измере- информа- измерения
ция
результата
ния
измерения
Алгоритм
обработки
Модель
Модель
средства
(образ)
измерений
объекта
Модель
измерения
Метрологирезультата
ческие
Модель ФВ
наблюдений
характерисИзмеряетики
мая ФВ
Анализ
результата
измерения
Рис. 2.5. Структурная схема измерения
для данной измерительной задачи. Построение модели диктуется
целью измерений и осуществляется до выполнения измерения на
основе априорной информации об объекте и об условиях измерения.
Модель измерений; уравнение измерений: Уравнение связи между
величинами в конкретной измерительной задаче (РМГ 29–2013, 5.28).
Условия измерений – совокупность значений или областей значений влияющих величин. Изменение условий измерения приводит к изменению состояния объекта измерения. Это в свою очередь
определяет влияние условий измерения на выделенную ФВ (то есть
на объект измерений) и через нее – на измеряемую величину и отклонение значения действительной величины от той, которая была
определена при формулировании измерительной задачи. Влияние
условий измерения на средство измерения проявляется в изменении его метрологических характеристик. При этом та часть погрешности измерения, которая возникает из-за изменения условий, называется дополнительной погрешностью.
В соответствии с установленными для конкретных ситуаций диапазонами значений влияющих величин различают нормальные,
рабочие и предельные условия измерений.
56
Таблица 2.4
Номинальные значения влияющих величин при нормальных условиях
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Влияющая величина
Значение
Температура для всех видов измерений, °С (К)
20 (293)
Давление окружающего воздуха для измерения ионизирующих излучений, теплофизических, температур100 (750)
ных, магнитных, электрических измерений, измерения давления и параметров движения, кПа (мм рт. ст.)
Давление окружающего воздуха для линейных, угловых
измерений, измерения массы, силы света и измерений 101,3 (760)
в других областях, кроме указанных в п. 2, кПа (мм рт. ст.)
Относительная влажность воздуха для линейных, угловых измерений, измерений массы, измерений в спектро58
скопии, %
Относительная влажность воздуха для измерения элек55
трического сопротивления, %
Относительная влажность воздуха для измерений температуры, силы, твердости, переменного электрического
65
тока, ионизирующих излучений, параметров движения, %
Относительная влажность воздуха для всех видов изме60
рений, кроме указанных в пп. 4, 6, %
3
Плотность воздуха, кг/м
1,2
Ускорение свободного падения, м/с2
9,8
Магнитная индукция (Тл) и напряженность электростатического поля (Вм) для измерений параметров дви0
жения, магнитных и электрических величин
Maгнитная индукция и напряженность электростатическо- Магнитное
го поля для всех видов измерений, кроме указанных в п. 10 поле Земли
Частота питающей сети переменного тока, Гц
50 ± 1%
Среднеквадратическое значение напряжения питаю220 ± 10%
щей сети переменного тока, В
Нормальные условия (измерений): Условия измерений, предписанные для оценивания характеристик средства измерений или
измерительной системы или для сравнения результатов измерений
(РМГ 29–2013, 7.43).
Нормальные условия измерений задаются в нормативно-технической документации на средство измерения. При нормальных условиях определяется основная погрешность данного средства измерения.
В табл. 2.4 приведены стандартные номинальные значения ряда
влияющих ФВ при нормальных условиях.
57
Нормированные условия измерений; рабочие условия измерений:
Условия измерений, которые должны выполняться во время измерения
для того, чтобы средство измерений или измерительная система функционировали в соответствии со своим назначением (РМГ 29–2013, 7.45).
Влияющая величина: Величина, которая при прямом измерении не влияет на величину, которую фактически измеряют, но влияет на соотношение между показанием и результатом измерения
(РМГ 29–2013, 5.33).
Нормальное значение (влияющей величины): Значение влияющей
величины, к которому приводятся результаты измерений одной и той
же величины, выполненные в разных условиях (РМГ 29–2013, 7.44).
Нормированные условия измерений; рабочие условия измерений: Условия измерений, которые должны выполняться во время
измерения для того, чтобы средство измерений или измерительная
система функционировали в соответствии со своим назначением
(РМГ 29–2013, 7.45).
Предельные условия (измерений): Условия измерений, характеризуемые экстремальными значениями измеряемой и влияющих
величин, которые средство измерений или измерительная система
может выдержать без разрушений и ухудшения метрологических
характеристик, если они впоследствии будут использоваться в своих нормированных условиях измерения (РМГ 29–2013, 7.46).
Конечной целью любого измерения является его результат – значение величины, полученное путем ее измерения. Результат измерения представляется именованным или неименованным числом вместе
с оценкой характеристик его точности. Совместно с результатом измерений при необходимости приводят данные об условиях измерений.
Априорная информация – исходная информация об объекте
и условиях измерения. Она должна содержать сведения о физических явлениях в объекте, возможных диапазонах изменения величины, условиях измерения и др. Если априорная информация
отсутствует, то измерение невозможно. Если же в ней содержатся
значения величины, то измерение излишне.
Измерительный сигнал – сигнал, содержащий количественную
информацию об измеряемой величине.
Как отмечалось ранее, метод измерений – это совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей в соответствии
с физическим явлением или эффектом, положенным в основу измерения (принцип измерения). Под методом измерений (или способом
измерений) часто подразумевают менее общее, но более конкретное
определение совокупности приемов сравнения и средств измерений.
58
В этом случае можно говорить о том, что метод измерений обусловлен их целью. И, кроме того, составной частью метода оказывается
алгоритм обработки данных.
В зависимости от способа обработки наблюдения с целью нахождения результата измерения классифицируют по видам:
– прямое измерение – измерение, при котором искомое значение
ФВ получают непосредственно из показания средства измерения;
– косвенное измерение – измерение, при котором определение
искомого значения ФВ основано на расчетах по результатам прямых измерений других ФВ, функционально связанных с искомым;
– совокупные измерения – измерения нескольких ФВ, производимые одновременно, при которых искомое значение ФВ определяют путем решения системы уравнений, полученных при измерениях различных сочетаний этих величин;
– совместные измерения – одновременные измерения нескольких неодноименных ФВ для установления зависимости между ними.
Измерения классифицируются также и по другим признакам,
что отражено на рис. 2.6.
Рассмотрим подробнее основные стадии и этапы измерения ФВ,
характерные для любой измерительной задачи (табл. 2.5). Одновременно отметим основные причины ошибок, часто не позволяющих
достигнуть цели измерения.
ТЕХНИЧЕСКИЕ
ЧИСЛО
НАБЛЮДЕНИЙ:
однократные,
многократные
ДОСТАТОЧНОСТЬ:
необходимая,
избыточная
ХАРАКТЕР
РЕЗУЛЬТАТА:
абсолютный,
относительный,
пороговый
(допусковый)
ЛАБОРАТОРНЫЕ:
с точным
и приближенным
оцениванием
погрешности
ТОЧНОСТЬ
РЕЗУЛЬТАТА
ВИДЫ
ИЗМЕРЕНИЙ
УСЛОВИЯ
ИЗМЕРЕНИЙ:
равноточные,
неравноточные
СВЯЗЬ
С ОБЪЕКТОМ:
контактная,
бесконтактная
МЕТОД:
непосредственной
оценки, сравнения
с мерой, противопоставления, замещения, дифференциальный, нулевой
СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ
РЕЗУЛЬТАТА:
прямые, косвенные,
совместные, совокупные,
статические, динамические
Рис. 2.6. Классификация видов измерений
59
Таблица 2.5
Основные стадии и этапы решения измерительной задачи
№
Стадия
Этап
Основные причины ошибок
и обусловленных ими
погрешностей
1 Предваритель- Получение исходной
ная
(априорной) информации об общих свойствах
объекта исследований
и условиях измерений
Неправомерность переноса
опыта на вновь исследуемый объект
2 Постановка
Моделирование объекта
измерительной исследований
задачи
Ошибочные упрощения
модели, неадекватное описание закономерностей
Выбор измеряемой ФВ, Неоднозначная связь ФВ
характеризующей изуча- со свойством объекта
емое свойство объекта
(погрешность несоответствия моделей)
3 Планирование Выбор метода
Ошибочная оценка обоизмерений
измерения ФВ
снованности применения
метода в реализуемых условиях измерений, включая влияющие факторы
4 Планирование Выбор или разработка
Неточные сведения о хаэксперимента средства измерений
рактеристиках (неточные
с заданными значениями методы их расчета)
характеристик
Исследование характеристик средства измерения на соответствие
заданным значениям
Выбор точек контроля
Изготовление/приобретение средства измерения и оснащение им
объекта исследований
60
Неправомерность применения или отсутствие обоснованного метода градуировки, неправомерность
переноса характеристик на
рабочие условия измерений
Непредставительность
местоположения и объема
контроля, влияние средства измерений на объект
измерений, его взаимодействие с объектом (методическая погрешность)
Некачественные изготовление и/или контроль
средства измерений
Окончание табл. 2.5
№
Стадия
5 Выполнение
измерений
Этап
Регистрация данных
Контроль работоспособности и диагностика
состояния средства
измерения
Регулирование параметров процессов в исследуемом объекте (активный
эксперимент)
6 Заключительная
Основные причины ошибок
и обусловленных ими
погрешностей
Несогласование элементов
измерительной системы,
неустраненные помехи,
ошибки оператора, сбои
и отказы из-за низкой надежности средств измерений и др. элементов измерительного устройства или
измерительной системы
Недостоверность и/или
неоднозначность методов
контроля и диагностики
Ошибочные решения об изменении параметров, влияющие на однозначность
поведения объекта исследования и на характеристики
средства измерения
Обработка данных
Ошибочный алгоритм,
ошибки оператора
Оценивание погрешностей Неадекватность модели
результатов измерений
погрешности
Анализ результатов
Необъективные методы
анализа
Корректировка модели
Неправомерность и/или
объекта исследования
необоснованность выводов
и планирование более рационального исследования
Контрольные вопросы
1. Основное уравнение измерений.
2. Гомоморфизм измерения.
3. Определение измерения по VIM 3 и РМГ 29–2013.
4. Структурная схема измерения
5. Объект и модель объекта измерений.
6. Условия измерений.
7. Влияющие величины.
8. Априорная информация.
9. Прямые и косвенные измерения.
61
10. Совокупные и совместные измерения.
11. Классификация видов измерений.
12. Структурная схема измерения.
13. Нормальные условия измерений.
14. Основные этапы решения измерительной задачи.
2.3.3. Результат измерения
По РМГ 29–2013 Результат (измерения величины): Множество
значений величины, приписываемых измеряемой величине вместе
с любой другой доступной и существенной информацией (5.1).
Примечание 1. Определение понятия результата измерения претерпело существенное изменение по сравнению с определением РМГ
29—99 и вобрало в себя выражение точности измерения. Информация, приводимая в результате измерения, определяется особенностями конкретного измерения и соответствует требованиям, предъявляемым к этому измерению. В большинстве случаев информация относится к точности измерения и выражается показателями точности,
в обоснованных случаях содержит указание методики измерений и др.
Примечание 2. Результат измерения может быть представлен
измеренным значением величины с указанием соответствующего
показателя точности. К показателям точности относятся, например, среднее квадратическое отклонение, доверительные границы
погрешности, стандартная неопределенность измерений, суммарная стандартная и расширенная неопределенности. VIM 3 предусматривает также представление результата измерений плотностью
распределения вероятностей на множестве возможных значений
измеряемой величины.
Примечание 3. Если значение показателя точности измерений
можно считать пренебрежимо малым для заданной цели измерения, то результат измерения может выражаться как одно измеренное значение величины. Во многих областях это является обычным
способом выражения результата измерения, с указанием класса
точности применяемого средства измерений.
Измеренное значение (величины): Значение величины, которое
представляет результат измерения (5.2).
Примечание 1. Для измерения, в котором имеют место повторные показания, каждое показание может использоваться, чтобы
получить соответствующее измеренное значение величины. Такая
совокупность отдельных измеренных значений величины может
быть использована для вычисления результирующего измеренного
значения величины, такого как среднее арифметическое или меди62
ана, обычно с меньшей соответствующей неопределенностью (погрешностью) измерений.
Примечание 2. Когда диапазон истинных значений величины,
представляющих измеряемую величину, мал по сравнению с неопределенностью (погрешностью) измерений, измеренное значение
величины может рассматриваться как оценка, по сути дела, единственного истинного значения величины, и оно часто представляет
собой среднее арифметическое или медиану отдельных измеренных
значений, которые получены при повторных измерениях.
Примечание 3. В случае, когда диапазон истинных значений величины, представляющих измеряемую величину, нельзя считать
малым по сравнению с неопределенностью (погрешностью) измерений, измеренное значение часто будет оценкой среднего арифметического или медианы набора истинных значений величины.
Примечание 4. В GUM для понятия измеренное значение величины используют термины результат измерения и оценка значения
измеряемой величины или просто оценка измеряемой величины.
Опорное значение (величины): Значение величины, которое используют в качестве основы для сопоставления со значениями величин того же рода (5.3).
Примечание 1. Опорное значение величины может быть истинным значением величины, подлежащей измерению, в этом случае
оно неизвестно, или принятым значением величины, в этом случае
оно известно.
Примечание 2. Опорное значение величины со связанной с ним
неопределенностью (погрешностью) измерений обычно приводят
для: – материала, например, аттестованного стандартного образца; – устройства, например, стабилизированного лазера; – референтной методики измерений; – сличения эталонов.
Истинное значение (величины): Значение величины, которое соответствует определению измеряемой величины (5.4).
Примечание 1. Определение измеряемой величины включает
в себя принятие некоторой модели объекта измерения, в которой
истинное значение представлено неким параметром. Всегда существует пороговое несоответствие модели и объекта измерения, которое является причиной дефинициальной неопределенности измеряемой величины.
Примечание 2. Когда дефинициальная неопределенность, связанная с измеряемой величиной, считается пренебрежимо малой по
сравнению с остальными составляющими неопределенности измерений, измеряемая величина может рассматриваться как имеющая
63
по сути единственное (истинное) значение. Такой подход принят
в GUM и в связанных с ним документах, где слово «истинный» считается излишним.
Примечание 3. Существуют и другие подходы к оцениванию точности измерений, которые избегают понятия истинного значения
величины и опираются на понятие метрологической совместимости
результатов измерения.
Принятое значение (величины): Значение величины, по соглашению приписанное величине для данной цели (5.5).
Примечание 1. Иногда принятое значение величины является
оценкой истинного значения величины.
Примечание 2. Неопределенность измерений, связанная с принятым значением, часто достаточно мала и может быть принята
равной нулю для конкретной цели. В этом случае используют понятие действительное значение величины.
Действительное значение (величины): Значение величины, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может
быть использовано вместо него (5.6).
Погрешность (результата измерения): Разность между измеренным значением величины и опорным значением величины (5.16).
Примечание 1. Если опорное значение величины известно, как, например, при калибровке средств измерений, то известно и значение погрешности измерения. Если в качестве опорного значения выступает
истинное значение величины, то значение погрешности неизвестно.
Примечание 2. В РМГ 29—99 использовался термин погрешность
результата измерения: отклонение результата измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины. Изменение
термина вызвано изменением понятия результат измерения (см. 5.1).
Примечание 3. Погрешность измерения равна сумме случайной
и систематической погрешностей.
Случайная погрешность (измерения): Составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) при повторных измерениях, проведенных в определенных
условиях (5.17).
Систематическая погрешность (измерения): Составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или же закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величины (5.19).
Примечание 1. В зависимости от характера изменения во времени
систематические погрешности подразделяют на постоянные, прогрес64
сирующие, периодические и погрешности, изменяющиеся по сложному закону. В зависимости от характера изменения по диапазону измерений систематические погрешности подразделяются на постоянные
и пропорциональные. Постоянные погрешности – погрешности, которые в течение длительного времени, например, в течение времени
выполнения всего ряда измерений, остаются постоянными (или – неизменными). Они встречаются наиболее часто. Прогрессирующие погрешности – непрерывно возрастающие или убывающие погрешности.
К ним относятся, например, погрешности вследствие износа измерительных наконечников, контактирующих с деталью при контроле ее
прибором активного контроля. Периодические погрешности – погрешности, значение которых является периодической функцией времени
или перемещения указателя измерительного прибора. Погрешности,
изменяющиеся по сложному закону, происходят вследствие совместного действия нескольких источников систематических погрешностей. Пропорциональные погрешности – погрешности, значение которых пропорционально значению измеряемой величины.
Примечание 2. Остаток систематической погрешности измерения после введения поправки называют неисключенной систематической погрешностью (НСП).
Примечание 3. Для оценки систематической погрешности измерения в VIM 3 используется термин смещение (при измерении).
Поправка: Значение величины, вводимое в показание с целью
исключения систематической погрешности.
Примечание. В VIM 3 используется термин поправка: компенсация
оцененного систематического эффекта. Компенсация может иметь
различные формы, такие как дополнительное слагаемое или множитель, либо она может находиться по соответствующей таблице (5.20).
Поправочный множитель: Числовой коэффициент, на который
умножают показание с целью исключения влияния систематической погрешности.
Примечание. Поправочный множитель используют в случаях,
когда систематическая погрешность пропорциональна значению
измеряемой величины (5.21).
Описание измерений в контексте концепции неопределенности
базируется на ключевом понятии «неопределенность измерения».
Неопределенность (измерений): Неотрицательный параметр, характеризующий рассеяние значений величины, приписываемых измеряемой величине на основании измерительной информации (5.34).
Примечание. Неопределенность измерений включает составляющие, обусловленные систематическими эффектами, в том числе
65
составляющие, связанные с поправками и приписанными значениями эталонов, а также дефинициальную неопределенность. Иногда поправки на оцененные систематические эффекты не вводят,
а вместо этого последние рассматривают как составляющие неопределенности измерений.
Стандартная неопределенность (измерений): Неопределенность
измерений, выраженная в виде стандартного отклонения (5.35).
Суммарная стандартная неопределенность (измерений): Стандартная неопределенность измерений, которую получают суммированием отдельных стандартных неопределенностей измерений,
связанных с входными величинами в модели измерений (5.36).
Расширенная неопределенность (измерений): Произведение
суммарной стандартной неопределенности и коэффициента охвата
большего, чем число один (5.37).
Примечание. Коэффициент охвата зависит от вида распределения вероятностей выходной величины в модели измерений и выбранной вероятности охвата.
Дефинициальная неопределенность: Составляющая неопределенности измерений, являющаяся результатом ограниченной детализации в определении измеряемой величины (5.44).
Примечание 1. Дефинициальная неопределенность есть практический минимум неопределенности измерений при любом измерении данной величины.
Примечание 2. Любое изменение детализации в определении величины ведет к другой дефинициальной неопределенности.
2.3.4. Качество измерений
В РМГ 29–2013 термин «качество измерений» отсутствует. Это
может означать, что применительно к качеству измерений нет особенностей по сравнению с определением качества для любой другой
продукции или услуги. Следовательно, используя определение качества, приведенное в ГОСТ Р ИСО 9000–2001, можно считать, что
качество измерений – это степень соответствия присущих измерениям характеристик требованиям измерительной задачи.
Наиболее важными с точки зрения успешного решения измерительной задачи являются такие характеристики измерений,
как их объективность, достоверность, точность, метрологическая
надежность применяемых средств измерений, техническая и информационная совместимость с техническими средствами объекта
измерений и помехозащищенность в условиях измерений. Эти характеристики включают в себя и свойства средств измерений, и ус66
ловия измерений, и обработку результатов. Именно поэтому нецелесообразно сужать понятие качества измерений до их погрешностей,
как это традиционно делается в книгах по метрологии.
Качество измерений характеризуется точностью, достоверностью, правильностью, сходимостью и воспроизводимостью, прослеживаемостью к единицам СИ или эталонам, а также показателями
точности результата измерений. Воспользуемся определениями
упомянутых понятий, данными в международном словаре по метрологии ВИМ 3 (JCGM 200:2008):
Точность измерений – близость измеренного значения к истинному значению измеряемой величины (2.13).
Примечание 1. «Точность измерений» не является величиной
и ей не может быть присвоено числовое значение величины. Считается, что измерение является более точным, если оно имеет меньшую погрешность измерения.
Примечание 2. Термин «точность измерений» не следует использовать для обозначения правильности измерений, а термин «прецизионность измерений» – для обозначения точности измерений, хотя
последнее имеет связь с двумя этими понятиями.
Примечание 3. Под «точностью измерений» иногда понимают
близость между значениями величины, приписываемыми измеряемой величине.
Соотношение терминов, связанных с понятием «точность измерений» [2] приведено на рис. 2. 7.
Правильность измерений, правильность – близость среднего
арифметического бесконечно большого числа повторно измеренных
значений величины к опорному значению величины (2.14).
Примечание 1. Правильность измерений не является величиной
и поэтому не может быть выражена численно, однако соответствующие показатели приведены в ISO 5725.
Примечание 2. Правильность измерений обратно пропорциональна систематической погрешности измерения, но не связана со
случайной погрешностью измерения.
Примечание 3. Точность измерений не следует использовать для
понятия «правильность измерений» и наоборот.
Прецизионность измерений, прецизионность – близость между
показаниями или измеренными значениями величины, полученными при повторных измерениях для одного и того же или аналогичных объектов при заданных условиях (2.15).
Примечание 1. Прецизионность измерений обычно выражается
численно через показатели непрецизионности, такие как стандарт67
68
5.1
результат
измерения
величины
5.14
5.10
5.12
условия
условия
условия
повторяемости промежуточной воспроизводимости
измерений
измерений
прецизионности
измерений
(условия прецизионности измерений)
Рис. 2.7. Соотношение терминов, связанных с понятием «точность измерений»
5.11
5.15
5.13
повторяемость промежуточная воспроизводимость
измерений
измерений
прецизионность
5.9
5.8
измерений
правильность прецизионность
5.47
5.7
измерений
измерений
метрологическая
5.18
точность
совместимость
среднее
измерений
результатов
квадратическое
5.22
измерений
отклонение
доверительные
5.19
5.21
границы
5.17
систематическая поправочный
погрешности
случайная
погрешность
множитель
погрешность
измерения
5.16
измерения
5.3
5.20
погрешность
опорное
поправка
измерения
значение
5.24
5.25
5.26
5.27
погрешность инструментальная абсолютная относительная
метода
погрешность
погрешность погрешность
5.5
5.6
5.4
измерений
измерения
измерения
измерения
действительное истинное принятое
значение
значение значение
величины
величины величины
(информация)
5.2
измеренное
5.29
измерительная значение
информация величины
5.34
неопределенность
измерений
ное отклонение, дисперсия или коэффициент вариации при заданных условиях измерений.
Примечание 2. «Заданные условия» могут быть, например, условиями повторяемости измерений, условиями промежуточной прецизионности измерений или условиями воспроизводимости измерений.
Примечание 3. Понятие «прецизионность измерений» используется для определения повторяемости измерений, промежуточной
прецизионности измерений и воспроизводимости измерений.
Примечание 4. Иногда прецизионность измерений ошибочно используют для обозначения точности измерений.
Условия повторяемости измерений, условия повторяемости,
условия сходимости измерений, условия сходимости – один из наборов условий измерений, включающий применение одной и той же
методики измерений, той же измерительной системы, участие тех
же операторов, те же рабочие условия, то же местоположение и выполнение повторных измерений на одном и том же или подобных
объектах в течение короткого промежутка времени (2.20).
Примечание 1. Условия измерений являются условиями повторяемости только по отношению к конкретному набору условий повторяемости.
Примечание 2. В химии для обозначения этого понятия иногда
используют термин «условия внутрисерийной прецизионности измерений».
Повторяемость измерений, повторяемость, сходимость измерений, сходимость – прецизионность измерений в условиях повторяемости измерений (2.21).
Условия промежуточной прецизионности измерений, условия
промежуточной прецизионности – один из наборов условий измерений, включающий применение одной и той же методики измерений,
то же местоположение и выполнение повторных измерений на одном
и том же или подобных объектах в течение длительного периода времени, а также другие условия, которые могут изменяться (2.22).
Примечание 1. Изменения могут включать новые калибровки,
калибраторы, измерительные системы, а также новых операторов.
Примечание 2. Спецификация должна включать все условия, изменяемые и неизменяемые, насколько это оправдано практически.
Примечание 3. В химии для обозначения этого понятия иногда используют термин «условия межсерийной прецизионности измерений».
Промежуточная прецизионность измерений, промежуточная
прецизионность – прецизионность измерений в фиксированных условиях промежуточной прецизионности измерений (2.23).
69
Примечание. Соответствующие статистические термины приведены в ISO 5725–3:1994.
Условия воспроизводимости измерений, условия воспроизводимости – один из наборов условий измерений, включающий разные
местоположения, разные измерительные системы, участие разных
операторов и выполнение повторных измерений на одном и том же
или подобных объектах (2.24).
Примечание 1. Разные измерительные системы могут использовать разные методики измерений.
Примечание 2. Спецификация должна включать все условия, изменяемые и неизменяемые, насколько это оправдано практически.
Воспроизводимость измерений, воспроизводимость – прецизионность измерений в условиях воспроизводимости измерений (2.25).
Примечание. Соответствующие статистические термины приведены в ISO 5725–1:1994 и ISO 5725–2:1994.
Согласно ПМГ 96–2009 «Результаты и характеристики качества
измерений»:
Для расчета характеристик качества измерений при проектировании или аттестации методик измерений в общем случае используют:
– метрологические характеристики средств измерений;
– характеристики влияющих величин, определяющие условия
измерений, в частности, условия применения средств измерений;
– характеристики объекта измерений, влияющие на характеристики качества измерений.
При оформлении результатов измерений, связанных с международными работами (международные сличения эталонов, испытания, поверка или калибровка средств измерений для зарубежных
стран), а также с исследованиями первичных государственных национальных эталонов, в качестве характеристик качества измерений используют неопределенность измерений.
При оформлении результатов измерений, используемых внутри
страны, применяют любые характеристики качества измерений,
предусмотренные настоящими правилами, в соответствии с национальным законодательством.
В международном словаре по метрологии и в РМГ 29–2013 отсутствует определение «достоверность измерения (или результата
измерений)». Тем не менее, в профессиональном языке это понятие
широко применяется.
Достоверность отражает степень доверия к результату измерения. Неисправность или метрологический отказ средств измерений,
приводящие к неприемлемо большой погрешности, существенная
70
неучтенная систематическая погрешность, низкая квалификация
персонала, вызывающая грубые промахи, – основные причины получения недостоверного результата измерений.
Метод повышения достоверности заключается в сопоставлении
результатов измерения одной и той же величины разными, не связанными друг с другом способами.
Термин «достоверность» применяется также для указания вероятности того, что измеренное значение находится в заданном доверительном интервале при условии, что все промахи и ошибки измерительной системы и методики измерений исключены1. В этом случае
показателем достоверности является доверительная вероятность.
В медицинских измерениях «достоверность измерения» (validity
measurement) определена как степень, в которой результат измерения отражает то, что он имеет целью измерить. При этом различают:
– конструктивную достоверность измерения (Construct V) – степень, в которой измерение соответствует теоретическим представлениям (конструктам) относительно изучаемого явления; например, если на основании теории явление должно изменяться с возрастом, измерение, обладающее конструктивной достоверностью
измерения, отражало бы такое изменение;
– достоверность измерения содержания (Content V) – степень,
в которой измерение охватывает область изучаемого явления; например, измерение функционального статуса здоровья должно охватывать повседневную жизненную активность: исполнение профессиональных, семейных, социальных и т. п. обязанностей;
– достоверность измерения по соответствию критерию (Criterion V) –
степень, в которой результат измерения коррелирует с внешним критерием изучаемого явления;
– достоверность измерения по совпадению (Concurrent V) – измерение и критерий относятся к одной точке во времени; примером
может служить визуальный осмотр раны для подтверждения наличия инфекции в сравнении с бактериологическим исследованием
диагностического образца, взятого в то же время;
– прогностическая достоверность измерения (Predictive V) –
достоверность измерения как способность предсказать результаты
применения критерия; примером может служить академический
тест проверки способностей учащихся, соотнесенный с последующей успеваемостью.
1 Новицкий П. В. Оценка погрешностей результатов измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1991.
71
Контрольные вопросы
1. Определение результата измерения величины по РМГ 29–2013.
2. Истинное значение величины.
3. Опорное значение величины.
4. Действительное значения величины.
5. Погрешность измерения. Виды погрешностей.
6. Неопределенность измерения, стандартная, суммарная, расширенная.
7. Дефинициальная неопределенность.
8. Качество измерений.
9. Точность измерений по VIM 3.
10. Правильность измерений по VIM 3.
11. Прецизионность измерений по VIM 3.
12. Повторяемость измерений по VIM 3.
13. Воспроизводимость измерений по VIM 3.
14. Метрологическая прослеживаемость по VIM 3.
15. Достоверность измерений.
2.4. Методы измерений
По VIM 3 метод измерений – общее описание логической последовательности операций при измерении (2.5).
Примечание. Методы измерений могут быть следующих видов:
замещения, дифференциальный, нулевой, прямых измерений, косвенных измерений (см. IEC 60050–300:2001).
По РМГ 29–2013 метод измерений: Прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей или соотнесения
со шкалой в соответствии с реализованным принципом измерений (4.5).
Метод сравнения (с мерой): Метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (4.6).
Нулевой метод (измерений): Метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины
и меры на средство сравнения доводят до нуля (4.7).
Метод измерений замещением, метод замещения: Метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают мерой
с известным значением величины (4.8).
Метод измерений дополнением, метод дополнения: Метод сравнения с мерой, в котором значение измеряемой величины дополняется
мерой этой же величины с таким расчётом, чтобы на прибор сравнения
воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению (4.9).
Дифференциальный метод измерений: Метод измерений, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной,
72
имеющей известное значение, незначительно отличающееся от
значения измеряемой величины, при котором измеряется разность
между этими двумя величинами (4.10).
Методика (выполнения) измерений: Установленная логическая
последовательность операций и правил при измерении, выполнение
которых обеспечивает получение результатов измерений в соответствии с принятым методом измерений (4.11).
Примечание. Обычно методика измерений регламентируется каким-либо нормативным документом.
Прямое измерение: Измерение, при котором искомое значение
величины получают непосредственно от средства измерений (4.19).
Примечание. Термин «прямое измерение» возник как противоположный термину «косвенное измерение». Строго говоря, измерение всегда прямое и рассматривается как сравнение величины
с ее единицей или шкалой. В этом случае лучше применять термин
«прямой метод» измерений.
В законе №102-ФЗ приведено следующее определение: методика (метод) измерений – совокупность конкретно описанных операций, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с установленными показателями точности. Это определение не делает различий
между методом и методикой, что снижает его строгость и однозначность.
Метод измерения должен по возможности иметь минимальную
погрешность и способствовать исключению систематических погрешностей или переводу их в разряд случайных.
Классификация методов по РМГ 29–2013 проведена по признаку
соотношения с мерой в процессе измерения. Однако методы измерения
можно классифицировать и по другим признакам. Известна классификация по основным измерительным операциям. Она тесно связана
с элементарными средствами измерений, реализующими эти операции. Данная классификация ориентирована на структурное описание средств измерений и поэтому важна для измерительной техники,
а также метрологии информационно-измерительных систем.
Для метрологического анализа более важными являются традиционные классификации, основанные на следующих признаках:
1) физическом, положенном в основу измерения; по нему все методы измерений делятся на электрические, магнитные, акустические, оптические, механические и т. д.;
2) режиме взаимодействия средства и объекта измерений; в этом
случае все методы измерений подразделяются на статические и динамические;
3) виде измерительного сигнала: в соответствии с ним методы делятся на аналоговые и цифровые.
73
2.5. Средства измерений
2.5.1. Понятие о средстве измерений
По РМГ 29–2013 Средство измерений: Техническое средство,
предназначенное для измерений и имеющее нормированные (установленные) метрологические характеристики (6.2).
Примечание. За основу взято определение из РМГ 29–99, которое
отлично от определения, приведенного в VIM 3.
Если измерение не связано с передачей размера единицы другим
средствам измерений, то средство измерений называется рабочим.
В ином случае средство измерений называется мерой. Различают
однозначные и многозначные меры. Меры входят в состав эталонов
единиц ФВ. Средство измерения характеризуется: видом измеряемой ФВ, принципом измерения, методом измерения, статическими
и динамическими характеристиками, условиями применения, показателями точности. В средстве измерения, как правило, реализуется последовательность преобразований физической величины.
Определим несколько важных для дальнейшего рассмотрения
понятий.
Тип средства измерений – совокупность средств измерений одного и того же назначения, основанных на одном и том же принципе
действия, имеющих одинаковую конструкцию и изготовленных по
одной и той же технической документации.
Вид средства измерений – совокупность средств измерений, предназначенных для измерения данной физической величины. Вид средства измерений может включать в себя несколько их типов. Например, вид средств измерений температуры – термометр, а типы средств
измерений температуры – термопара, термометр сопротивления.
Измерительный преобразователь – техническое средство, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину
или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи, и имеющее нормированные (установленные в НД) метрологические характеристики.
Измерительный преобразователь или входит в состав какого-либо
прибора, установки, системы, или же применяется вместе с каким-либо средством измерений. По месту (расположению) в измерительной
цепи различают первичные и промежуточные преобразователи.
Первичный преобразователь – измерительный прибор, на который непосредственно воздействует ФВ. Конструктивно обособленный первичный преобразователь называется датчиком (или детектором). Преобразователь, в котором под воздействием ФВ генериру74
ется собственный электрический сигнал, называют генераторным,
а преобразователь, в котором имеется внешний источник питания –
параметрическим.
В теории измерительных устройств все многообразие датчиков
может быть описано ограниченным числом измерительных преобразователей, объединенных в структурные схемы прямого преобразования, уравновешивающего преобразования с обратной связью и с разветвленной цепью.
В измерительных преобразователях преобразуются сигналы различной физической природы. На основе анализа структурных схем
устанавливаются наиболее общие свойства цепи преобразований:
суммарная чувствительность равна произведению чувствительностей последовательно включаемых преобразователей или сумме чувствительностей параллельно включаемых преобразователей. Из анализа структурных схем могут быть получены уравнение измерения
и функция преобразования. В параметрических датчиках выходной
сигнал содержит информацию о параметрах внешнего источника
питания. Фактически в таком датчике имеет место преобразование
параметров питания. Воздействие измеряемой ФВ в данном случае
вызывает изменение коэффициента этого преобразования. С точки
зрения измерения ФВ важно, чтобы изменение упомянутого коэффициента было однозначно связано с изменением ФВ.
Зависимость вида Y = F(X) называют функцией преобразования
датчика (в РМГ 29–2013 это соотношение определено как функция
измерений (5.30)), которая описывает свойства датчика по выходному сигналу в заданном диапазоне изменения измеряемой ФВ. Исследование функций преобразования необходимо при разработке
и проектировании датчика.
При его применении (эксплуатации) осуществляется процедура
восстановления значения ФВ по выходному сигналу, то есть определение Х как функции Y. С этой целью должна быть известна зависимость X = F–1(Y), которая называется градуировочной характеристикой. Функция F–1 –функция обратная F. Наличие градуировочной характеристики позволяет установить шкалу прибора
в единицах ФВ.
В простейшем случае при линейной функции преобразования
Y = aX градуировочная характеристика также линейна X = a′Y. При
более сложных функциях преобразования могут возникнуть трудности не только с получением обратной функции преобразования
(и градуировочной характеристики), но и с восстановлением модели погрешности средства измерения (погрешность по входу, то есть
75
по Х) по исследованной при разработке датчика погрешности преобразования (погрешность по выходу, то есть по Y). На практике
для рабочих средств измерений (средств, не предназначенных для
передачи единицы ФВ другим средствам измерений) эта проблема
решается при их первичной поверке или аттестации. В процедуре
поверки используется эталон ФВ. Показания средства измерений
в единицах ФВ сравниваются с эталоном, их различия и определяют погрешность средства измерений.
Средство измерений должно иметь нормированные метрологические характеристики, к наиболее важным из которых относят
статическую функцию преобразования (прямую и/или обратную),
динамические характеристики, диапазон измерений, погрешности.
Измерительный сигнал от первичного преобразователя должен
быть преобразован (усилен, отфильтрован и т. д.), передан и зарегистрирован. Эти функции выполняются элементами измерительной
цепи. Современное исполнение схем преобразования сигнала базируется на элементах микроэлектроники. Область микроэлектроники, рассматривающая построение схем, называется схемотехникой.
В настоящее время принято делить электронные схемы на два класса: цифровые и аналоговые. В основе цифровых схем лежат простейшие транзисторные ключи (аналоги металлических контактов)
и переключатели тока, в основе аналоговых – простейшие усилители. Основной разновидностью аналоговых измерительных схем
является операционный усилитель.
Измерительной установкой называется совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенная для
измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте.
Измерительная информационная система (ИИС) представляет
собой совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, вычислительных
и других вспомогательных механических средств, размещенных
в разных точках контролируемого объекта с целью измерений одной
или нескольких физических величин, свойственных этому пространству, преобразования и представления измерительной информации
в требуемом виде, либо с целью автоматического осуществления логических функций контроля, диагностики, идентификации.
В зависимости от выполняемых функций ИИС разделяют на измерительные (ИС), автоматического контроля (САК), технической
диагностики (СТД), распознавания (идентификации) образов (СРО).
76
По организации алгоритма функционирования ИИС различают
системы с заданным алгоритмом, программируемые, адаптивные.
К ИС относят ИИС, в которых преобладает функция измерения,
а функции обработки и хранения незначительны или отсутствуют.
Основными элементами ИС являются первичный измерительный
преобразователь (датчик), элемент сравнения, мера, устройство выдачи результата.
Системы АК осуществляют функции автоматического контроля
состояния объектов. Различают системы непрерывного и дискретного контроля. Средства технической диагностики осуществляют
функции диагностики состояния или прогноза поведения объекта.
Системы этого типа довольно сложные как в алгоритмах функционирования, так и в алгоритмах обработки и интерпретации результатов измерений.
В ст. 2 закона №102-ФЗ введен термин технические системы
и устройства с измерительными функциями – технические системы и устройства, которые наряду с их основными выполняют измерительные функции.
В РМГ 29–2013 введено более широкое понятие: средства измерительной техники (6.1), охватывающее технические средства, специально предназначенные для измерений. К средствам измерительной техники относят средства измерений, эталоны, измерительные
системы, измерительные установки, измерительные принадлежности, средства сравнения, стандартные образцы и др.
2.5.2. Метрологические характеристики средств измерений
Метрологические характеристики (МХ), устанавливаемые нормативно-техническими документами, называются нормируемыми,
а определяемые экспериментально – действительными. Перечень
нормируемых МХ делится на шесть основных групп (рис. 2. 8).
Статические характеристики описывают поведение средства измерений в установившихся (статических) режимах работы.
Основные статические метрологические характеристики средства измерений:
– функция преобразования;
– чувствительность (дифференциальная s = dY/dX и суммарная
S = ∆Y/∆X);
– диапазон измерений по входу ∆Х;
– диапазон показаний по выходу ∆Y;
– порог чувствительности (срабатывания);
– вариация (разность показаний при прямом и обратном ходе);
77
Группы нормируемых МХ
1. Характеристика
результата
измерений
Функция
преобразования;
значение
меры; цена
деления;
кодовые
характеристики
2. Динамические
характеристики
средства
измерения
3. Характе- 4. Характе- 5. Характе- 6. Неинфорристики
ристики
мативные
ристики
погрешвлияния чувствитель- параметры
ности
ностей
выходного
на погрешсредства
средства
сигнала
ность
измерения
измерения
средства
измерения к влияющим
факторам
Полные:
Систематипереходная;
ческие составляимпульсная
ющие; случайпереходная;
ные составляюАФХ; АЧХ;
щие; вариация
АФЧХ;
показаний;
передаточная
погрешность
функция.
старения;
Частные:
погрешность
время реакции; от нелинейности
постоянная
характеристики;
времени;
погрешность
максимальная
градуировки;
частота; время
погрешность
установления
от гистерезиса
показаний и др. и инерционности
Входной
импеданс;
выходной
импеданс;
другие
Функция
влияния;
изменение
МХ при
изменении
влияющих
величин
Рис. 2.8. Основные группы нормируемых МХ
– погрешность;
– импедансы (входной и выходной);
– функция влияния (воздействие влияющих величин).
Динамические характеристики описывают установившиеся режимы работы средств измерений при переменных входных сигналах. По степени полноты описания математической модели динамических свойств различают полные и частные динамические характеристики. Полные динамические характеристики могут быть
выражены одна через другую. В литературе часто приводятся динамические характеристики средства измерений без разделения их
по режимам работы датчика: установившегося и переходного. Это
не совсем корректно и несколько запутывает ситуацию, поэтому мы
будем придерживаться подхода, в котором раздельно рассматриваются динамические характеристики средства измерений в установившемся и в переходном режимах его работы. Подчеркнем, что эти
78
два режима естественным образом разделяются, так как в первом
из них идет речь об измерении переменного гармонического сигнала, а во втором – меняющегося апериодического (скачок, рост, снижение). В соответствии с этим динамические характеристики датчиков разделяют на частотные и временны´е.
К полным динамическим характеристикам средств измерений
относят: переходную, импульсную переходную, амплитудно-фазовую, амплитудно-частотную, совокупность амплитудно-частотной
и фазочастотной характеристик, передаточную функцию.
К частным динамическим характеристикам относят любые
функционалы или параметры полных динамических характеристик: время реакции, коэффициент демпфирования, постоянную
времени, значение амплитудно-частотной характеристики на резонансной частоте, собственную частоту, а также максимальную частоту измерений и погрешность датирования отсчета для цифровых
приборов.
Метрологические характеристики, введенные ГОСТ 8.009–84,
достаточно полно описывают свойства средств измерения. Однако
в практике технических измерений до сих пор широко распространены приборы, характеристики точности которых нормированы на
основе классов точности.
Класс точности средства измерений – обобщенная характеристика данного типа средств измерений и, как правило, отражающая уровень их точности, выражаемая пределами допускаемых
основной и дополнительной погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность. Класс точности не
дает непосредственной оценки погрешности измерения, а лишь
позволяет судить, в каких пределах она находится для средства
измерения данного типа. Класс точности устанавливается в НТД
или ТУ на средство измерения и указывается, как правило, на
шкале прибора. Он может быть указан в виде предела допускаемой основной относительной или приведенной погрешности.
Значения класса точности выбирают из предписанного ГОСТ
8.401–82 ряда: 0,5; 1; 1,5; 2 и т. д. Если число, обозначающее
класс точности, заключено в круг, то это – предел допускаемой
приведенной (как правило, отнесенной к пределу измерений) погрешности. Дробное обозначение класса точности означает, что
относительная погрешность не может быть выражена одним числом, так как имеет аддитивную и мультипликативную составляющие. В этом случае числитель дроби указывает мультипликативную, а знаменатель – аддитивную составляющие.
79
Контрольные вопросы
1. Метод измерений по VIM-3 и РМГ 29–2013.
2. Метод непосредственной оценки.
3. Метод сравнения с мерой.
4. Нулевой метод.
5. Метод измерения замещением.
6. Метод измерения дополнением.
7. Дифференциальный метод измерения.
8. Методика выполнения измерений.
9. Средство измерений по VIM-3 и РМГ 29–2013.
10. Тип и вид средства измерений.
11. Измерительный преобразователь.
12. Первичный измерительный преобразователь.
13. Функция преобразования средства измерения.
14. Градуировочная характеристика средства измерения.
15. Измерительная установка.
16. Измерительная информационная система.
17. Установка с измерительными функциями по ФЗ №102-ФЗ.
18. Нормируемые метрологические характеристики средства измерения.
19. Группы нормируемых МХ.
20. Статические характеристики средства измерения.
21. Динамические характеристики средства измерения.
22. Классы точности средства измерения.
80
3. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
И ОЦЕНИВАНИЕ ТОЧНОСТИ
3.1. Выражение точности измерений
В настоящее время существуют два подхода к выражению и оцениванию точности измерений, которые несколько отличаются областью применения. Это традиционный подход, при котором оцениваются и нормируются характеристики погрешностей измерений,
и относительно новый подход, основанный на использовании концепции неопределенности измерения. Сложившаяся ситуация отражена в последней редакции межгосударственных рекомендаций
РМГ 29–2013 «Метрология. Основные термины и определения» [2],
где приведены показатели точности измерений в рамках этих подходов. Таким образом, понятие «показатели точности» является
обобщающим и объединяет различные показатели, используемые
для количественного выражения точности измерений. Иногда для
объединения разных подходов к выражению точности измерения
(на основе погрешности и неопределенности измерений) используют
понятие «характеристика качества измерений». Однако следует отметить, что качество измерений является более общим понятием по
сравнению с точностью измерений.
Первый подход к выражению точности измерений, использующий характеристики погрешности, доминирует при выражении
точности технических измерений. К техническим измерениям относятся прямые измерения, которые выполняются с применением поверенных средств измерений, имеющих установленные характеристики точности. В большинстве случаев в этих ситуациях
используют предел допускаемой погрешности измерений. Также
к техническим измерениям относят массовые измерения, которые
выполняются по аттестованным методикам измерений. При аттестации методик измерений устанавливают показатели точности
(правильности, воспроизводимости) измерений.
Второй подход к выражению точности измерений, основанный
на использовании неопределенности измерения, применим, прежде всего, при выражении точности лабораторных (эталонных) измерений. Это измерения высокой точности, которые, как правило,
подразумевают апостериорное оценивание точности. При апостериорном оценивании точности наиболее полно используется вся доступная информация об источниках неопределенности измерения.
К лабораторным (эталонным) измерениям следует отнести, напри81
мер, измерения при сличениях национальных первичных эталонов,
измерения при передаче единицы величины, а именно при проведении калибровки эталонов и средств измерений.
Внедрение нормативных документов по неопределенности измерения в России связано, прежде всего, с выполнением требований к калибровочным и испытательным лабораториям [5] при их аккредитации
в области обеспечения единства измерений. Эти требования касаются
необходимости выполнения расчетов неопределенности измерения
аккредитуемой лабораторией и указаний соответствующих неопределенностей измерений при оформлении области аккредитации.
Точность является основным понятием при описании качества измерений и результатов измерений. Результат измерения полностью
«теряет свою ценность» без указания его точности. Поэтому указание
точности измерения вошло в современное определение термина «результат измерения». Результат измерения (величины) определен как
множество значений величины, приписываемых измеряемой величине вместе с любой другой доступной и существенной информацией. Информация, приводимая в результате измерения, определяется
особенностями конкретного измерения и соответствует требованиям,
предъявляемым к этому измерению. Особенности измерения часто
зависят от вида измерений, прежде всего, это связано с распространением метрологии на новые области применения измерений, например, в биологии, медицине и др. В подобных случаях необходимо
привести указание на метод или методику измерения, в которых детально оговорены сама измеряемая величина и условия измерения.
Требования к измерению устанавливаются исходя из дальнейшего
применения результатов измерений, например, использования результатов измерений для контроля, управления и т. д.
Однако в большинстве традиционных измерений результат измерения может быть представлен измеренным значением величины с указанием соответствующего показателя точности. К показателям точности относятся, например, среднее квадратическое отклонение, доверительные границы погрешности, стандартная неопределенность измерений, суммарная стандартная и расширенная
неопределенности. Если значение показателя точности измерений
можно считать пренебрежимо малым для заданной цели измерения, то результат измерения может выражаться исключительно измеренным значением величины с указанием класса точности применяемого средства измерений.
Под точностью измерений понимают близость измеренного значения (результата измерения) к истинному значению измеряемой величи82
ны [2, 6]. В силу несовершенства методов и средств измерений, моделей измерений, а также влияния случайных факторов результат измерения всегда является оценкой истинного значения измеряемой величины. Количественным выражением точности измерений является
погрешность измерения ∆, определяемая как разность между измеренным значением величины X и истинным значением величины Xtrue:
∆= X − Xtrue . (3.1)
Погрешность измерения является объектом исследования при поверке/калибровке средств измерений и аттестации методик измерений, когда устанавливаются характеристики погрешности или неопределенность измерения. В этих задачах имеется информация о значении измеряемой величины, которая обеспечивается используемыми
эталонами. Поэтому зачастую в определении погрешности термин «истинное значение» заменяют на термин «опорное значение». При такой
замене правильно говорить об оценке погрешности измерения. Опорное значение трактуется как приписанное (действительное) значение,
настолько близкое к истинному значению, что может его заменять
в определенных пределах. Однако действительное значение, в свою
очередь, известно с некоторой погрешностью, которую необходимо
учитывать при оценке погрешности средства измерения или методики измерения. Погрешность опорного значения вычисляется на основе
погрешностей, применяемых при калибровке/аттестации методики
измерений и эталонов. Учет этой погрешности позволяет установить
метрологическую прослеживаемость каждого результата измерений
к первичному эталону и, соответственно, единицам величин СИ через
непрерывную цепь калибровок/поверок средств измерений, эталонов
при передаче единицы по иерархической поверочной схеме.
Таким образом, при поверке/калибровке средств измерений и аттестации методик измерений соотношение (3.1) является основным
в выражении точности измерений. При выполнении измерений
имеется информация о точности применяемых средства измерений
или методики измерений. Целью измерения является получение
оценки значения измеряемой величины. Соответственно, уравнение (3.1) переписывается в виде:
Xtrue= X − ∆. (3.2)
В соответствии с уравнением (3.2) для получения оценки измеряемой величины необходимо:
1) внести поправки на систематические погрешности и получить
оценку измеряемой величины на основе измеренного значения (показания средства измерения);
83
2) использовать априорную информацию о погрешности методики
измерения/используемого средства измерения для получения оценки
точности. При высокоточных лабораторных измерениях дополнительно к этой априорной информации, которая касается точности всех подобных измерений, используют также информацию, полученную в процессе конкретного измерения, например, повторные результаты измерений. Другой способ повышения точности измерения связан с использованием средства измерения с индивидуальными метрологическими
характеристиками, которые устанавливаются при их калибровке.
Погрешность измерений является суммой составляющих, которые
соответствуют различным факторам, влияющим на результат и точность измерений, и по-разному проявляются в конкретном измерении.
Для уменьшения и оценивания погрешностей важно учитывать разделение погрешностей по характеру их проявления в конкретном измерительном эксперименте. По характеру проявления погрешности
разделяются на систематические, которые остаются неизменными
или закономерно изменяющимися в ходе измерения, и случайные,
которые изменяются непредсказуемым образом. Если при обработке
данных измерений вносится поправка на систематические погрешности, то оставшиеся после этого систематические погрешности называют неисключенными систематическими погрешностями.
Систематические и случайные погрешности являются количественным выражением таких свойств измерений, как правильность и прецизионность измерений. Правильность и прецизионность измерений
являются частными свойствами по отношению к обобщающему свойству – точность измерений. Приведем соответствующие определения:
Точность измерения – качество измерения, отражающее близость измеренного значения (результата измерения) к истинному
значению измеряемой величины.
Правильность измерения – качество измерения, отражающее
близость к нулю систематических погрешностей измерения.
Прецизионность (сходимость) измерений – качество измерений,
отражающее близость друг к другу повторных результатов измерений в определенных условиях.
При получении количественных характеристик прецизионности
измерений необходимо детально оговаривать условия, при которых
получены результаты измерения, а именно – условия прецизионности. При описании условий прецизионности следует представлять,
в частности, следующую информацию о процессе получения повторных результатов измерений: получены ли они в одной лаборатории,
в течение короткого интервала времени и т. д., либо эти результа84
ты получены в разных лабораториях, разными операторами и т. д.
Повторяемость измерений характеризует близость друг к другу
повторных результатов измерений, полученных в максимально
идентичных условиях (при минимальном варьировании влияющих
факторов), а воспроизводимость измерений – в условиях при максимально возможном варьировании влияющих факторов.
Взаимосвязь различных качественных и количественных характеристик измерений представлена в табл. 3.1.
Для количественного оценивания погрешностей измерений используют методы теории вероятностей и математической статистики. Понятие случайной величины применяют для описания погрешностей
измерений, случайных погрешностей измерений, неисключенных систематических погрешностей измерений и результатов измерений.
Для количественного описания случайной величины X используют функцию распределения случайной величины и плотность
распределения вероятностей:
– Функция распределения вероятностей: Функция, устанавливающая для каждого значения ζ вероятность того, что случайная
величина Х меньше или равна ζ:
GX=
( ζ ) P ( X ≤ ζ ).
Таблица 3.1
Взаимосвязь качественных и количественных характеристик измерений
Свойство
Точность измерений
измерений
Количественное
Погрешность измерений
выражение
Свойство
Правильность
Прецизионность измерений
измерений
измерений
Систематическая
погрешность
измерений/
Количественное
неисключенная Случайная погрешность измерений
выражение
систематическая
погрешность
измерений
ПромежуПовторяточная
ВоспроизСвойство
емость из- прецизион- водимость
измерений
мерений
ность изизмерений
мерений
85
– Плотность распределения вероятностей: Первая производная,
если она существует, функции распределения непрерывной случайной величины:
dG ( ζ )
gX ( ζ ) = X
.
dζ
Частными характеристиками случайной величины являются
математическое ожидание, дисперсия и моменты более высокого
порядка:
– Математическое ожидание: Характеристика случайной величины, которая для непрерывной случайной величины X с плотностью распределения вероятностей gX(ζ) имеет вид
E( X ) =
+∞
∫ ζgX ( ζ ) dζ.
−∞
– Дисперсия: Характеристика случайной величины, которая
для непрерывной случайной величины X с плотностью распределения вероятностей gX(ζ) имеет вид
D ( X=
)
+∞
2
∫ (ζ − E( X ))
gX ( ζ ) dζ.
−∞
– Интервал вероятности: Интервал (a, b), содержащий значение
случайной величины с заданной вероятностью Р:
b
∫ gX ( ζ ) dζ =P.
a
В метрологии наиболее часто используют нормальный и равномерный законы распределения вероятностей (табл. 3.2).
Для описания случайных погрешностей обычно используется
центрированная случайная величина (с математическим ожиданием равным нулю), имеющая нормальный закон распределения
вероятностей. Количественной оценкой систематической погрешности является поправка, а для неисключенных систематических
погрешностей устанавливают границы. Для технических измерений неисключенные систематические погрешности описываются
квазислучайными величинами, имеющими равномерный закон
распределения вероятностей в установленных границах.
В табл. 3.3 приведены способы количественного выражения погрешностей измерений.
86
Таблица 3.2
Характеристики нормального и равномерного распределений
Нормальное распределение
(распределение Гаусса)
Распределение
Плотность
распределения
=
gX ( ζ )
Математическое
ожидание
0, ζ < a
2
 1


(ζ − x)  =
1
g X (ζ ) 
,a ≤ ζ ≤ b
exp  −
2
b−a


2π σ
σ
2



0, ζ > b
E( X) =
Дисперсия
Равномерное (прямоугольное) распределение
на интервале
+∞
∫ ζgX ( ζ ) dζ
E( X) =
−∞
D ( X ) = σ2
D(X) =
a+b
2
( b − a )2
12
Таблица 3.3
Характеристики погрешностей измерений
Качество
измерения
Количественное
выражение
Показатели
точности
(характеристики
погрешностей)
Точность измерения
Погрешность результата
измерения:
ζ= x̂ − a
x̂ – результат измерения (оценка измеряемой
величины); a – истинное
значение
1. Закон распределения
вероятностей:
p(x, d0,σ02, ...)
2. Границы:
∆н < ζ <∆в
3. Доверительные границы:
Правильность
измерения
Систематическая погрешность результата измере- Случайная
погрешность
ния:
результата
=
ν Exˆ − a
измерения:
Exˆ – математическое
ожидание оценки измеряемой величины
1. Поправка:
(смещение) d0
2. Границы:
θн< ν < θв
3. Доверительные граP(∆(min)
< ζ < ∆(max)
) = p, ницы:
p
p
P – доверительная вероятность
Сходимость
измерений
ε= xˆ − Exˆ
1. Закон распределения
вероятностей:
p(x, 0, σ02, ...)
2. СКО: σ
3. Доверительные границы:
P(θ(min)
< ν < θ(max)
) = p P( ε < ∆ ) = p
p
p
p
На практике для выражения точности технических измерений
(точности методик измерений), прежде всего, используются:
– доверительные границы погрешности при вероятности 0,95
для суммарной погрешности измерений;
87
– границы (при вероятности 1)/доверительные границы (при вероятности 0,95) для систематических погрешностей,
– СКО (положительный корень квадратный из дисперсии) для
случайных погрешностей.
О применении неопределенности измерений для выражения точности измерений будет более подробно сказано далее. Весьма условно можно сказать, что стандартная неопределенность соответствует
СКО, а расширенная неопределенность – доверительным границам.
Контрольные вопросы
1. Способы выражения точности измерений.
2. Характеристики точности, применяемые в технических измерениях.
3. Характеристики точности, применяемые в лабораторных (эталонных) измерениях.
4. Определения понятий: правильность, прецизионность (сходимость), повторяемость, воспроизводимость измерений.
5. Взаимосвязь качественных и количественных характеристик
измерений.
6. Функции количественного описания случайной величины.
3.2. Оценивание характеристик погрешностей
и их суммирование
Теоретико-вероятностный подход к оцениванию точности результатов измерений является доминирующим в метрологии. Именно
на этом подходе базируются методы оценивания точности измерений, регламентированные в нормативных документах по обработке результатов измерений и оценивания их точности. Естественно,
что как всякий математический аппарат, приложенный к решению
практической задачи, теоретико-вероятностный подход имеет ограничения при его применении. Поэтому задача обоснования корректного применения тех или иных теоретико-вероятностных методов
относится к ключевым задачам теоретической метрологии. Одной из
причин появления концепции неопределенности является пересмотр
традиционных аргументов использования теоретико-вероятностного
подхода в метрологии.
Остановимся коротко на основных положениях применения теоретико-вероятностного подхода для оценивания погрешности результатов
измерений. Когда говорят «оценить погрешность измерения», то подразумевают оценку соответствующей характеристики погрешности (пока88
зателя точности), о которых говорилось ранее. Погрешность результата
измерения описывается случайной величиной, в общем случае с ненулевым (неизвестным) математическим ожиданием и с неизвестной дисперсией. Оценки этих параметров закона распределения погрешностей
являются оценками характеристик погрешности измерений.
Основным принципом оценивания характеристик погрешности
является раздельное оценивание систематических и случайных погрешностей. Обычно при оценивании случайных и систематических
погрешностей используют разные характеристики: границы для систематических погрешностей и СКО для случайных погрешностей.
Систематические погрешности оцениваются при аттестации методик измерения (МИ), поверке/калибровке средств измерений. В этих
случаях имеется значение измеряемой величины, полученное с помощью эталона, и можно вычислить точечную оценку математического ожидания погрешности (смещение). При высокоточных измерениях в результат измерения вносятся поправки, а неисключенные
систематические погрешности характеризуются границами. При
выполнении технических измерений основной составляющей систематической погрешности, как правило, является инструментальная
составляющая погрешности, установленная при поверке средства измерения. К этой составляющей при измерении могут добавляться составляющие систематической погрешности, обусловленные методом
и условиями измерения. Поэтому возникает задача суммирования
неисключенных систематических погрешностей.
Если никакой априорной информации нет, то надежной оценкой
границ систематической погрешности результата измерения является арифметическая сумма границ ее составляющих (так называемая
«оценка сверху»). Такой способ оценивания погрешности принято называть арифметическим. Он регламентирован нормативным документом
ГОСТ Р 8.736–2011 «ГСИ. Измерения прямые многократные. Методы
обработки результатов измерений. Основные положения» для случая,
когда число составляющих неисключенной погрешности менее трех:
m
ΘΣ =± ∑ | Θi |,
i =1
где θi – границы i-й составляющей неисключенной систематической
погрешности.
При числе составляющих 3 и более принят квазистатистический (геометрический) способ суммирования систематических составляющих погрешностей. Для суммарной систематической погрешности устанавливаются доверительные границы θΣ(P) путем
89
построения композиции неисключенных систематических погрешностей (НСП). При равномерном распределении НСП доверительные границы θΣ(P) допускается вычислять по формуле
m
ΘΣ (P) =
±k ∑ Θ2i ,
i =1
где θi – граница i-й оставляющей НСП; k – коэффициент, определяемый принятой доверительной вероятностью, числом составляющих
НСП и их соотношением между собой.
Для доверительной вероятности P = 0,95 коэффициент k пренебрежимо мало зависит от числа составляющих НСП и их соотношения, поэтому
при указанной доверительной вероятности его принимают равным 1,1.
Для доверительной вероятности P = 0,99 коэффициент k принимают равным 1,4, если число суммируемых НСП более четырех
(m > 4). Если же число суммируемых НСП равно четырем или менее
четырех (m ≤ 4), то коэффициент k определяют по графику зависимости k = f(m,l), приведенному на рис. 3.1, где ось абсцисс соответствует значениям отношения l = θ1/θ2.
На рис. 3.1 кривая 1 соответствует m = 2; кривая 2 – m = 3; кривая 3 – m = 4.
При трех или четырех суммируемых НСП в качестве θ1 принимают
составляющую, по числовому значению наиболее отличающуюся от
других, в качестве θ2 следует принять составляющую, ближайшую к θ1.
В обоснование правомерности геометрического подхода можно
привести следующие аргументы:
– маловероятно, что при суммировании систематических погрешностей все систематические погрешности окажутся равными
своим границам;
k
1,4
3
2
1,2
1
1,0
0
2
4
6
Рис. 3.1. Зависимость k = f(m,l)
90
8
l
– следует различать априорное и апостериорное оценивание характеристик погрешности.
При апостериорном оценивании вычисляют характеристики погрешности конкретного результата измерений. В этом случае возникают некоторые проблемы в обосновании единообразного сложения
«под корнем» случайных и систематических погрешностей. Этот
способ характерен, прежде всего, для лабораторных измерений.
При априорном оценивании, когда, например, используют приписанные показатели точности, МИ следует учитывать, что МИ
аттестована на конкретном средстве измерения, в конкретной лаборатории, конкретных стандартных образцах и т. п., а результаты аттестации будут использоваться при применении средств измерения
данного типа в других условиях. Поэтому можно констатировать,
что при применении МИ происходит рандомизация систематических погрешностей, что оправдывает применение геометрического
способа суммирования. Априорный способ оценивания характерен,
прежде всего, для технических измерений.
Наконец, возможен и другой подход для принятия геометрического
способа суммирования, а именно: договоренность описывать наше незнание поведения неисключенной систематической погрешности внутри ее границ квазислучайной величиной, с известным законом распределения, в частности, равномерным. При таком подходе оправдано
использование в качестве характеристики систематической погрешности аналога СКО. Это приводит к простому способу суммирования
систематических и случайных погрешностей. В этом случае суммарное СКО результата измерения удобно использовать в последующих
вычислениях при оценке точности, если данный результат измерения
выступает как промежуточный в дальнейших измерениях.
Оценивание характеристик случайной погрешности измерения
основано на анализе выборки результатов повторных измерений ,
полученных в определенных установленных условиях прецизионности. Основной характеристикой случайной погрешности является СКО, а его оценкой – выборочное СКО:
n
∑ (xi − x)2
S=
i =1
n −1
,
1 n
∑ xi ; xi – результат i-го измерения; n – число повторных
n i =1
измерений величины.
где x =
91
Выборочная дисперсия
n
∑ (xi − x)2
S2 = i =1
n −1
является несмещенной оценкой дисперсии распределения вероятностей результатов повторных измерений.
В то же время приведенная выборочная оценка СКО оказывается
смещенной. Несмещенная оценка СКО приближенно (смещение составляет менее 1%) дается формулой
n
∑ (xi − x)2
S=
i =1
n − 1,5
,
но эта оценка редко применяется на практике.
Доверительные границы суммарной погрешности находят путем
построения композиции распределений случайных погрешностей
и НСП, рассматриваемых как случайные величины, по формуле:
∆ =KSΣ ,
где K – коэффициент, зависящий от соотношения случайной составляющей погрешности и НСП.
Суммарное среднее квадратическое отклонение SΣ вычисляют по
формуле
2
=
SΣ
SΘ
+ Sx2 ,
где SΘ среднее квадратическое отклонение НСП, которое оценивают
в зависимости от способа вычисления НСП по формуле
Θ
SΘ = Σ ,
3
где ΘΣ – границы НСП, полученные арифметическим суммированием,
или
Θ (P)
SΘ = Σ
,
k 3
где ΘΣ(P) – доверительные границы НСП, полученные геометрическим суммированием.
Коэффициент K в зависимости от числа НСП определяют по эмпирическим формулам соответственно:
ε + ΘΣ (P)
ε + ΘΣ
.
или K =
K=
Sx + SΘ
Sx + SΘ
92
Контрольные вопросы
1. Виды погрешностей.
2. Оценивание случайных и систематических погрешностей.
3. Способы суммирования погрешностей.
4. Априорное и апостериорное оценивание погрешностей.
5. Точечное и интервальное оценивание погрешностей.
3.3. Вычисление неопределенности измерения
Концепция неопределенности измерений была изложена в Руководстве по выражению неопределенности измерения (GUM), которое было подготовлено группой международных экспертов. Семь
международных организаций поддержали разработку Руководства:
Международное бюро мер и весов (МБМВ); Международная электротехническая комиссия (МЭК); Международная федерация клинической химии (МФКХ); Международная организация по стандартизации (ИСО); Международный союз теоретической и прикладной
химии (ИЮПАК); Международный союз теоретической и прикладной физики (ИЮПАП); Международная организация законодательной метрологии (МОЗМ). Руководство появилось в 1993 г., а работа
над ним началась фактически в 1978 г., когда признавая отсутствие
международного единства по вопросу выражения неопределенности
измерения, Международный комитет по мерам и весам (МКМВ),
обратился в МБМВ с просьбой рассмотреть эту проблему совместно
с национальными метрологическими институтами и подготовить
соответствующий документ. Задачами этого документа были обеспечение предоставления полной информации о том, как получены
утверждения о неопределенности измерений, и тем самым создание
основы для международного сопоставления результатов измерений.
В основе Руководства лежит единый подход к количественному
выражению составляющих неопределенности измерения, независимо от того, обусловлены ли они случайными или систематическими факторами. Авторы Руководства не были согласны с обоснованием суммирования характеристик случайных и систематических
погрешностей, принятым в теории погрешностей. Поэтому при
разработке новой концепции авторы старались максимально дистанцироваться от концепции погрешности измерений, подчеркивая
различия в обосновании и применении теоретико-вероятностных
методов к оцениванию точности измерений. Отличие двух названных подходов (погрешности и неопределенности измерений) от количественного выражения точности заключается в обосновании
93
применения понятия случайной величины для описания точности
измерений. В подходе погрешности измерений случайная величина используется для описания случайных погрешностей (частотная
интерпретация вероятности) и при дополнительных оговорках для
описания неисключенных систематических погрешностей измерений (квазислучайная величина). А в подходе неопределенности измерений понятие случайной величины используется для описания
возможных значений измеряемой величины, исходя из имеющейся
информации. Этот подход базируется на байесовской интерпретации вероятности как степени уверенности в том, что соответствующая величина находится в определенных границах, в отличие от
частотной интерпретации, которая используется в подходе погрешностей измерений.
Таким образом, неопределенность измерения понимается как
степень уверенности, отражающая неполноту знаний об измеряемой величине. Понятие уверенности очень важно, так как именно
оно лежит в обосновании применения теоретико-вероятностного аппарата для обработки измерительной информации.
Неопределенность измерения представляется в виде стандартной
или расширенной неопределенности измерения. Приведем определения основных терминов:
Неопределенность (измерения) – параметр, связанный с результатом измерения, который характеризует разброс значений, которые могут быть обоснованно приписаны измеряемой величине.
Стандартная неопределенность – неопределенность, выраженная в виде стандартного отклонения. Стандартная неопределенность обозначается как u(x).
Расширенная неопределенность – величина, задающая интервал вокруг результата измерения, в пределах которого, как ожидается, находится большая часть распределения значений, которые
с достаточным основанием могут быть приписаны измеряемой величине. Расширенная неопределенность вычисляется для некоторой вероятности P (уровня доверия) и обозначается как Up(x).
В отличие от характеристик погрешности, которые относятся
к результату измерения, неопределенность измерения соотносится
с измеряемой величиной и описывает неточность знания значения
измеряемой величины после проведения измерения. При вычислении неопределенности измерения также применяется теоретиковероятностный подход, но в этом случае случайная величина сопоставляется измеряемой величине, чтобы описать распределение
ее возможных значений. Возможные значения означают значения,
94
согласующиеся с той информацией, которая доступна об измеряемой величине. Эта информация объединяет:
– Априорную информацию, касающуюся характеристик используемых средств измерений и методик измерений, модели измерения, результатов предыдущих аналогичных измерений и т. д.
– Данные текущего измерительного эксперимента, информацию
о значениях влияющих величин, возможные уточнения модели измерения и т. д.
Наиболее полной формой представления неопределенности измерения является плотность распределения возможных значений измеряемой величины. На практике в большинстве случаев для количественного выражения неопределенности используют частные характеристики, прежде всего, стандартную неопределенность, которая
является квадратным корнем из дисперсии случайной величины,
описывающей распределение возможных значений измеряемой величины. Стандартная неопределенность – это именно та универсальная характеристика для разнородных источников неопределенности,
которая позволяет легко их суммировать, когда необходимо вычислить суммарную неопределенность измеряемой величины. В данном
случае геометрическое правило суммирования составляющих неопределенности базируется на правиле суммирования дисперсий независимых случайных величин при вычислении дисперсии случайной величины, которая является их линейной комбинацией.
Вычисление неопределенности измерения можно разбить на два
этапа:
– Первый этап связан с формализацией измерительной задачи
и составлением уравнения измерения (модели измерения).
– Второй этап является чисто вычислительной процедурой, основанной на линеаризации модели измерения в определенной точке
и правиле суммирования дисперсий при суммировании случайных
величин.
Введем определения:
Модель измерений (уравнение измерения) – уравнение связи
между величинами в конкретной измерительной задаче, используемыми для получения значения выходной (измеряемой) величины
по известным значениям входных величин.
Входная величина – величина, которая должна быть измерена,
или величина, значение которой может быть иным образом получено для того, чтобы вычислить значение измеряемой величины.
Как правило, значения входных величин получают в результате
прямых измерений.
95
Выходная величина – измеряемая величина, значение которой
вычисляется с использованием значений входных величин в модели измерений.
Можно утверждать также, что значение выходной величины получают в результате косвенных измерений.
Измеряемую величину Y определяют через N других величин X1,
X2, …, XN, используя известную функциональную зависимость f:
(3.3)
Y = f ( X1, X2 ,..., XN ). Выражение (3.3) называют уравнением измерения или моделью измерения, где Y – выходная (измеряемая ) величина, а X1, X2, …, XN –
входные величины. Выражение (3.3) соответствует также уравнению
косвенных измерений.
Прямые измерения являются частным случаем этой модели Y = X,
но даже в случае прямых измерений при высоких требованиях
к точности уравнение измерений принимает вид (3.3) из-за введения
поправок на систематические погрешности.
Входные величины X1, X2, …, XN также могут быть измеряемыми
величинами и зависеть от других величин, что усложняет вид функциональной зависимости f. Возможны измерительные задачи, когда
модель измерения может определяться только экспериментально
или задаваться в виде алгоритма последовательных действий.
Входные величины X1, X2, …, XN могут быть разделены на две
группы:
– Величины, значения и неопределенности которых определяют
непосредственно в текущем измерении. Эти значения и неопределенности можно получить, например, в результате многократных
измерений. Они могут включать определения поправок к показаниям приборов и поправок на влияющие величины (окружающая
температура, атмосферное давление и влажность и т. д.).
– Величины, значения и неопределенности которых получены
априорно. К ним относятся, например, значения параметров аттестованных стандартных образцов веществ и материалов, калибровочные коэффициенты используемых средств измерений и т. д.
Формирование уравнения измерения является исходным этапом
для вычисления неопределенности измерения. Этот этап, в отличие от последующих, плохо поддается формализованному описанию. Для формирования уравнения измерения необходимы знания
о конкретном измерении и требованиях к результату измерения.
Одному и тому же измерению могут соответствовать несколько моделей в зависимости от дальнейшего использования результатов из96
мерения и, соответственно, требований к ним или использования
различных методов измерения.
Наиболее распространены модели измерений, когда выходная величина является скалярной величиной. Однако существует измерительные
задачи, в которых требуется совместно рассматривать несколько выходных величин Y1, ..., Ym , зависящих от одних и тех же входных величин.
Аналогом функции измерения (3.3) для произвольного числа m выходных величин являются система соотношений для m функций f1, ..., fm :
Y1 = f1 ( X1,..., XN ),
Y2 = f2 ( X1,..., XN ), (3.4)
Ym = fm ( X1,..., XN ).
Отдельный класс моделей составляют, так называемые, модели
многоступенчатого (многошагового) измерения, в которых выходные величины предыдущего шага становятся входными величинами для последующих шагов. Типичным примером является модель
в задаче построения и применения калибровочной характеристики:
I этап. На основе экспериментальных данных {xi , yi } где xi – значения, воспроизводимые или измеряемые с помощью эталона; yi – показания калибруемого средства измерения (эталона) определяют параме

тры калибровочной зависимости y = f k, x , где k – вектор оцениваемых параметров калибровочной зависимости известного (заданного)
вида. Итогом первого этапа являются оценки параметров калибровоч 
ной зависимости и соответствующие неопределенности: k, k .
II этап. По показанию средства измерения, ŷ , обращая зависи
мость f, получают значение измеряемой величины: xˆ = f −1 kˆ , yˆ .
(
)
( )
( )
При вычислении неопределенности измеряемой величины учитывают неопределенности параметров калибровочной зависимости
и неопределенность показаний средства измерения.
Правомерность подобной модели вытекает из определения термина «калибровка средства измерений», приведенного в Международном словаре по метрологии VIM 3. Калибровка в нем определена как
двухэтапная процедура, где на первом этапе определяют параметры
калибровочной характеристики, сравнивая значения величин, измеренные или воспроизведенные эталонами с соответствующими
показаниями калибруемого средства измерений. На втором этапе
показание калибруемого средства измерений преобразуют в значение измеряемой величины, использую калибровочную характеристику, полученную на первом этапе калибровки.
97
3.3.1. Вычисление стандартных неопределенностей
измерения входных величин
В дальнейшем используются следующие определения:
Оценка (неопределенности) по типу А – метод оценивания неопределенности путем статистической обработки ряда наблюдений.
Оценка (неопределенности) по типу В – метод оценивания неопределенности способом, отличным от статистической обработки.
Суммарная стандартная неопределенность – стандартная неопределенность результата измерения, полученного через значения
других величин, равная положительному квадратному корню из
взвешенной суммы дисперсий в соответствии с тем, как результат
измерения изменяется при изменении этих величин.
Бюджет неопределенности – отчет о неопределенности измерения, о ее компонентах, об их вычислении и суммировании.
Примечание. Бюджет неопределенности должен включать в себя
модель измерения, оценки, неопределенности измерения, связанные с величинами в модели измерения, ковариации, тип применяемых функций плотности распределения вероятностей, числа степеней свободы, тип оценивания неопределенности измерения и коэффициент охвата.
3.3.2. Оценивание неопределенности по типу А
Оценивание стандартной неопределенности по типу А применяется, когда имеются результаты m независимых измерений одной
из входных величин Xi, i = 1, …n, проведенных в одинаковых условиях: xi1,…xim. В качестве значения xi этой величины принимают
среднее арифметическое значение:
x=
i x=
i
1 m
∑ xij .
m j =1
Стандартную неопределенность вычисляют по формуле выборочного СКО среднего арифметического значения:
=
u(xi ) u=
A (xi )
m
1
∑ (xij − xi )2 .
m(m − 1) j =1
Если число независимых измерений m входной величины мало
(меньше 10), а процесс ее измерения хорошо изучен и находится под
статистическим контролем, то априорная оценка дисперсии si (СКО
повторяемости результатов измерений), полученная в результате
98
обработки большого массива предыдущих измерений, будет более
надежной оценкой. В этом случае рекомендуется следующая оценка стандартной неопределенности:
si
=
u(xi ) u=
.
A (xi )
m
3.3.3. Оценивание неопределенности по типу В
Исходными данными для оценивания значения величины и ее
стандартной неопределенности по типу В являются следующие источники априорной информации:
– данные предыдущих измерений этой величины, содержащиеся в протоколах измерений, свидетельствах о калибровках/поверках или других документах;
– нормы точности измерений, указанные в технической документации на методы измерений и средства измерения;
– значения констант и справочных данных и их неопределенности;
– сведения о предполагаемом распределении значений величины,
имеющиеся в технических отчетах и литературных источниках;
– опыт исследователя или знание общих закономерностей, которым подчиняются свойства применяемых материалов или приборов.
Различают следующие случаи оценивания.
Если известно только одно значение xi величины Xi, например,
результат однократного измерения, поправка или справочное данное, то такое значение принимают в качестве оценки xi. Оценку
стандартной неопределенности uB(xi) находят следующим образом:
– если известна оценка стандартной неопределенности u(xi), то
uB(xi) = u(xi);
– если известны расширенная неопределенность U(xi) и коэффициент охвата k, то стандартную неопределенность вычисляют по
формуле
U (xi )
uB ( xk ) =
.
k
Если коэффициент охвата не указан, то принимают:
– k = 1,73, если имеются основания предполагать равновероятное
распределение возможных значений в границах U(xi) (например,
в результате округления результата измерений);
– k = 2, если имеются основания предполагать нормальное распределение возможных значений и оценка U(xi) соответствует вероятности охвата 0,95 (например, она получена при аттестации рабо99
чих эталонов, для которых в соответствии с ГОСТ 8.061-80 установлена доверительная вероятность 0,95);
– k = 2,6, если имеются основания предполагать нормальное
распределение возможных значений и оценка U(xi) соответствует
вероятности охвата 0,99 (например, если она получена при аттестации первичных и вторичных эталонов, для которых в соответствии
с ГОСТ 8.061–80 и ГОСТ 8.381–80 установлена доверительная вероятность 0,99);
– k = 3, если имеются основания предполагать нормальное распределение возможных значений и оценка U(xi) является пределом
допускаемых значений параметра, установленным в нормативной
документации (например, пределом допускаемой погрешности измерений);
– k = 2 во всех остальных случаях при отсутствии информации
о виде распределения.
Если оценка стандартной неопределенности неизвестна, ее следует рассчитать на основе имеющейся априорной информации или
оценить экспериментально.
Если могут быть оценены только верхняя a+ и нижняя a− границы возможных значений величины Xi (например, пределы допускаемой погрешности средства измерения, область изменения
температуры, погрешность округления или отбрасывания), то для
ее значений принимают равномерное распределение. В этом случае:
=
xi
a − a−
1
(a+ + a− ), uB (xi ) = +
.
2
2 3
3.3.4. Вычисление стандартной неопределенности
выходной величины
Значение выходной величины вычисляют по формуле (3.3), подставляя значения входных величин. При оценивании соответствующей неопределенности придерживаются следующего алгоритма
действий.
Рассчитывают вклад неопределенности каждой входной величины ui(y) в неопределенность измерения выходной величины Y по
формуле
ui (y) = ci u(xi ),
где ci – коэффициент чувствительности входной величины Xi, выражающий степень ее влияния на изменение выходной величины Y.
100
Он равняется частной производной функции f(X1, X2, … XN) по Xi,
вычисленной при значениях входных величин, равных их наилучшим оценкам (x1, … xn):
ci =
∂f ( x1,..., x n )
∂xi
.
Если уравнение измерений не удается записать в явном виде, по
крайней мере, относительно некоторых входных величин, то соответствующие коэффициенты чувствительности ci могут быть оценены экспериментально как разность значений выходной величины
при варьировании значений входной величины по формуле
ci =
y (x1,..., xi + u(xi ),..., xn ) − y(x1,..., xi − u(xi ),..., xn )
.
2u(xi )
При некоррелированных оценках входных величин суммарную
стандартную неопределенность результата измерений вычисляют
по формуле
n
∑ ui2 (y).
u(y) =
i =1
Если уравнение измерений представляет собой алгебраическую
сумму некоррелированных слагаемых, каждое из которых зависит
от одной входной величины:
F (X1,..., Xn=
)
n
∑ ϕi (Xi ),
i =1
то оценка выходной величины равна
=
y
n
∑ ϕi (xi ),
i =1
а ее абсолютная суммарная стандартная неопределенность:
u(y) =
2
n
 ∂ϕi (xi )  2
 u (xi ).
i =1  ∂xi 
∑
В частном случае, при ϕi(xi) = pixi; i = 1, … n формула принимает вид
u(y) =
n
∑ pi2u2 (xi ).
i =1
101
Если уравнение измерений представляет собой произведение некоррелированных слагаемых, каждое из которых зависит от одной
входной величины:
F (X1,..., Xn=
)
n
∏ ϕi (Xi ),
i =1
то оценка выходной величины равна
n
∏ ϕi (xi ),
=
y
i =1
а ее относительная суммарная стандартная неопределенность:
(y)
urel=
∑ ( ∂ϕi (xi ) ∂xi )
n
u(y)
=
y
2
u2 (xi )
ϕ2i (xi )
i =1
.
p
В частном случае, при ϕi (Xi ) = Xi i , i = 1,... n формула примет вид
n
2
(xi ).
∑ pi2urel
urel (y) =
i =1
Если оценки входных величин коррелированы, то суммарную
стандартную неопределенность результата измерений вычисляют
по формуле (3.5):
=
u(y)
n
∑ ui2 ( y ) +
=i 1
где
cij
=
r (xi , xj ) =
u(xi , xj )
u(xi )u(xj )
n
∑
i,=j 1, i ≠ j
(
)
( )
cij r xi , xj u ( xi ) u xj ,
(3.5)
∂f ( x1,..., x n ) ∂f ( x1,..., x n )
,
⋅
∂xi
∂xj
– коэффициент корреляции величин xi и xj,
а u(xi, xj) – ковариация величин xi и xj.
Следует иметь в виду, что в формуле для u(y) слагаемые второй
суммы под корнем могут быть отрицательными.
Если выполняют многократные измерения i-й и j-й входных
величин и получают n пар
102
{xis , xjs }s=1
n
согласованных измере-
ний величин xi и xj, ковариацию этих величин оценивают по формуле
n
1
u(x=
(xis − xi )(xjs − xj ).
∑
i , xj )
n(n − 1) s=1
Необходимо подчеркнуть, что корреляцию входных величин
в концепции неопределенности измерения трактуют, прежде всего, как «логическую корреляцию», то есть корреляцию, вызванную
тем, что в неопределенностях измерений входных величин могут
быть вклады, обусловленные неизменными систематическими погрешностями (метод измерения, средство измерения, справочные
данные и т. д.). Например, если входные величины X1 и X2 зависят от взаимно независимых переменных Q(l = 1,…L), их оценки
x1 = g1(q1, q2,…ql) и x2 = g2(q1, q2,…ql) коррелированы и ковариация
этих оценок равна
L
u(x1, x2 ) = ∑ c1l c2l u2 (ql ),
l =1
где c1l, c2l – коэффициенты чувствительности величин X1 и X2 к значениям переменных Ql(l = 1, … L).
Поскольку вклад в сумму вносят только слагаемые, коэффициенты чувствительности которых не равны нулю, то ковариация будет равна нулю, если функции g1 и g2 не имеют общих переменных.
Если коэффициенты корреляции неизвестны, то «оценка сверху»
суммарной стандартной неопределенности измерения дается формулой
u2 (y) ≤ (| u1 (y) | + | u2 (y) |)2 + ur2 (y),
где ur(y) – вклад в стандартную неопределенность измеряемой величины остальных входных величин, которые считаются некоррелированными.
Корреляцию двух входных величин допускается принимать равной нулю или рассматривать как пренебрежимо малую, если:
– эти величины являются независимыми друг от друга (например, если они наблюдались многократно, но не одновременно, в различных, независимых один от другого экспериментах);
– одна из этих величин может рассматриваться как константа;
– не имеется никаких причин для корреляции между этими величинами.
Иногда корреляции могут исключаться с помощью подходящего
представления уравнения измерения или организации измерительного эксперимента (метод приведения).
103
3.3.5. Составление бюджета неопределенности измерения
Под составлением бюджета неопределенности понимается краткое
формализованное изложение процедуры оценивания неопределенности измерения. Такая унифицированная схема наглядна. Она позволяет легко проверить процедуру вычисления неопределенности,
сравнить ее с аналогичными вычислениями в другой лаборатории.
Таблица 3.4
Бюджет неопределенности
Тип
Стандартная оценивания/
неопрезакон
деленность
распределения
КоэффиВклад в суммарциент
ную стандартную
чувствинеопредетельности
ленность
Величина
Оценка
1
2
3
4
Xi
xi
u(xi)
А (В)
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
Y
y = f(x1,…xn)
u(y)
5
ci =
∂f
∂xi
6
ui=
(y)
u(y) =
∂f
⋅ u(xi )
∂xi
n
∑ ui2 (y)
i =1
Примечание. В столбце 1 перечисляют входные и выходную величины
уравнения измерения.
В столбце 2 перечисляют оценки этих величин, полученные либо в результате измерений, либо на основе использования другой информации.
В столбце 3 приводят значения стандартной неопределенности этих
оценок.
В столбце 4 указывают тип оценивания неопределенности. При необходимости приводят предполагаемый закон распределения оценки. Например, если оценка величины получена по результатам многократных измерений, то, как правило, предполагается нормальный закон распределения
ее значений и тип оценивания А.
В столбце 5 приводят коэффициенты чувствительности входных величин ci =
∂f
.
∂xi
В столбце 6 указываются значения вкладов входных величин
ui=
(y)
∂f
⋅ u(xi ) в суммарную стандартную неопределенность u(y) (произ∂xi
ведение значений столбца 3 и модуля значения из столбца 5).
В последней строке таблицы приводят результат измерения y и соответствующую стандартную неопределенность u(y). Все значения величин, приведенные в таблице, должны включать обозначения единиц этих величин.
104
Представление бюджета неопределенности включает в себя описание уравнения измерения и составляющих неопределенности
в виде таблицы (табл. 3.4).
3.3.6. Вычисление расширенной неопределенности
измерения выходной величины
Расширенная неопределенность измерения U(y) равна произведению стандартной неопределенности u(y) измерения выходной величины y на коэффициент охвата k: U(y) = ku(y).
Вычисление коэффициента охвата k требует знания закона распределения выходной величины. На практике эта информация, как
правило, отсутствует. Для простых линейных моделей, когда известно, что распределения входных величин нормальны, распределение выходной величины будет также нормальным.
Если имеются основания предполагать нормальное распределение вероятностей измеряемой величины y, коэффициент охвата
принимают равным k = 2 для вероятности 0,95 и k = 3 для вероятности 0,99. При этом расширенная неопределенность результата измерения примерно соответствует вероятности охвата 0,95 и 0,99
соответственно. Нормальный закон распределения обычно принимается в ситуации, когда имеется много входных величин и их
соответствующие вклады в суммарную неопределенность сопоставимы.
Если среди вкладов неопределенности доминирующим являN
∑ ui (y)2
i ≠m
≤ 0,3, и этоum (y)
му вкладу соответствует равномерный закон распределения, то
соответствующий коэффициент охвата вычисляется по формуле
ется один um(y), то есть выполнено условие
k( p) = p 3.
Таким образом, для вероятности охвата p = 0,95, соответствующий коэффициент охвата составляет k = 1, 65.
Если среди источников неопределенности присутствуют два
доминирующих вклада, u1(y), u2(y), причем относительно них
предполагаются равномерные законы распределения, то распределение выходной величины будет трапецеидальным. Отметим,
что при равенстве границ равномерных распределений этих двух
величин распределение выходной величины будет треугольным.
105
В этом случае коэффициент охвата для вероятности Р вычисляется
по формуле
k( p)
=

u −u 

p × 1 + 1 2 

u1 + u2 



6
2
×
,
2 
 u 1 −u2 

  u −u 2 
1+ 

1 − (1 − p)  1 −  1 2  
 u1 + u2 



u +u
  1 2 

u −u
p
< 1 2
2 − p u1 + u2
u 1 −u2
p
≤
u1 + u2 2 − p
.
Значения коэффициента охвата k для вероятности 0,95 изменяu −u
ются в диапазоне от 1,9 до 1,65 при изменении отношения 1 2
u1 + u2
от 0 до 1.
В тех случаях, когда отсутствует информация о виде распределения неопределенности измеряемой величины, часто, в целях унификации, рекомендуется принимать коэффициент охвата, равным:
– k = 2 и считать, что при этом расширенная неопределенность
результата измерения будет примерно соответствовать вероятности охвата 0,95;
– k = 3 и считать, что при этом расширенная неопределенность
результата измерения будет примерно соответствовать вероятности охвата 0,99.
3.3.7. Представление результата измерений
Если измерения проводятся по аттестованной методике измерений, то информация об измерении, включая уравнение (модель) измерения, способ оценивания неопределенности содержится в этой
методике или в свидетельстве о ее аттестации. В этом случае результат измерения представляется в соответствии с требованиями
данной методики измерений. Для прямых измерений источником
для вычисления неопределенности измерения являются метрологические характеристики используемого средства измерений: предел
допускаемой погрешности измерения или инструментальная неопределенность.
В других случаях необходимо дать наиболее полную информацию о расчете неопределенности измерения, которая позволяла бы
проверить эти расчеты и использовать представленное значение неопределенности в дальнейших расчетах. В частности, следует указать метод измерения, алгоритм получения результата и источники
106
неопределенности, включая всю доступную информацию для количественного выражения неопределенности.
При представлении результата измерения необходимо указать,
какая (стандартная или расширенная) неопределенность приведена. Если приводится расширенная неопределенность, то следует
указать значение коэффициента охвата и соответствующую вероятность.
Если указывается расширенная неопределенность U = kuc(y), то
результат измерения приводится в виде Y = y±U с указанием единиц
измерений для y и U. При необходимости указывают относительную (приведенную) расширенную неопределенность U/|y|.
Оценки y и стандартной неопределенности uc(y) или расширенной
неопределенности U не следует приводить с избыточной точностью.
Для uc(y) и U достаточно указывать две значащие цифры, а в промежуточных расчетах для стандартных неопределенностей u(xi) входных оценок xi cледует сохранять больше значащих цифр, чтобы избежать погрешностей округления в последующих расчетах.
3.3.8. Схема вычисления неопределенности измерения.
Закон трансформирования неопределенностей измерений
Краткое описание процедуры оценивания и представления неопределенности измерений представлено в виде последовательности шагов на рис. 3.2. Шаги со второго по четвертый включительно
относятся к так называемому «закону трансформирования неопределенностей», который устанавливает, как рассчитать стандартную
неопределенность выходной величины, зная стандартные неопределенности входных величин и модель измерения.
Шаг I. Выражают связь между измеряемой величиной Y и входными величинами Xi, от которых она зависит, в виде функциональной зависимости Y = f(X1, X2, …XN). Функция f должна содержать
все величины, включая поправки и поправочные коэффициенты,
которые могут существенно повлиять на неопределенность результата измерения. .
Получают оценку xi входной величины Xi либо на основе статистического анализа ряда наблюдений, либо вычислением соответствующей поправки, либо другими способами.
Вычисляют оценку измеряемой величины, т. е. находят оценку y
выходной величины по функциональной зависимости f, используя
в качестве аргументов Xi соответствующие оценки xi.
Шаг II. Оценивают стандартную неопределенность u(xi) каждой
входной величины Xi. Для входной оценки, полученной из стати107
Шаг I. Формализованное представление уравнения/модели измерения
Y = f(X1, … X2)
Внесение поправок, вычисление оценок
x1, …, xm
Вычисление оценки измеряемой величины
y = f(x1, …, xm)
Шаг II. Вычисление стандартных неопределенностей входных величин
u(x), i = 1, …, n
Шаг III. Вычисление суммарной стандартной неопределенности
измерения
Вычисление вкладов в суммарную неопределенность, обусловленных
входными величинами:
ui ( y ) =
∂F
u(xi )
∂xi
Суммирование вкладов:
u(y) =
n
∑ ui2 (y)
i =1
Шаг IV. Вычисление расширенной неопределенности U(y) = ku(y)
для уровня доверия p
Шаг V. Представление результата измерения Y = y ± U
Рис. 3.2. Схема последовательности вычисления неопределенности
стического анализа ряда наблюдений, стандартную неопределенность получают оцениванием по типу А. Для входной оценки, полученной другими способами, стандартную неопределенность получают оцениванием по типу В.
Если среди входных величин есть коррелированные между собой, то оценивают их ковариации.
Шаг III. Определяют суммарную стандартную неопределенность
uc(y) результата измерения y по стандартным неопределенностям,
сначала вычисляя вклад неопределенности каждой входной величины в суммарную неопределенность. Составление бюджета неопреде108
ленности в виде соответствующей таблицы в основном выполняется
именно на этом этапе.
Шаг IV. Вычисляют расширенную неопределенность измерения.
Расширенная неопределенность U для уровня доверия p задает интервал от y-U до y+U, в пределах которого, предположительно, находится большая часть (p ∙ 100%) распределения значений, которые
можно с достаточным основанием приписать измеряемой величине Y. Для вычисления расширенной неопределенности суммарную
стандартную неопределенность uc(y) умножают на коэффициент охвата k, обычно принимающий значения в диапазоне от 2 до 3, чтобы
получить значение U по формуле U = k ∙ uc(y). Обоснованно установить значение k можно только в том случае, если известен закон распределения выходной величины. В остальных случаях можно либо
дать оценку сверху, либо пользоваться значениями k, выбранными
по соглашению (обеспечивающими уровень доверия, близкий к заданному).
Шаг V. Представляют результат измерения как оценку измеряемой величины y вместе с соответствующей стандартной неопределенностью uc(y) или расширенной неопределенностью U.
3.3.9. Расчет неопределенности
измерения методом Монте-Карло.
Закон трансформирования распределений
Метод Монте-Карло применяется для вычисления неопределенности выходной величины, когда применение закона трансформирования неопределенностей не является обоснованным. Это имеет
место в ситуации, когда:
а) линеаризация модели измерения вносит дополнительные существенные неопределенности;
б) распределение выходной величины не соответствует рассмотренным распределениям, и, следовательно, возникают сложности
при вычислении интервала охвата.
Трансформирование распределений входных величин методом
Монте-Карло позволяет всегда получить плотность распределения
вероятностей выходной величины на основе распределений входных
величин. После этого могут быть определены математическое ожидание, используемое в качестве оценки выходной величины, и стандартное отклонение, используемое в качестве стандартной неопределенности этой оценки. Кроме того плотность распределения вероятностей может быть использована для получения интервала охвата
для выходной величины, соответствующего заданной вероятности.
109
При трансформировании распределений методом Монте-Карло
сохраняются основные этапы оценки неопределенности:
1. Построение модели измерения Y = f(X1, … Xn).
2. Приписывание распределений вероятностей (нормального,
прямоугольного и т. д.) входным величинам Xi на основе имеющейся информации.
3. Трансформирование распределений предусматривает определение плотности распределения вероятностей выходной величины
Y на основе плотностей распределения вероятностей входных величин Xi и используемой модели измерения.
4. Получение окончательного результата предполагает использование плотности распределения вероятностей выходной величины
Y для определения:
– оценки значения измеряемой величины y, как математического ожидания выходной величины Y;
– оценки стандартной неопределенности u(y) как СКО выходной
величины Y;
– вычисление интервала вероятности (интервала охвата) значений измеряемой величины при заданной вероятности.
Следует отметить, что в общем случае интервал охвата может
быть вычислен разными способами. Можно говорить о наикратчайшем или вероятностно-симметричном интервале:
– вероятностно-симметричный интервал охвата: интервал охвата, для которого вероятность того, что значение случайной величины меньше наименьшего значения (нижней границы) интервала
охвата, равна вероятности того, что значение случайной величины
больше наибольшего значения (верхней границы) интервала.
– наикратчайший интервал охвата: интервал охвата, имеющий
наименьшую длину среди всех возможных интервалов охвата для
данной случайной величины с одинаковой вероятностью охвата.
Для одномодальных симметричных распределений вероятностей эти интервалы совпадают.
Трансформирование распределений может быть осуществлено
различными способами, в том числе с применением аналитических
методов. Но наибольшее распространение получил метод статического моделирования, поскольку он дает результат в самых общих
ситуациях, когда получить решение аналитическими методами невозможно, и достаточно прозрачен в реализации.
Схема реализации метода Монте-Карло приведена на рис. 3.3.
Метод Монте-Карло допускает простое распространение на случай
модели измерения с произвольным числом выходных величин.
110
Модель измерения
Y = f(X1, ..., Xn)
Распределения вероятностей
величин Xi
Моделирование выборок входных
величин
{x1(j) ,...,xn(j) }j=1
M
М – число повторов при статистическом
моделировании
(
)
Вычисление значений выходной величины y( j) = f x1( j) ,..., xn( j) j = 1, …, M
Вычисление оценки выходной
величины и соответствующей
стандартной неопределенности:
y =
u2 (y ) =
Получение дискретной функции
распределения выходной величины,
вычисление интервала охвата для Y
1 M ( j)
∑y
M j =1
1 M ( j)
∑ (y − y)2
M − 1 j =1
Рис. 3.3. Схема вычисления неопределенности измерения
с применением метода Монте-Карло
В схеме вычисления неопределенности с использованием метода Монте-Карло этап оценивания стандартных неопределенностей
входных величин заменяется этапом сопоставления входным величинам соответствующих законов распределения вероятностей,
то есть функции плотности вероятностей (pdf). Это, по сути дела,
близкие задачи, поскольку в схеме «трансформирования неопределенностей» достаточно часто требуется принять тот или иной закон
распределения вероятностей в указанных границах значений входной величины, чтобы вычислить соответствующую стандартную
неопределенность.
При этом в схеме «трансформирования неопределенностей» мы
ограничивались двумя-тремя наиболее используемыми законами
распределения вероятностей. В схеме «трансформирования распределений» следует определить нужный закон распределения вероятностей, и список распределений практически ничем не ограничивается.
Далее приводятся некоторые из распределений и обосновываются ситуации, когда их рекомендуется применять в соответствии
111
с [7] для описания распределения возможных значений входных величин в модели измерения:
– Нормальное распределение (распределение Гаусса) используется для величины X, если наилучшая оценка x и соответствующая
стандартная неопределенность u(x) являются единственной доступной информацией. Случайную величину X следует описывать нормальным распределением N(x,u2(x)).
– Равномерное (прямоугольное) распределение R(a,b) на интервале (a,b) выбирают для входной величины X в том случае, если
единственной доступной информацией о величине X являются
нижняя a и верхняя b (a<b) границы возможных значений этой величины.
– Равномерное распределение с неточно известными границами соответствует ситуации, когда о величине X может быть известно, что она находится в интервале с границами a и b, которые сами
известны в пределах ±d (d>0, a+d<b-d), при этом средняя точка интервала фиксирована. В этом случае случайная величина X может
быть описана криволинейно-трапецеидальным распределением
CTrap(a, b, d).
Плотность распределения вероятностей в этом случае имеет вид
0, ζ < a − d,
 w+d
ln
, a − d ≤ ζ ≤ a + d,
 x−ζ
1  w + d
=
, a + d ≤ ζ ≤ b − d,
gX ( ζ )
ln
4d  w − d
 w+d
ln ζ − x , b − d ≤ ζ ≤ b + d,

0, ζ > b + d,
a+b
b−a
=
где x =
, w
являются, соответственно, средней точкой
2
2
и полушириной интервала (a, b). Эта плотность распределения вероятностей похожа на трапецеидальную плотность, в которой боковые стороны не являются прямыми линиями.
Математическое ожидание и дисперсия соответственно равны:
=
E( X )
a+b
V (X)
,=
2
( b − a )2
12
+
d2
.
9
– Трапецеидальное распределение используется для описания
величины X, которая является суммой двух независимых случай112
ных величин X1 и X2, каждая из которых подчиняется равномерному распределению R(ai, bi) c нижней границей ai и верхней границей bi, i = 1,2. В этом случае X подчиняется симметричному трапецеидальному распределению Trap(a, b, β) c нижней границей a, верхней границей b и параметром β, равным отношению
длины верхнего основания трапеции к длине ее нижнего основания. Параметры трапецеидального распределения связаны с параметрами равномерного распределения следующими соотношениями:
a= a1 + a2 , b= b1 + b2 , β=
λ1
,
λ2
где
=
λ1
( b1 − a1 ) − ( b2 − a2 )
2
, λ2
=
b−a
, 0 ≤ λ1 ≤ λ2 .
2
Плотность распределения вероятностей для X имеет вид
ξ< x −λ2
0,

2
2
( ξ− x +λ2 ) λ2 −λ1 , x −λ 2 ≤ξ<x −λ1,

x −λ1 ≤ξ<x +λ1,
gX (ξ) = 1 ( λ1 +λ2 ),

2
2
( x +λ2 −ξ ) λ2 −λ1 , x +λ1 <ξ≤x +λ2 ,

ξ> x +λ2 ,
0,
(
)
(
)
a+b
.
2
Математическое ожидание и дисперсия X соответственно равны:
где
=
E( X )
x=
a+b
=
, V (X)
2
( b − a )2
24
(1 + β2 ).
– Треугольное распределение используется для величины X,
которая является суммой двух независимых случайных величин,
каждая из которых подчиняется равномерному распределению
и b1 – a1 = b2 –a2. В этом случае трапецеидальное распределение
Trap(a,b,0) превращается в симметричное треугольное распределение T(a,b) на интервале [a,b].
113
Плотность распределения вероятностей для X в этом случае имеет вид
0, ζ < a,
ζ − a

, a ≤ ζ ≤ x,
 w2
gX ( ζ ) =
 b − ζ , x ≤ ζ ≤ b,
 w2
0, ζ > b,

где =
x
a+b
b−a
=
, w
.
2
2
Математическое ожидание и дисперсия соответственно равны:
=
E( X )
a+b
=
, V (X)
2
( b − a )2
24
.
– Арксинусоидальное (U-образное) распределение используют,
если известно, что величина X изменяется по гармоническому закону
между предельными значениями a и b, a<b, но в момент наблюдения
фаза Ф процесса неизвестна. Для описания Ф применяют равномерa+b b−a
ное распределение R(0,2π). Тогда величина=
X
+
sin Ô,
2
2
подчиняется арксинусному (U-образному) распределению U(a,b).
Плотность распределения вероятностей для X в этом случае имеет вид

0, ζ < a,

2
=
gX ( ζ ) 
, a ≤ ζ ≤ b,
 π ( b − a )2 − ( 2ζ − a − b )2

0, ζ > b.
Математическое ожидание и дисперсия соответственно равны:
=
E( X )
a+b
=
, V (X)
2
( b − a )2
8
.
Далее кратко изложим схему реализации метода Монте-Карло
для вычисления неопределенности измерения выходной величины
уравнения измерения. Для применения метода Монте-Карло необходимо выбрать число испытаний M, то есть число наблюдений
114
выходных значений модели. Как правило, выбор M = 106 позволяет
построить 95 %-й интервал охвата для выходной величины с точностью до одной или двух значащих цифр. Технические особенности
реализации последовательности случайных чисел по заданному закону в данном приложении не рассматриваются. Применение метода Монте-Карло заключается в следующей последовательности
шагов:
Для каждой входной величины Xi получают ее значение как реализацию соответствующей случайной величины с плотностью распределения gXi(ζ), формируют вектор значений входных величин xr,
(размерность вектора равна числу входных величин). Процедура
повторяется 106раз, индекс принимает значения r = 1,…,106. Таким
образом, получаем M выборок (векторов) x1, …, xM где r-й вектор состоит из случайных значений x1,r ,..., xN,r и каждое такое значение
получено в соответствии с плотностью распределения вероятностей
для входной величины Xi.
Для каждого вектора вычисляют значение выходной величины
в соответствии с моделью измерения yr = f(x1,r, … xn,r), r = 1, … 106.
Последовательность yr может быть представлена в виде гистограммы (при соответствующем выборе ширины интервала группирования), представляющей собой распределение частот появления выходной величины. После нормирования, обеспечивающего равенство площади под гистограммой единице, ее можно рассматривать
как аппроксимацию плотности распределения вероятностей gY(η)
выходной величины.
В качестве оценки y выходной величины Y используют выбороч1 M
ное среднее y =
∑ yr , а в качестве оценки ее стандартной неопреM 1
деленности вычисляют выборочное стандартное отклонение:
=
u2 (y )
1 M
∑ (yr − y)2 .
M −1 1
Для получения интервала охвата необходимо иметь плотность
распределения выходной величины GY(η). Дискретное представление функции распределения выходной величины Y может быть получено следующим образом:
а) полученные значения выходной величины yr = f(x1,r, … xn,r),
r = 1, … 106 располагают в неубывающем порядке, обозначая их y(r);
б) полученная последовательность y(r) задает дискретное представление функции распределения выходной величины GY(η).
115
Интервал охвата для выходной величины Y при вероятности p
может быть определен на основе GY(η) следующим образом. Если
взять любое число α из интервала от нуля до 1 – p , то границами
–1(α) и
100p %-го интервала охвата для Y будут значения GY
–1
GY (p+α) то есть квантили распределения GY(η) уровней α и (p + α)
cоответственно.
1− p
При выборе α =
получают вероятностно симметричный
2
100p%-й интервал охвата, границами которого являются кван1− p
1+ p
тили уровней
и .
2
2
Если плотность распределения вероятностей асимметрична, то
1− p
более подходящим может быть выбор α, отличный от
, напри2
мер, позволяющий получить наикратчайший 100p%-й интервал охвата. Если плотность распределения вероятностей унимодальная,
то оно обладает таким свойством, что наикратчайший интервал
охвата будет включать в себя моду этого распределения. Для симметричной плотности распределения вероятностей вероятностносимметричный и наикратчайший 100p%-е интервалы охвата совпадают.
Контрольные вопросы
1. Неопределенность измерения.
2. Различие неопределенности и погрешности по отношению
к результату измерения.
3. Подход к количественному выражению неопределенности измерения, принятый в руководстве по выражению неопределенности.
4. Оценивание неопределенностей измерения: стандартной, суммарной, расширенной.
5. Априорная и апостериорная информация при оценивании неопределенности измерения.
6. Этапы оценивания неопределенности измерения.
7. Формирование уравнения измерений как этап оценивания неопределенности.
8. Этап формирования модели измерений.
9. Измеряемая величина как функция входных величин – влияние на оценивание неопределенности измерения.
10. Модель многоступенчатого измерения на примере построения калибровочной характеристики.
11. Вычисление стандартных неопределенностей по типу А и В
входных величин.
116
12. Вычисление стандартных неопределенностей выходной величины.
13. Составление, содержание и описание бюджета неопределенности измерения.
14. Представление результата измерения в концепции неопределенности измерения.
15. Трансформирование функции распределения выходной величины.
16. Применение метода Монте-Карло для вычисления неопределенностей выходной величины.
3.4. Вычисление неопределенности измерения при калибровке
3.4.1. Метрологические характеристики,
устанавливаемые при калибровке
Калибровка средств измерений – совокупность операций, устанавливающих соотношение между значением величины, полученным с помощью данного средства измерений, и соответствующим
значением величины, определенным с помощью эталона, с целью
определения действительных метрологических характеристик этого средства измерений.
При калибровке происходит передача единицы величины, воспроизводимой и/или хранимой эталоном, менее точному эталону
или средству измерения (далее – калибруемому средству измерения), путем определения соотношения между значениями величины, полученными с применением эталона, и соответствующими показаниями калибруемого средства измерения. В последующем, при
применении средств измерения по назначению, это соотношение используется для преобразования показаний средств измерений в результаты измерений.
В качестве метрологических характеристик могут выступать
значения мер, погрешность (систематическая) измерительных приборов, калибровочная характеристика, отклонения от номинальных значений калибровочных характеристик средств измерения
и др. При выполнении калибровки средств измерений метрологические характеристики указываются с соответствующими неопределенностями.
Действительное значение однозначной меры, определенное при
калибровке, указывают новым значением или поправкой к номинальному значению или значению, приписанному мере при ее предыдущей калибровке.
117
При калибровке многозначных мер указывают совокупность новых значений или поправок (аддитивных или мультипликативных)
для всех калибруемых точек диапазона.
Калибровочную характеристику измерительного прибора (ИП)
указывают в форме таблицы или функции. Если показания ИП
имеют размерность измеряемой величины, то наиболее общим способом представления калибровочной характеристики является задание в виде таблицы согласованных пар значений измеряемой величины xi, i = 1,…n и поправок к показаниям ИП.
В тех случаях, когда единицы показаний ИП отличны от единиц
измеряемой величины, калибровочная характеристика задается
параметрической функциональной зависимостью показаний ИП
от значений измеряемой величины. В этом случае калибровка ИП
заключается в оценивании параметров такой функции на основе
значений, получаемых с помощью эталонного средства измерения,
и соответствующих показаний калибруемого ИП. Частным случаем калибровочной функции является линейная зависимость, проходящая через ноль, когда единственным оцениваемым параметром
является калибровочный коэффициент K(y = Kx). Калибровочная
характеристика может быть также задана поправками (аддитивной
и/или мультипликативной) к приписанной (номинальной) калибровочной характеристике ИП.
Определяемые при калибровке метрологические характеристики, как правило, являются выходными величинами в модели/уравнении измерения.
При необходимости в процессе калибровки могут быть определены и другие метрологические характеристики средств измерений,
например, такие:
– нестабильность калибровочной характеристики средства измерений;
– СКО показаний ИП в условиях повторяемости, характеризующее случайный разброс показаний в нормальных условиях при калибровке;
– нелинейность калибровочной функции.
3.4.2. Модель измерения при калибровке.
Источники неопределенности
При калибровке уравнение измерения выражает зависимость
определяемой метрологической характеристики средства измере118
ния (выходной величины Y) от всех других величин Xi, влияющих
на получение оценки этой метрологической характеристики:
Y = F (X, X1,..., Xn ).
При калибровке многозначных мер или ИП в нескольких точках
шкалы уравнение преобразуется в систему уравнений:
 Y1 = F1 (X, X1,..., Xn1 )

 ............................... .
Y = F (X, X ,..., X )
m
nm
1
 m
В качестве выходной величины в уравнении измерений при калибровке может быть:
– значение калибруемой меры или его отклонение от номинального значения;
– систематическая погрешность/погрешность ИП в фиксированной точке шкалы измерений;
– отклонение показания ИП от номинальной калибровочной характеристики;
– значение калибровочной характеристики в точке диапазона;
– калибровочные коэффициенты ИП;
– другие метрологические характеристики средств измерений.
Если при калибровке оценивают стабильность значения меры,
в качестве выходной величины принимают изменение значения
меры за определенный интервал времени, равное разности двух результатов измерений значений меры.
Входными величинами уравнения измерений при калибровке
являются величины, влияющие на результат определения метрологической характеристики средств измерений и его неопределенности, в частности:
X – измеряемая величина на входе калибруемого ИП, значение
которой определяется с помощью эталонного средства измерений
или эталонной меры, используемых при калибровке;
X1,…,Xn – влияющие величины, значения которых либо непосредственно измеряются, либо являются справочными данными,
установленными константами и др.
При составлении уравнения измерений необходимо учитывать
следующую доступную информацию:
– номинальную калибровочную функцию калибруемого ИП;
– действительную калибровочную функцию эталонного ИП;
– априорно известный вид функций влияния и поправок;
119
120
Метод сличения с эталонным ИП имеет две разновидности:
1. Метод сличения при помощи эталона сравнения (многозначной меры или
набора однозначных мер).
2. Метод непосредственного сличения
калибруемого ИП с эталонным ИП
Методом прямых
измерений, при
котором с помощью
калибруемого ИП
измеряют значения многозначной
эталонной меры или
набора однозначных
эталонных мер
Измерительные
приборы
Метод сличения
Метод сличения с эталонной мерой при
помощи компаратора имеет две разновидности:
1. Дифференциальный метод измерений, при реализации которого оценивают разность размеров величин,
хранимых калибруемой и эталонной
мерами.
2. Метод замещения, при реализации
которого с помощью ИП, исполняющего роль компаратора, последовательно
определяют значения калибруемой
и эталонной мер и находят их соотношение
Метод прямых
измерений
Однозначные
В этом методе знаи многозначные чения калибруемой
меры
меры оценивают
с помощью эталонного ИП
Объект
калибровки
Метрологические характеристики устанавливают
в результате совместных
или совокупных измерений
В этом методе значения
меры находят на основе
известной зависимости величины, воспроизводимой
мерой, от других непосредственно измеренных
величин
Метод косвенных измерений
Методы измерений, применяемые при калибровке средств измерений
Таблица 3.5
– любую другую информацию, которая позволяет уточнить
уравнение измерения.
Уравнение измерения всегда является некоторым приближением зависимости выходной величины от входных, конкретный вид
которого определяется требованиями к точности определения метрологической характеристики при калибровке.
Формализованная запись уравнения измерений всегда требует
знаний конкретной области измерений и учета метода измерений,
используемого при калибровке. Методы калибровки кратко охарактеризованы в табл. 3.5.
Основными источниками неопределенности при калибровке являются составляющие неопределенности, которые обусловлены:
– применяемыми эталонными средствами измерений, включая:
– неопределенность калибровочных характеристик ИП и действительных значений мер;
– нестабильность калибровочных характеристик ИП и действительных значений мер;
– нелинейность калибровочной характеристики ИП;
– случайными погрешностями эталонных, калибруемых средств
измерений и методик калибровки;
– методом измерений при калибровке, включая алгоритм оценивания параметров калибровочной функции;
– поправками на отклонения от нормальных условий;
– округлением результата измерений;
– интерполированием табличных данных.
Таким образом, неопределенность измерений при калибровке
определяется двумя основными составляющими, которые могут
быть результатом действия ряда факторов: неопределенностью измерений, обусловленной эталоном, и неопределенностью, обусловленной методом передачи единицы величины. Достаточно часто
в методе передачи преобладает случайная составляющая, включающая и вклад эталона, и вклад калибруемого средства измерений,
которые не удается отделить от других источников случайного разброса. Все перечисленное иллюстрирует увеличение неопределенности при передаче единицы по поверочной схеме (или иерархической схеме калибровок).
3.4.3. Представление результатов калибровки
Результаты калибровки мер могут быть представлены одним из
перечисленных далее способов:
– действительное значение однозначной меры и соответствующая
расширенная неопределенность с указанием коэффициента охвата;
121
– отклонение действительного значения однозначной меры от
номинального значения (или предыдущего значения калибровки)
и соответствующая расширенная неопределенность с указанием
коэффициента охвата;
– для многозначных мер – набор действительных значений мер
и соответствующие расширенные неопределенности с указанием
коэффициентов охвата;
– для однозначных мер – отклонения действительных значений
от номинальных значений (или значений предыдущих калибровок)
и соответствующие расширенные неопределенности с указанием
коэффициента охвата.
Результаты калибровки ИП могут быть представлены одним из
перечисленных способов:
– таблица показаний ИП в каждой калибруемой точке диапазона измерений и соответствующие расширенные неопределенности
с указанием коэффициента охвата;
– таблица поправок к показаниям ИП в каждой калибруемой
точке диапазона измерений и соответствующие расширенные неопределенности с указанием коэффициента охвата;
– таблица поправок к номинальной характеристике ИП в каждой калибруемой точке диапазона измерений и соответствующие
расширенные неопределенности с указанием коэффициента охвата;
– калибровочный коэффициент ИП и его расширенная неопределенность с указанием коэффициента охвата;
– калибровочная функция и расширенная неопределенность
в каждой точке диапазона измерений или параметры калибровочной функции и соответствующие им неопределенности.
По результатам калибровки при необходимости (по желанию заказчика калибровки) может быть сделан вывод о соответствии калибруемого средства измерения установленным метрологическим
требованиям, в частности пределу допускаемой погрешности измерений, или отнесения средства измерения к определенному классу
точности.
3.4.4. Примеры вычисления неопределенности измерения
при калибровке
Рассмотрим несколько примеров вычисления неопределенности
измерения, заимствованных из документа EA 4/02/ «Выражение неопределенности измерений при калибровке» [8]. Целью этого документа является гармонизация методов по оцениванию неопределенности измерений в Европейской ассоциации по аккредитации (ЕА).
122
Примеры упрощены, некоторые из них снабжены комментариями.
Выбор в качестве примеров вычисления неопределенности задач
калибровки обусловлен тем, что в России вычисление неопределенности получило наибольшее распространение именно в задачах
калибровки средств измерений, где расчет и указание неопределенности измерений в сертификатах калибровки регламентированы
ГОСТ Р ИСО 17025 «Требования к калибровочным и испытательным лабораториям».
Как показывает опыт разработки и валидации методик калибровки, наибольшие сложности возникают при формализованном
представлении модели измерения, поэтому рассмотрение конкретных, но довольно типичных примеров будет способствовать усвоению этого материала.
Каждый пример излагается в соответствии с общей пошаговой
схемой:
Шаг I. Построение модели измерения. Вычисление входных
и выходной величин.
Шаг II. Оценивание стандартных неопределенностей входных
величин.
Шаг III. Оценивание суммарной стандартной неопределенности
выходной (измеряемой) величины. Составление бюджета неопределенностей в виде соответствующей таблицы.
Шаг IV. Вычисление расширенной неопределенности измерения.
Шаг V. Представление результата измерения.
3.4.5. Калибровка гири
с номинальным значением массы 10 кг
Калибровка гири с номинальным значением 10 кг класса M1 МОЗМ
производится методом сравнения с эталонной гирей (класс F2 МОЗМ)
того же номинального значения при помощи компаратора, технические характеристики которого были предварительно определены.
Шаг I. Построение модели измерения.
Модель измерения представима в виде следующего выражения:
mx = ms + δmD + δm + δmс + δB,
где mx – условная масса калибруемой гири (измеряемая (выходная)
величина); ms – условная масса эталонной гири; δmD – значение
дрейфа эталонной гири после ее последней калибровки; δm – наблюдаемая разность между массами калибруемой и эталонной гирь;
δmс – поправка на эксцентриситет и магнитное воздействие; δB – поправка на выталкивающую силу в воздушной среде.
123
Шаг II. Оценивание стандартных неопределенностей входных
величин.
Для вычисления неопределенностей входных величин имеется следующая априорная информация, которая используется для
оценки стандартных неопределенностей по типу В:
Эталонная гиря (ms). В сертификате калибровки эталонной гири
приводится значение 10 000,005 г с соответствующей расширенной
неопределенностью 45 мг (коэффициент охвата k = 2).
Значение дрейфа эталонной гири (δmD). Отклонение значения
эталонной гири оценено исходя из результатов предыдущих калибровок в пределах ± 15 мг. Поправка не вводится.
Компаратор (δm). Для компаратора известно значение СКО повторных измерений разности показаний калибруемой и эталонной
гирь, 25 мг.
Поправка на эксцентриситет и магнитное воздействие (δmс).
Установлено, что колебания вследствие эксцентриситета и магнитного воздействия находятся в пределах ±10 мг. Поправка не вводится.
Поправка на выталкивающую силу в воздушной среде (δB). Установлено, что колебания вследствие действия выталкивающей силы
находятся в пределах ± 1×10–6 от номинального значения массы.
При калибровке проводятся три измерения разности между значениями масс калибруемой и эталонной гирь методом замещения
по схеме замещения АББА АББА АББА. Результаты приведены
в табл. 3.6.
Расхождение между массами калибруемой и эталонной гирь
(среднее арифметическое) составляет δm = 0,020 г. Для расчета соответствующей стандартной неопределенности используется значение СКО компаратора sp(δm) = 25 мг. Соответствующая стандартная
неопределенность расхождения между массами калибруемой и эталонной гирь рассчитывается по формуле:
25
u ( δm ) =s ( δm ) = ≈ 14,4(ìã).
3
Отметим, что деление на корень из трех объясняется тем, что выполнялись три измерения при калибровке.
Шаг III. Составление бюджета неопределенности.
Бюджет неопределенности приведен в табл. 3.7.
Шаг IV. Вычисление расширенной неопределенности.
При вычислении расширенной неопределенности для вероятности 0,95 использован коэффициент охвата 2. Это соответствует
124
Таблица 3.6
Результаты измерений при калибровке гирь
№
1
2
3
Гиря
Показания
компаратора, г
эталонная
+ 0,010
калибруемая
+ 0,020
калибруемая
+ 0,025
эталонная
+ 0,015
эталонная
+ 0,025
калибруемая
+ 0,050
калибруемая
+ 0,055
эталонная
+ 0,020
эталонная
+ 0,025
калибруемая
+ 0,045
калибруемая
+ 0,040
эталонная
+ 0,020
Наблюдаемая
разность, г
Средняя
разность, г
+ 0,01
+ 0,01
+ 0,01
+ 0,025
+ 0,03
+ 0,035
+ 0,02
+0,02
+ 0,02
Таблица 3.7
Бюджет неопределенности
Входная
велиОценка xi , г
чина, Xi
Стандартная
неопределенность
u(xi), мг
Распределение
вероятностей
Коэффициент
чувствительности, сi
Вклад
неопределенности,
ui(y), мг
mS
10000,005
22,5
Нормальное
1.0
22,5
δmD
0,000
8,95
Прямоугольное
1.0
8,95
δm
0,020
14,4
Нормальное
1.0
14,4
δmC
0,000
5,77
Прямоугольное
1.0
5,77
δB
0,000
5,77
Прямоугольное
1.0
5,77
mX
10 000,025
29,3
предположению, что выходная величина имеет нормальное распределение. Анализ последнего столбца бюджета неопределенности показывает, что доминирующим является вклад, обусловленный неопределенностью эталона. Однако имеется несколько сопоставимых
по величине вкладов, что в определенной степени обосновывает
125
использование коэффициента охвата, равного 2. Таким образом,
расширенная неопределенность равна: U = k ∙ u(mx) = 2 ∙ 29,3 ≈ 59 мг.
Шаг V. Представление результата калибровки.
Действительное значение массы гири номинала 10 кг составляет
10,000025 кг ± 59 мг.
Расширенная неопределенность измерения установлена как
стандартная неопределенность, умноженная на коэффициент охвата k = 2, что для нормального распределения соответствует, примерно, вероятности охвата 0,95.
Калибруемая гиря относится к классу М1, для которого предел
допускаемого отклонения от номинала составляет 500 мг, а расширенная неопределенность не должна превосходить трети от предела
допускаемого отклонения (1/3 от·500 мг). Оба этих условия выполнены, и по результатам калибровки класс гири подтверждается.
Комментарии к данному примеру.
На практике достаточно трудно обосновать пределы для дрейфа
эталонной гири с момента ее предыдущей калибровки. В качестве
альтернативы можно воспользоваться информацией о том, что эталонная гиря относится к классу F2. Проведем обработку результатов измерений, используя для эталонной гири номинальное значение и расширенную неопределенность, определяемую как 1/3 от
предела допускаемых отклонений от номинала:
ms = 10000,000 г, U(ms) = 160/3 = 53 (мг). Соответственно, стандартная неопределенность составит: u(ms) = U(ms)/2 = 53/2 = 26,5
(мг). Бюджет неопределенности изменится, как показано в табл. 3.8.
Расширенная неопределенность U = k ∙ u(mx) = 2 ∙ 31,2 ≈ 62 мг.
Действительное значение массы гири номинала 10 кг составляет
10,000020 кг ± 62 мг.
Таблица 3.8
Бюджет неопределенности
Входная
велиОценка xi, г
чина, Xi
Стандартная
неопределенность
u(xi), мг
Распределение
вероятностей
Коэффициент
чувствительности, сi
Вклад
неопределенности,
ui(y), мг
mS
10 000,000
26,5
Нормальное
1.0
26,5
δm
0,020
14,4
Нормальное
1.0
14,4
δmC
0,000
5,77
Прямоугольное
1.0
5,77
δB
0,000
5,77
Прямоугольное
1.0
5,77
mX
10 000,020
126
31,
Полученный результат хорошо согласуется с предыдущим результатом оценивания. Заключение о соответствии калибруемой
гири классу M1 остается в силе.
3.4.6. Калибровка плоскопараллельной концевой меры
номинальной длины 50 мм
Калибровка концевой меры длины нулевого класса (ISO 3650) 50
мм проводится методом сравнения при помощи компаратора с эталонной концевой мерой (эталон) той же номинальной длины и того
же материала. Разность срединных длин δl определяется при вертикальном положении обеих концевых мер с использованием двух индикаторов, контактирующих с верхней и нижней измерительными
поверхностями. Рассмотрение данного примера несколько упрощено по сравнению с ЕА 4/02, при этом также учтены рекомендации,
приведенные в GUM (Прил. Н GUM), по рассмотрению аналогичного примера.
Шаг I. Модель измерения представима в виде следующего выражения:
lX= lS + δlD + δl + δlC − L(α × δt + δα × ∆t ),
где lX – длина калибруемой концевой меры; lS – длина эталонной
концевой меры при температуре t0 = 20 °C согласно сертификату
калибровки; δlD – изменение эталонной концевой меры длины с момента ее последней калибровки; δl – разность длин калибруемой
и эталонной концевых мер; δlС – поправка на несовпадение осей
компаратора; L – номинальная длина сравниваемых концевых мер;
α + αS
α= x
– среднее значение температурных коэффициентов
2
линейного расширения калибруемой и эталонной концевых мер;
δ=
t (tX − tS ) – разность температур калибруемой и эталонной концевых мер; δα = (α X − α S ) – разность температурных коэффициентов линейного расширения калибруемой и эталонной концевых
мер; ∆t= (tX + tS ) / 2 − t0 – отклонение средней температуры калибруемой и эталонной концевых мер от нормальной t0 = 20 °C.
В Прил. Н GUM показано, что учет температурных поправок
приводит к вкладам в суммарную неопределенность второго порядка малости, поэтому в данном случае ограничимся упрощенной моделью: lX= lS + δlD + δl + δlC .
Шаг II. Оценивание стандартных неопределенностей входных
величин.
127
Для вычисления неопределенностей входных величин имеется следующая априорная информация, которая используется для
оценки стандартных неопределенностей по типу В:
Эталонная мера. Длина эталонной концевой меры (lS) с расширенной неопределенностью измерения приводится в сертификате
калибровки набора концевых мер и составляет 50,00002 мм ±30 нм
(коэффициент охвата k = 2); стандартная неопределенность равна
30
u ( l=
= 15 íì.
s)
2
Изменение эталонной меры. Отклонение длины эталонной концевой меры (δlD) оценивается исходя из предыдущих калибровок.
Поскольку никакие поправки не вводятся, то значение отклонения
принимают равным нулю в пределах ± 30 нм. Опыт работы с концевыми мерами такого типа показывает, что нулевое отклонение наиболее вероятно, а для описания возможных отклонений может быть
принято треугольное распределение вероятностей. Тогда:
30
u ( δlD ) =
= 12 (íì).
6
Поправка на несовпадение осей компаратора. Метрологические характеристики компаратора соответствуют EAL-G21. Для
разностей длин D до ±10 мкм поправка (δlC) находится в пределах
±(30 нм + 0,02 ∙ |D|). С учетом допусков нулевого класса калибруемой
концевой меры и класса К эталонной концевой меры, максимальная
разность длин будет находиться в пределах ±1 мкм, из этого следует, что поправка на несовпадение осей используемого компаратора
находится в пределах ±32 нм и 32
u ( δlC ) =
= 19 (íì).
3
При калибровке получают пять наблюдаемых значений разности длин калибруемой и эталонной концевых мер (δl) (табл. 3.9).
Таблица 3.9
Наблюдаемые значения δl
128
№ наблюдения
Наблюдаемое значение δl, нм
1
2
3
4
5
–100
–90
–80
–90
–100
Среднее арифметическое по 5 значениям δl равно -94 нм.
Для оценки неопределенности по типу А была использована
оценка стандартного отклонения компаратора, sp(δl) = 12 нм, полученная при испытаниях компаратора. Соответственно, стандартная
неопределенность измерения разности длин по пяти измерениям составила:
u(δl) = s( δ l ) = 12/51/2 = 5,37 (нм).
Шаг III. Бюджет неопределенности приведен в табл. 3.10.
Шаг IV. Вычисление расширенной неопределенности.
Расширенная неопределенность для вероятности 0,95 при коэффициенте охвата равном 2 составила: U = k ∙ u(lX) = 2 ∙ 27,5 ≈ 55 нм.
Шаг V. Представление результат калибровки.
Измеренное значение концевой меры номинальным значением
50 мм составляет
49,999 926 мм ± 55 нм.
Расширенная неопределенность измерений определяется как
стандартная неопределенность, умноженная на коэффициент охвата k = 2, который для нормального распределения соответствует
приблизительно вероятности охвата 0,95.
При выполнении калибровок с невысокими требованиями к точности достаточно часто доминирующими являются один или два
вклада в суммарную неопределенность измерения. В этом случае
выбор коэффициента охвата при вычислении расширенной неопределенности требует тщательного рассмотрения, в частности k = 2 достаточно часто оказывается необоснованным.
Таблица 3.10
Бюджет неопределенности
Коэффициент
чувствительности, сi
Вклад
неопределенности,
ui(y), мг
Нормальное
1,0
15
12
Треугольное
1,0
12
– 0,000094
5,4
Нормальное
1,0
5,4
δlC
0
19
Прямоугольное
1,0
19
lX
49,999 926
Параметр,
Xi
Оценка xi,
мм
Стандартная
неопределенность
u(xi), нм
lS
50,000020
15
δlD
0
δl
Распределение
вероятностей
27,5
129
Довольно часто суммарная неопределенность складывается только из двух вкладов, причем вклад, связанный с эталоном, оказывается существенно меньше второго:
– Неопределенность измерения, обусловленная эталоном, которая обычно оценивается по типу В, исходя из неопределенности,
приведенной в сертификате калибровки, или из пределов допускаемой погрешности измерений. В первом случае обычно предполагается нормальный закон распределения, а во втором – равномерный
закон распределения.
– Неопределенность измерения, связанная с передачей единицы
величины. Эта неопределенность оценивается по типу А, если выполняются повторные измерения, и тогда предполагается нормальный
закон распределения. Если нет необходимости выполнять повторные
измерения (случайная погрешность несущественна), то соответствующая неопределенность оценивается по типу В и часто определяется ценой деления (разрешением) калибруемого средства измерений,
и тогда предполагается равномерный закон распределения.
Таким образом, при вычислении коэффициента охвата следует
учитывать возможные сочетания перечисленных законов распределений.
3.4.7. Калибровка портативного цифрового мультиметра
при постоянном напряжении 100 В
Портативный цифровой мультиметр (ПЦМ) калибруется при
подаче входного напряжения постоянного тока величиной 100 В с использованием многофункционального калибратора в качестве
рабочего эталона.
Шаг I. Модель измерения.
Погрешность показаний ПЦМ, Ecal (выходная величина в уравнении измерения) рассчитывается по показаниям ПЦМ и параметрам настройки калибратора по формуле (модель измерения):
Ecal= V − Vref − δVref ,
где V – напряжение, показываемое мультиметром; Vref – напряжение, генерируемое калибратором; δVref – поправка на показания калибратора из-за:
– дрейфа со времени последней калибровки;
– отклонения из-за комбинированного эффекта смещения, нелинейности и разницы коэффициентов усиления;
– отклонения в температуре окружающей среды;
– отклонения в напряжении сети;
130
– ошибочной (недостаточно тщательной) настройки, как следствие конечного значения входного сопротивления калибруемого
ПЦМ.
Шаг II. Оценивание стандартных неопределенностей входных
величин.
Из-за ограниченной разрешающей способности индикации ПЦМ
не наблюдалось рассеивания в показываемых значениях.
Показания мультиметра (V): ПЦМ показывает напряжение
100,1 В при установлении на калибраторе 100 В. Из-за ограниченной разрешающей способности индикации ПЦМ не наблюдалось
рассеивания в показываемых значениях. Соответствующая неопределенность оценивается по типу В, в предположении равномерного
закона в пределах 1/2 наименьшего значимого разряда ± 0,05 В.
0,05
u=
( V ) = 0,029 B.
3
Калибратор (эталон) (Vref). В свидетельстве калибровки на
многофункциональный калибратор указана относительная расширенная неопределенность измерения 0,002% (коэффициент охвата
k = 2). Следовательно, при 100 В расширенная неопределенность измерения U = 0,002 В (коэффициент охвата k = 2). Тогда
u (=
Vref )
0,002
= 0,001 B.
2
Поправка (δVref). Поправка на показания эталона не вводится.
Для оценивания соответствующих неопределенностей можно использовать предел допускаемых погрешностей, характеризующий
разряд эталона. В спецификации на данный калибратор указано,
что сгенерированное калибратором напряжение совпадает с установленным на калибраторе в пределах ±(0,0001 ∙ VS + 1 мВ). Для
значения 100 В это соответствует пределам ±0,011 В. Отметим, что
эти пределы включают неопределенность, установленную при калибровке, которая соответственно не нуждается в повторном учете
в бюджете неопределенности:
0,011
u (=
Vref ) = 0,006 B.
3
Шаг III. Бюджет неопределенности приведен в табл. 3.11.
Шаг IV. Вычисление расширенной неопределенности.
В стандартной неопределенности измерения, связанной с результатом измерения, доминирует влияние конечной разрешающей
131
Таблица 3.11
Бюджет неопределенности
Входная
велиОценка xi, В
чина, Xi
Стандартная
неопределенность
u(xi), В
Распределение
вероятностей
Коэффициент
чувствительности, сi
Вклад
неопределенности,
ui(y), В
V
100,1
0,029
Прямоугольное
1
0,029
Vref
100
0,006 В
Прямоугольное
–1,0
0,006
Ex
0,1
0,030
способности ПЦМ. Коэффициент охвата, соответствующий прямоугольному распределению для вероятности охвата 0,95 равен 1,65.
Соответственно расширенная неопределенность равна
U = k ∙ u(Ecal) = 1,65 ∙ 0,030 ≈ 0,05 В.
Шаг V. Представление результата калибровки.
Измеренное отклонение показаний ПЦМ от значения, воспроизводимого эталоном, при 100 В составляет (0,10 ± 0,05) В. Указанная
расширенная неопределенность измерения получена перемножением стандартной неопределенности измерения на коэффициент охвата k = 1,65. Она соответствует предполагаемому прямоугольному
распределению с вероятностью охвата приблизительно 95 %.
Установление коэффициента охвата k = 1,65 обусловлено тем,
что в неопределенности измерения доминирует вклад из-за конечной разрешающей способности ПЦМ. Это будет справедливо при
калибровке всех показывающих цифровых приборов с низкой разрешающей способностью при условии, что конечная разрешающая
способность – единственный доминирующий источник в бюджете
неопределенности.
Контрольные вопросы
1. Метрологические характеристики, устанавливаемые при калибровке.
2. Источники неопределенности, связанные с моделью измерений.
3. Виды доступной информации, используемые при составлении
уравнения измерений.
4. Основные источники неопределенности при калибровке измерительного прибора.
132
5. Методы измерений, применяемые при калибровке средства
измерения.
6. Бюджет неопределенности.
7. Формы представления результата калибровки.
8. Пошаговая схема калибровки средства измерения.
3.5. Обработка результатов измерений
и оценивание неопределенности
при сличениях эталонов единиц величин
В настоящее время наряду с традиционной иерархической схемой
передачи единицы величины выстраивается иерархическая схема
межлабораторных сличений испытательных и калибровочных (поверочных) лабораторий. Обе эти схемы служат одной цели – обеспечению единства измерений, но задачи, решаемые на каждом уровне
этих схем, различны. Поэтому нет оснований говорить о дублировании функций этими схемами. Участие в межлабораторных сличениях является одним из требований при аккредитации в области обеспечения единства измерений наравне с требованием демонстрации
метрологической прослеживаемости результатов измерений.
Метрологическая прослеживаемость реализуется через цепь калибровок (поверок) эталонов разного уровня по поверочной схеме
для средств измерений. За исключением верхнего уровня, эталон
выступает сначала как калибруемое, а затем, как эталонное средство измерений. Таким образом, при калибровке устанавливаются
метрологические характеристики калибруемого средства измерения, которые используются при расчете неопределенности измерения с применением данного средства измерения.
В межлабораторных сличениях участвуют, как правило, лаборатории одного уровня и устанавливается (проверяется) эквивалентность результатов измерений в этих лабораториях, анализируются
причины существенных систематических расхождений между результатами разных лабораторий, подтверждается качество метрологических услуг, оказываемых этими лабораториями, и решается
ряд других задач.
Уровни точности в межлабораторных сличениях определяются
точностью используемых средств измерений и статусом участников
сличений. На верхнем уровне это – первичные эталоны и национальные метрологические институты, которые участвуют в ключевых сличениях.
Межлабораторные сличения в метрологии являются эффективным инструментом проверки качества метрологических услуг, ока133
зываемых лабораториями. Но этим не ограничиваются возможности и задачи межлабораторных сличений.
Для различных типов межлабораторных сличений существуют
свои требования к организации и планированию измерительного
эксперимента, а также соответствующие алгоритмы оценивания
результатов измерений и критерии подтверждения того, что задачи
межлабораторных сличений решены.
Можно выделить три основных типа межлабораторных сличений.
К первой группе относятся сличения, целью которых является
определение параметра некоторого исследуемого объекта (характеристики объекта исследования). К этой группе относится, например, аттестация стандартных образцов состава и свойств веществ
и материалов. Как правило, речь идет о стандартных образцах
сложного состава, имеющих сложную матрицу, когда другие методы аттестации оказываются неэффективными.
Для аттестации образца в ходе межлабораторных сличений специальным образом выбираются компетентные (экспертные) лаборатории-участники сличений, которые, применяют различные методы измерений. Это делается для того, чтобы систематические погрешности, присущие каждой лаборатории, проявились в разбросе
данных межлабораторных сличений и, следовательно, могли быть
оценены статистическими методами. Результатом такого типа сличений является оценка параметра исследуемого объекта с соответствующей неопределенностью (погрешностью).
Компетентность лабораторий подтверждается использованием
аттестованных методик выполнения измерений, откалиброванных
средств измерений и результатами межлабораторных сличений, направленных на подтверждение их компетентности.
Ко второй группе относятся межлабораторные сличения, направленные на исследование показателей точности методов измерений, стандартизованных методик измерений (характеристики метода исследования). Примером этого типа межлабораторных экспериментов являются сличения, в которых определяются показатели
прецизионности (повторяемости и воспроизводимости) результатов
измерений, полученных по исследуемой методике измерений. Как
и в предыдущем случае, участниками являются компетентные лаборатории, но отличие состоит в том, что они все должны использовать одну и ту же методику измерений.
Результатом данного типа межлабораторных экспериментов является оценка показателей повторяемости и воспроизводимости результатов измерений, полученных по исследуемой стандартизованной
134
методике измерений. Полученные в результате межлабораторных
сличений характеристики точности исследуемой методики измерений используются как для внутрилабораторного контроля точности измерений в лабораториях, применяемых данную методику, так
и при внешних проверках качества измерений в этих лабораториях.
Наконец, третью группу составляют сличения, направленные
на оценивание (контроль) качества результатов измерений, выполняемых лабораториями-участниками (характеристики качества
измерений лаборатории). Целью такого вида сличений является
подтверждение заявляемых этими лабораториями характеристик
точности измерений, выполнения калибровок, поверок и испытаний. Сличения данного вида проводятся для национальных метрологических институтов, калибровочных, поверочных и испытательных лабораторий, а также лабораторий производственных
предприятий. Это наиболее распространенный тип сличений.
Межлабораторные сличения относятся к дорогостоящим экспериментам. Для эффективного решения задач сличений большое
значение имеет тщательная подготовка к сличениям. На этапе
подготовки следует выделить две задачи: подготовку Протокола
сличений и подготовку и исследование мер, средств измерений, используемых в качестве транспортируемых образцов при сличениях.
Ответственность за решение этих задач в значительной степени ложится на пилот-лабораторию. Пилот-лаборатория может выступать
в качестве провайдера межлабораторных сличений. В противном
случае провайдер сличений привлекает референтную/пилотную
лабораторию для проведения сличений.
Результатом сличений является заключение пилотной лаборатории о подтверждении или не подтверждении заявленных лабораториями-участниками характеристик точности измерений. Существуют
разные критерии подтверждения заявляемых неопределенностей, но
наиболее часто используется критерий, в котором наблюдаемые отклонения результатов измерений от опорного значения сопоставляются с заявляемыми неопределенностями измерений. Если между
ними наблюдается согласие, то это фактически доказывает корректность оценок неопределенности измерений. Для этого вычисляют
нормализованное отклонение каждого результата от опорного значения, а соответствующая статистика критерия En имеет вид
=
Ån
xi − xref
2 u2 ( xi ) + u2 ( xref )
≤ 1.
135
3.5.1. Ключевые сличения национальных эталонов
Сличения национальных первичных эталонов всегда являлись
инструментом подтверждения уровня национального эталона, но
новый этап этой деятельности связан с подписанием директорами
Национальных метрологических институтов Договоренности о взаимном признании измерительных эталонов, сертификатов калибровок и измерений, выдаваемых национальными метрологическими институтами (MRA) на XXI Генеральной конференции по мерам
и весам 14 октября 1999 г.
Главная цель MRA – создание объективной основы для взаимного признания результатов измерений и калибровок средств измерений, получаемых различными национальными лабораториями.
Реализация главной цели достигается через решение ряда задач,
среди которых одной из основных является проведение международных сличений национальных эталонов по четко установленным
методикам, называемых ключевыми сличениями, которые ведут
к количественному выражению степени эквивалентности национальных измерительных эталонов.
Ключевые сличения национальных эталонов проводятся Консультативными комитетами CIPM, BIPM и региональными метрологическими организациями (RМО). Ключевые сличения, проводимые Консультативными комитетами или BIPM, считаются ключевыми сличениями CIPM; ключевые сличения, проводимые региональными метрологическими организациями, считаются ключевыми
сличениями RМО. Ключевые сличения RМО должны быть связаны
с ключевыми сличениями CIPM через результаты НМИ, которые
участвовали в обоих сличениях.
Ключевые сличения национальных эталонов решают следующие задачи: определение опорного значения, установление степени
эквивалентности эталонов и подтверждение неопределенностей измерений, заявленных участниками. Эти неопределенности являются основой для формирования калибровочных и измерительных
возможностей НМИ. Понятие степени эквивалентности эталонов
означает степень соответствия результатов участников сличений
опорному значению ключевого сличения. Степень эквивалентности
каждого национального измерительного эталона выражается количественно двумя величинами: отклонением от опорного значения
ключевого сличения и неопределенностью этого отклонения (при
доверительном уровне 95 %). Степень эквивалентности между парами национальных измерительных эталонов выражается разностью
отклонений от опорных значений и неопределенностью этой разности (при уровне доверия 95 %).
136
Анализ отчетов по ключевым сличениям показывает, насколько
многообразны схемы проведения сличений: круговые и радиальные; несколько кругов сличений с идентичными, но разными экземплярами эталонов сравнения; меры или измерительные приборы в качестве эталонов сравнения; скалярные величины и функции
времени (частоты) для выражения степени эквивалентности и др.
При разработке и выборе метода оценивания данных сличений
важны следующие признаки классификации:
– Схема проведения сличений. Сличения могут быть круговыми
и радиальными, последние подразумевают постоянный контроль
стабильности транспортируемого эталона. Учитывая длительность
проведения сличений, в сличениях возможно использование нескольких наборов идентичных эталонов сравнения. В этом случае
возникает задача совместной обработки результатов измерений,
полученных для разных наборов транспортируемых эталонов. Эту
задачу не следует путать с задачей связи результатов региональных
ключевых сличений со сличениями CIPM.
– Вид измеряемой величины. В сличениях измеряемой величиной может выступать:
Значение воспроизводимой величины транспортируемой меры
или набора мер. При этом меры из набора могут быть с близкими
или равными номинальными значениями (на случай возможных
их повреждений при транспортировке) или с существенно различными номинальными значениями.
Значение калибровочного коэффициента измерительного прибора.
Зависимость, например, коэффициента преобразования от частоты.
– Форма представления результатов (вид опорного значения
и степени эквивалентности). В большинстве случаев, по крайней
мере на начальном этапе обработки данных сличений, опорное значение понимается как наилучшая оценка измеряемой величины.
Поэтому в большинстве случаев при обработке получается набор
опорных значений и соответственно степеней эквивалентности.
Строго говоря, только в частных случаях имеются какие-либо основания для вычисления среднего ряда опорных значений. Это обоснованно, например, в случае набора мер с одинаковыми номинальными значениями в качестве эталона сравнения. В тех случаях,
когда опорное значение изначально является зависимостью, более
правильным представляется выбор некоторой фиксированной точки диапазона, например, заданной частоты для совместного представления результатов разных участников.
137
Наибольшее распространение получила процедура оценивания
данных сличений, в которой предполагается, что в сличениях принимает участие один стабильный во времени эталон сравнения, измерения в разных лабораториях независимы и возможным значениям измеряемой величины может быть приписан нормальный закон
распределения. Для обработки данных ключевых сличений применяется метод наименьших квадратов (МНК).
Опорное значение ключевого сличения (KCRV) вычисляется как
средневзвешенное результатов измерений институтов, с использованием в качестве весов обратных квадратов соответствующих значений стандартной неопределенности:
xref =
x1 / u2 ( x1 ) + ... + xn / u2 ( xn )
1 / u2 ( x1 ) + ... + 1 / u2 ( xn )
.
Соответствующая стандартная неопределенность равна:
−1
 1
1 
u2 (x=
+ ... + 2
 .
ref )  2
u (xn ) 
 u (x1 )
Средневзвешенное значение может быть взято в качестве KCRV
только в том случае, если данные, предоставленные лабораториями, согласуются с принятой моделью, что может быть проверено,
при использовании критерия χ2 с числом степеней свободы (n – 1).
Для этого вычисляется наблюдаемое значение статистики χ2:
=
χ2obs
(x1 − y)2
u2 (x1 )
+ ... +
(xn − y)2
u2 (xn )
.
Считается, что согласованность данных не подтверждается, если
P χ2 ( n − 1) > χ2obs < 0,05. В противном случае результаты проверки
признаются положительными. Степень эквивалентности, в случае
положительного результата проверки, представляет собой пару
значений – отклонение результата измерения от опорного значения
и неопределенность этого отклонения:
d=
i xi − xref ,
{
}
2
u=
( di ) u2 ( xi ) − u2 ( xref ).
Попарная степень эквивалентности между эталонами вычисляется по формуле
dij = di − dj = xi − xref − xj − xref = xi − xj ,
(
2
( )
2
u=
dij u
138
( xi ) + u
2
)
( xj ).
Таким образом эквивалентность национальных эталонов понимается как эквивалентность результатов измерений, полученных
,
в национальных метрологических лабораториях с применением
этих эталонов (далее для краткости – эквивалентность лабораторий).
Промежуточным звеном между ключевыми сличениями национальных эталонов и сличениями калибровочных и испытательных
лабораторий, направленных на подтверждение качества метрологических услуг, являются дополнительные сличения национальных
эталонов. В ряде случаев они проводятся по процедурам, аналогичным процедурам ключевых сличений, но не имеют этого статуса
в силу ограниченного числа участников, заинтересованных в данных сличениях. В других случаях они, по сути дела, аналогичны
межлабораторным сличениям, проводимым с целью оценки квалификации лабораторий.
Контрольные вопросы
1. Типы и цели межлабораторных сличений.
2. Формы и процедура подведения итогов межлабораторных сличений.
3. Основания и цели ключевых сличений национальных эталонов.
4. Задачи ключевых сличений национальных эталонов.
5. Классификация видов ключевых сличений.
6. Понятие об эквивалентности национального эталона.
7. Межлабораторные сличения калибровочных и испытательных лабораторий.
3.6. Планирование измерений
Планирование измерения направлено на обеспечение требуемого качества результата измерения. В самом общем виде задача планирования измерительной процедуры может быть формализована
в рамках задачи принятия решений. В этом случае для ее задания
требуется определить пару {Ω, KO}, где Ω – множество возможных
альтернатив; КО – критерий оптимальности.
В качестве критерия оптимальности может выступать один из
показателей точности измерений. При этом также необходимо учитывать, что довольно часто получение значения измеряемой величины не является конечной целью, и измерительная процедура,
как правило, есть часть более общей процедуры принятия решения.
139
Во всех этих случаях качество измерений является одним из
важных факторов, характеризующих качество процедуры принятия решения. Однако при этом связь между качеством измерительной процедуры и качеством процедуры принятия решения не
является простой, поскольку в общем случае именно конечная цель
определяет требования к качеству измерительной процедуры, что
необходимо учитывать при организации измерительной процедуры
и, в частности, при выборе критерия оптимальности. Отметим, что
на практике стремление к повышению качества/точности измерений всегда сдерживается ресурсными ограничениями.
Таким образом, задача планирования измерений в общем случае является многофакторной и многокритериальной задачей планирования измерительной процедуры с условиями, где в качестве
критериев выступают характеристики качества, в роли факторов –
параметры измерительной процедуры, а в качестве ограничений –
границы их изменения.
Таблица 3.12
Этапы и содержание измерительной процедуры
Этапы
Содержание этапов
1. Постановка
измерительной
задачи
1. Построение модели объекта исследования.
2. Определение физической величины и требований
к качеству результата измерений.
3. Определение измеряемой величины.
4. Построение уравнения измерений
2.Планирование
измерения
1. Выбор метода измерения.
2. Выбор средств измерений.
3. Выбор параметров измерительного эксперимента
3. Измерительный 1. Подготовка к измерению, создание и контроль
эксперимент
условий проведения измерения.
2. Проведение измерения
4. Обработка изме- 1. Получение оценки измеряемой величины, полурительной инфор- чение оценки физической величины.
мации
2. Проверка адекватности моделей, используемых
при обработке данных.
3. Оценивание погрешности результата измерения
5. Анализ результатов измерений
140
1. Проверка соответствия результата измерения
требованиям, предъявляемым к его качеству.
2. Интерпретация результатов измерений и принятие на их основании решений.
3. Оценка качества принимаемых решений
Задача управления качеством измерения ставится на этапе планирования измерительной процедуры, а ее решением является результат планирования измерительной процедуры – методика измерений. Кратко понятие измерительной процедуры и содержание ее
основных этапов представлено в табл. 3.12.
Остановимся подробнее на формировании основных элементов
задачи принятия решений применительно к планированию измерительных процедур.
3.6.1. Формирование множества альтернатив
При определении множества альтернатив следует отталкиваться
от множества элементов измерения, а именно:
– физической величины (ФВ);
– измеряемой величины (ИВ);
– метода измерения;
– средства измерения;
– алгоритма обработки экспериментальных данных;
– алгоритма оценивания характеристик погрешности результата измерения.
Очевидно, что перечисленные элементы измерения разнородны.
Выбор одних из них в определенной степени предопределяет выбор
других, тем самым, сужая множество возможных альтернатив. Например, измеряемая величина → средство измерения, и т. д.
Измерительная процедура есть итог последовательного перехода
от принципа измерения к методу измерения и далее к его конкретной реализации. Задачу построения множества альтернатив условно можно разбить на два этапа. Вначале строится параметрическая
модель измерительной процедуры, которая является цепочкой моделей перечисленных выше элементов измерения, а затем определяется множество варьирования параметров этих моделей.
Первый этап соответствует задаче структурной оптимизации, он
относится к наиболее сложным и менее проработанным задачам,
второй – к параметрической оптимизации, а методы параметрической оптимизации разработаны значительно лучше.
В качестве моделей элементов измерения выступают параметрически заданные функции, функционалы, операторы, дифференциальные уравнения и их системы.
На начальном этапе построения множества альтернатив фактически решается задача дискриминации моделей. Очень часто эта
задача решается на основе экспертных заключений, которые базируются на опыте решения аналогичных задач, знании объекта
141
исследования, условий измерений, свойств средств измерений
и т. д. На этом этапе возможно проведение дополнительных измерений с целью получения недостающей информации об измерительной задаче.
После того как измерительная процедура сформулирована в виде
последовательности моделей, задачу планирования измерений значительно проще формализовать. Важно, что характеристики качества измерений могут быть представлены в виде функций параметров соответствующих моделей.
Множество параметров моделей (параметров измерительной процедуры) содержит подмножество управляемых параметров, значения которых и должны быть определены в ходе планирования измерения. Это подмножество включает в себя:
– параметры входного сигнала средства измерения, характеризующие воздействие на объект исследования и его отклик;
– параметры модели средства измерения (метрологических характеристик средства измерения);
– параметры измерительного эксперимента;
– параметры алгоритмов обработки экспериментальных данных
и оценивания характеристик погрешности результата измерения.
3.6.2. Построение критерия оптимальности
Критерий оптимальности строится, исходя из требований к качеству измерения с учетом реальных возможностей их обеспечения.
В тех случаях, когда критерий оптимальности может быть формализован в виде единого критерия, получаем оптимизационную задачу.
Математически это может быть записано в виде:
max F (γ1 (a1,..., am ),..., γ k (a1,..., am )),
ai
fj (a1,..., am ) ≤ cj ,
где γ – характеристики качества; F – обобщенный (результирующий) показатель качества; a – параметры измерительной процедуры; f – ограничения на параметры измерительной процедуры; c –
константы.
На практике достаточно трудно обосновать выбор функции F, поскольку, с одной стороны, трудно отдать предпочтение одной из характеристик качества, а с другой – только метрологические характеристики качества, как уже отмечалось, допускают сравнительно
простое математическое выражение и, следовательно, функция F
142
должна быть функцией разнородных аргументов, что требует специального языка представления.
В некоторых случаях в качестве F целесообразно взять метрологическую характеристику качества, то есть характеристику погрешности результата измерения, а остальные требования к качеству измерения постараться выразить в виде условий или ограничений на параметры измерительной процедуры:
max γ(a1,..., am ),
ai
gj (a1,..., am ) ≤ dj ,
где g, γ – функции m переменных; d – константы.
Если выбранная характеристика погрешности и ограничения
линейны по параметрам измерительной процедуры, то данная задача может быть решена методами линейного программирования.
Если отказаться от необходимости определения функции F, то
приходим к задаче выбора. При такой постановке необходимо определить множество возможных альтернатив (значений параметров
измерительной процедуры), на котором определяются характеристики качества измерения. При этом окончательное решение о выборе набора (или наборов) параметров измерительной процедуры
остается за лицом, принимающим решения (ЛПР). Информацию
для ЛПР удобно представлять в следующем виде (табл. 3.13).
При формировании множества возможных альтернатив можно
использовать информацию от экспертов, или рассматривать наборы
параметров, обеспечивающих экстремум одной из характеристик
качеств и т. д. Представленная таблица оказывается удобной и при
незначительных изменениях в требованиях к качеству измерительной процедуры, поскольку заключенная в ней информация позволяет быстро найти решение, удовлетворяющее новым требованиям.
Таблица 3.13
Информация для лица, принимающего решение
Наборы параметров
измерительной процедуры
Характеристики качества измерений
(a1, … am)1
γ1 (a1, ..., am )
…
…
γ k (a1, ..., am )
…
…
(a1, … am)1
143
Для метрологической практики, в частности при разработке
методик выполнения измерений, естественным требованием является обеспечение требуемой точности. Это требование разумно положить в основу формализации алгоритма действий ЛПР. Тогда
задача выбора имеет следующую конкретизацию: γ(a1, … am) ≤ b,
gj(a1, … am) ≤ dj.
В этом случае ищется не единственное решение, обеспечивающее
экстремум критерия качества, а определяется область допустимых
решений. Окончательный выбор делает ЛПР. Такая формализация
задачи планирования измерительной процедуры представляется
наиболее отражающей ее метрологическую специфику.
Задача планирования формализована в виде системы неравенств, первое из которых выделено особо, так как отражает требования к точности результата измерений.
Для решения задачи планирования необходимо:
1. Выявить факторы, влияющие на точность измерения, построить модель погрешности результата измерения, представить требуемую характеристику погрешности результата в виде функции параметров измерительной процедуры.
2. Проанализировать требования к измерительной процедуре,
в частности, ограничения на ее параметры и представить их в виде
системы неравенств: gj(a1, … am) ≤ dj.
Решением задачи является область допустимых наборов параметров измерительной процедуры: ri(a1, … ai–1, ai+1, … am) ≤ ai ≤
≤ Ri(a1, … ai–1, ai+1, … am), где r, R – функции (m – 1) переменных.
3.6.3. Планирование совместных измерений
Совместные измерения – это измерения пары согласованно изменяющихся величин {X, Y} с целью определения функциональной
зависимости между ними: Y = f(X).
Задачи планирования измерений, возникающие при построении
функциональных зависимостей, можно разделить на две большие
группы:
1) планирование измерений при исследовании функциональных
зависимостей;
2) планирование измерений при оценивании параметров функциональных зависимостей.
К первой группе относятся задачи планирования дискриминирующих экспериментов, состоящие в выборе модели функциональной зависимости. В основе решения этих задач лежат статистиче144
ские методы проверки гипотез. Кратко перечислим проблемы, возникающие при решении первой группы задач:
1. Выбор совокупности гипотез о виде функциональной зависимости.
2. Анализ априорных сведений о возможном виде функциональной зависимости с целью задания априорного распределения на
множестве гипотез.
3. Выбор оптимального решающего правила, в соответствии
с которым происходит выбор той или иной модели функциональной
зависимости в зависимости от результатов эксперимента.
4. Построение функции потерь, отражающей реальные потери,
соответствующие данному эксперименту и данному решающему
правилу. Эти затраты складываются из затрат на проведение измерений и штрафов за принятие неверной модели (которые выражаются через вероятности ошибок I и II рода).
5. Собственно планирование эксперимента, обеспечивающее минимизацию усредненной функции потерь (с априорным распределением гипотез).
Остановимся подробнее на задачах второй группы. В этом случае
задача планирования эксперимента разбивается на три этапа:
1. Установление множества альтернатив. Для параметрически
заданной модели определяются области изменения ее параметров.
2. Выбор критерия оптимизации (планирования) эксперимента.
3. Собственно решение задачи планирования, то есть задание
плана эксперимента, который обеспечивает экстремум (минимум
или максимум) критерия планирования.
Определение плана.
x1, x2 , ... xn 
Совокупность величин 
,
r 1 ,r2 , ..., rn 
∑ ri = N
называется
планом ε(N). Совокупность точек {x1, x2, … xn} называется спектром
плана ε(N).
Непрерывным нормированным планом называется:
x1, x2 , ... xn 

,
 p 1 , p2 , ... pn 
∑ pi = 1,
где рi принимают любые значения в интервале (0, 1).
Точечный план – план с целым числом измерений в точках
спектра.
145
Наиболее распространенным на практике классом функциональных зависимостей являются полиномиальные зависимости:
m
f (x) = ∑ ci xi .
i =0
Традиционно для оценивания параметров ci используют метод
наименьших квадратов (МНК).
Оценки параметров МНК:
Исходные данные {xi, yi}, i = 1, … N.
Оценки коэффициентов находят из условия минимизации функционала:
2
m


min ∑ ωi  yi − ∑ cj xij  ;


{cj } i 1=
=
j 0


N
→
{ }
A = M −1Y , A = cj , j = 0,…, m;
(
)
D( A) = M −1 – дисперсионная (ковариационная) матрица; M = Mjk –
информационная матрица;
Mjk
=
N
→
∑ ωi xij +k, Y = {Yk }, k = 0, …, m, Y=
k
i =1
N
∑ ωi yi xik .
i =0
Остановимся подробнее на критериях оптимальности планов.
Существует большое число различных критериев, которые могут
быть разделены на две группы: критерии, связанные с дисперсионной матрицей оценок параметров модели, и критерии, связанные
с погрешностями модели. Основными в перечисленных группах являются следующие критерии:
А. Связанные с дисперсионной матрицей.
min D(ε) – D-оптимальность.
ε
m


Dii  – A-оптимальность.
min Sp [ D(ε) ] ,  Sp [ D(ε) ] =
∑

ε
i =1


minmax λ ii (ε) , (где λii – собственные числа дисперсионной матриε
i
цы) – E-оптимальность.
В. Связанные с ошибками оценивания модели.
minmax Åd2 (x, ε) – G-оптимальность,
ε
146
x
2
где Ed (x, ε) – математическое ожидание квадрата погрешности
оценивания функциональной зависимости в точке х:
d(x,=
ε) fˆ(x) − f (x)
èñò
2
min ∫ Åd (x, ε)dx – Q-оптимальность.
ε
Основным приложением методов исследования функциональных
зависимостей и оценивания параметров функциональных зависимостей для метрологической практики является задача построения
калибровочных (градуировочных) характеристик (ГХ) средств измерений.
К задачам исследования ГХ средств измерений относятся:
– выбор модели ГХ;
– контроль правильности и стабильности ГХ (проверка адекватности выбранной модели ГХ реальным данным).
К задачам оценивания параметров ГХ средств измерений относятся:
– оценивание параметров ГХ известного вида;
– оценивание параметров ГХ при возможной неадекватности модели реальной ГХ.
Первый класс задач соответствует задачам планирования дискриминирующих экспериментов в регрессионном анализе, а второй – построению оптимальных планов экспериментов при оценивании параметров регрессионных моделей.
В теории планирования эксперимента при определении параметров функциональных зависимостей (в регрессионном анализе)
в качестве критериев оптимальности приняты характеристики погрешностей оценивания параметров функциональных зависимостей или функционалы от функций, представляющих зависимость
характеристики погрешности построения функциональной зависимости от точки диапазона измерения.
Для метрологии более естественными представляются критерии
оптимальности в виде функционалов: G-оптимальный и Q-оптимальный планы.
Задача планирования измерений при оценивании параметров
ГХ средств измерений разбивается на ряд задач, в частности:
– планирование измерительного эксперимента;
– выбор алгоритма обработки экспериментальных данных.
Планирование измерительного эксперимента (построение оптимального плана) и выбор алгоритма обработки неразрывно связаны, так как конкретная зависимость характеристик погрешности
построения ГХ от параметров плана определяется выбранным алгоритмом обработки.
147
Можно сказать, что задача выбора алгоритма обработки экспериментальных данных решена или, по крайней мере, есть разработанный подход к ее решению, основанный на результатах аттестации алгоритмов обработки данных при измерениях. Результатом
аттестации алгоритма является набор значений его характеристик,
среди которых основное место уделено характеристикам точности.
Эти характеристики есть функции характеристик погрешностей
исходных данных, параметров самого алгоритма и параметров измерительного эксперимента.
Отличие задачи планирования измерительного эксперимента
при построении ГХ от математической постановки задачи планирования эксперимента проявляется в следующем:
1. Обычно речь идет об обеспечении требуемой точности построения ГХ, а не о нахождении минимума или максимума критерия
оптимальности.
2. Погрешность построения ГХ определяется не только случайной погрешностью прибора, которая может быть уменьшена за счет
числа градуировочных точек и числа измерений в точке, но и погрешностями значений градуировочных точек, имеющими обычно
систематический характер. Этими погрешностями можно пренебречь далеко не всегда. Следовательно, в общем случае требования
к точности построения ГХ в конечном итоге трансформируются
в требования к точности значений градуировочных точек. Поэтому
при планировании измерительного эксперимента при построении
ГХ выбираются не только число градуировочных точек (смесей, образцов, растворов) и их расположение по диапазону, но и требуемая
точность их значений.
3. Обычно при построении ГХ определяются коэффициенты ГХ
заданного вида, которая может отличаться от «истинной». Следовательно, всегда присутствует систематическая погрешность, обусловленная неадекватностью модели ГХ, которая должна быть учтена в критерии оптимальности.
Возможны, по крайней мере, два подхода к решению задач планирования измерений при построении ГХ средства измерения.
Первый является традиционным при решении прикладных задач
и основан на методах, заимствованных из теории планирования
регрессионных экспериментов. Основная их идея заключается в построении оптимального плана для принятой модели объекта исследования и заданного критерия оптимальности при фиксированном
числе измерений. Модель объекта исследования в данном случае
является объединением модели ГХ средства измерения и моделей
148
погрешностей средства измерения и погрешностей значений градуировочных точек.
Далее число измерений выбирается из условия обеспечения
требуемой точности. Наиболее полно исследованные в теории непрерывные планы, обладающие одновременно многими хорошими
свойствами, оказываются в метрологической практике мало полезными, поскольку при небольшом числе измерений можно говорить
только о точных планах.
Второй подход к решению задачи планирования измерений при
построении ГХ средства измерения, основывается на идеях аттестации алгоритмов обработки данных при измерениях.
Для плана измерительного эксперимента рассматривается несколько алгоритмов обработки, моделей объекта исследования и несколько критериев планирования. При различных комбинациях
алгоритмов и моделей объекта исследования определяются значения критериев планирования. По сути, речь идет об аттестации
плана измерительного эксперимента. Результаты аттестации могут
быть графически представлены в виде точки в трехмерном пространстве (рис. 3.4).
Данные аттестации планов являются основанием для выбора
того или иного плана в конкретной задаче. Такой подход, может
быть, даже в большей степени соответствует практическому подходу к решению задачи, поскольку в реальной ситуации требования
к плану трудно представить себе в виде одного критерия оптимальности и, кроме того, часто довольно сложно построить оптимальный
точный план. Обычно выбирают такой план, который оказывается
неплохим по нескольким критериям оптимальности.
Критерий планирования
Алгоритм обработки данных
Модель объекта исследований
Рис. 3.4. Результаты аттестации плана измерительного эксперимента
149
4. ГОСУДАРСТВЕННОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ.
ОСНОВЫ ЗАКОНОДАТЕЛЬНОЙ МЕТРОЛОГИИ
4.1. Рекомендации МОЗМ
по национальному законодательству в области ОЕИ
(OIML D1 2005 Elements for a law on metrology)
Введение – Область применения
Настоящий Документ, разработанный специалистами МОЗМ совместно со специалистами органов Метрической конвенции и Международной кооперации по аккредитации Лабораторий (ILAC),
представляет элементы, которые следует учитывать при подготовке законов, регулирующих вопросы метрологии. Потребность
в национальных законах по вопросам метрологии увеличивается
по мере возрастающего участия государств в транснациональных,
региональных и международных торговых соглашениях, базирующихся на положениях национальных законов, соответствующих
основополагающим национальным требованиям к измерениям.
Обоснование
Метрология – основа качества производимых товаров и процессов. Метрологии принадлежит ключевая роль в деле развития
научного и технического прогресса, при проектировании и эффективном производстве продукции в соответствии с нуждами потребителей, а также в процессе обнаружения и предотвращения несоответствий. Метрология фундаментальным образом поддерживает
здравоохранение, является условием обеспечения безопасности
и охраны окружающей среды, производства пищевых продуктов
и справедливого судопроизводства. В условиях глобального рынка
метрология также создает основу для честной внутренней и международной торговли. Международное взаимное признание результатов измерений в сфере экономики имеет решающее значение для
устранения технических барьеров в торговле и, следовательно, для
участия в многосторонних торговых соглашениях, таких как Всемирная торговая организация. Государства должны побуждаться
к участию в международных Договоренностях или Соглашениях
о взаимном признании, заключаемых под эгидой Международных
организаций, обеспечивающих соответствующее доверие между национальными системами измерений.
Законодательная метрология включает все виды деятельности,
на которые распространяются установленные в законодательном
150
порядке требования к измерениям, единицам измерений, средствам измерений и методам измерений; эти виды деятельности,
осуществляемые правительственными органами власти или от их
имени, направлены на обеспечение соответствующего уровня доверия к результатам измерений, полученным в сфере, регулируемой
государством. Законодательная метрология не является специальной дисциплиной метрологии, она использует научную метрологию
для получения соответствующих опорных эталонов и метрологической прослеживаемости и может применяться в отношении любой
величины.
Никакая величина не может быть достоверно измерена без метрологии и без метрологической инфраструктуры. Значение результатов измерений постоянно возрастает из-за быстрого развития технологий и возникновения информационного общества. Потребителям и промышленности приходится ежедневно принимать
решения, основанные на результатах измерений и влияющие на
их экономику и личную жизнь, а также на возможность оценивать
действия и эффективность официальных органов власти, предприятий и неправительственных организаций. Надежные и точные измерения помогают обеспечить справедливую конкуренцию.
Роль Правительства
Роль Правительства в области метрологии заключается в обеспечении необходимых условий для достижения доверия общества
к результатам измерений. Это требует от Правительства проведения
деятельности, необходимой для развития метрологии, создания соответствующей инфраструктуры, поддержки исследований в области метрологии и защиты как отдельных лиц, так и компаний от
возможных злоупотреблений, связанных с измерениями. Эта деятельность должна быть организована в порядке проведения всесторонней и последовательной политики, для реализации которой целесообразно иметь закон о метрологии.
Международные организации
Международное сообщество приняло систему единиц, эталоны
и требования к средствам измерений путем присоединения к международным организациям (то есть к Метрической Конвенции
и Международной организации законодательной метрологии). Кроме того, гармонизация требований осуществляется региональными
метрологическими организациями и региональными организациями законодательной метрологии через посредство своих государствчленов. Целью этих организаций является содействие торговле, а
также обмену результатами измерений и средствами измерений.
151
Документы и Рекомендации, опубликованные этими организациями, используются в качестве первоисточников для построения национальных метрологических инфраструктур.
Национальная инфраструктура в области метрологии
Национальная метрологическая инфраструктура должна включать: законодательную базу, включая законы и правила, которыми устанавливаются положения, связанные с метрологией, орган
власти, подведомственный Правительству, ответственный за проведение национальной политики в области метрологии и за координацию деятельности других ведомств, связанных с реализацией
метрологических задач, один или несколько институтов, ответственных за реализацию задач, предписанных на уровне общенациональной политики в области метрологии, систему (добровольную)
по аккредитации калибровочных лабораторий, и, если это необходимо, также испытательных лабораторий, инспекционных органов
и органов по сертификации, структуры по распространению знаний
и расширению компетентности в области метрологии (например, по
обучению, образованию, консультациям и т. д.), услуги, оказываемые промышленности и экономике в области метрологии (например, калибровка, обслуживание, обучение, консультирование, испытание типа, поверка и т. д.).
Национальная политика в области метрологии
II.2.1. На компетентный орган власти, взаимодействующий со
всеми правительственными ведомствами и агентствами, возлагается разработка и координация проведения национальной политики
в области метрологии. Эта политика должна определять действия
Правительства по вопросам, связанным с метрологией, и должна
поручать работу всем подчиненным Правительству министерствам
и агентствам в отведенной им сфере деятельности. При разработке
любым правительственным ведомством Правил, которыми определяются требуемые значения измеряемых величин, необходимо принимать во внимание возможности национальной метрологической
инфраструктуры обеспечения достоверных измерений этих величин.
Национальные эталоны
Система национальных эталонов создается для поддержания
и распространения допускаемых к применению единиц, применяемых в целях удовлетворения потребностей страны. Национальные
эталоны – часть национальной метрологической инфраструктуры
в соответствии с II.I. В случае, когда эталоны являются первичными эталонами, реализующими узаконенные единицы независимо
от других эталонов, они должны регулярно сличаться с другими
152
национальными первичными эталонами. В случае, когда страна не
имеет первичных эталонов во всех областях измерений, национальные эталоны должны быть прослеживаемыми к реализации определениями единиц через первичные эталоны другой страны. Национальные эталоны должны в любом случае обладать наивысшей
точностью в стране.
Система национальных эталонов должна, по мере необходимости, включать систему, предусматривающую использование аттестованных стандартных образцов.
Метрологическая прослеживаемость
Любыми законами и правилами, регламентирующими вопросы
измерений, фасованных товаров в упаковках и средств измерений,
должно быть предусмотрено требование о прослеживаемости к единицам средств измерений, которое может быть обеспечено: либо
посредством системы национальных эталонов измерений и аттестованных стандартных образцов в соответствии с II.3; либо посредством получивших признание национальных эталонов или аттестованных стандартных образцов других стран, – в случаях, когда
уровень точности системы национальных эталонов недостаточен
или когда эта система не охватывает рассматриваемую величину.
Национальные институты
II.5.1. Один или несколько институтов назначаются Правительством для выполнения следующих задач:
– установление, хранение, поддержание, постоянное совершенствование и распространение национальных эталонов, распространение допускаемых к применению официальных единиц в соответствии с потребностями страны, а также обеспечение участия в соответствующей международной деятельности;
– консультирование и оказание содействия Правительству, промышленности, торговле и обществу по вопросам метрологии;
– создание прочной метрологической базы для национальной системы аккредитации;
– консультирование по техническим вопросам и оказание поддержки Правительству, промышленности, торговле и обществу по
вопросам законодательной метрологии;
– выполнение технических работ и координация деятельности
в области законодательной метрологии в сфере, порученной ему
уполномоченным Органом исполнительной власти, в частности,
проведение испытаний типа средств измерений, обеспечение технической координации и технической поддержки первичной и последующих поверок, контроля средств измерений и надзора за рынком;
153
– участие в международной работе по законодательной метрологии под руководством Уполномоченного органа исполнительной
власти.
Законодательная метрология
V.1. Введение
Правила по измерениям, фасованным товарам в упаковках
и средствам измерений, как это описано в данной Главе, могут быть
разработаны [Наименование Органа власти] в целях:
– защиты интересов физических лиц и предприятий;
– защиты национальных интересов;
– защиты здравоохранения и общественной безопасности, включая охрану окружающей среды и медицинское обслуживание;
– достижения совместимости с требованиями международной
торговли.
Эти правила, если они используются, должны быть совместимыми с Международными Рекомендациями МОЗМ и следовать их
требованиям.
Процедуры оценки соответствия, требуемые этими правилами,
должны, в случае использования, быть совместимыми с системами
оценки соответствия, предусмотренными МОЗМ, и следовать им.
V.2. Правила по измерениям
V.2.1. Правила могут быть установлены [Наименование Органа
власти] для определения величин, на которые будут ссылки в методиках по продаже, для установления требований к определенным видам измерений, используемым в качестве основы для сделок, или при
принятии мер принуждения, направленных на соблюдение закона, а
также при определении перечня измерений, на которые распространяются метрологические требования в целях, указанных в V.1.
V.4. Правила по средствам измерений
V.4.1. Правила могут быть установлены [Наименование Органа
власти] для определения перечня видов средств измерений, подлежащих законодательному контролю для целей, перечисленных в V.1.
Cанкции
VI.1. Правонарушения
К правонарушениям относятся:
– продажа, предложение или выставление на продажу количества товара, которое меньше обозначенного как предписано правилами, чтобы объяснить это как статистическое отклонение;
– принятие товара в количестве, превышающем обозначенное,
в случаях, когда весы или мера, посредством которых количество было определено, предоставлены покупателем/покупательницей, пред154
ставление количества товара, рассчитанного каким-нибудь способом
или намерение ввести в заблуждение или обман другого человека;
– искажение цены любого товара или продаваемых услуг, предложенных, выставленных, или разрекламированных для продажи
по количественному признаку (вес, мера или стоимость/количество), или назначение цены, рассчитанной каким-то образом, либо
намерение введения в заблуждение или обман человека;
– искажение результатов измерений, определяющих качество
товаров, используемых для определения цены или сорта товара;
– отсутствие регистрации в случаях, когда она предписана (V.3.5,
V.4.8);
– невыполнение обязательств, вытекающих из протоколов (V.2.5
и V.3.6), или препятствие их доступу для официальных лиц сферы
законодательной метрологии, невыполнение корректирующих действий, которые были предписаны/рекомендованы официальными
лицами сферы законодательной метрологии;
– препятствие или затруднение, чинимые официальным лицам
службы законодательной метрологии при исполнении ими своих
обязанностей;
– нанесение неправильной или искаженной маркировки соответствия или поддельных знаков поверки.
Международные соглашения и договоренности
Компетентные органы власти должны обеспечивать согласованность национальных и региональных законов и правил по вопросам
метрологии, а также их соответствие аналогичным международным положениям в области метрологии.
Они также должны обеспечивать, чтобы национальные и региональные законы и правила не препятствовали национальным организациям и органам власти вступать в международные соглашения
и договоренности.
Поощряется проявленная метрологическими институтами инициатива присоединения к международным соглашениям о подтверждении эквивалентности национальных эталонов стран-участниц.
В этом случае, при принятии или пересмотре национального закона
по метрологии, должна быть предусмотрена возможность юридического признания прослеживаемости по отношению к другим участникам Договоренности о взаимном признании, заключенной под эгидой Международного Комитета Мер и Весов (CIPM MRA).
Организация органов власти
III.1. Правительственная администрация и внешние организации
Рекомендуется, чтобы Правительственная администрация руководила политикой, обеспечивая, как минимум, создание соответ155
ствующей метрологической инфраструктуры и ее поддержку, устанавливала правила и порядок их соблюдения. Реализация технических задач может выполняться специализированными институтами
или организациями вне Правительственной администрации. Эти
институты и организации могут быть правительственными, полуправительственными или частными. Они должны действовать под
руководством органов власти и быть подотчетными Правительству.
На практике роль государственной администрации в реализации политики в области метрологии зависит от существующей инфраструктуры и ее полномочий внутри страны. В странах, где существуют институты вне сферы государственной администрации, которые наделены достаточной компетенцией, задачи государственной администрации могут сводиться к необходимым действиям по
соблюдению законодательства и осуществлению надзора.
В тех странах, где технические полномочия предоставлены государственной администрации, последняя должна заниматься технической деятельностью. В этом случае, а также из-за необходимости
поддерживать компетентность государственной администрации по
разработке и внедрению технических правил, политика в области
метрологии может быть направлена на развитие инфраструктуры
вне государственной администрации с передачей, в возможных случаях, решения технических задач. Например, неправительственные аккредитованные калибровочные лаборатории могли бы взять
на себя работу по проведению соответствующих калибровок вместо
сохранения большинства работ по калибровке за государственной
администрацией.
В случаях, когда задачи передаются полуобщественным или
частным организациям, должен быть заключен соответствующий
контракт с Правительством, с помощью которого обеспечивается защита общественных интересов, предусматривается представление
отчетности, достигается прозрачность и предотвращается столкновение интересов. При необходимости контрактом предусматривается возложение на указанные организации обязанности применения
в стране единых требований. Возможны два пути делегирования
задач внешним организациям: либо назначение единственной организации на основе объявления тендеров, либо назначение организаций на конкурсной основе, когда может быть избрана любая организация, соответствующая установленным требованиям.
Выбор между этими двумя путями должен быть тщательно изучен с учетом содержания делегируемых задач, а также преимуществ и недостатков каждого из них (техническая состоятельность,
156
равномерный охват географических зон страны, возможность надзора за этими организациями, риск коррупции, нежелательное влияние коммерческой конкуренции на качество выполнения задач, положительное влияние конкуренции на цены и рентабельность и т. д.).
Эти и другие рекомендации, связанные с оценкой соответствия,
финансированием, функциями национальных метрологических
институтов (НМИ) и др., учтены в Федеральном законе «Об обеспечении единства измерений» от 26.06 2008 г. № 102-ФЗ.
Контрольные вопросы
1. Назначение и область применения документа МОЗМ OIML D1
2005.
2. Роль государства в развитии национальной метрологии.
3. Рекомендации по национальной инфраструктуре метрологии.
4. Рекомендации по национальной политике в области метрологии.
5. Рекомендации по функциям НМИ.
6. Национальные эталоны и международные сличения.
7. Цель Договоренности о взаимном признании CIPM MRA.
8. Калибровочные и измерительные возможности НМИ.
9. Рекомендации по структуре законодательной метрологии.
4.2. Система обеспечения единства измерений в РФ
4.2.1. Сфера государственного регулирования
в области обеспечения единства измерений
Сфера государственного регулирования и организационные основы системы обеспечения единства измерений (ОЕИ) в РФ установлены Федеральным законом «Об обеспечении единства измерений»
№ 102-ФЗ [9] (Прил. А).
Единство измерений – состояние измерений, при котором их
результаты выражены в допущенных к применению в Российской
Федерации единицах величин, а показатели точности измерений не
выходят за установленные границы.
Цели и сфера действия настоящего Федерального закона (ст.1)
1. Целями настоящего Федерального закона являются:
1) установление правовых основ обеспечения единства измерений в Российской Федерации;
2) защита прав и законных интересов граждан, общества и государства от отрицательных последствий недостоверных результатов
измерений;
157
3) обеспечение потребности граждан, общества и государства
в получении объективных, достоверных и сопоставимых результатов измерений, используемых в целях защиты жизни и здоровья
граждан, охраны окружающей среды, животного и растительного
мира, обеспечения обороны и безопасности государства, в том числе
экономической безопасности;
4) содействие развитию экономики Российской Федерации и научно-техническому прогрессу.
2. Настоящий Федеральный закон регулирует отношения, возникающие при выполнении измерений, установлении и соблюдении требований к измерениям, единицам величин, эталонам
единиц величин, стандартным образцам, средствам измерений,
применении стандартных образцов, средств измерений, методик
(методов) измерений, а также при осуществлении деятельности по
обеспечению единства измерений, предусмотренной законодательством Российской Федерации об обеспечении единства измерений,
в том числе при выполнении работ и оказании услуг по обеспечению
единства измерений.
3. Сфера государственного регулирования обеспечения единства
измерений распространяется на измерения, к которым в целях,
предусмотренных частью 1 настоящей статьи, установлены обязательные метрологические требования и которые выполняются при:
1) осуществлении деятельности в области здравоохранения;
2) осуществлении ветеринарной деятельности;
3) осуществлении деятельности в области охраны окружающей
среды;
4) осуществлении деятельности в области гражданской обороны,
защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, обеспечения пожарной безопасности, безопасности людей на водных объектах;
5) выполнении работ по обеспечению безопасных условий и охраны труда;
6) осуществлении производственного контроля за соблюдением
установленных законодательством Российской Федерации требований промышленной безопасности к эксплуатации опасного производственного объекта;
7) осуществлении торговли, выполнении работ по расфасовке товаров;
8) выполнении государственных учетных операций и учете количества энергетических ресурсов;
158
9) оказании услуг почтовой связи, учете объема оказанных услуг электросвязи операторами связи и обеспечении целостности
и устойчивости функционирования сети связи общего пользования;
10) осуществлении деятельности в области обороны и безопасности государства;
11) осуществлении геодезической и картографической деятельности;
12) осуществлении деятельности в области гидрометеорологии,
мониторинга состояния и загрязнения окружающей среды;
13) проведении банковских, налоговых, таможенных операций
и таможенного контроля;
14) выполнении работ по оценке соответствия продукции и иных
объектов обязательным требованиям в соответствии с законодательством Российской Федерации о техническом регулировании;
15) проведении официальных спортивных соревнований, обеспечении подготовки спортсменов высокого класса;
16) выполнении поручений суда, органов прокуратуры, государственных органов исполнительной власти;
17) осуществлении мероприятий государственного контроля
(надзора);
18) осуществлении деятельности в области использования атомной энергии;
19) обеспечении безопасности дорожного движения.
4. К сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений относятся также измерения, предусмотренные законодательством Российской Федерации о техническом регулировании.
5. Сфера государственного регулирования обеспечения единства
измерений распространяется также на единицы величин, эталоны
единиц величин, стандартные образцы и средства измерений, к которым установлены обязательные требования.
6. Обязательные требования к измерениям, эталонам единиц величин, стандартным образцам и средствам измерений устанавливаются законодательством Российской Федерации об обеспечении
единства измерений и законодательством Российской Федерации
о техническом регулировании. Обязательные требования к единицам величин, выполнению работ и (или) оказанию услуг по обеспечению единства измерений устанавливаются законодательством
Российской Федерации об обеспечении единства измерений.
7. Особенности обеспечения единства измерений при осуществлении деятельности в области обороны и безопасности государства
159
и в области использования атомной энергии устанавливаются Правительством Российской Федерации.
Формы государственного регулирования в области обеспечения
единства измерений (ст. 11)
Государственное регулирование в области обеспечения единства
измерений осуществляется в следующих формах:
1) утверждение типа стандартных образцов или типа средств измерений;
2) поверка средств измерений;
3) метрологическая экспертиза;
4) федеральный государственный метрологический надзор;
5) аттестация методик (методов) измерений;
6) аккредитация юридических лиц и индивидуальных предпринимателей на выполнение работ и (или) оказание услуг в области
обеспечения единства измерений.
4.2.2. Организационные основы
обеспечения единства измерений
Федеральные органы исполнительной власти, государственные
научные метрологические институты, государственные региональные центры метрологии, метрологические службы, организации,
осуществляющие деятельность по обеспечению единства измерений (ст. 21).
1. Деятельность по обеспечению единства измерений основывается на законодательстве Российской Федерации об обеспечении
единства измерений и осуществляется:
1) федеральными органами исполнительной власти, осуществляющими функции по выработке государственной политики
и нормативно-правовому регулированию, оказанию государственных услуг, управлению государственным имуществом в области
обеспечения единства измерений и федеральному государственному
метрологическому надзору;
2) подведомственными федеральному органу исполнительной
власти, осуществляющему функции по оказанию государственных
услуг и управлению государственным имуществом в области обеспечения единства измерений, государственными научными метрологическими институтами и государственными региональными
центрами метрологии;
3) Государственной службой времени, частоты и определения параметров вращения Земли, Государственной службой стандартных
справочных данных о физических константах и свойствах веществ
160
и материалов, Государственной службой стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов, руководство которыми осуществляет федеральный орган исполнительной власти, осуществляющий функции по оказанию государственных услуг и управлению государственным имуществом в области обеспечения единства
измерений;
4) метрологическими службами, а также аккредитованными
в соответствии с законодательством Российской Федерации об аккредитации в национальной системе аккредитации юридическими
лицами и индивидуальными предпринимателями.
2. Основными задачами федеральных органов исполнительной
власти (ФОИВ), осуществляющих функции по выработке государственной политики и нормативно-правовому регулированию, оказанию государственных услуг, управлению государственным имуществом в области обеспечения единства измерений и государственному метрологическому надзору, являются:
1) разработка государственной политики и нормативно-правовое
регулирование в области обеспечения единства измерений, а также
координация деятельности по нормативно-правовому регулированию в данной области;
2) организация взаимодействия с органами государственной власти иностранных государств и международными организациями
в области обеспечения единства измерений;
3) реализация государственной политики в области обеспечения
единства измерений;
4) координация деятельности по реализации государственной
политики в области обеспечения единства измерений;
5) осуществление федерального государственного метрологического надзора и координация деятельности по его осуществлению.
3. Распределение полномочий между федеральными органами
исполнительной власти, осуществляющими функции по выработке государственной политики и нормативно-правовому регулированию, оказанию государственных услуг, управлению государственным имуществом в области обеспечения единства измерений и федеральному государственному метрологическому надзору, осуществляет Правительство Российской Федерации.
4. Основными задачами государственных научных метрологических институтов являются:
1) проведение фундаментальных и прикладных научных исследований, экспериментальных разработок и осуществление научно-технической деятельности в области обеспечения единства измерений;
161
2) разработка, совершенствование, содержание, сличение и применение государственных первичных эталонов единиц величин;
3) передача единиц величин от государственных первичных эталонов единиц величин;
4) участие в разработке проектов нормативных документов в области обеспечения единства измерений;
5) проведение обязательной метрологической экспертизы содержащихся в проектах нормативных правовых актов Российской Федерации требований к измерениям, стандартным образцам и средствам измерений;
6) создание и ведение Федерального информационного фонда по
обеспечению единства измерений и предоставление содержащихся
в нем документов и сведений;
7) участие в международном сотрудничестве в области метрологии.
5. Государственные научные метрологические институты могут
также выполнять иные работы и (или) оказывать иные услуги по
обеспечению единства измерений.
5.1. Государственные региональные центры метрологии (ГРЦМ)
создаются в форме федеральных бюджетных учреждений или федеральных автономных учреждений для выполнения работ и (или)
оказания услуг в целях обеспечения реализации полномочий федерального органа исполнительной власти, осуществляющего функции по оказанию государственных услуг и управлению государственным имуществом в области обеспечения единства измерений
на территории Российской Федерации.
6. Основными задачами государственных региональных центров метрологии являются:
1) совершенствование, содержание и применение государственных эталонов единиц величин, используемых для обеспечения прослеживаемости;
2) участие в оказании государственных услуг по обеспечению
единства измерений в соответствии с областью аккредитации;
3) проведение поверки средств измерений, входящих в перечень
средств измерений, поверка которых осуществляется только аккредитованными в области обеспечения единства измерений государственными региональными центрами метрологии, а также других
средств измерений в соответствии с установленной областью аккредитации;
4) передача единиц величин от государственных эталонов единиц величин.
162
7. Государственные региональные центры метрологии могут также выполнять иные работы и (или) оказывать иные услуги по обеспечению единства измерений.
8. Государственная служба времени, частоты и определения параметров вращения Земли осуществляет научно-техническую и метрологическую деятельность по воспроизведению национальной шкалы
времени и эталонных частот, по определению параметров вращения
Земли, а также по обеспечению потребности государства в эталонных
сигналах времени и частоты, в информации о параметрах вращения
Земли и точном значении московского времени и календарной дате.
9. Государственная служба стандартных образцов состава и
свойств веществ и материалов осуществляет деятельность по разработке, испытанию и внедрению стандартных образцов состава
и свойств веществ и материалов в целях обеспечения единства измерений на основе применения указанных стандартных образцов, а
также по ведению соответствующих разделов Федерального информационного фонда по обеспечению единства измерений.
10. Государственная служба стандартных справочных данных
о физических константах и свойствах веществ и материалов осуществляет деятельность по разработке и внедрению стандартных
справочных данных о физических константах и свойствах веществ
и материалов в науке и технике в целях обеспечения единства измерений на основе применения указанных стандартных справочных
данных, а также по ведению соответствующих разделов Федерального информационного фонда по обеспечению единства измерений.
11. Государственная служба времени, частоты и определения параметров вращения Земли, Государственная служба стандартных
справочных данных о физических константах и свойствах веществ
и материалов, Государственная служба стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов осуществляют деятельность
в соответствии с положениями о них, утверждаемыми Правительством Российской Федерации.
Метрологические службы (ст. 22)
1. Федеральные органы исполнительной власти и государственные корпорации, осуществляющие функции в областях деятельности, указанных в частях 3 и 4 статьи 1 настоящего Федерального
закона, создают в установленном порядке метрологические службы
в целях организации деятельности по обеспечению единства измерений в пределах своей компетенции.
2. Права и обязанности метрологических служб федеральных
органов исполнительной власти и государственных корпораций,
163
указанных в части 1 настоящей статьи, порядок организации и координации их деятельности определяются положениями о метрологических службах, утверждаемыми руководителями федеральных
органов исполнительной власти или государственных корпораций,
создавших метрологические службы, по согласованию с федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции
по выработке государственной политики и нормативно-правовому
регулированию в области обеспечения единства измерений.
3. Юридические лица и индивидуальные предприниматели,
осуществляющие деятельность в областях, указанных в частях 3
и 4 статьи 1 настоящего Федерального закона, могут создавать метрологические службы в добровольном порядке. Федеральными законами может быть установлена обязательность создания метрологических служб.
4. Права и обязанности метрологических служб юридических
лиц и индивидуальных предпринимателей, указанных в части 3
настоящей статьи, порядок организации и координации их деятельности определяются положениями о метрологических службах, утверждаемыми руководителями этих юридических лиц или
индивидуальными предпринимателями.
Контрольные вопросы
1. Цели Федерального закона «Об обеспечении единства измерений».
2. Сфера государственного регулирования ОЕИ.
3. Единство измерений.
4. Формы государственного регулирования в области ОЕИ.
5. Организационные основы ОЕИ.
6. Основные задачи ФОИВ.
7. Основные задачи ГНМИ.
8. Основные задачи ГРЦМ.
9. Основные задачи государственных служб стандартных образцов, стандартных справочных данных, времени, частоты и параметров вращения Земли.
10. Метрологическая служба.
4.2.3. Требования к измерениям (ст. 5)
1. Измерения, относящиеся к сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, должны выполняться по
первичным референтным методикам (методам) измерений, референтным методикам (методам) измерений и другим аттестованным
164
методикам (методам) измерений, за исключением методик (методов)
измерений, предназначенных для выполнения прямых измерений,
с применением средств измерений утвержденного типа, прошедших
поверку. Результаты измерений должны быть выражены в единицах величин, допущенных к применению в Российской Федерации.
2. Методики (методы) измерений, предназначенные для выполнения прямых измерений, вносятся в эксплуатационную документацию на средства измерений. Подтверждение соответствия этих
методик (методов) измерений обязательным метрологическим требованиям к измерениям осуществляется в процессе утверждения
типов данных средств измерений. В остальных случаях подтверждение соответствия методик (методов) измерений обязательным метрологическим требованиям к измерениям осуществляется путем
аттестации методик (методов) измерений. Сведения об аттестованных методиках (методах) измерений передаются в Федеральный
информационный фонд по обеспечению единства измерений проводящими аттестацию юридическими лицами и индивидуальными
предпринимателями.
Примечание См. также МИ 3269–2010 Построение, изложение,
оформление и содержание документов на методику измерений.
3. Аттестацию первичных референтных методик (методов) измерений, референтных методик (методов) измерений и методик (методов)
измерений, относящихся к сфере государственного регулирования,
проводят юридические лица и индивидуальные предприниматели,
аккредитованные в соответствии с законодательством Российской
Федерации об аккредитации в национальной системе аккредитации
на проведение аттестации методик (методов) измерений.
4. Порядок аттестации первичных референтных методик (методов) измерений, референтных методик (методов) измерений и методик (методов) измерений и их применения устанавливается федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по выработке государственной политики и нормативно-правовому регулированию в области обеспечения единства измерений.
5. Федеральные органы исполнительной власти, осуществляющие нормативно-правовое регулирование в областях деятельности,
указанных в пунктах 1–5, 7–13, 15, 18 части 3 и в части 4 статьи 1
ФЗ, по согласованию с федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по выработке государственной
политики и нормативно-правовому регулированию в области обеспечения единства измерений, определяют измерения, относящиеся к сфере государственного регулирования обеспечения единства
165
измерений, и устанавливают к ним обязательные метрологические
требования, в том числе показатели точности измерений. При установлении обязательных метрологических требований могут использоваться результаты измерений, полученные с применением
референтных методик (методов) измерений, а также первичных референтных методик (методов) измерений.
5.1. Первичная референтная методика (метод) измерений и референтная методика (метод) измерений утверждаются федеральным
органом исполнительной власти, осуществляющим функции по
оказанию государственных услуг и управлению государственным
имуществом в области обеспечения единства измерений.
6. Федеральный орган исполнительной власти, осуществляющий функции по оказанию государственных услуг и управлению
государственным имуществом в области обеспечения единства измерений, ведет единый перечень измерений, относящихся к сфере
государственного регулирования обеспечения единства измерений.
4.2.4. Передача единицы величины
Метрологическая прослеживаемость – свойство результата измерения, в соответствии с которым результат может быть соотнесен
с основой для сравнения через документированную непрерывную
цепь калибровок, каждая из которых вносит вклад в неопределенность измерений (ст. 2.41).
Примечание 1. В этом определении «основой для сравнения» могут быть определение единицы измерения через ее практическую
реализацию или методика измерений, включающая единицу измерения для величин, отличных от порядковых, или эталон.
Примечание 2. Метрологическая прослеживаемость требует наличия установленной иерархии калибровки.
Примечание 3. Описание основы для сравнения должно включать время, в которое она была использована в данной иерархии
калибровки, вместе с любой другой существенной метрологической
информацией, например о том, когда была выполнена первая калибровка в иерархии калибровки.
Примечание 4. Для измерений с более чем одной входной величиной в модели измерений каждое из значений входных величин
должно само быть метрологически прослеживаемо, а иерархия калибровки может иметь форму разветвленной структуры или сети.
Усилия, связанные с установлением метрологической прослеживаемости для каждого значения входной величины, должны быть соизмеримы с ее относительным вкладом в результат измерения.
166
Примечание 5. Метрологическая прослеживаемость результата
измерения не гарантирует, что неопределенность измерений соответствует заданной цели или что отсутствуют ошибки.
Примечание 6. Сличение эталонов может рассматриваться как
калибровка, если это сличение используется для проверки (рис. 1.4)
и, при необходимости, для корректировки значения величины
и неопределенности измерений, приписываемых одному из эталонов.
Примечание 7. Для подтверждения метрологической прослеживаемости ILAC рассматривает следующие элементы: непрерывную
цепь метрологической прослеживаемости к международным эталонам или национальным эталонам, документированную неопределенность измерений, документированную методику измерений,
аккредитацию на техническую компетентность, метрологическую
прослеживаемость к средствву измерения и интервалы между калибровками (см. ILAC P-10:2002).
Государственный первичный эталон
Эталон-копия
Эталон сравнения
Эталон 1-го разряда
Эталон 2-го разряда
Эталон 3-го разряда
Разрядный эталон
из другой поверочной схемы
Эталон 3-го разряда
Средства измерений
Рис. 4.1. Структура типовой поверочной схемы для измерений ФВ:
○ – методы передачи размера единицы физической величины; □ – эталоны и средства измерений
167
Примечание 8. Сокращенный термин «прослеживаемость» иногда используют для обозначения «метрологической прослеживаемости», а также и для других понятий, таких как «прослеживаемость пробы» (sample traceability), «прослеживаемость документа»
(document traceability), «прослеживаемость прибора» (instrument
traceability) или «прослеживаемость материала» (material
traceability). Вследствие этого предпочтительнее использовать полный термин «метрологическая прослеживаемость», если существует какой-либо риск путаницы.
Калибровочная иерархия: Последовательность калибровок, начиная от основы для сравнения и кончая средством измерения, причем в этой последовательности результат каждой калибровки зависит от результата предыдущей калибровки (9.14).
Примечание 1. Неопределенность измерений неизбежно возрастает с увеличением числа калибровок при передаче единицы величины.
Примечание 2. Элементами калибровочной иерархии являются
один или более эталонов и средств измерений.
Примечание 3. Для этого определения основой для сравнения
может быть определение единицы измерения через ее практическую реализацию, или методика измерений, или эталон.
Контрольные вопросы
1. Требования к измерениям в сфере государственного регулирования ОЕИ.
2. Подтверждение соответствия методик измерений обязательным метрологическим требованиям к измерениям.
3. Референтные методики.
4. Метрологическая прослеживаемость.
5. Поверочная схема.
6. Калибровочная иерархия.
4.2.5. Требования к методам измерений
Требования к содержанию и оформлению документов на методики (методы) измерений (МИ) изложены в рекомендации МИ 3269–
2010.
В некоторых областях измерений не может быть реализована
метрологическая прослеживаемость как сопоставление с единицей
величины, хранимой эталоном. В этих случаях используют рекомендации Р 50.2.081–2011 ГСОИ. «Лаборатории референтные. Основные положения» (действует с 2013 г.).
168
Рекомендации описывают принцип прослеживаемости при измерениях величин, характеризующих химический состав и физико-химические свойства различных объектов. Множество таких
измерений может быть выполнено в лабораториях при испытаниях
продукции (по физико-химическим показателям), экологическом
контроле, мониторинге состояния окружающей природной среды,
санитарно-гигиенических исследованиях, геологических изысканиях, химическом анализе новых веществ и материалов и др. ГОСТ
ИСО/МЭК 17025–2009 «Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий» выполнение требований
к прослеживаемости измерений определяет как один из признаков
компетентности испытательной лаборатории.
Прослеживаемость измерений при решении лабораториями перечисленных задач во многих случаях не может быть достигнута
использованием эталонов единиц величин, соподчинение которых
установлено поверочными схемами. При измерениях в химии широкое применение получили нетрадиционные способы, опирающиеся на высокоточные (референтные) методики измерений, аттестованные с их помощью стандартные образцы веществ и материалов,
результаты межлабораторных сличений и сравнительных испытаний.
Обеспечение прослеживаемости измерений, выполняемых многочисленными испытательными лабораториями, к высшим калибровочным и измерительным возможностям (КИВ), которыми
владеют НМИ, представляет собой сложную задачу как в методическом, так и в организационном отношении (EL-07–03-07–079 март
2007. Документированная позиция ЕВРОЛАБ. Референтные лаборатории в области испытаний).
Р 50.2.081–2011 предусматривают участие в решении этой задачи двух новых для отечественной практики инфраструктурных
элементов, выполняющих связующую роль между испытательными лабораториями, заинтересованными в получении результатов,
прослеживаемых на мировом уровне, и НМИ. Один из таких элементов – референтные лаборатории, другой – координационный совет (КС) по прослеживаемости в химии при Федеральном агентстве
по техническому регулированию и метрологии, функционирующий
согласно Положению о нем, утвержденному приказом этого агентства от 31 октября 2011 г. № 6258.
Референтные лаборатории и Координационный совет дополняют
инфраструктуру, в которую входят другие элементы, составляющие наряду с НМИ организационную основу обеспечения единства
169
измерений согласно статье 21 Федерального закона от 26 июня
2008 г. № 102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений», а также
провайдеры проверок квалификации (по ГОСТ Р 8.692–2009 «Государственная система обеспечения единства измерений. Требования
к компетентности провайдеров проверок квалификации испытательных лабораторий посредством межлабораторных сравнительных испытаний») и изготовители стандартных образцов (по Руководству ИСО/РЕМКО 34:2009 «Общие требования к компетентности производителей стандартных образцов»).
Положения Р 50.2.081–2011 могут быть применимы и в других
областях измерений.
Референтная лаборатория (РЛ) – лаборатория, предоставляющая прослеживаемое на международном уровне опорное значение
величины в определенной области измерений на основе применения
референтной методики измерений.
Примечание 1. В лабораторной медицине для этого понятия используют термин «лаборатории референтных измерений» (ГОСТ Р
ИСО 15195).
Примечание 2. НМИ, имеющие высшие калибровочные и измерительные возможности, включенные в базу данных МБМВ, обладают правом предоставления опорного значения величины по своему статусу как участники Договоренности.
Референтная методика измерений – методика измерений, принятая для получения результатов измерений, которые могут быть
использованы для оценки правильности измеренных значений величины, полученных по другим методикам измерений величин
того же рода, а также для калибровки или для определения характеристик стандартных образцов.
Примечание 1. Методики измерений, принимаемые в качестве
референтных, подлежат аттестации аккредитованными в установленном порядке в системе обеспечения единства измерений НМИ
(в соответствии с распределением сфер деятельности ГНМИ согласно ГОСТ Р 8.735.0–2011 и с учетом сложившейся специализации
НМИ в области аналитических измерений).
Примечание 2. В свидетельствах об аттестации таких методик
измерений указывают их использование в качестве референтных.
Следует отметить, что данное определение референтной методики измерений несколько отличается от приведенной в законе
«Об обеспечении единства измерений».
Опорное значение величины – значение величины, которое используется как основа для сопоставления со значениями величин
того же рода.
170
Таким образом, цель деятельности РЛ заключается в обеспечении
прослеживаемости результатов измерений, полученных в Российской Федерации, к калибровочным и измерительным возможностям
участников «Договоренности», включенным в базу данных МБМВ.
Референтные лаборатории выступают связующим звеном между
участниками Договоренности от Российской Федерации – НМИ
и испытательными лабораториями (ИЛ), выполняющими измерения при испытаниях, контроле, анализе, исследованиях, мониторинге, диагностике различных объектов и заинтересованными
в получении результатов, прослеживаемых на мировом уровне
(рис. 4.2). важными элементами этой связи являются стандартные
образцы (СО) и/или образцы для проверки квалификации (ОПК).
Референтные лаборатории призваны создать условия наиболее
рациональной и эффективной организации работ в области обеспечения единства измерений величин, характеризующих состав
и физико-химические свойства объектов в стране, регионе, отрас-
КС
по прослеживаемости
в химии
База данных
МБМВ
НМИ
Калибровочные
и измерительные
возможности
СО НМИ
Референтная лаборатория
Референтная методика
измерений
ОПК
СО
ИЛ
Рис. 4.2. Взаимодействие НМИ, РЛ и ИЛ
при обеспечении прослеживаемости измерений
171
ли, с учетом многообразия объектов, разновидности их матричного
состава (пищевая продукция, нефть, нефтепродукты, продукция
металлургического комплекса, минеральное сырье, объекты окружающей среды, биологические материалы и т. п.), а также территориальной протяженности страны и ограниченного числа НМИ.
Референтная лаборатория предоставляет опорное значение величины и связанную с ним неопределенность:
а) при экспериментальной проверке технической компетентности ИЛ (в том числе с применением ОПК) – по инициативе органа
по аккредитации или организации, проводящей проверку по его поручению;
б) при внешнем контроле качества результатов измерений ИЛ –
по инициативе организации, проводящей внешний контроль;
в) при проверке квалификации ИЛ, проводящих измерения величин, характеризующих состав и физико-химические свойства
однотипных объектов – по инициативе провайдера проверок квалификации;
г) при установлении метрологических характеристик стандартных образцов (СО) – по инициативе изготовителя СО или организации, проводящей испытания СО в целях утверждения типа;
д) при выполнении арбитражных испытаний – по инициативе
судебных органов или органов, осуществляющих арбитраж;
е) при аттестации (разработке) методики измерений – по инициативе юридического лица, проводящего аттестацию (разработку);
ж) при проведении внутреннего контроля качества результатов
измерений – по инициативе ИЛ.
Референтные лаборатории могут быть привлечены в установленном порядке к решению межгосударственных задач, таких как сличения СО, перекрестный контроль качества продукции, производимой и реализуемой в нескольких странах, и т. п.
Требования, предъявляемые к референтным лабораториям:
Референтной лабораторией может быть лаборатория юридического
лица, подтвердившая способность предоставления опорных значений величин, прослеживаемых к КИВ, и признанная по представлению КС Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии.
Лаборатория, претендующая на признание в качестве РЛ, должна:
а) иметь аттестат аккредитации, подтверждающий соответствие
лаборатории требованиям ГОСТ ИСО/МЭК 17025 в той области измерений (испытаний, контроля, анализа, исследований, мониторинга, диагностики), на которую распространяются КИВ;
172
б) иметь опыт разработки и/или применения референтных методик измерений величин, опорные значения которых подлежат
предоставлению;
в) иметь процедуры и опыт оценивания неопределенности измерений (неопределенности предоставляемых опорных значений);
г) демонстрировать прослеживаемость результатов измерений
к КИВ через соответствующий НМИ;
д) иметь документированные политику и процедуры, связанные
с предоставлением опорных значений величин, а также систему
учета выполняемых работ;
е) иметь сайт в сети Интернет для предоставления информации
о своей деятельности.
Лаборатория, получившая полномочия референтной, должна:
а) поддерживать статус аккредитованной лаборатории;
б) подтверждать прослеживаемость результатов измерений
к КИВ через соответствующий НМИ (по согласованной с НМИ процедуре);
в) вести документированный учет работ, связанных с предоставлением опорных значений величин;
г) информировать о своей деятельности КС или НМИ (по его запросу).
Признание референтной лаборатории: юридическое лицо, претендующее получить признание лаборатории в качестве референтной (Заявитель), подает заявку в КС. К заявке прилагают следующие документы (в электронном виде):
а) аттестат аккредитации ИЛ с областью аккредитации;
б) перечень декларируемых измерительных возможностей РЛ по
предоставлению опорных значений величин;
в) перечень референтных методик, реализуемых ИЛ, свидетельства об их аттестации;
г) документ системы менеджмента качества ИЛ, содержащий политику и процедуры, связанные с предоставлением опорных значений величин (включая информацию о системе учета выполняемых
работ);
д) справку о прослеживаемости результатов измерений к КИВ,
включающую в себя проект программы мероприятий по подтверждению прослеживаемости в период, предшествующий регистрации,
и в последующий период (не реже одного раза в три года).
Заявка должна быть предварительно согласована с метрологической службой юридического лица или метрологической службой
федерального органа исполнительной власти, которому подведом173
ственно юридическое лицо (при наличии указанных метрологических служб).
Заявка, поступившая в КС, должна быть рассмотрена на предмет
выбора одного (или нескольких) НМИ с КИВ, соответствующими
декларируемым измерительным возможностям РЛ по предоставлению опорных значений величин. После этого заявка должна быть
передана ответственным секретарем КС в соответствующий (соответствующие) НМИ.
Метрологическую экспертизу поступивших документов, согласовывает и осуществляет мероприятия по подтверждению прослеживаемости (если такие мероприятия не были проведены ранее)
проводит НМИ.
Результаты метрологической экспертизы должны быть отражены в экспертном заключении. К экспертному заключению должен
быть приложен перечень измерительных возможностей РЛ по предоставлению опорных значений величин, составленный по предусмотренной форме.
Экспертное заключение и Перечень измерительных возможностей референтной лаборатории по предоставлению опорных значений величин НМИ направляет в КС.
При положительном экспертном заключении (положительных
экспертных заключениях) НМИ Координационный совет готовит:
– предложение Федеральному агентству по техническому регулированию и метрологии о признании РЛ;
– проект свидетельства о признании РЛ;
– проект приложения к свидетельству о признании РЛ
и направляет их в Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии для оформления.
Лаборатория может быть признана референтной на срок не более
пяти лет.
Лабораторию, признанную референтной, КС регистрирует в базе
данных «Референтные лаборатории».
База данных «Референтные лаборатории» должна быть размещена в Интернете на официальном сайте ГНМИ.
КС направляет:
– свидетельство о признании РЛ с приложением Заявителю;
– копию Свидетельства о признании РЛ с копией приложения
НМИ;
– информацию о внесении РЛ в базу данных «Референтные лаборатории» в Управление метрологии Федерального агентства по
техническому регулированию и метрологии для размещения в Ин174
тернете на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии.
Признание РЛ на новый срок, расширение области деятельности
РЛ проводят в том же порядке.
Примечание. Упоминаемая в Рекомендациях ИЛ относится
к сфере оценки соответствия; требования к ней содержатся в ГОСТ
Р ИСО/МЭК 17025–2006 «Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий».
Контрольные вопросы
1. Референтная методика: цель, назначение, роль в ОЕИ.
2. Референтная лаборатория: компетентность.
3. Опорное значение величины.
4. Требования к референтной лаборатории.
5. Процедура признания референтной лаборатории.
4.2.6. Требования к средствам измерений (ст. 9 102-ФЗ)
1. В сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений к применению допускаются средства измерения
утвержденного типа, прошедшие поверку в соответствии с положениями настоящего Федерального закона, а также обеспечивающие
соблюдение установленных законодательством Российской Федерации об обеспечении единства измерений обязательных требований,
включая обязательные метрологические требования к измерениям,
обязательные метрологические и технические требования к средствам измерений, и установленных законодательством Российской Федерации о техническом регулировании обязательных требований.
В состав обязательных требований к средствам измерений в необходимых случаях включаются также требования к их составным
частям, программному обеспечению и условиям эксплуатации. При
применении средств измерений должны соблюдаться обязательные
требования к условиям их эксплуатации.
2. Конструкция средств измерений должна обеспечивать ограничение доступа к определенным частям средства измерения (включая программное обеспечение) в целях предотвращения несанкционированных настройки и вмешательства, которые могут привести
к искажениям результатов измерений.
3. Порядок отнесения технических средств к средствам измерений устанавливается федеральным органом исполнительной власти,
175
осуществляющим функции по выработке государственной политики и нормативно-правовому регулированию в области обеспечения
единства измерений.
Технические системы и устройства с измерительными функциями (ст. 10)
(в ред. 254-ФЗ; см. также ГОСТ Р 8.674–2009).
1. Обязательные требования к техническим системам и устройствам с измерительными функциями, а также формы оценки их
соответствия указанным требованиям устанавливаются законодательством Российской Федерации о техническом регулировании.
2. Порядок отнесения технических средств к техническим системам и устройствам с измерительными функциями устанавливается федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим
функции по выработке государственной политики и нормативно-правовому регулированию в области обеспечения единства измерений.
3. Обеспечение единства измерений при разработке, производстве и эксплуатации технических систем и устройств с измерительными функциями осуществляется в соответствии с законодательством Российской Федерации об обеспечении единства измерений.
Поверка средств измерений (ст. 13)
Поверка средств измерений – совокупность операций, выполняемых в целях подтверждения соответствия средств измерений метрологическим требованиям.
1. Средства измерения, предназначенные для применения в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, до ввода в эксплуатацию, а также после ремонта подлежат
первичной поверке, а в процессе эксплуатации – периодической поверке. Применяющие средства измерения в сфере государственного
регулирования обеспечения единства измерений юридические лица
и индивидуальные предприниматели обязаны своевременно представлять эти средства измерения на поверку.
2. Поверку средства измерения осуществляют аккредитованные
в соответствии с законодательством Российской Федерации об аккредитации в национальной системе аккредитации на проведение
поверки средства измерения юридические лица и индивидуальные
предприниматели.
3. Правительством Российской Федерации устанавливается перечень средств измерения, поверка которых осуществляется только аккредитованными в соответствии с законодательством Российской Федерации об аккредитации в национальной системе аккредитации государственными региональными центрами метрологии.
176
4. Результаты поверки средства измерения удостоверяются знаком поверки, и (или) свидетельством о поверке, и (или) записью
в паспорте (формуляре) средства измерения, заверяемой подписью
поверителя и знаком поверки. Конструкция средства измерения
должна обеспечивать возможность нанесения знака поверки в месте, доступном для просмотра. Если особенности конструкции или
условия эксплуатации средства измерения не позволяют нанести
знак поверки непосредственно на средство измерений, он наносится
на свидетельство о поверке или в паспорт (формуляр).
5. Порядок проведения поверки средства измерения, требования
к знаку поверки и содержанию свидетельства о поверке устанавливаются федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по выработке государственной политики и нормативноправовому регулированию в области обеспечения единства измерений.
6. Сведения о результатах поверки средства измерения, предназначенных для применения в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, передаются в Федеральный
информационный фонд по обеспечению единства измерений проводящими поверку средства измерения юридическими лицами и индивидуальными предпринимателями.
7. Средства измерения, не предназначенные для применения
в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, могут подвергаться поверке в добровольном порядке.
Калибровка средств измерений (ст. 18)
Калибровка средств измерений – совокупность операций, выполняемых в целях определения действительных значений метрологических характеристик средств измерений.
1. Средства измерения, не предназначенные для применения
в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, могут в добровольном порядке подвергаться калибровке.
Калибровка средства измерения выполняется с использованием
эталонов единиц величин, прослеживаемых к государственным
первичным эталонам соответствующих единиц величин, а при отсутствии соответствующих государственных первичных эталонов
единиц величин – к национальным эталонам единиц величин иностранных государств.
2. Выполняющие калибровку средства измерения юридические
лица и индивидуальные предприниматели в добровольном порядке
могут быть аккредитованы в области обеспечения единства измерений.
3. Результаты калибровки средства измерения, выполненной юридическими лицами или индивидуальными предпринимателями,
177
аккредитованными в соответствии с законодательством Российской Федерации об аккредитации в национальной системе аккредитации, могут быть использованы при поверке средства измерения
в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений. Порядок признания результатов калибровки при поверке
средства измерения в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений и требования к содержанию сертификата калибровки, включая прослеживаемость, устанавливаются
Правительством Российской Федерации.
Тип средства измерений: совокупность средств измерений одного и того же назначения, основанных на одном и том же принципе
действия, имеющих одинаковую конструкцию и изготовленных по
одной и той же технической документации (6.20).
Порядок испытаний и утверждения типа средств измерений регламентирован документом МОЗМ OIML D 19, издание 1988 г. (перевод ВНИИМС 2005 г.).
Законодательный метрологический контроль, может сосредоточить внимание на используемых средствах измерений (традиционная законодательная метрология), на оценке общей квалификации
лабораторий, проводящих измерения (аккредитация лабораторий),
или на способности получать приемлемые результаты измерений
(испытания на профессиональную пригодность). Хотя эти сферы
соприкасаются друг с другом, утверждение типа и, следовательно,
средства измерения, подлежащие утверждению типа, рассматриваются лишь в традиционной законодательной метрологии. Главными вопросами, касающимися принятия решения о том, какие
средства измерений подлежат утверждению типа, являются следующие:
– какие средства измерений попадают под законодательное регулирование?
– в чем состоит отличие одного типа средств измерений от другого, требующее проведение процедуры утверждения типа для каждого из них отдельно?
– насколько существенной должна быть модификация средства
измерений для принятия решения об утверждении его модификации?
Все эти вопросы рассматриваются в D 19. В РФ действует «Порядок проведения испытаний стандартных образцов или средств
измерений в целях утверждения типа», утвержденный приказом
Минпромторга России от 30 ноября 2009 г. № 1081, и дополняющая
его рекомендация МИ 3290–2010.
178
Контрольные вопросы
1. Требования к средствам измерения в сфере государственного
регулирования в области ОЕИ.
2. Технические системы и устройства с измерительными функциями.
3. Поверка средства измерения.
4. Калибровка средства измерения.
5. Тип средства измерения.
4.2.7. Требования к единицам, эталонам единиц величин
и стандартным образцам
Требования к единицам величин (ст. 6)
1. В Российской Федерации применяются единицы величин
Международной системы единиц, принятые Генеральной конференцией по мерам и весам и рекомендованные к применению
Международной организацией законодательной метрологии. Правительством Российской Федерации могут быть допущены к применению в Российской Федерации наравне с единицами величин
Международной системы единиц внесистемные единицы величин.
Наименования единиц величин, допускаемых к применению в Российской Федерации, их обозначения, правила написания, а также
правила их применения устанавливаются Правительством Российской Федерации.
2. Характеристики и параметры продукции, поставляемой на
экспорт, в том числе средств измерений, могут быть выражены
в единицах величин, предусмотренных договором (контрактом), заключенным с заказчиком.
3. Единицы величин передаются средствам измерений, техническим системам и устройствам с измерительными функциями от
эталонов единиц величин и стандартных образцов.
Требования к эталонам единиц величин (ст. 7 102-ФЗ)
1. Государственные эталоны единиц величин образуют эталонную базу Российской Федерации.
2. Государственные первичные эталоны единиц величин не подлежат приватизации.
3. Сведения о государственных эталонах единиц величин вносятся федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по оказанию государственных услуг и управлению
государственным имуществом в области обеспечения единства измерений, в Федеральный информационный фонд по обеспечению
единства измерений.
179
4. Государственные первичные эталоны единиц величин содержатся и применяются в государственных научных метрологических институтах.
5. Государственные первичные эталоны единиц величин подлежат утверждению федеральным органом исполнительной власти,
осуществляющим функции по оказанию государственных услуг
и управлению государственным имуществом в области обеспечения
единства измерений.
6. Государственные первичные эталоны единиц величин подлежат сличению с эталонами единиц величин Международного бюро
мер и весов и национальными эталонами единиц величин иностранных государств. Ответственность за своевременное представление
государственного первичного эталона единицы величины на сличение несет государственный научный метрологический институт,
содержащий данный государственный первичный эталон единицы
величины.
7. В Российской Федерации должны применяться эталоны единиц величин, прослеживаемые к государственным первичным
эталонам соответствующих единиц величин. В случае отсутствия
соответствующих государственных первичных эталонов единиц
величин должна быть обеспечена прослеживаемость средств измерений, применяемых в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, к национальным эталонам единиц
величин иностранных государств.
7.1. Конструкция эталонов единиц величин должна обеспечивать ограничение доступа к определенным частям эталонов единиц
величин (включая программное обеспечение) в целях предотвращения несанкционированной настройки и вмешательства, которые
могут привести к искажению воспроизведения, хранения и передачи единицы величины, шкалы величины (шкалы измерений).
8. Порядок утверждения, содержания, сличения и применения
государственных первичных эталонов единиц величин, порядок
передачи единиц величин от государственных эталонов, порядок
установления обязательных требований к эталонам единиц величин,
используемым для обеспечения единства измерений в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, порядок
оценки соответствия этим требованиям, а также порядок их применения устанавливается Правительством Российской Федерации.
Требования к стандартным образцам (ст. 8)
1. Стандартные образцы предназначены для воспроизведения,
хранения и передачи характеристик состава или свойств веществ
180
(материалов), выраженных в значениях единиц величин, допущенных к применению в Российской Федерации.
2. В сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений применяются стандартные образцы утвержденных
типов.
Согласно закону № 102-ФЗ эталон единицы величины – это техническое средство, предназначенное для воспроизведения, хранения и передачи единицы величины.
По РМГ 29–2013 эталон (единицы величины или шкалы измерений) – средство измерительной техники, предназначенное для воспроизведения, хранения и передачи единицы величины или шкалы измерений (ст. 8.1).
Примечание 1. Реализация определения данной величины может обеспечиваться средством измерения, материальной мерой
или стандартным образцом.
2. Эталон должен обладать, по крайней мере, тремя тесно связанными друг с другом существенными признаками (по М.Ф. Маликову) – неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью.
Неизменность – свойство эталона удерживать неизменным размер воспроизводимой им единицы в течение длительного интервала
времени, при этом все изменения, зависящие от внешних условий,
должны быть строго определенными функциями величин, доступных точному измерению. Реализация этих требований привела
к идее создания «естественных» эталонов различных величин, основанных на физических постоянных.
Воспроизводимость – возможность воспроизведения единицы
ФВ (на основе ее теоретического определения) с наименьшей погрешностью для существующего уровня развития измерительной
техники. Это достигается путем постоянного исследования эталона
в целях определения систематических погрешностей и их исключения путем введения соответствующих поправок.
Сличаемость – возможность обеспечения сличения с эталоном
других СИ, нижестоящих по поверочной схеме, в первую очередь
вторичных эталонов, с наивысшей точностью для существующего
уровня развития техники измерения. Это свойство предполагает,
что эталоны по своему устройству и действию не вносят каких-либо
искажений в результаты сличений и сами не претерпевают изменений при проведении сличений.
Более развернутое определение эталону дано в VIM 3:
Эталон – реализация определения данной величины с установленным значением величины и связанной с ним неопределенностью
измерений, используемая в качестве основы для сравнения (5.1).
181
Примечание 1. «Реализация определения данной величины» может обеспечиваться измерительной системой, материальной мерой
или стандартным образцом.
Примечание 2. Эталон часто используется как основа для сравнения при установлении измеренных значений других величин того
же рода и связанных с ними неопределенностей измерений и, таким
образом, для установления метрологической прослеживаемости через калибровку других эталонов, средств измерений или измерительных систем.
Примечание 3. Термин «реализация» используется здесь в самом
общем смысле. Он означает три процедуры реализации. Первая состоит в физической реализации единицы измерения из ее определения и является реализацией в буквальном смысле. Вторая, называемая репродукцией, состоит не в реализации единицы измерения
из ее определения, а в установлении высокостабильного эталона, основанного на физическом явлении, как, например, в случае использования стабилизированных по частоте лазеров для установления
эталона метра, эффекта Джозефсона для вольта, квантового эффекта Холла для ома. Третья процедура состоит в принятии материальной меры в качестве эталона. Это имеет место, например, в случае
эталона 1 кг.
Примечание 4. Стандартная неопределенность измерений, связанная с эталоном, всегда является составляющей суммарной стандартной неопределенности измерений (см. ISO/IEC Guide 98–3:2008,
2.3.4) для результата измерения, который получен с использованием эталона. Часто такая составляющая мала по сравнению с другими составляющими суммарной стандартной неопределенности
измерений.
Примечание 5. Значение величины и неопределенность измерений должны определяться для времени использования эталона.
Примечание 6. Несколько величин одного или разного родов могут быть реализованы в одном устройстве, которое обычно также
называют эталоном.
Примечание 7. Иногда вместо слова «realization» (реализация)
в английском языке используют слово «embodiment» (воплощение).
Примечание 8. В науке и технике английское слово «standard»
(стандарт) используют по крайней мере в двух различных значениях: как спецификация, техническая рекомендация или подобный нормативный документ (во французском языке слово «norme»)
и как измерительный эталон (во французском языке слово «étalon»).
В этом словаре рассматривается только второе значение.
182
Примечание 9. Термин «эталон» («measurement standard») иногда используют для обозначения других метрологических средств,
например, «эталонное» программное обеспечение (см. ISO 5436–2).
Далее для удобства сопоставления приводятся определения как
по РМГ 29–2013, так и по VIM-3.
Определение первичного эталона по РМГ 29–2013 (8.10) совпадает с определением по VIM 3 (5.4) первичный эталон – эталон, основанный на использовании первичной референтной методики измерений или созданный как артефакт, выбранный по соглашению.
Например, первичный эталон молярной концентрации, приготовленный путем растворения известного количества вещества химического элемента в известном объеме раствора; первичный эталон давления на основе независимых измерений силы и площади;
первичный эталон для измерений молярного отношения изотопов,
приготовленный смешением известных количеств вещества определенных изотопов; ячейка тройной точки воды как первичный эталон термодинамической температуры; международный прототип
килограмма как артефакт, выбранный по соглашению.
РМГ (8.11) вторичный эталон – эталон, получающий единицу
величины или шкалу измерений непосредственно от первичного
эталона данной единицы или шкалы.
VIM 3 (5.5) вторичный эталон – эталон, который калибруется по
первичному эталону для величины того же рода.
Примечание 1. Калибровка вторичного эталона с приписыванием ему значения величины может проводиться непосредственно по
первичному эталону или включать промежуточную измерительную
систему, откалиброванную по первичному эталону.
Примечание 2. Эталон, значение величины которого установлено
по первичной референтной методике измерений отношений, является вторичным эталоном.
РМГ (8.12) эталон сравнения – эталон, применяемый для сличений эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть
непосредственно сличены друг с другом.
VIM 3 (5.9) устройство сравнения – устройство, которое используется как средство сличения эталонов.
Примечание. Иногда в качестве устройств сравнения используют
эталоны.
РМГ (8.16) исходный эталон – эталон, обладающий наивысшими
метрологическими свойствами (в стране или группе стран, в регионе, министерстве (ведомстве), организации, предприятии или лаборатории), передающий единицу величины или шкалу измерений
подчиненным эталонам и имеющимся средствам измерений.
183
Примечание. Эталоны, стоящие в поверочной схеме (калибровочной иерархии) ниже исходного эталона, обычно называют подчиненными эталонами.
VIM 3 (5.6) исходный эталон – эталон, предназначенный для калибровки других эталонов для величин данного рода в данной организации или в данном месте.
РМГ (8.13) рабочий эталон – эталон, предназначенный для передачи единицы величины или шкалы измерений средствам измерений.
Примечание. При необходимости рабочие эталоны подразделяют на разряды (1-й, 2-й, ..., n-й). В этом случае передачу единицы
осуществляют через цепочку соподчиненных по разрядам рабочих
эталонов. При этом от последнего рабочего эталона в этой цепочке
единицу передают средству измерений.
VIM 3 (5.7) рабочий эталон – эталон, который используют для
повседневной калибровки или поверки средств измерений или измерительных систем.
Примечание 1. Рабочий эталон обычно калибруют по исходному
эталону.
Примечание 2. При поверке также иногда используют термины
«проверочный эталон» (check standard) или «контрольный эталон»
(control standard).
РМГ (8.17) национальный эталон – эталон, признанный национальными органами власти для использования в государстве или
экономике в качестве исходного для страны.
Согласно №102-ФЗ государственный первичный эталон единицы величины – государственный эталон единицы величины, обеспечивающий воспроизведение, хранение и передачу единицы величины с наивысшей в Российской Федерации точностью, утверждаемый в этом качестве в установленном порядке и применяемый
в качестве исходного на территории Российской Федерации.
Данные определения согласуются с VIM-3. Это свидетельствует о
том, что термины государственный эталон и национальный эталон
отражают одно и то же понятие. Термин национальный эталон применяют в случаях проведения сличения эталонов, принадлежащих
отдельным государствам, с международным эталоном или при проведении так называемых круговых сличений эталонов ряда стран.
РМГ (8.18) международный эталон – эталон, который признан
всеми государствами, подписавшими международное соглашение,
и предназначен для всего мира. Определение международного эталона по РМГ полностью совпадает с VIM 3.
184
В РМГ 29–2013 отсутствуют термины: одиночный, групповой
эталон и эталонный набор, которые имелись в РМГ 29–99. Под одиночным понимался эталон, состоящий из одного средства измерений, а под групповым – из совокупности средств измерений одного
типа, применяемых совместно для повышения точности воспроизведения единицы или ее хранения. При необходимости хранить
значения величин в широком диапазоне создавались эталонные наборы.
РМГ (8.8) хранение эталона; содержание эталона – совокупность
операций, необходимых для обеспечения выполнения обязательных метрологических и технических требований к эталонам, а также требований к их содержанию и применению.
П р и м е ч а н и я. 1. Хранение эталона включает его регулярные
исследования, в том числе сличения с национальными эталонами
других стран, калибровку или поверку с целью подтверждения выполнения обязательных требований к метрологическим характеристикам и совершенствования методов передачи единицы или шкалы измерений.
2. Для руководства работами по содержанию эталонов устанавливают специальную категорию должностных лиц – ученых-хранителей государственных эталонов, назначаемых из числа ведущих в данной области специалистов-метрологов.
VIM 3 (5.11) хранение эталона, поддержание эталона – совокупность операций, необходимых для сохранения метрологических характеристик эталона в установленных пределах.
Примечание. Хранение обычно включает периодическую верификацию установленных метрологических характеристик или калибровку, обеспечение надлежащих условий хранения и соблюдение установленных правил применения.
Определение естественного эталона по РМГ 29–2013 (8.9) совпадает с определением по VIM-3 (5.10): естественный эталон – эталон,
основанный на присущих и воспроизводимых свойствах явления
или вещества.
Например, ячейка тройной точки воды как естественный эталон
термодинамической температуры; естественный эталон разности
электрических потенциалов, основанный на эффекте Джозефсона;
естественный эталон электрического сопротивления, основанный
на квантовом эффекте Холла; образец меди как естественный эталон электропроводности.
Примечание 1. Значение величины естественного эталона приписывается по соглашению и не требует установления связи с другими
185
эталонами того же вида. Его неопределенность измерений определяется с учетом двух составляющих: первая связана с согласованным значением величины, вторая – с конструкцией, исполнением
и поддержанием эталона.
Примечание 2. Естественный эталон обычно представляет собой
систему, создаваемую в соответствии с согласованной процедурой,
и подлежит периодической верификации. Согласованная процедура может включать указания относительно введения необходимых
поправок при эксплуатации эталона.
Примечание 3. Естественные эталоны, которые основаны на
квантовых явлениях, обычно имеют наивысшую стабильность.
Примечание 4. Прилагательное «естественный» не означает, что
такой эталон может быть создан и использован без специального обслуживания или невосприимчив к внутренним и внешним влияниям.
РМГ (8.14) калибратор – эталон, используемый при калибровке
или поверке. Этот термин используется только в определенных областях. Определения в РМГ и VIM 3 для этого термина полностью
совпадают.
VIM 3 (5.13) стандартный образец (СО) – материал, достаточно
однородный и стабильный в отношении определенных свойств для
того, чтобы использовать его при измерении или при оценивании
качественных свойств в соответствии с предполагаемым назначением. Определение полностью совпадает с РМГ 29–2013 (8.19).
Примечание 1. Оценивание качественного свойства дает значение этого качественного свойства и соответствующую неопределенность. Эта неопределенность не является неопределенностью измерений.
Примечание 2. Стандартные образцы с приписанными значениями величины или без них могут использоваться для контроля прецизионности измерений, тогда как для калибровки или контроля
правильности измерений – только стандартные образцы с приписанными значениями величины.
Примечание 3. Понятие «стандартный образец» охватывает как
образцы с величинами, так и образцы с качественными свойствами.
Примечание 4. Стандартный образец иногда включают в состав
специально созданного устройства.
Примечание 5. Некоторые стандартные образцы имеют приписанные значения величины, которые являются метрологически
прослеживаемыми к внесистемной единице измерения. К таким
образцам относятся вакцины, которым Всемирной организацией
здравоохранения приписываются международные единицы (МЕ).
186
Примечание 6. В данном измерении данный стандартный образец может использоваться либо для калибровки, либо для обеспечения качества.
Примечание 7. Спецификация стандартного образца должна
включать прослеживаемость материала, которая показывает его
происхождение и обработку (Accred. Qual. Assur.: 2006).
Примечание 8. ISO/REMCO имеет аналогичное определение, но
использует термин «процесс измерения» для обозначения понятия
«исследование» (ISO 15189:2007, 3.4), которое охватывает и измерение величины, и оценивание качественного свойства.
По своему назначению стандартный образец выполняет роль
меры, однако таковой не является. Стандартные образцы воспроизводят состав или свойства именно того материала (вещества), из
которого они изготовлены. Как правило, они не являются изделиями, а реализуются в виде части или порции однородного вещества
(материала), причем эта часть хранит единицу воспроизводимой величины, а не ее части.
Для каждого типа стандартных образцов при их аттестации
устанавливается срок действия (не более 10 лет) и определяются метрологические характеристики, которые нормируются в документации на их разработку и выпуск. К ним относятся:
– аттестованное значение – значение аттестованной характеристики образца, им воспроизводимое, установленное при его аттестации и приводимое в свидетельстве с указанием погрешности;
– погрешность аттестованного значения – разность между аттестованным и истинным значениями величины, воспроизводимой
той частью образца, которая используется при измерении;
– характеристика однородности – характеристика свойства образца, выражающегося в постоянстве значения величины, воспроизводимой его различными частями, используемыми при измерениях;
– характеристика стабильности – характеристика свойства образца сохранять значения метрологических характеристик в установленных пределах в течение указанного в свидетельстве срока
годности при соблюдении заданных условий хранения и применения;
– функции влияния – зависимость метрологических характеристик образца от изменения внешних влияющих величин в заданных условиях применения.
Обращение с эталонами единиц величин, используемых в сфере
государственного регулирования обеспечения единства измерений,
187
регламентируется Положением, утвержденным постановлением
Правительства РФ от 23.09.2010 № 734.
Положение определяет порядок установления обязательных требований к эталонам единиц величин, в том числе государственным
первичным эталонам и иным эталонам, включая стандартные образцы и средства измерений (далее – эталоны единиц величин), и применения этих требований, порядок оценки соответствия эталонов требованиям, порядок передачи единиц величин от государственных эталонов, а также порядок утверждения, содержания, сличения и применения государственных первичных эталонов единиц величин.
Особенности обязательных требований к военным эталонам единиц величин и оценки соответствия военных эталонов единиц величин этим требованиям устанавливаются Министерством обороны
Российской Федерации по согласованию с Министерством промышленности и торговли Российской Федерации.
Положением определены следующие понятия:
Государственная поверочная схема – документ, определяющий
порядок передачи единиц величин эталонам единиц величин и (или)
средствам измерений от эталонов единиц величин, имеющих более
высокие показатели точности
Межаттестационный интервал – установленный при утверждении эталона единицы величины интервал времени между очередными его аттестациями.
Методика периодической аттестации – документ, определяющий совокупность конкретно описанных процедур, выполняемых
в целях оценки соответствия эталона единицы величины обязательным требованиям, а также обеспечения передачи единицы величины от эталона единицы величины в соответствии с государственной
поверочной схемой.
Первичная аттестация – оценка соответствия эталона единицы
величины заданным обязательным требованиям, проводимая до
ввода в эксплуатацию эталона единицы величины.
Периодическая аттестация – оценка соответствия эталона единицы величины установленным обязательным требованиям и передача единицы величины от эталона единицы величины в соответствии с государственной поверочной схемой, проводимые в процессе
эксплуатации эталона единицы величины.
Ученый-хранитель государственного первичного эталона единицы величины – сотрудник государственного научного метрологического института, ответственный за содержание, сличение и применение государственного первичного эталона единицы величины.
188
Установление обязательных требований к эталонам единиц величин и применение этих требований. Обязательные требования
устанавливаются к эталонам единиц величин, применяемым в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений.
В состав эталонов единиц величин могут входить основные технические средства, в том числе средства измерений, которые служат для воспроизведения, хранения и передачи единиц величин,
контроля за соблюдением требований к условиям их содержания
и применения, а также вспомогательные технические средства,
в том числе информационно-вычислительные комплексы, сооружения, специальные платформы и фундаменты, специальные здания
и помещения, обеспечивающие выполнение установленных требований к эталонам единиц величин, условиям их содержания и применения (далее – техническая инфраструктура).
Обязательные требования к эталонам единиц величин устанавливаются Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии при утверждении эталонов единиц величин по
результатам первичной аттестации в порядке, предусмотренном Положением № 734.
Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии утверждается наименование эталона единицы
величины, присваивается ему номер, определяется его состав, устанавливаются обязательные метрологические, технические требования (характеристики) и правила содержания и применения эталона
единицы величины, а также его межаттестационный интервал.
Кроме того, утверждаются государственная поверочная схема
и ученый-хранитель государственного первичного эталона единицы
величины. Требования к содержанию и построению государственных поверочных схем устанавливаются Министерством промышленности и торговли Российской Федерации.
Обязательные метрологические требования к эталонам единиц
величин распространяются на характеристики (параметры) эталонов единиц величин, влияющие на результат и показатели точности
измерений, а также на условия, при которых эти характеристики
(параметры) должны быть обеспечены.
Обязательные технические требования к эталонам единиц величин распространяются на особенности конструкции эталонов
единиц величин в целях сохранения их метрологических характеристик в процессе эксплуатации, достижения достоверности результатов измерений и предотвращения несанкционированных
189
вмешательств, а также на обеспечение безопасности, энергоэффективности и электромагнитной совместимости эталонов единиц величин в соответствии с законодательством Российской Федерации о
техническом регулировании.
Обязательные требования к содержанию и применению эталонов
единиц величин распространяются на особенности их содержания
и применения, при которых выполняются метрологические и технические требования.
Сведения об утвержденных эталонах единиц величин вносятся
Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии в Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений.
Обязательные требования к эталонам единиц величин используют на этапах разработки, в процессе содержания и применения эталонов единиц величин. Обязательные требования к государственным первичным эталонам единиц величин обязательны также при
их сличении.
К государственным первичным эталонам единиц величин на этапе разработки предъявляют требования, заданные в технических
заданиях на их разработку.
Оценка соответствия эталонов единиц величин обязательным
требованиям к этим эталонам осуществляется при первичной и периодической аттестации.
Для средств измерений утвержденного типа, применяемых в качестве эталонов единиц величин, вместо процедуры поверки средств
измерений применяются процедуры первичной и периодической аттестации.
Первичная аттестация эталонов единиц величин, за исключением государственных первичных эталонов единиц величин, осуществляется в соответствии с государственными поверочными схемами
юридическими лицами и индивидуальными предпринимателями,
содержащими и применяющими эталоны единиц величин.
Первичная аттестация государственных первичных эталонов
единиц величин осуществляется при проведении государственных
испытаний государственных первичных эталонов единиц величин
межведомственной комиссией.
Межведомственная комиссия формируется Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии из представителей федеральных органов исполнительной власти, государственных научных метрологических институтов, других научных организаций, а также предприятий промышленности.
190
Материалы первичной аттестации эталона единицы величины,
содержащие результаты исследований, с приложением правил содержания и применения эталона единицы величины и предложений по межаттестационному интервалу направляются юридическим лицом или индивидуальным предпринимателем, которым
принадлежит эталон единицы величины, в Федеральное агентство
по техническому регулированию и метрологии для принятия решения об утверждении эталона единицы величины.
Правила содержания и применения эталона единицы величины включают:
– требования к помещениям и условиям содержания и применения эталона единицы величины;
– требования по установке, регулировке и подготовке эталона
единицы величины к его содержанию и применению;
– процедуры контроля технического состояния эталона единицы величины и условий его содержания и применения;
– процедуры технического обслуживания эталона единицы величины и его технической инфраструктуры;
– методику периодической аттестации эталона единицы величины.
Для средств измерений утвержденного типа, служащих эталонами единиц величин, правила могут включать только особенности
их содержания и применения в качестве эталонов с указанием разделов эксплуатационной документации.
Первичную аттестацию разработанных государственных эталонов единиц величин проводят комиссии, формируемые федеральными органами исполнительной власти, по заказам которых эти
эталоны разработаны, во время государственных испытаний на соответствие этих эталонов требованиям, заданным в технических заданиях на их разработку, обязательным метрологическим требованиям, а также государственным поверочным схемам.
Периодическая аттестация государственных первичных эталонов единиц величин осуществляется государственными научными
метрологическими институтами при проведении процедур сличения, а также исследований в соответствии с установленными правилами содержания и применения государственных первичных
эталонов единиц величин.
Результаты периодической аттестации вносят в паспорт государственного первичного эталона единицы величины.
Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии проверяет результаты периодической аттестации для го191
сударственных первичных эталонов единиц величин не реже одного
раза в два года.
Периодическая аттестация эталонов единиц величин, за исключением государственных первичных эталонов единиц величин,
осуществляется юридическими лицами и индивидуальными предпринимателями, содержащими и применяющими эталоны единиц
величин, при передаче единиц величин в соответствии с государственными поверочными схемами и методиками периодической аттестации эталонов единиц величин. По результатам периодической
аттестации эталонов единиц величин указанные юридические лица
и индивидуальные предприниматели оформляют свидетельства
о периодической аттестации эталонов единиц величин, подтверждающие их соответствие государственным поверочным схемам.
Форма указанного свидетельства утверждается Министерством
промышленности и торговли Российской Федерации.
В случае признания эталона единицы величины, за исключением государственного первичного эталона, несоответствующим
обязательным требованиям по результатам его периодической аттестации оформляют извещение о непригодности эталона единицы
величины к его применению.
Извещение о непригодности выдается юридическому лицу или
индивидуальному предпринимателю, содержащему и применяющему этот эталон единицы величины, а его копия направляется
в Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии, которое организует внесение соответствующих изменений
в Федеральный информационный фонд по обеспечению единства
измерений.
Форма извещения о непригодности эталона единицы величины
к его применению утверждается Министерством промышленности
и торговли Российской Федерации.
Результаты первичной и периодической аттестации эталона
единицы величины, за исключением государственного первичного
эталона единицы величины, отражаются в эксплуатационной документации.
Передача единиц величин от государственных эталонов единиц
величин, имеющих более высокие показатели точности, осуществляется к эталонам единиц величин с более низкими показателями
точности при первичной и периодической аттестации эталонов единиц величин или средствам измерений при их поверке.
Юридические лица и индивидуальные предприниматели обязаны представлять эталоны для получения соответствующих единиц
192
величин от эталонов единиц величин, имеющих более высокие показатели точности.
Единица величины от государственного эталона единицы величины передается при соблюдении условий его применения, содержащихся в правилах содержания и применения. Результаты передачи заносятся в эксплуатационную документацию эталона единицы величины или средства измерений, которым осуществлена передача единицы величины.
Утверждение, содержание, сличение и применение государственных первичных эталонов единиц величин. Государственные
первичные эталоны единиц величин воспроизводят, хранят и передают единицы величин (шкалы величин) с наивысшей в Российской Федерации точностью.
Государственные первичные эталоны единиц величин могут воспроизводить, хранить и передавать как единицы величин (шкалы
величин), так и дольные или кратные значения единиц величин.
Решение об утверждении государственного первичного эталона
единицы величины принимается Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии по результатам его государственных испытаний.
При принятии решения об утверждении государственного первичного эталона единицы величины рассматриваются следующие
документы:
а) техническое задание на создание (совершенствование);
б) акт государственных испытаний;
в) паспорт;
г) государственная поверочная схема;
д) результаты исследований, полученные в процессе разработки;
е) конструкторская и эксплуатационная документация;
ж) правила содержания и применения.
По результатам рассмотрения документов, предусмотренных п. 27
Положения № 734, Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии издает приказ об утверждении государственного первичного эталона единицы величины.
Информация об утверждении государственного первичного эталона единицы величины и государственной поверочной схемы размещается на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет и вносится
в Федеральный информационный фонд по обеспечению единства
измерений.
193
Содержание государственных первичных эталонов единиц величин включает следующие процедуры:
а) обеспечение воспроизводимости и неизменности хранимых
единиц величин;
б) выявление и учет изменений метрологических характеристик;
в) контроль технического состояния эталонов и условий их содержания и применения;
г) техническое обслуживание и ремонт государственных эталонов и их технической инфраструктуры;
д) консервацию на период, когда государственные первичные
эталоны единиц величин временно не применяются.
Применение государственных первичных эталонов единиц величин включает процедуры передачи единиц величин эталонам или
в отдельных случаях средствам измерений в соответствии с требованиями государственных поверочных схем и методиками периодической аттестации.
Применение государственного первичного эталона единицы величины для поверки и (или) калибровки средств измерений осуществляется с разрешения Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии.
Содержание и применение государственных первичных эталонов единиц величин осуществляется государственными научными
метрологическими институтами в соответствии с правилами содержания и применения государственных первичных эталонов единиц
величин и государственными поверочными схемами.
По результатам работ, связанных с содержанием и применением государственных первичных эталонов единиц величин, ученыехранители государственных первичных эталонов единиц величин
оформляют протоколы этих работ, которые хранятся вместе с документацией на государственные первичные эталоны.
4.2.8. Международные сличения национальных эталонов
Сличение государственных первичных эталонов единиц величин
производится с эталонами единиц величин Международного бюро
мер и весов и (или) национальными эталонами единиц величин иностранных государств и включает следующие процедуры:
а) подготовку государственных первичных эталонов единиц величин к сличениям;
б) разработку и изготовление технических устройств и вспомогательного оборудования, которые необходимы для проведения сличений;
194
в) представление государственных первичных эталонов единиц
величин на сличение;
г) проведение сличений, обработку и оформление их результатов;
д) занесение результатов сличений в паспорт государственных
первичных эталонов единиц величин.
Организацию содержания, сличения и применения государственных первичных эталонов единиц величин, а также контроль
за соблюдением государственными научными метрологическими
институтами обязательных требований к содержанию, сличению
и применению государственных первичных эталонов единиц величин осуществляет Федеральные агентство по техническому регулированию и метрологии.
Начиная с 1999 г. сличения высшего метрологического уровня проводятся под эгидой Международного комитета мер и весов
(МКМВ, англ. CIPM) в рамках «Договоренности о взаимном признании национальных измерительных эталонов и сертификатов
калибровок и измерений, выдаваемых национальными метрологическими институтами» (MRA CIPM). При организации работ руководствуются рекомендациями документов МКМВ: CIPM-05/08
«Руководство по включению стандартных образцов в приложение С
Договоренности о взаимном признании МКМВ»), CIMP MRA-D-04
(Version 2. October 2010) «Калибровочные и измерительные возможности в контексте Договоренности о взаимном признании МКМВ».
На основании результатов сличений сформирована база данных
высших калибровочных и измерительных возможностей участников «Договоренности», в которой представлены и высшие калибровочные и измерительные возможности государственных научных
метрологических институтов (НМИ) Российской Федерации.
Россия прочно удерживает позиции одной из ведущих стран
мира в области обеспечения единства и точности измерений. По калибровочным и измерительным возможностям НМИ, включенных
в базу МБМВ, Россия входит в тройку мировых лидеров – наряду
с США и Германией [1].
Контрольные вопросы
1. Требования ФЗ «Об обеспечении единства измерений» к единицам величин.
2. Требования к стандартным образцам свойств веществ и материалов.
3. Определение эталона по 102-ФЗ, VIM 3 и РМГ 29–2013.
4. Основные требования к эталону величины.
195
5. Виды эталонов в иерархии передачи размера (единицы) величины.
6. Правила и порядок утверждения государственного эталона.
7. Аттестация эталона.
8. Правила содержания, применения, сличения и хранения государственного эталона.
9. Оценка соответствия эталонов единиц величин обязательным
требованиям.
10. Документы на утверждение государственного первичного
эталона единицы величины.
11. Международные сличения национальных эталонов.
12. Порядок оценки МБМВ калибровочных и измерительных
возможностей НМИ стран-участниц Договоренности CIPM MRA.
4.2.9. Аккредитация в области обеспечения
единства измерений (ст. 19)
1. Аккредитация в области обеспечения единства измерений
осуществляется в целях официального признания компетентности юридического лица или индивидуального предпринимателя
выполнять работы и (или) оказывать услуги по обеспечению единства измерений в соответствии с настоящим Федеральным законом.
К указанным работам и (или) услугам относятся:
1) аттестация методик (методов) измерений, относящихся к сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений;
2) испытания стандартных образцов или средств измерений в целях утверждения типа;
3) поверка средств измерений;
4) обязательная метрологическая экспертиза стандартов, продукции, проектной, конструкторской, технологической документации и других объектов, проводимая в случаях, предусмотренных
законодательством Российской Федерации.
Метрологическая экспертиза – анализ и оценивание экспертами-метрологами правильности применения метрологических требований, правил и норм, в первую очередь связанных с единством
и точностью измерений.
Примечание. Различают метрологическую экспертизу документации (технических заданий, проектов конструкторских и технологических документов, различных программ) и метрологическую
экспертизу объектов (например, макетов сложных средств измерений, испытательных бассейнов).
196
Критерии аккредитации юридических лиц, индивидуальных
предпринимателей, выполняющих работы и (или) оказывающих
услуги по обеспечению единства измерений (приказ Минэкономразвития от 30.05.2014, № 326).
Общие критерии аккредитации
41. Критерии аккредитации юридических лиц и индивидуальных предпринимателей в области обеспечения единства измерений
включают:
– общие критерии аккредитации, представляющие собой совокупность требований, которым должны удовлетворять все заявители и аккредитованные лица;
– дополнительные критерии аккредитации, предусматривающие специальные требования системы менеджмента качества в отдельных областях выполнения работ и (или) оказания услуг по обеспечению единства измерений.
42. Наличие системы менеджмента качества и соблюдение в деятельности заявителей и аккредитованных лиц, выполняющих работы и (или) оказывающих услуги по обеспечению единства измерений, требований системы менеджмента качества, установленных
в руководстве по качеству в соответствии с требованиями пункта 49
настоящих критериев аккредитации.
43. Наличие нормативных правовых актов, документов в области стандартизации и иных документов, устанавливающих требования к работам (услугам) по обеспечению единства измерений,
указанных в области аккредитации в заявлении об аккредитации
или в реестре аккредитованных лиц, а также соблюдение в процессе деятельности требований данных документов.
44. Наличие у работников (работника), непосредственно участвующих в выполнении работ (оказании услуг) по обеспечению
единства измерений в области аккредитации, указанной в заявлении об аккредитации или в реестре аккредитованных лиц:
– высшего образования и (или) дополнительного профессионального образования по профилю, соответствующему области аккредитации;
– опыта работы по обеспечению единства измерений в области
аккредитации, указанной в заявлении об аккредитации или в реестре аккредитованных лиц, не менее трех лет;
– допуска к проведению работ (оказанию услуг) по обеспечению
единства измерений, связанных с использованием сведений, составляющих государственную тайну (при необходимости).
197
Допускается наличие у работников, непосредственно участвующих в выполнении работ по поверке средств измерений и калибровке средств измерений, среднего профессионального и (или) дополнительного профессионального образования по профилю, соответствующему области аккредитации, и опыта работы не менее одного
года.
Допускается привлечение к выполнению работ (оказанию услуг)
по обеспечению единства измерений лиц, не отвечающих требованиям настоящего пункта критериев аккредитации, при условии выполнения ими работ (оказания услуг) по обеспечению единства измерений под контролем лиц, отвечающих требованиям настоящего
пункта критериев аккредитации.
45. Наличие у работников, непосредственно участвующих в выполнении работ (оказании услуг) по обеспечению единства измерений, навыков и профессиональных знаний, необходимых для выполнения работ (оказания услуг) по обеспечению единства измерений в соответствии с областью аккредитации, указанной в заявлении об аккредитации или в реестре аккредитованных лиц.
46. Наличие по месту осуществления деятельности в области
аккредитации на праве собственности или на ином законном основании, предусматривающем право владения и (или) пользования,
помещений, оборудования, эталонов единиц величин, средств измерений, стандартных образцов, реактивов, вспомогательного, испытательного оборудования, и иных технических средств и материальных ресурсов, соответствующих требованиям законодательства
Российской Федерации об обеспечении единства измерений, необходимых для выполнения работ (оказания услуг) по обеспечению
единства измерений в соответствии с требованиями нормативных
правовых актов, документов в области стандартизации и иных документов, устанавливающих требования к работам (услугам) по
обеспечению единства измерений, в соответствии с областью аккредитации, указанной в заявлении об аккредитации или в реестре аккредитованных лиц.
В случаях, установленных порядком проведения поверки средств
измерений, документами, устанавливающими требования к проведению калибровки средств измерений, испытаний средств измерений и стандартных образцов в целях утверждения типа, допускается использование помещений, оборудования, не принадлежащих
юридическому лицу или индивидуальному предпринимателю на
праве собственности или на ином законном основании, предусматривающем право владения и (или) пользования.
198
47. Соответствие помещений для проведения поверки средств
измерений, калибровки средств измерений, испытаний средств измерений и стандартных образцов в целях утверждения типа по производственной площади характеру и объему выполняемых работ,
а также требованиям нормативных документов по поверке, калибровке и испытаниям.
48. Наличие свидетельств об аттестации эталонов единиц величин, свидетельств о поверке и (или) сертификатов калибровки
средств измерений, в соответствии с требованиями законодательства Российской Федерации в области обеспечения единства измерений.
49. Наличие разработанного заявителем или аккредитованным
лицом руководства по качеству, содержащего требования системы
менеджмента качества, которое оформляется в виде единого документа или в виде совокупности документов, подписывается руководителем заявителя (аккредитованного лица), скрепляется печатью
юридического лица или индивидуального предпринимателя (при
наличии).
Дополнительные критерии аккредитации
51. Разработанное испытателем или аккредитованным лицом,
выполняющим работы по аттестации методик, руководство по качеству также должно предусматривать:
51.1. Правила исследования и подтверждения соответствия:
а) аттестуемой методики измерений – ее целевому назначению,
свойствам объекта измерений и характеру измеряемых величин;
б) условий выполнения измерений – требованиям к применению
данной методики измерений;
в) показателей точности результатов измерений и способов обеспечения достоверности измерений, приведенных в методике, –
установленным обязательным метрологическим требованиям к измерениям (в том числе требованиям по оценке неопределенности
измерений);
г) используемых в составе методики измерений средствам измерений и стандартных образцов – условиям обеспечения прослеживаемости результатов измерений к государственным первичным
эталонам единиц величин, а в случае отсутствия соответствующих
государственных первичных эталонов единиц величин – к национальным эталонам единиц величин иностранных государств (за
исключением эмпирических методик, для которых результаты измерений получают в условных единицах, числах, баллах по соот199
ветствующей шкале измерений применительно к используемому
методу измерений);
д) записей результатов измерений – требованиям к единицам величин, допущенным к применению в Российской Федерации;
е) форм представления результатов измерений – метрологическим требованиям;
ж) построения и изложения документов на методики измерений.
51.2. Правила оформления свидетельства об аттестации методики (метода) измерений, его регистрации и передачи информации об
аттестованных методиках измерений в Федеральный информационный фонд но обеспечению единства измерений.
52. Заявитель, выполняющий работы по аттестации методик,
должен обеспечить наличие не менее трех документов (проектов документов), устанавливающих соответствие (несоответствие) методик измерений в заявленной области аккредитации установленным
метрологическим требованиям с приложением результатов экспериментальных и теоретических исследований (отчетов об аттестации).
53. Разработанное заявителем или аккредитованным лицом, выполняющим работы по испытаниям стандартных образцов, руководство по качеству также должно предусматривать:
53.1. Требования к разработке программы испытаний стандартных образцов, устанавливающей:
а) содержание, объем, условия проведения испытаний стандартных образцов в целях утверждения типа, количество представляемых на испытания образцов, алгоритмы обработки полученных
при испытаниях результатов;
б) требования к процедуре отбора и количеству вещества (материала) стандартного образца, необходимого для испытаний (при необходимости);
в) методику подготовки проб вещества (материала) стандартного
образца для выполнения измерений;
г) методики определения метрологических и технических характеристик стандартного образца, включая: величины, характеризующие состав или свойство вещества (материала) стандартного
образца, неоднородность, нестабильность, показатели точности аттестованного значения стандартного образца;
д) способы установления и демонстрации прослеживаемости метрологических характеристик стандартного образца;
е) требования к выбору компетентных лабораторий юридических лиц или индивидуальных предпринимателей, принимающих
участие в межлабораторном эксперименте (при необходимости);
200
ж) проведение анализа и оценки соответствия материалов по разработке, отчета по разработке стандартного образца (при его наличии);
з) определение метрологических и технических характеристик
стандартного образца, выраженных в единицах величин, допущенных к применению в Российской Федерации.
53.2. Требования к методикам определения метрологических
и технических характеристик стандартных образцов, предусматривающих:
а) меры безопасности при работе с материалом стандартного образца и (при необходимости) разрешительных документах и их наличии;
б) характер производства стандартного образца (серийное или
единичное);
в) требования к определению метрологических и технических
характеристик стандартного образца;
г) обоснование срока годности стандартного образца, условий
применения, хранения, транспортирования (при необходимости),
маркировки стандартного образца.
53.3. Требования к оформлению акта испытаний и приложений
к нему: протокола испытаний стандартного образца, проект описания типа стандартного образца.
54. Разработанное заявителем или аккредитованным лицом, выполняющим работы по испытаниям средств измерений, руководство по качеству также должно предусматривать:
54.1. Требования к разработке программы испытаний средств
измерений, устанавливающей:
а) объект испытаний;
б) количество представляемых на испытания серийно изготовленных образцов средств измерений;
в) содержание и объем испытаний;
г) методики (методы) испытаний;
д) условия проведения испытаний;
е) алгоритмы обработки полученных при испытаниях результатов, предусматривающие:
– определение метрологических и технических характеристик
средства измерений, включая показатели точности, выраженных
в единицах величин, допущенных к применению в Российской Федерации;
– идентификацию программного обеспечения и оценку его влияния на метрологические характеристики средства измерений (при
наличии программного обеспечения);
201
– разработку или выбор методики поверки и ее опробование;
– обоснование интервала между поверками;
– анализ конструкции испытываемого средства измерений на
наличие ограничений доступа к определенным частям средств измерений (включая программное обеспечение) с целью предотвращения несанкционированной настройки и вмешательства, которые
могут привести к искажению результатов измерений;
– проверку выполнения (при наличии) обязательных требований
к средствам измерений, в том числе требований к их составным частям, программному обеспечению и условиям эксплуатации средств
измерений.
54.2. Требования к наличию методик (методов) испытаний
средств измерений, соответствующих области деятельности структурного подразделения, осуществляющего деятельность в области
аккредитации, предусматривающих:
а) меры безопасности с учетом области применения средства измерений с указанием необходимых разрешительных документов;
б) характер производства средства измерений (серийное или единичное);
в) оценку заявляемых метрологических и технических характеристик средства измерений, включая показатели точности;
г) оценку обязательных метрологических и технических требований к средствам измерений (при необходимости);
д) рассмотрение документов, по которым осуществляется изготовление средства измерений;
е) оценку протоколов предварительных испытаний средства измерений.
54.3. Требования по результатам испытаний средств измерений
к оформлению описания типа средства измерений, методики поверки (при необходимости), акту испытаний средства измерений в целях утверждения типа.
55. Разработанное заявителем или аккредитованным лицом,
выполняющим работы по поверке средств измерений и калибровке
средств измерений, руководство по качеству также должно предусматривать:
55.1. Требования к оформлению свидетельства об аттестации
эталонов единиц величин с указанием прослеживаемости к государственным первичным эталонам соответствующих единиц величин, а при отсутствии соответствующих государственных первичных эталонов единиц величин – к национальным эталонам единиц
величин иностранных государств.
202
55.2. Требования к оформлению свидетельства о поверке средств
измерений.
55.3. Требования к оформлению сертификата калибровки с указанием прослеживаемости к государственным первичным эталонам
соответствующих единиц величин, а при отсутствии соответствующих государственных первичных эталонов единиц величин – к национальным эталонам единиц величин иностранных государств.
55.4. Требования к учету и хранению поверительных и калибровочных клейм.
55.5. Требования к оформлению протоколов и результатов поверки и калибровки.
55.6. Требования для калибровочных работ, предусматривающие:
а) определение метрологических и технических характеристик
средств измерений, включая показатели точности, выраженные
в единицах величин, допущенных к применению в Российской Федерации;
б) идентификацию программного обеспечения (при наличии
программного обеспечения);
в) разработку или выбор методики калибровки и ее опробование;
г) установление сроков межкалибровочного интервала;
д) проверку соблюдения ограничений доступа к определенным частям средств измерений (включая программное обеспечение) с целью
предотвращения несанкционированной настройки и вмешательства,
которые могут привести к искажению результатов измерений;
е) разработку процедуры оценки неопределенности результатов
калибровки.
55.7. Наличие методик поверки средств измерений в соответствии с областью аккредитации.
55.8. Наличие правил применения изображения знака национальной системы аккредитации.
56. Разработанное заявителем или аккредитованным лицом, выполняющим работы по метрологической экспертизе, руководство
по качеству также должно предусматривать:
56.1. Правила оценки и установления при метрологической экспертизе:
а) полноты и правильности изложения метрологических требований, включая требования к показателям точности к измерениям,
средствам измерений, стандартным образцам, методикам (методам)
измерений, методам оценки соответствия характеристик объектов
регулирования;
б) реализуемость установленных обязательных метрологических требований, включая требования к показателям точности;
203
в) соответствие показателей точности заданным требованиям
к объектам регулирования;
г) соответствие применяемых средств и методик (методов) измерений установленным показателям точности измерений;
д) возможность выполнения метрологических требований, указанных в объекте регулирования;
е) соответствие алгоритмов обработки результатов измерений задачам измерений, изложенным в объекте регулирования;
ж) правильность использования метрологических терминов,
наименований и обозначений измеряемых единиц величин.
56.2. Правила оформления заключения по результатам метрологической экспертизы.
57. Заявитель или аккредитованное лицо, выполняющее работы по метрологической экспертизе, должны обеспечить наличие не
менее трех заключений (проектов заключений), подготовленных по
результатам метрологической экспертизы.
58. Дополнительными критериями аккредитации при осуществлении аккредитации в области обеспечения единства измерений
в целях осуществления деятельности в области использования
атомной энергии являются:
а) наличие у работников, непосредственно выполняющих работы (оказывающих услуги) по обеспечению единства измерений,
не менее двух лет опыта работы в области использования атомной
энергии;
б) наличие установленных санитарно-защитных зон и зон наблюдения, а также спецодежды и средств индивидуальной защиты
для персонала и посетителей;
в) наличие документированных процедур допуска в помещения
лиц, не относящихся к персоналу;
г) наличие требований по учету (контролю) ядерных материалов
и (или) радиоактивных веществ, в том числе по приемке, хранению,
внутренним перемещениям, возвращению, утилизации, списанию, транспортированию в соответствии с законодательством Российской Федерации, федеральными нормами и правилами по безопасности в области использования атомной энергии и правилами
транспортировки опасных грузов;
д) наличие специально предназначенных мест (пунктов) для
хранения радиоактивных отходов, организованных в соответствии
с законодательством Российской Федерации и требованиями федеральных норм и правил в области использования атомной энергии
(при образовании радиоактивных отходов);
204
е) наличие допуска к проведению работ по обеспечению единства измерений в области использования атомной энергии, связанных с использованием сведений, составляющих государственную
тайну;
ж) выполнение обязательных метрологических требований
к измерениям, эталонам единиц величин, стандартным образцам,
средствам измерений, их составным частям, программному обеспечению, методикам (методам) измерений, применяемым в области
использования атомной энергии, устанавливаемых Госкорпорацией «Росатом» по согласованию с Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии.
Перечень документов, подтверждающих соответствие
критериям аккредитации
59. Перечень документов, подтверждающих соответствие юридических лиц, индивидуальных предпринимателей, выполняющих работы и (или) оказывающих услуги по обеспечению единства
измерений, критериям аккредитации:
а) руководство по качеству в соответствии с критериями аккредитации;
б) документ, содержащий сведения о работниках, предусмотренный рекомендуемым образцом;
в) документы, подтверждающие соблюдение установленных требований к работникам:
трудовые договоры (либо их копии);
гражданско-правовые договоры (либо их копии);
документы о получении работниками высшего образования, среднего профессионального образования или дополнительного профессионального образования (либо их копии);
трудовые книжки (либо их копии);
при необходимости документы (их копии), подтверждающие
наличие в соответствии с областью аккредитации, указанной в заявлении об аккредитации или в реестре аккредитованных лиц, допуска к проведению работ по обеспечению единства измерений, связанных с использованием сведений, составляющих государственную тайну;
г) документ по оснащенности эталонами единиц величин и (или)
средствами измерений, содержащий сведения, предусмотренные
рекомендуемым образцом;
д) документ по оснащенности испытательным оборудованием, содержащий сведения, предусмотренные рекомендуемым образцом;
205
е) документ по оснащенности вспомогательным оборудованием,
содержащий сведения, предусмотренные рекомендуемым образцом;
ж) документ по оснащенности стандартными образцами, содержащий сведения, предусмотренные рекомендуемым образцом;
з) документ по используемым помещениям, содержащий сведения, предусмотренные рекомендуемым образцом;
и) документы (их копии), подтверждающие наличие по месту
осуществления деятельности в области аккредитации на праве собственности или на ином законном основании, предусматривающем
право владения и (или) пользования, помещений, оборудования,
эталонов единиц величин, средств измерений, стандартных образцов, реактивов, вспомогательного, в том числе испытательного
оборудования, и иных технических средств и материальных ресурсов, соответствующих требованиям законодательства Российской
Федерации об обеспечении единства измерений, необходимых для
выполнения работ (оказания услуг) по обеспечению единства измерений в соответствии с требованиями нормативных правовых
актов, документов в области стандартизации и иных документов,
устанавливающих требования к работам (услугам) по обеспечению
единства измерений, в соответствии с областью аккредитации, указанной в заявлении об аккредитации или в реестре аккредитованных лиц.
60. Документы, указанные в подпунктах «г» – «з» пункта 59 настоящих критериев аккредитации, не представляются юридическими лицами и индивидуальными предпринимателями, выполняющими работы по метрологической экспертизе.
61. Документы, указанные в подпунктах «д» и «з» пункта 59 настоящих критериев аккредитации, не представляются юридическими лицами и индивидуальными предпринимателями, выполняющими работы по аттестации методик (методов) измерений.
Примечание 1. Образцы требуемых документов приведены в приложении № 5 настоящих критериев аккредитации.
Примечание 2. См. также ПР 50.2.013–97. Правила по метрологии. Порядок аккредитации метрологической служб юридических
лиц на право аттестации методик (выполнения) измерений и проведения метрологической экспертизы документов.
Контрольные вопросы
1. Цели аккредитации с области ОЕИ.
2. Цели метрологической экспертизы.
206
3. Общие критерии аккредитации в области ОЕИ.
4. Дополнительные критерии аккредитации в области ОЕИ.
5. Порядок действий и требования к документации заявителя
при аккредитации.
6. Требования к программе испытаний средств измерений.
7. Требования к содержанию Руководства по качеству организации, аккредитуемой в области ОЕИ.
8. Перечень документов, подтверждающих соответствие критериям аккредитации.
4.3. Требования к калибровочным
и испытательным лабораториям
4.3.1. Общие требования к компетентности испытательных
и калибровочных лабораторий
Требования к системе менеджмента в ГОСТ Р ИСО/МЭК 17025–
2006 [5] (ISO/IEC 17025) написаны адаптированным языком применительно к работе лабораторий, соответствуют принципам ИСО
9001 и удовлетворяют установленным там требованиям.
1.1. Настоящий стандарт устанавливает общие требования
к компетентности лабораторий в проведении испытаний и/или калибровки, включая отбор образцов, испытания и калибровку, проводимые по стандартным методам, нестандартным методам и методам, разработанным лабораторией.
1.2. Настоящий стандарт применим для всех организаций, осуществляющих испытания и/или калибровку. В их число входят,
например, лаборатории, являющиеся первой, второй или третьей
стороной, а также лаборатории, где проводятся испытания и/или калибровка, составляющие часть контроля сертификации продукции.
Настоящий стандарт распространяется на все лаборатории независимо от численности персонала или видов их деятельности в области испытаний и калибровки. В том случае, если лаборатория не
осуществляет один или более видов деятельности, установленных
настоящим стандартом, таких как отбор образцов и проектирование/разработка новых методов, требования соответствующих разделов на них не распространяются.
1.4. Настоящий стандарт предназначен для применения лабораториями при разработке собственных систем менеджмента
качества, а также систем менеджмента административной и технической деятельности. Заказчики лабораторий, регулирующие
органы и органы по аккредитации могут также применять его при
207
подтверждении или признании компетентности лабораторий. Настоящий стандарт не предназначен для использования в качестве
основы для сертификации лабораторий.
1.6. Если испытательные и калибровочные лаборатории выполняют требования настоящего стандарта, то действующая у них система менеджмента качества для деятельности по проведению испытаний и калибровки также соответствует ИСО 9001.
Настоящий стандарт содержит требования к технической компетентности, которые отсутствуют в ИСО 9001.
Помимо требований к менеджменту организации, включая систему менеджмента качества по ИСО 9001, в стандарте содержится
важная глава 5. Технические требования.
В этой главе подробно рассмотрены факторы, влияющие на правильность и надежность испытаний и/или калибровки, проводимых лабораторией:
– человеческий фактор;
– помещения и условия окружающей среды;
– методы испытаний и калибровки и оценка пригодности метода;
– оборудование;
– прослеживаемость измерений;
– отбор образцов;
– обращение с объектами испытаний и калибровки.
Степени влияния факторов на общую неопределенность измерения значительно различаются в зависимости от видов испытаний
и калибровки. Лаборатория должна учитывать эти факторы при
разработке методов и процедур испытаний и калибровки, при подготовке и оценке квалификации персонала и при выборе и калибровке используемого оборудования.
Лаборатория или организация, в состав которой она входит,
должна являться самостоятельной правовой единицей, способной
нести юридическую ответственность. В обязанности лаборатории
входит проведение испытаний и калибровки таким образом, чтобы
выполнялись требования настоящего стандарта и удовлетворялись
требования заказчика, а также предписания регулирующих органов или организаций, осуществляющих официальное признание.
Система менеджмента лаборатории должна охватывать работы, выполняемые на основной территории, в удаленных местах, а также
на временных или передвижных точках.
Если лаборатория входит в состав организации, осуществляющей деятельность, отличную от испытаний и/или калибровки, то
обязанности руководящего персонала организации, принимающе208
го участие или имеющего влияние на деятельность лаборатории
по проведению испытаний и/или калибровки, должны быть четко
определены, чтобы идентифицировать потенциальные конфликты
интересов.
Примечание 1. Если лаборатория входит в состав более крупной
организации, то организационные меры должны быть такими, чтобы подразделения, интересы которых находятся в конфликте, например производство, служба маркетинга, сбыта или финансовая
служба, не оказывали отрицательного влияния на соответствие лаборатории настоящему стандарту.
Примечание 2. Если лаборатория хочет быть признана лабораторией третьей стороны, то она должна быть способна продемонстрировать, что она беспристрастна и что ни она, ни ее сотрудники не испытывают никакого коммерческого, финансового или другого давления, которое могло бы оказать влияние на их техническое суждение.
Испытательной или калибровочной лаборатории, являющейся третьей стороной, не следует заниматься деятельностью, которая может
поставить под угрозу веру в независимость ее суждения и честность
в связи с деятельностью по проведению испытаний и калибровки.
Лаборатория должна:
а) располагать руководящим и техническим персоналом, который вне зависимости от других обязанностей имеет полномочия
и ресурсы, необходимые для выполнения своих обязанностей, включая внедрение, поддержание и улучшение системы менеджмента,
и выявления случаев отступлений от системы менеджмента или от
процедур проведения испытаний и/или калибровки, а также для
инициирования действий по предупреждению или сокращению таких отступлений;
b) принимать меры, обеспечивающие свободу руководства и сотрудников от любого неподобающего внутреннего и внешнего коммерческого, финансового или другого давления и влияния, которое
может оказывать отрицательное воздействие на качество их работы;
c) определять политику и процедуры, позволяющие обеспечить
конфиденциальность информации и прав собственности ее заказчиков, включая процедуры защиты электронного хранения и передачи результатов;
d) определять политику и процедуры, позволяющие избежать
вовлечения в деятельность, которая снизила бы доверие к ее компетентности, беспристрастности ее суждений или честности;
e) определять организационную и управленческую структуру
лаборатории, ее место в вышестоящей организации и взаимосвязи
209
между менеджментом качества, технической деятельностью и вспомогательными службами;
f) устанавливать ответственность, полномочия и взаимоотношения всех сотрудников, занятых в управлении, выполнении или проверке работ, влияющих на качество испытаний и/или калибровки;
g) обеспечивать надзор за персоналом, проводящим испытания и калибровку (включая стажеров), со стороны лиц, знакомых
с методиками и процедурами, целью каждого испытания и/или
калибровки, а также с оценкой результатов испытания или калибровки;
h) иметь техническую администрацию, несущую общую ответственность за техническую деятельность и предоставление необходимых ресурсов для обеспечения требуемого качества работы лаборатории;
i) назначать одного сотрудника менеджером по качеству (как бы
он ни назывался), который, независимо от других функций и обязанностей, должен нести ответственность и располагать полномочиями, обеспечивающими внедрение системы менеджмента качества
и ее постоянное функционирование; менеджер по качеству должен
иметь прямой доступ к высшему руководству, принимающему решения по политике или ресурсам;
j) назначать заместителей руководящего персонала;
к) обеспечивать осознание персоналом значимости и важности
своей деятельности и свой вклад в достижение целей системы менеджмента.
Примечание. Отдельные сотрудники могут выполнять более одной функции, и может оказаться нецелесообразным назначать заместителей по каждой функции.
Высшее руководство должно обеспечивать разработку в организации соответствующих процессов обмена информацией, в том числе по вопросам результативности системы менеджмента.
4.3.2. Межлабораторные сличения
при аккредитации калибровочных лабораторий
ГОСТ ISO/IEC 17043–2013 Оценка соответствия. Основные требования к проведению проверки квалификации.
В настоящем стандарте устанавливаются общие требования
к компетентности провайдеров программ проверки квалификации,
а также к разработке и реализации программ проверки квалификации. Данные требования должны рассматриваться как общие для
всех типов программ проверки квалификации и могут использо210
ваться в качестве основы для разработки конкретных технических
требований в частных областях применения.
Межлабораторные сличения широко используются для ряда задач и находят все большее применение на международном уровне.
Типичными задачами межлабораторных сличений являются:
a) оценивание характеристик функционирования лабораторий
по проведению определенных испытаний или выполнению измерений и постоянный мониторинг за ними;
b) выявление проблем в лабораториях, связанных, например,
с применением неправильных процедур измерений или испытаний,
недостаточной эффективностью обучения и управления персоналом
или некорректной калибровкой оборудования, и их устранение;
c) установление эффективности и сравнимости методов испытаний или измерений;
d) обеспечение дополнительного доверия у заказчиков лаборатории;
e) выявление различий между лабораториями;
f) обучение участвующих лабораторий, основанное на результатах сличений; g) подтверждение заявленной неопределенности;
h) оценивание характеристик метода (часто описываемое как совместные испытания);
i) приписывание значений стандартным образцам и оценивание
их пригодности для использования в определенных процедурах измерений или испытаний;
j) поддержка в установлении эквивалентности измерений, выполняемых национальными метрологическими институтами, через
ключевые сличения и дополнительные сличения, проводимые от
имени Международного бюро мер и весов (BIPM), и взаимодействующими с ними региональными метрологическими организациями.
Межлабораторное сличение (термин 3.4) (interlaboratory
comparison): Организация, выполнение и оценивание измерений
или испытаний одного и того же или нескольких подобных образцов двумя или более лабораториями в соответствии с заранее установленными условиями.
Примечание. В Российской Федерации наряду с данным термином применим термин «межлабораторные сравнительные испытания» (МСИ).
Провайдеры проверки квалификации или их субподрядчики также должны быть компетентны в измерении определяемых
свойств.
211
Примечание. ISO/IEC 17025 или ISO 15189 могут использоваться
для демонстрации компетентности лаборатории провайдера проверки квалификации или лаборатории, привлекаемой по субподряду для
выполнения испытаний или измерений, относящихся к программам
проверки квалификации. ISO Guide 34 может быть использован для
демонстрации компетентности изготовителей стандартных образцов, которые предоставляют образцы для проверки квалификации.
Р 50.4.006–2002 Межлабораторные сравнительные испытания
при аккредитации и инспекционном контроле испытательных лабораторий. Методика и порядок проведения (ISO/IEC Guide 43)
Настоящие рекомендации содержат методику и порядок проведения межлабораторных сравнительных испытаний (МСИ) при
аккредитации испытательных лабораторий (ИЛ), выполняющих
испытания продукции, в том числе для целей подтверждения соответствия, и инспекционном контроле за деятельностью ИЛ.
Настоящие рекомендации предназначены для применения органами по аккредитации, уполномоченными организациями, ИЛ
в соответствии с областью их деятельности (при проведении проверки компетентности ИЛ).
Положения настоящих рекомендаций могут быть применены
при аккредитации и инспекционном контроле ИЛ, выполняющих
испытания (измерения, анализ) параметров (характеристик) объектов окружающей природной среды, водного хозяйства, отходов промышленного и сельскохозяйственного производств, а также агрохимических лабораторий, лабораторий радиационного контроля,
других аналитических лабораторий.
Рекомендации не распространяются на испытания продукции
машиностроения, в том числе бытовой техники, а также на испытания медицинской техники.
Межлабораторные сравнительные испытания (термин 3.1): Организация, проведение и оценка испытаний одних и тех же или таких же объектов двумя или большим числом лабораторий в соответствии с заранее установленными условиями.
Аккредитация (3.2): Процедура, по результатам которой специально уполномоченный орган официально признает компетентность
органа или лица выполнять конкретные работы ( ГОСТ Р 1.12).
Оценка соответствия (3.3): Любая деятельность, связанная
с прямым или косвенным определением того, что соответствующие
требования выполняются ( ГОСТ Р 1.12).
Подтверждение соответствия (3.4): Деятельность, результатом
которой является документальное свидетельство, дающее уверен212
ность в том, что продукция, процесс или услуга соответствует установленным требованиям ( ГОСТ Р 1.12).
Система аккредитации (3.5): Система, располагающая собственными правилами процедуры и управления для осуществления аккредитации ( ГОСТ Р 1.12).
Межлабораторные сравнительные испытания (МСИ), проводимые в соответствии с настоящими рекомендациями, являются одной из форм экспериментальной проверки деятельности ИЛ с целью
определить ее компетентность при аккредитации или подтвердить
соответствие ИЛ критериям аккредитации при инспекционном
контроле за ее деятельностью.
Общее руководство работами по организации и проведению МСИ
осуществляет орган по аккредитации.
Практическую деятельность по проведению МСИ при аккредитации и инспекционном контроле деятельности ИЛ осуществляют
уполномоченные организации.
Настоящие рекомендации содержат также подробные перечни
требований к:
– разработке и содержанию программ МСИ;
– образцам для испытаний при проведении МСИ;
– порядку проведения МСИ при аккредитации и инспекционном
контроле ИЛ.
Примечание. См. также Федеральный закон «Об аккредитации
в национальной системе аккредитации» № 412-ФЗ.
Контрольные вопросы
1. Область применения ГОСТ Р ИСО 17025–2006.
2. Требования к системе менеджмента калибровочной лаборатории по ГОСТ Р ИСО 17025–2006.
3. Содержание технических требований к калибровочной лаборатории по ГОСТ Р ИСО 17025–2006.
4. Основные требования к проведению проверки квалификации
по ГОСТ ISO/IEC 17043–2013.
5. Типичные задачи межлабораторных сличений по ГОСТ ISO/
IEC 17043–2013.
6. Методика и порядок проведения сравнительных испытаний
при аккредитации лабораторий по Р 50.4.006–2002.
213
5. ЭТАЛОННАЯ БАЗА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Эталонная база – совокупность государственных первичных,
вторичных и разрядных эталонов, являющаяся основой обеспечения единства измерений в стране.
Число эталонов не постоянно, а изменяется в зависимости от потребностей экономики страны. Обычно прослеживается увеличение их числа во времени, что обусловлено постоянным развитием
рабочих средств измерений.
Любой эталон овеществляет не строго единицу, а некий размер
физической величины, в лучшем случае максимально близкий
к единице по ее определению, а чаще всего некий ограниченный
диапазон (дискретный или непрерывный) значений физической величины. В то же время практика требует выполнения достоверных
измерений физических величин в широком диапазоне их значений,
иногда перекрывающих 10...20 и более порядков. Например, сила
электрического тока измеряется в диапазоне от 10–16 до 106 А, электрическое сопротивление от 10–6 до 1017 Ом.
Разумеется, требования и возможности по точности измерений
в различных участках диапазона значений физической величины
различны, но не всегда возможно от одного государственного эталона обеспечить передачу размера единицы на все участки диапазонов
измерений с необходимой точностью. В этом заключается одна из
причин создания специальных эталонов. В качестве другой причины обычно называют особые условия измерений. Это прежде всего
измерения величин, изменяющихся во времени (динамические измерения): пульсирующих температур, периодических и импульсных давлений, силы и напряжения на переменном токе, параметров
переменных электрических и магнитных полей и т. д.
Природа физической величины и ее единица при переходе от постоянных величин к переменным, естественно, не меняется. Однако
измеряются в этом случае специфические параметры физической
величины, характеризующие ее поведение во времени (амплитуда,
среднее значение, мгновенное значение, среднеквадратическое значение и т. п.). Строго говоря, в этом случае изменяются само определение измеряемой физической величины и, как правило, метод
измерения. Возникает необходимость воспроизведения единицы
в этих особых условиях, то есть требуется создать особый (специальный) эталон единицы.
Третья причина создания специальных государственных эталонов – существенная смена характера объекта измерений. Например,
214
смена агрегатного состояния вещества при переходе от измерения
объемного расхода жидкости к измерению объемного расхода газа,
от плотности жидкости к плотности твердых веществ, от скорости
твердого тела к скорости жидкости или газового потока и т. д. или
смена вида элементарных частиц, например, при измерении параметров нейтронного и электронного полей. В этих случаях не меняются не только природа и единица физической величины, но и ее
определение, однако может измениться способ (метод) измерения
из-за резкого различия свойств объекта измерения при смене природы этого объекта.
Еще одну обширную группу особых условий составляют измерения
физических величин, сильно зависящих от какой-либо другой величины, при изменении влияющей величины. Примером являются измерения: теплоемкости или теплопроводности при разных значениях
температуры изучаемого образца, поглощенной дозы гамма-излучения (или другого вида излучения) при различных значениях энергии
этого излучения, различных параметров оптического излучения для
разных длин волн и т. п. Возможны и более сложные случаи особых
условий в виде комбинаций из перечисленных четырех типов, например, в области акустических измерений, где измеряются переменные
звуковые давления в различных средах (водной и воздушной). Во всех
этих случаях могут создаваться специальные эталоны.
Обеспечение единства измерений в особых условиях – необходимое, но недостаточное условие создания специальных эталонов. Достаточным условием может служить невозможность передачи с требуемой точностью размера единицы от первичного эталона к средствам измерений данной величины в особых условиях. Таким образом, первичные государственные эталоны воспроизводят единицу
данной физической величины и являются самыми высокоточными
измерительными устройствами среди всех средств измерений этой
величины. Специальные государственные эталоны также воспроизводят эту единицу, но в соответствующих особых условиях и служат самыми высокоточными среди всех средств измерений данной
величины в этих особых условиях. Таким образом, для каждой физической величины должен быть (если обоснована необходимость
централизации воспроизведения единицы) только один государственный первичный эталон. Специальных же государственных
эталонов для той же физической величины может быть несколько
в зависимости от числа представляющих практический интерес
особых условий измерений и от возможностей первичной системы
воспроизведения и передачи единицы величины.
215
Совокупность эталонов не повторяет перечень физических величин. Для ряда единиц эталоны не создаются из-за того, что нет возможности непосредственно сравнивать соответствующие величины, например, площадь. Не создаются эталоны и в том случае, когда единица величины воспроизводится с достаточной точностью на
основе сравнительно простых средств измерений других величин.
На начало 2017 г. в РФ действовало 165 государственных первичных (Прил. Б) и более 250 вторичных эталонов единиц физических
величин.
5.1. Государственный первичный эталон единицы массы
Государственный эталон единицы массы – килограмм – самый
древний из всех государственных эталонов, хотя в современном его
составе он был утвержден в 1968 г. Размер килограмма был впервые задан при установлении метрической системы через размер его
дольной единицы – грамма, определенного как масса дистиллированной воды при температуре таяния льда в объеме куба с ребром
1/100 метра. Позднее перешли к более удобному размеру единицы –
килограмму, как массе воды в объеме кубического дециметра. В качестве нормальных условий была принята температура +4°С, при
которой вода имеет наибольшую плотность.
В 1889 г. по результатам тщательных измерений массы 1 дм3
воды во Франции был изготовлен первый прототип килограмма –
платино-иридиевая гиря в виде цилиндра высотой 39 мм, равной ее
диаметру, впоследствии названная архивным килограммом. Дальнейшие успехи точного взвешивания позволили установить, что
масса архивного килограмма на 0,028 г больше массы 1 дм3 воды
и что определить массу платинового килограмма можно в тысячу
раз точнее, чем массу 1 дм3 воды.
В дальнейшем были изготовлены 43 новые килограммовые гири
по образцу архивного килограмма из платино-иридиевого сплава.
Одна из этих гирь, масса которой оказалась наиболее близкой к архивному килограмму, в 1899 г. на I ГКМВ была принята в качестве
международного прототипа килограмма, который и определяет
в настоящее время размер единицы массы для всех стран-участниц
Метрической конвенции. Россия получила в 1889 г. две копии (№ 12
и № 26) международного килограмма. Первый Государственный
эталон единицы массы в нашей стране был утвержден в 1918 г. Им
являлся один из национальных прототипов, приобретенных Россией в 1889 г., – копия № 12 международного прототипа килограмма.
В МБМВ за 1883–1889 гг. была произведена окончательная подгон216
ка всех прототипов и их исследование. Вся процедура изготовления
прототипа № 12 и его исследования подробно изложены в сертификате МБМВ на этот прототип, согласно которому масса прототипа
№ 12 на 1889 г. составляла 1кг + (0,068± 0,002) мг.
Все национальные прототипы каждые 25…35 лет должны сличаться в МБМВ с международным прототипом килограмма (или
с его свидетелями). Передача размера килограмма (или его дольных
частей) от прототипа № 12 ко вторичным эталонам (эталонным гирям) до 1966 г. осуществлялась при помощи эталонных весов № 1
с нагрузкой до 1 кг. Однако весы не входили тогда в состав Государственного эталона килограмма. Действующий в настоящее время
Государственный первичный эталон единицы массы – килограмма утвержден в 1968 г. в составе следующих средств измерений:
1) копия № 12 международного прототипа килограмма; 2) эталонные весы № 1 и № 2.
Прототип № 12 обеспечивает воспроизведение и хранение единицы массы в национальном масштабе – масштабе всей страны.
При этом используются сложные приемы хранения вещественного
килограмма и ювелирная техника работы на эталоне. Даже при самом тщательном и осторожном применении прототипа неизбежно
его взаимодействие с внешними объектами, неизбежен износ (изменение массы). Поэтому были выбраны особые правила и приемы,
прежде всего – максимальное сокращение его перемещений и использование для передачи размера единицы нескольких эталоновкопий, сличение которых с прототипом №12 производится методом
совокупных измерений. Для минимизации изменений массы прототипа он хранится на кварцевой пластинке под двумя стеклянными колпаками в особом сейфе, находящемся в термостатированном
помещении, изменение температуры в котором не превышает 2 °С.
Важным элементом Государственного первичного эталона килограмма являются эталонные весы, при помощи которых осуществляется передача размера единицы вторичным эталонам – эталонамкопиям массой в 1 кг. Сличения проводят примерно 1 раз в 10 лет.
Эталонные весы – одно из наиболее точных измерительных устройств.
Как и большинство высокоточных весов, эталонные весы № 1 и № 2 –
равноплечие призменные рычажные весы. Весы № 2 имеют ряд преимуществ по сравнению с весами № 1 в части конструкции и снабжены автоматическим регистрирующим устройством. Управление
обоими эталонными весами дистанционное при помощи манипуляторов, которые позволяют освобождать коромысла весов (и перемещать в них гири) из другого помещения с расстояния почти 4 м.
217
Для уменьшения влияний температурных и воздушных колебаний в процессе измерений, а также попадания всевозможных
пылинок, эталонные весы заключены в специальный стеклянный
кожух. Специальное устройство позволяет измерять дистанционно
температуру воздуха внутри весов с погрешностью 0,002 °С.
Использование методики, основанной на способе Гаусса, позволяет обеспечивать на государственном первичном эталоне воспроизведение единицы массы в 1 кг и передачу ее размера вторичным эталонам с неопределенностью по типу А, не превышающей 0,0023 мг
при условии соблюдения установленных правил хранения и применения эталонов массы. Государственный первичный эталон единицы массы хранится во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева.
Опыт применения национальных прототипов килограмма из
платиноиридиевого сплава на протяжении более 80 лет показал,
что эти гири обладают высокой стабильностью массы. По исследованиям МБМВ, они обеспечат хранение единицы массы с погрешностью не более 10–8 в течение нескольких столетий применения.
В настоящее время, однако, остается принципиальное несовершенство эталона, связанное с искусственным определением единицы
массы. Стремясь заменить его естественным эталоном и получить
гарантию определенной стабильности, ученые ведут поиски путей
существенного повышения точности определения атомной единицы массы с тем, чтобы выразить килограмм через массу какой-либо
элементарной частицы или атома.
Поскольку изменения массы самого Международного прототипа проконтролировать невозможно, то в 70-е гг. прошлого столетия
начали проводиться исследования по переходу на естественный
эталон единицы массы, основанный на его связи с атомными или
фундаментальными физическими константами. Килограмм может
быть определен через массу атомов, например атомов кремния. Для
этого необходимо знать постоянную Авогадро с относительной погрешностью порядка 2·10–8 (пока достигнута погрешность 10–6).
Другой способ – это определение килограмма через постоянную
Планка с помощью сравнения электрической и механической мощности на ватт-весах. В этом направлении были достигнуты значительные успехи, и на 94-м заседании в 2005 г. МКМВ принял рекомендацию о необходимости подготовительных работ к переопределению килограмма и еще трех основных единиц – ампера, кельвина
и моля – так, чтобы эти единицы были привязаны к точно известным фундаментальным константам. Это позволило бы практически
реализовать единицу в любом месте, в любое время и на требуемом
218
практикой уровне точности. После успешного перехода в будущем на новое определение килограмма и соответствующий новый
способ его воспроизведения методы и средства передачи единицы
останутся прежними, так как точные гири являются простыми
по конструкции, относительно недорогими и высокостабильными
средствами измерений массы. Изменятся лишь определение, способ воспроизведения килограмма и условия передачи и хранения
платино-иридиевых копий. В результате килограмм потеряет свою
абсолютную точность – ему будет приписана некоторая неопределенность, но приобретет естественность и воспроизводимость, а соответствующие физические константы будут закреплены с абсолютной
точностью.
а)
в)
б)
г)
Рис. 5.1. Оборудование Государственного первичного эталона единицы
массы – килограмма, ГЭТ 3–2008: а – национальный прототип
килограмма – копия №12 Международного прототипа килограмма;
б – автоматический компаратор СС1000S-L; в – главный
автоматический компаратор на 1 кг («Сарториус»); г – результаты
сличений копии № 12 с Международным прототипом килограмма
219
После перехода на новое определение килограмма международная система передачи единицы массы претерпит существенные изменения: она будет осуществляться через ватт-весы или кремниевые сферы к международному прототипу килограмма (МПК) и от
него к национальным прототипам. Поскольку передача единицы
от ватт-весов или кремниевых сфер МПК должна осуществляться
в условиях вакуума, то и передача единицы от МПК национальным платино-иридиевым прототипам тоже будет осуществляться
в условиях вакуума. Отсюда возникает насущная необходимость
странам, имеющим платино-иридиевые килограммы, переходить
на вакуумное взвешивание. Это позволит, с одной стороны, остаться в мировой системе передачи единицы и, с другой – на порядок
повысить точность государственного первичного эталона единицы
массы благодаря устранению самого сильно влияющего на результаты взвешиваний фактора – атмосферного воздуха. На сегодняшний день вакуумными компараторами располагают более 16 стран.
Оборудование государственного первичного эталона единицы массы
приведено на рис. 5.1.
5.2. Государственный первичный эталон
единицы времени и частоты
В 1967 г. на XIII ГКМВ было принято новое определение единицы времени – секунды как промежутка времени, в течение которого совершается 9 192 631 770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между уровнями (F = 4,
mF = 0) и (F = 3, mF = 0) сверхтонкой структуры основного состояния
атома цезия-133 при отсутствии внешних возмущающих полей.
Государственный первичный эталон единиц времени и частоты
является самым сложным из всех эталонов. В его состав входит
большой комплекс аппаратуры, каждое звено которого представляет весьма сложное техническое устройство. Эталон в целом предназначен для воспроизведения и хранения: 1) единицы времени – «атомной» секунды (с); 2) единицы частоты – герца (Гц); 3) шкалы атомного
времени – TA; 4) шкалы координированного времени – UTC.
Воспроизведение единицы времени (и частоты) в соответствии
с ее определением осуществляет в эталоне специально созданная,
уникальная по своим характеристикам установка – цезиевый репер частоты, реализующая с наивысшей точностью принцип цезиевой меры частоты. Государственный эталон времени и частоты
обеспечивает воспроизведение единиц времени и частоты (секунды
и герца) со средним квадратическим отклонением, не превышаю220
щим 5·10–14, при неисключенной составляющей систематической
погрешности менее 10–14.
Репер, или квантовый стандарт частоты, представляет собой
устройство для точного воспроизведения частоты электромагнитных колебаний в сверхвысокочастотных и оптических спектрах, основанное на измерении частоты квантовых переходов атомов, ионов
или молекул. В пассивных квантовых стандартах используются частоты спектральных линий поглощения, в активных – вынужденное испускание фотонов частицами. Применяются активные квантовые стандарты частоты на пучке молекул аммиака (так называемые молекулярные генераторы) и атомов водорода (водородные
генераторы). Пассивные стандарты частоты выполняются на пучке
атомов цезия (цезиевые реперы частоты).
Эталон соответствует определению единицы времени – секунде как интервалу времени, в течение которого совершается
9 192 631 770 периодов излучения, равному переходу между двумя
сверхтонкими уровнями (F = 4, mF = 0 и F = 3, mF = 0) основного
состояния атома цезия-133 в отсутствие внешних полей. Принцип
действия эталона заключается в следующем (рис. 5.2).
Атомы цезия-133 испаряются при температуре ~400 К и со скоростью 20 км/с попадают в неоднородное поле первого магнита, которое направляет к центру установки атомы с квантовым числом F = 4
и рассеивает все остальные частицы. В центре установки располо5
4
2
6
3
9 192 631 770 Гц
2
7
8
9
1с
Рис. 5. 2. Схема цезиевого репера ГПЭ времени и частоты:
1 – цезиевая печь; 2 – два магнита; 3 – два резонатора;
4 – вакуумная камера; 5 – детектор; 6 – блок автоподстройки;
7 – умножитель частоты; 8 – кварцевый генератор;
9 – делитель частоты
221
жена система из 1-го и 2-го резонаторов, где на атомы цезия действует высокочастотное магнитное поле, создаваемое кварцевым генератором. При настройке частоты генератора в резонанс с частотой
квантового перехода возникает лавинообразный процесс перехода
атомов цезия от уровня F = 4 к уровню F = 3. Затем атомы цезия
попадают в неоднородное поле второго сортирующего магнита, которое фокусирует на детекторе атомы с уровнем F = 3 и рассеивает
все другие. Создаваемый детектором ток ионизации достигает максимума при совпадении частоты кварцевого генератора с частотой
квантового перехода. При неравенстве этих частот уменьшается ток
ионизации, что служит сигналом для автоматической подстройки
частоты генератора.
В состав эталона входят два цезиевых квантовых стандарта частоты и четыре водородных стандарта частоты. Входящие в состав
эталона водородные реперы частоты имеют другой принцип действия, основанный на резонансном излучении с меньшей частотой
(1 420 405 751,8 Гц). Они выполняют роль эталона-копии и позволяют долгое время хранить однажды установленный с помощью
первичного (цезиевого) репера размер секунды, не прибегая к его
частому включению. Однако все реперы воспроизводят значение частоты, определяющей размер секунды, лишь периодически. Хранители частоты – это непрерывно работающие меры (кварцевые плюс
квантовые), обеспечивающие формирование и хранение шкал времени. Основная шкала, хранимая эталоном – шкала равномерного
атомного времени – ТА. Это равномерная шкала интервалов с фиксированным нулем отсчета. Размер ее секунды соответствует определению XIII ГКМВ. Шкала никак не связана с вращением Земли
и ее положением в пространстве. Наряду с ней, существует группа
неравномерных шкал времени, связанных с положением Земли
в пространстве и калибруемых по результатам астрономических
и радиоастрономических наблюдений: шкала всемирного времени
UT0, длительность секунды в которой равна средней солнечной секунде, шкала всемирного времени UT1, которая отличается от UT0
поправкой на колебания полюсов Земли: UT1 = UT0 + Δλ; шкала
всемирного времени UT2, которая отличается от UT1 поправкой на
сезонную неравномерность вращения Земли: UT2 = UT1 + ΔTs.
Шкалы ТА и UT постепенно и постоянно расходятся. Чтобы максимально устранить последствия этого, введена шкала координированного времени UTC. Секунда UTC равна секунде ТА, а начало счета может меняться ровно на 1 секунду с первого числа месяца (предпочтительно 1 января или 1 июня) в 0 часов по шкале UT2 с тем,
222
чтобы расхождения между UTC и UT2 не превышали 0,9 секунды.
Практически поправка вводится раз в год 1 января. Шкала UTC
(точнее, ее национальная версия UTC-SU) также поддерживается
эталоном времени и частоты России. Именно шкала UTC-SU используется для передачи сигналов времени через радио- и телевизионные каналы.
Постепенно точность «горизонтальных» цезиевых реперов перестала удовлетворять требованиям науки и техники. Выход был
найден в разработке нового репера, получившего полуофициальное
название «фонтан». В нем атомы цезия движутся вертикально со
скоростями, порядка единиц сантиметров в секунду (применяется
так называемое лазерное охлаждение). При таких скоростях уже
можно пренебрегать эффектом Доплера и рядом других мешающих
факторов. В результате можно ожидать значений относительной погрешности порядка 10–16. Главный недостаток нового репера – очень
большая стоимость, от 500 тыс. до 1 млн долл. На сегодня работают
четыре «фонтана»: французский, американский, германский и российский.
Комплекс аппаратуры Государственного первичного эталона
хранится и применяется во ВНИИФТРИ, где он находится в пяти
термостатных комнатах и четырех аппаратных залах. Аппаратура
размещена на специальных фундаментах, развязанных от корпуса
здания, и экранирована от внешних магнитных полей. Температура в термостатных комнатах в течение года изменяется не более
чем на 4 °С, в течение суток – не более 0,2 °С. Влажность колеблется
в пределах 70±10%.
Государственный первичный эталон единицы времени состоит
из комплекса следующих средств измерений:
– метрологических цезиевых реперов частоты, предназначенных для воспроизведения размеров единицы времени и частоты
в международной системе единиц;
– водородных стандартов частоты, предназначенных для хранения размеров единиц времени и частоты и одновременно выполняющих функцию хранителей шкал времени. Использование водородных реперов позволяет повысить стабильность эталонов. В настоящее время за период времени от 100 с до нескольких суток она не
превышает (1–5)⋅10–14;
– группы квантовых часов, предназначенных для хранения шкал
времени. Квантовые часы – это устройство для измерения времени,
содержащее генератор, частота которого стабилизирована кварцевым резонатором, и управляемое квантовыми стандартами частоты;
223
– аппаратуры для передачи размера единицы частоты в оптический диапазон, состоящей из группы синхронизированных лазеров
и сверхвысокочастотных генераторов;
– аппаратуры внутренних и внешних сличений, включающей
перевозимые квантовые часы и перевозимые лазеры;
– аппаратуры средств обеспечения.
5.3. Государственный первичный эталон единицы длины
Каким длительным и сложным бывает путь к новому определению основных единиц и к их практической реализации, наглядно
свидетельствует история создания современного первичного государственного эталона длины – метра. В 1791 г. Национальное собрание Франции постановило принять за основную единицу длины
1/10 000 000 часть четверти земного меридиана. В 1799 г. на основе
геодезических измерений Парижского меридиана и его соответствующей части был изготовлен вещественный образец (прототип)
метра в соответствии с его определением. Этот образец, изготовленный в виде платиновой концевой меры, получивший название «архивного метра», прослужил в качестве единственного эталона метра
почти 90 лет.
К 1889 г. Международное бюро мер и весов изготовило из платино-иридиевого сплава 34 копии архивного метра, одна из которых
(№ 6 наиболее близкая к архивному метру) была принята 1-й ГКМВ
(1889 г.) в качестве международного прототипа метра. Это платиноиридиевый брусок длиной 102 см, имеющий в поперечном сечении
форму буквы X, вписанную в воображаемый квадрат, сторона которого равна 20 мм; точность воспроизведения 0,1…0,2 мкм.
Остальные копии были переданы странам, подписавшим Метрическую конвенцию. Две такие копии (№ 28 и № 11) получила Россия,
из них копия № 28 явилась первым государственным эталоном метра в нашей стране, утвержденным в 1918 г., и просуществовавшим
в этом ранге вплоть до 1968 г., когда в качестве государственного
первичного был утвержден новый эталон метра, соответствующий
новому «световому» определению единицы длины. Размер новой
единицы (1 650 763,73 длин волн оранжевой линии криптона-86)
был равен размеру прежнего международного прототипа метра.
В основу государственного первичного эталона метра, как и в основу
определения этой единицы, были заложены два фундаментальных
свойства материи: 1) квантово-механический характер оптического излучения и 2) явление интерференции электромагнитных волн.
224
В 1983 г. ХVII ГКМВ приняла новое определение метра (длина пути,
проходимого в вакууме светом за 1/299792458 доли секунды).
Примечание. По рекомендациям МКМВ метр может быть реализован одним из следующих способов:
1. Через длину пути L, проходимого в вакууме плоской электромагнитной волной за измеренный промежуток времени t. Длина L
определяется по формуле L = c0t, где с0 = 299 792 458 м/с – скорость
света в вакууме. При этом необходимо вносить поправки, учитывающие реальные условия (дифракцию, гравитацию и неидеальность
вакуума). Этот вариант используется в государственном первичном
эталоне единиц времени, частоты и длины, воспроизводящем метр
в диапазоне от нуля до 1 м со средним квадратическим отклонением
не более 5·10–9 м.
2. Через длину волны λ в вакууме плоской электромагнитной
волны с известной частотой ν. Эта длина получается из соотношения λ = c0/ν.
3. Через длину волн в вакууме излучений ряда источников,
включенных в специальный список. В нем перечислены рекомендованные источники излучения, указаны частоты и длины волн
в вакууме, а также технические требования, которые необходимо
выполнить при создании этих источников, приведены погрешности
воспроизведения длин волн и частот.
Во вторичных эталонах и образцовых средствах измерений метр
реализуется третьим способом, а именно путем создания He-Ne
и аргоновых лазеров, стабилизированных по резонансам насыщенного поглощения в йоде или метане.
Новый эталон метра опирается на эталон единиц времени и частоты (рис. 5.3). Создание единого эталона единиц времени-частотыдлины является значительным шагом в осуществлении программы
перехода на естественные эталоны, основанные на фундаментальных физических константах. Преодолеть технические трудности,
стоящие на пути создания единого эталона, стало возможным лишь
после разработки систем, использующих фундаментальные достижения квантовой механики.
Возможность создания единого эталона, то есть возможность воспроизведения в одном физическом процессе (распространение плоской электромагнитной волны в вакууме) двух единиц физических
величин (времени и длины) базируется на фундаментальной постоянной – скорости света в вакууме с = 299 792 458 м/с и соотношении
c = νλ, связывающем время и пространство (ν – частота, λ – длина
волны). Ранее использовать значение скорости света как фунда225
а)
в)
б)
г)
Рис. 5. 3. Оборудование Государственного первичного эталона единиц
времени, частоты и национальной шкалы времени, ГЭТ 1–2012:
а – метрологический цезиевый репер частоты; б – аппаратура
внутренних сличений ГЭВЧ; в - стационарный комплект
комплекса аппаратуры дуплексных сравнений ШВ;
г – перевозимые квантовые часы «Сапфир»
ментальной физической константы было затруднительно. К 1980 г.
ее значение принималось равным (299 792,458 ± 0,0012) км/с,
то есть не могло рассматриваться как константа. Применение высокостабильных лазеров при измерении скорости света позволило постулировать значение скорости света точно равной 299 792,458 км/с.
В настоящее время для обеспечения высокой степени стабилизации важнейшего параметра лазерного излучения – частоты широко применяются гелий-неоновые лазеры на длине волны излучения
λ = 3,39 мкм (инфракрасная область спектра) и λ = 0,63 мкм (видимая область спектра), стабилизированные соответственно по насыщенному поглощению в метане (He-Ne/CH4) и молекулярном йоде
(He-Ne/I2). Лазеры на основе (He-Ne/CH4) по воспроизводимости частоты приближаются к цезиевому стандарту частоты, являющемуся основой эталона единиц времени и частоты. Работающий в видимом диапазоне спектра He-Ne/I2 лазер позволяет реализовать новое
определение метра через скорость распространения света в вакууме.
Излучение на двух длинах волн (λ = 0,63 мкм и λ = 3,39 мкм) дает
226
Периодические
сличения
1
2
3
6
4
3
5
8
7
Кратные и дольные
единицы длины
Кратные и дольные единицы
времени и частоты
Рис. 5. 4. Схема единого эталона длины-времени-частоты:
1 – ГПЭ единиц времени и частоты; 2 – ГПЭ единицы длины; 3 – лазеры;
4 – радиооптический частотный мост; 5 – ПЭ времени и частоты;
6 – первый интерферометр; 7 – второй интерферометр;
8 – установка для измерения отношений длин волн
возможность с помощью интерферометра обеспечить высокую точность измерений. Структурная схема единого эталона приведена на
рис. 5.4.
В его состав входят: государственный первичный эталон единиц
времени и частоты, включающий государственный эталон единиц
времени и частоты (радиодиапазона), радиооптический частотный
мост, лазеры (λ = 3,39 мкм), а также государственный первичный
эталон единицы длины (метра), включающий лазеры (λ = 0,633
мкм), первый и второй интерферометры и установку для измерения
отношения длин волн.
Состав оборудования государственного первичного эталона единицы длины приведен на рис. 5.5.
Этот эталон имеет погрешность воспроизведения в виде среднего
квадратического отклонения результата измерений 10–11. Единый
эталон метра – секунды – герца введен в действие как государственный в 1992 г. Эталон единиц времени, частоты и длины состоит из
двух частей: эталона времени и частоты, а также радиооптического
частотного моста. Составляющие его первую часть находятся в ГП
«ВНИИФТРИ», вторая же часть, составляющая интерферометр для
сравнения длин волн, He-Ne/CH4 и He-Ne/I2 лазеры и интерференционный компаратор, хранится во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева.
Для объединения обеих частей эталона в единый был разработан и вве227
а)
б)
г)
в)
Рис. 5. 5. Оборудование Государственного первичного эталона единицы
длины – метра, ГЭТ 2–2010: а – компаратор лазерный
интерференционный для измерений длины в субмикронном
и нанодиапазоне; б – интерферометр гетеродинный;
в – компаратор лазерный интерференционный тридцатиметровый;
г – установка для измерений разности частот
источников лазерного излучения
ден в состав эталона транспортируемый He-Ne/CH4 лазер, длина волны которого устанавливается по выходному He-Ne/CH4 лазеру радиооптического частотного моста и служит для измерения длины волны
He-Ne/I2 лазеров, находящихся во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева.
5.4. Государственный первичный эталон единицы температуры
Специфика температурных измерений, связанная с неаддитивностью температуры, требует построения температурной шкалы,
в которой единица должна быть определена фактически в каждой точке этой шкалы (во всей области реализуемых температур).
228
Сущность такой (термодинамической) температуры раскрывается
при изучении обратимого цикла Карно, осуществляемого тепловой
машиной, при котором поглощаемое количество теплоты Q1 при
температуре Т1 и отдаваемое количество теплоты Q2 при температуре Т2 связаны однозначно между собой: Q1/Q2 = T1/T2. Это соотношение не зависит от свойств рабочего вещества, участвующего в цикле. Входящая в выражение температура Т характеризует энергию
внутреннего состояния и называется термодинамической температурой, а построенная на ее основе температурная шкала называется термодинамической температурной шкалой (ТТШ), или шкалой Кельвина. Именно термодинамическая температура входит во
все фундаментальные физические законы. Ее особенность состоит
также в том, что термодинамическая температура – неаддитивная
физическая величина. Поэтому, если для эталонов длины, массы
и других аддитивных величин можно опираться на воспроизведение размеров установленных единиц (метр, килограмм и др.), то для
температуры воспроизведение одной эталонной точки не позволит
точно установить другие эталонные точки. Таким образом, чтобы
измерить температуру требуется точно воспроизвести многие температурные точки, совокупность которых образует температурную
шкалу. Температуры, определяемые по этой шкале, должны максимально совпадать с термодинамической шкалой температуры Кельвина. Для построения температурной шкалы необходимо выбрать
начало отсчета и определить размер единицы.
Естественным и удобным началом отсчета в ТТШ служит абсолютный нуль температуры. Хотя он практически не реализуем, но
этого и не требуется ввиду того, что существование Т = 0 следует из
самого понятия термодинамической температуры. Единицу в ТТШ
выбирают фиксацией температурного интервала между абсолютным нулем и одной из наиболее точно воспроизводимых опорных
(реперных) точек – температурой тройной точки воды 273,16 К. Такой размер единицы для измерений температуры наиболее близок
к размеру единицы шкалы Цельсия. Шкала Цельсия использует
реперные точки, связанные с фазовыми состояниями системы молекул Н2О: точкой таяния льда и точкой кипения воды. Цельсий
предложил интервал этих температур делить на 100 частей и тем
самым ввел единицу для измерений температуры – градус Цельсия. Эта же единица была узаконена решением 1-й ГКМВ в 1889 г.,
когда впервые принималась ТТШ для температурных измерений.
Последующие точные измерения термодинамической температуры различных фазовых состояний позволили установить, что
229
наиболее точно воспроизводится тройная точка воды, лежащая на
0,01 °С выше точки таяния льда и имеющая температуру 273,16 К.
На X ГКМВ в 1954 г. была установлена ТТШ с одной реперной точкой – тройной точкой воды; точное значение T = 273,16 К. Поэтому
связь между температурой в градусах Цельсия (t) и термодинамической температурой (Т) определяется соотношением t = T – T0, где
Т0 = 273,15 К, а градус Цельсия (°С) равен кельвину (К). Наиболее
точно ТТШ реализуется при помощи газового термометра, в котором
реальный газ в достаточно разреженном состоянии близок к идеальному. Однако газовый термометр – достаточно сложное устройство,
а измерения на нем (в частности, передача размера единицы по всей
шкале температур) серьезно затруднены, длительны и кропотливы.
Поэтому еще в 1927 г. XVIII ГКМВ приняла первый вариант международной практической шкалы (МПТШ-27). В дальнейшем (в 1948,
1960 и 1968 гг.) шкалу пересматривали в связи с новыми достижениями в температурных измерениях. В настоящее время действует
Международная температурная шкала образца 1990 г. (МТШ-90)
с небольшими редакционными изменениями.
При этом основной реперной точкой шкалы является кельвин,
воспроизводимый в тройной точке воды с погрешностью не хуже
0,0001 °С. Это тепловое равновесие воды в твердой, жидкой и газообразной фазах и использовано для построения исходного эталона
температуры.
Введение МТШ-90 позволило:
– расширить шкалу в область низких температур от 13,8 до 0,65 К;
– существенно приблизить ее к термодинамической температурной шкале по сравнению с МПТШ-68 за счет введения новых реперных точек плавления (точка галлия) и затвердевания (точки индия,
алюминия и меди);
– сгладить шкалу, благодаря использованию платинового термометра сопротивления в качестве интерполяционного прибора в диапазоне температур от 13,8 до 1235 К.
Температурная шкала МТШ-90 поддерживается двумя государственными первичными эталонами единицы температуры (рис. 5.6,
рис. 5.7). Государственный эталон единицы температуры в диапазоне 0…3000 °С (хранится во ВНИИМ) представляет собой комплекс
эталонов, включающий эталон кельвина, установку для воспроизведения реперных точек затвердевания цинка, серебра, золота и др.
(табл. 5.1), а также интерполяционных приборов – платиновых термометров сопротивления и термоэлектрических термометров (рис. 5.7).
Тройная точка воды представляет собой защищенную от внешних
230
источников тепла камеру с помещенным в нее сосудом (ампула) для
образования тройной точки воды. В ампулу загружается лед (ледяная крошка). В результате длительного воздействия льда и воды
в той области ампулы, которая соприкасается с ледяной крошкой,
образуется слой льда, а на внутренней области ампулы, в центре
которой имеется цилиндрическая полость для помещения термометра, остается очень тонкий слой воды. В верхней части ампулы вода
находится в парообразном состоянии. Таким образом воспроизводится тройная точка воды. В качестве термометра, регистрирующего состояние тройной точки воды, применяется газовый термометр,
представляющий замкнутый объем, снабженный главным манометром и точным ртутным манометром для измерения давления газа.
Температура с помощью газового термометра в первом приближении определяется по формуле рV = RT (для идеального газа), где р
и V – давление и объем термометра с газом; R – газовая постоянная.
Государственный первичный эталон в диапазоне температур
0,8…303 К хранится во ВНИИФТРИ (рис. 5.6). Эталон имеет ряд измерительных установок: в диапазонах 0,8…4,2 К, 4,2…13,81 К и выше.
В диапазоне измерений 0,8…4,2 К метрологические характеристики
эталона следующие: СКО не хуже 0,0006 К, неисключенная систематическая погрешность 0,001 К. В диапазоне измерений 4,2…13,81 К значение СКО результатов наблюдений составляет 0,0005 К,
а)
б)
Рис. 5. 6. Оборудование ГПЭ единицы температуры – кельвина
в диапазоне от 0,3 К до 273,16 К (ГЭТ 35–2010): а – общий вид
аппаратуры эталона; б – устройства, входящие в состав эталона
231
б)
в)
д)
е)
з)
и)
а)
г)
ж)
Рис. 5. 7. Оборудование Государственного первичного эталона
единицы температуры в диапазоне от 0 до 3000 °C (ГЭТ 34–2007):
а – платиновые термометры сопротивления;
б – установка для воспроизведения температуры плавления галлия;
в – высокотемпературный излучатель «черное тело»;
г – установка для воспроизведения температуры тройной точки воды;
д – установка для воспроизведения температуры затвердевания индия,
олова, цинка; е – установка для воспроизведения температуры
затвердевания алюминия, серебра; ж – комплекс аппаратуры
для измерения сопротивления термометров; з – фотоэлектрический
компаратор яркостей тепловых излучателей;
и – лампы температурные эталонные
232
Таблица 5. 1
Погрешности воспроизведения температуры в реперных точках МТШ-90
Температура
Реперная точка
Абсолютные
погрешности в К
°С
СКО
НСП
273,16
0,01
5·10–5
10–4
Ga (плавление)
302,9146
29,7646
5·10–5
2·10–4
In (затвердевание)
429,7485
156,5985
10–4
2·10–4
2·10–4
К
H2O (тройная точка)
Sn (затвердевание)
505,078
231,928
2·10–4
Zn (затвердевание)
692,77
419,62
2·10–4
2·10–4
Al (затвердевание)
933,473
660,323
5·10–3
3·10–3
Ag (затвердевание)
1234,93
961,78
7·10–3
5·10–3
5·10–3
5·10–3
Au (затвердевание)
1337,33
1064,18
7·10–3
Cu (затвердевание)
1355,77
1084,62
10–2
неисключенная систематическая погрешность не хуже 0,003 К. Для
наилучшего приближения к термодинамической температурной
шкале в указанных диапазонах измерений используется газовый
термометр. В эталонных установках, воспроизводящих температуру выше 13,81 К, применяются платиновые термометры сопротивления.
Показатели точности и воспроизводимости реперных точек температурной шкалы приведены в табл. 5.1.
5.5. Государственный первичный эталон единицы силы света
Основу единства измерений оптико-физических единиц создает
государственный первичный эталон единицы силы света – канделы. Кроме него имеется еще 12 ГЭ оптико-физических величин.
Первоначально эталоны единицы силы света представляли собой свечи, изготавливаемые из определенных материалов. Затем
на смену им пришли лампы с жидким горючим, которые обладали лучшими метрологическими характеристиками. В 1921 г. был
создан международный эталон силы света – группа постоянно возобновляемых электрических ламп накаливания с угольной нитью.
Дальнейшее развитие науки и техники позволило создать (1937 г.)
эталон силы света в виде полных излучателей (моделей черного
тела) с приписанной яркостью 60 кд/м2 при температуре затвердевания расплавленной платины. При таком определении канделы
233
оставалась неоднозначной связь между световыми и энергетическими величинами.
Все световые величины описывают видимое излучение (свет),
то есть электромагнитное излучение с длиной волны в диапазоне
380...760 нм. Их введение было обусловлено практическими потребностями в характеристиках источников и приемников освещения,
воспринимаемых человеческим глазом. В качестве основной световой единицы с давних пор выбрана единица силы света, характеризующая источники видимого излучения. В 1909 г. за единицу силы
света была принята «международная свеча» на основе электрических ламп накаливания. Такие электрические эталонные лампы
сохраняли световые единицы в течение многих лет с погрешностью
0,1 %. Однако воспроизводимость их не могла быть высокой, так как
зависела от их конструкции и технологии изготовления. Наиболее
универсальным излучателем является абсолютно черное тело (полный излучатель). Его излучение и приняли в качестве эталонного
на IX ГКМВ (1948 г.), хотя уже в конце 30-х гг. многие страны создали эталоны на основе абсолютного воспроизведения свечи в виде
полного излучателя при температуре затвердевания платины. Температура, при которой должно находиться излучающее тело, играет важную роль по двум причинам. Во-первых, эта температура
должна быть достаточно большой, так как при этом увеличивается
яркость (и сила света) источника. Кроме того, наиболее приближающимся по составу излучения к солнечному свету является абсолютно черное тело при температуре около 6000 К. Во-вторых, температура излучающего тела должна фиксироваться с возможно бóльшей
точностью, так как интенсивность излучения резко зависит от
температуры. Такую фиксацию температуры наилучшим образом
реализуют реперные точки – фазовые состояния чистых веществ.
Выбор в качестве такой температуры точки затвердевания платины
(2042 К) обусловлен практическими соображениями: большую температуру трудно реализовать в лабораторных условиях при соблюдении требований высокой точности аппаратуры эталона. Размер
единицы силы света (свечи), определенной на IX ГКМВ и уточненной на ХIII ГКМВ (1967 г.) с присвоением наименования «кандела»,
определялся (кроме температур излучателя) площадью поперечного сечения полного излучателя и отличался от прежнего размера
«международной свечи» на 0,5 %.
В 1979 г. на XVI ГКМВ было принято новое определение канделы, по которому она воспроизводится путем косвенных измерений.
Особенность световых измерений в том, что в них очень большую
234
роль играет ощущение человека, воспринимающего световой поток
глазами. В связи с этим обычные энергетические характеристики
не совсем удобны для описания результатов таких измерений. Между энергетическими и световыми величинами существует однозначная зависимость, и, строго говоря, для проведения измерений
световых величин не требуется введения новой основной величины.
Однако учитывая исторически сложившееся к моменту возникновения системы СИ число основных единиц физических величин,
а также значительное влияние на результаты световых измерений
субъекта измерений – человека, было принято решение ввести единицу силы света – канделу. Кандела – сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 5,4·1014 Гц, энергетическая сила излучения которого
в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср. Исследования показали,
что средний глаз человека имеет наибольшую чувствительность при
длине волны около 0,555 мкм, что соответствует частоте 5,4·1014 Гц.
Эту зависимость чувствительности глаза от длины волны излучения описывают абсолютной световой эффективностью, которая равна отношению светового потока (то есть оцениваемой нашим глазом
мощности излучения) к полному потоку излучения. Световая эффективность представляет собой величину, позволяющую переходить от энергетических величин к световым. Она измеряется в люменах, деленных на ватт. При существующем определении канделы
максимальной световой эффективности придано точное значение
Kм = 683 лм/Вт, тем самым она введена в ранг фундаментальных
констант. В связи с этим кандела устанавливается путем косвена)
б)
Рис. 5. 8. Оборудование Государственного первичного эталон единицы
силы света и светового потока непрерывного излучения, ГЭТ 5–2012:
а – установка для воспроизведения единиц силы света и светового потока;
б – комплекс гониофотометрический для измерения силы света,
пространственного распределения силы света, светового потока
235
ных измерений и, следовательно, является производной физической величиной, формально оставаясь основной. Современный государственный эталон канделы имеет диапазон номинальных значений 30–15000 кд, среднее квадратическое отклонение результата
измерений 10–3 кд; неисключенная систематическая погрешность
составляет 2,5·10–3 кд. Оборудование Государственного первичного
эталона единицы силы света и светового потока непрерывного излучения показано на рис. 5.8.
5.6. Государственный первичный эталон единицы силы
постоянного электрического тока
В соответствии с определением единицы силы тока эталон должен быть основан на измерении силы взаимодействия двух прямолинейных проводников бесконечной длины и ничтожно малого
кругового сечения, расположенных на расстояния 1 м один от другого в вакууме. При силе электрического тока в проводниках 1 А
сила взаимодействия составляет 2·10–7 Н на каждый метр длины.
Это следует из соотношения F = (μ0/4π)(2I1I2/r), где μ0 = 4π10–7 H/A2.
Данное определение длительное время реализовывалось с помощью токовых весов, включающих подвижную и неподвижную токонесущие катушки и высокоточные равноплечие рычажные весы,
к одному из плечей которых присоединена подвижная катушка,
к другому – «чашка» с уравновешивающим грузом. Взаимодействие
подвижной и неподвижной катушек, соединенных последовательно,
при протекании по ним постоянного электрического тока, создает
силу, которая вызывает отклонение одного плеча коромысла токовых
весов. Эта сила уравновешивается грузом (набор гирь), помещенным
на «чашке» весов второго плеча коромысла. Иными словами, при
прохождении по последовательно соединенным катушкам постоянного электрического тока подвижная катушка опускается, поэтому
на правую чашку весов следует положить добавочный груз. По его
массе и судят о силе электрического тока, проходящего по катушкам.
Взаимодействие токов определяется по закону Ампера F1 = kI1I2,
где F1 – сила взаимодействия токов в подвижной и неподвижной катушках; I1 и I2 – сила электрического тока в подвижной и неподвижной катушках; k – постоянная электродинамической системы
весов, зависящая от формы и размеров катушек, диаметра сечения
проводов катушек, магнитной проницаемости сред и т. д.
В связи с последовательным соединением катушек токи в них
одинаковы (I1 = I2). Уравновешивающая сила тяжести, определяющая положение нагружаемой гирями «чашки» весов, равна F2 = mg,
236
где m – масса добавочного груза; g – значение ускорения свободного
падения в месте расположения весов. При равновесном положении
токов весов, когда F1 = F2, сила тока I = (mg/k)1/2, где k – постоянная
электродинамической системы с размерностью LMT–2I–2.
Эталон силы постоянного электрического тока в виде токовых
весов включает в себя:
– электродинамическую систему, состоящую из подвижной
катушки, имеющей две однослойные обмотки, и двух коаксиально расположенных неподвижных катушек с однослойными обмотками. Постоянная электродинамической системы составляет
3 860 555 Н/А2;
– рычажные весы с дистанционным управлением, к одному плечу которых присоединена подвижная катушка, к другому – «чашка» для установки добавочного груза;
– цилиндрическую гирю диаметром 5 мм и длиной 50 мм, имеющую массу 8,16044 г;
– аппаратуру для передачи размера ускорения свободного падения вторичному и рабочим эталонам силы электрического тока.
Погрешность воспроизведения единицы ампера: СКО случайной
погрешности воспроизведения 4·10–6, неисключенная систематическая погрешность 8·10–6. Этот эталон до 1992 г. служил в качестве
государственного эталона ампера.
В 1992 г. в качестве государственного первичного эталона силы
постоянного электрического тока в диапазоне 10–6…30 А утвержден эталон, позволяющий значительно повысить точность воспроизведения и передачи размера силы электрического тока. Новый
эталон ампера состоит из двух комплексов. В первом применяется
способ воспроизведения размера единицы силы тока (1 мА и 1 А)
с использованием косвенных измерений силы тока I = U/R. Причем
размер единицы электрического напряжения – вольт – воспроизводится с помощью квантового эффекта Джозефсона (эталон вольта),
а размер единицы электрического сопротивления – ом – с помощью
квантового эффекта Холла (эталон ома).
Второй комплекс воспроизводит силу постоянного тока в диапазоне 10–16…10–9 А. Его основу составляет многозначная мера силы
тока, включающая меру линейно изменяющегося электрического напряжения с набором герметизированных конденсаторов (С0),
прибор для измерения напряжения (Ud), прибор для измерения времени (Td) и компарирующее (сравнивающее) устройство.
При воспроизведении размеров единицы силы тока последний
определяется по формуле I0 = Ud(C0/Td). При этом производится
237
компенсация электрического заряда, образуемого на одной из пластин конденсатора измеряемым (калибруемым) током, зарядом,
создаваемым на другой пластине конденсатора эталонным током.
Таким образом, калибруемому источнику тока передается размер
единицы эталонного источника тока I0.
Погрешности действующего государственного эталона единицы
силы электрического тока зависят от воспроизводимой величины
тока; СКО случайной погрешности воспроизведения единицы ампера с помощью нового эталона уменьшилась примерно на два порядка – до 5·10–8. Существенно уменьшилась и неисключенная составляющая систематической погрешности – до 2·10–7.
Эффект Джозефсона возникает между двумя сверхпроводниками, образующими туннельный контакт. Если два проводника
(в обычном состоянии) разделены окисной пленкой толщиной порядка
10–7 см, то из-за туннельного эффекта электроны переходят из одного
проводника в другой и между ними устанавливается электрическое
равновесие (разность потенциалов между проводниками равна нулю).
Стационарный эффект Джозефсона состоит в том, что при нулевой
разности потенциалов через туннельный контакт в сверхпроводнике
течет малый постоянный электрический ток. Нестационарный эффект Джозефсона возникает в случае, когда к джозефсоновскому
контакту прикладывается постоянное напряжение U. При этом через контакт будет протекать переменный ток i(t) = I0sin[ϕ0 + (2е/h)Ut],
где I0 и ϕ0 – постоянные величины, характеризующие амплитуду силы электрического тока и начальную фазу соответственно;
е = 1,602·10–19 Кл – заряд электрона (с точностью до 3-го знака после
запятой); h = 6,626·10–34 Дж·с – постоянная Планка.
Джозефсоновский контакт, на котором поддерживается постоянная разность потенциалов, испускает электромагнитное излучение с частотой ω = (2e/h)U, где ω = 2πf – круговая частота. Величина
ω/U = 2e/h = 483,597 67 МГц/мкВ является постоянной Джозефсона.
Нестационарный эффект Джозефсона обратим: если джозефсоновский контакт облучать электромагнитным полем с частотой ω,
то на контакте напряжение будет ступенчатым образом изменяться в зависимости от частоты внешнего электромагнитного поля:
U = n(h/2e)f, где f – частота электромагнитного поля.
При 2eU = nhf каждый раз при увеличении числа n на единицу
будут наблюдаться резкие ступеньки. Интервал между последовательными ступеньками достигает 4…5 мВ.
В метрологии эффект Джозефсона нашел применение в эталоне единицы напряжения – вольта. Повышение точности эталона
238
вольта на эффекте Джозефсона больше 10–8 оказалось возможным
только при увеличении в 103–104 раз квантованного напряжения
первичного преобразователя частота/напряжение (криозонда), который помещается в гелиевый сосуд, то есть достижение значений
квантованного напряжения (1…10) В.
Этого удалось добиться путем применения интегральной микросхемы, содержащей одновременно до 103…104 последовательно соединенных туннельных джозефсоновских переходов. Такие микросхемы были созданы за рубежом и в нашей стране во ВНИИМ им. Д.
И. Менделеева. В схемах с 1000 джозефсоновских переходов получено напряжение ~ 1 В, а в схемах с 20000 переходов ~ 12 В.
В России государственный первичный эталон ЭДС и постоянного
напряжения воспроизводит вольт с помощью эффекта Джозефсона.
Размер единицы вольта передается вторичному эталону, в качестве
которoго применяется группа термостатированных насыщенных
нормальных элементов.
Квантовый эффект Холла связан с использованием явления
сверхпроводимости. Если структуру металл-окисел-полупроводник (МОП-структура) охладить до температуры 4,2 К и поместить
в сильное магнитное поле с индукцией (6…12) Тл, то на выходе МОПструктуры, называемой контактом Холла, электрическое сопротивление будет изменяться ступенчатым образом в соответствии с записью rХ = n(h/2e), где h – постоянная Планка, Дж с; е – заряд электрона, Кл. Значение холловского сопротивления rХ = 25 812,807 Ом
имеет погрешность измерений около 2·10–7.
а)
б)
Рис. 5. 9. Оборудование Государственного первичного эталона
единицы силы постоянного электрического тока (ГЭТ 4–91):
а – государственный первичный эталон единицы силы постоянного
электрического тока – ампера; б – Набор эталонных преобразователей
и зонд компаратора тока
239
Рис. 5. 10. Оборудование Государственного первичного
эталона единицы силы электрического тока
в диапазоне частот 20…106 Гц (ГЭТ 88-88)
Государственный первичный эталон ампера состоит из аппаратуры, выполненной на основе (рис. 5.9, рис. 5.10):
– квантовых эффектов Джозефсона и Холла, включая меру напряжения, меру электрического сопротивления, сверхпроводящий
компаратор тока и регулируемые источники тока;
– использования методов электрометрии, включая входной блок
с набором мер постоянной емкости, интегратор, измерительный
блок с частотомером, цифровым вольтметром и компаратором.
5.7. Единица количества вещества
Седьмая основная единица системы СИ – единица количества вещества моль – занимает совершенно особое место в числе основных
единиц. Причин для этого существует несколько. Первая причина –
эта величина практически дублирует имеющуюся основную единицу,
единицу массы. Масса, определяемая как мера инерции тела или мера
сил тяготения, является мерой количества вещества. Вторая причина, обусловленная первой и тесно связанная с ней, состоит в том, что до
сих пор не существует реализации эталона единицы этой физической
величины. Многочисленные попытки независимого воспроизведения
моля приводили к тому, что накопление точно измеренного количества вещества сводилось в конце концов к выходу на другие эталоны
240
основных физических величин. Например, при электролитическом
выделении какого-либо вещества необходимо измерить массу и силу
электрического тока. Точное измерение числа атомов в кристаллах
приводило к измерению линейных размеров кристалла и его массы.
Во всех других аналогичных попытках независимого воспроизведения моля метрологи наталкивались на те же трудности.
Включение в число основных единиц двух, характеризующих
одно и то же физическое свойство, объясняется соображениями об
удобстве практического использования системы единиц. Для описания параметров механических процессов удобнее пользоваться
искусственной мерой массы – килограммом. Для описания химических процессов важно знать число атомов или молекул, участвующих в реакциях. По этой причине моль называют химической основной единицей системы СИ, подчеркивая этим, что она вводится
для описания химических взаимодействий веществ и материалов.
Указанная специфика породила еще одно очень важное качество
единицы количества вещества – моля. Оно состоит в том, что при введении химического определения единицы регламентируется не просто количество любого вещества, а количества вещества в виде определенных атомов или молекул. Поэтому моль можно называть единицей количества индивидуального вещества, и он становится более
универсальной единицей количества вещества, чем килограмм. В самом деле, индивидуальные вещества обладают свойствами инерции
и тяготения, так что эталон моля при условии его реализации на необходимом уровне точности может использоваться как эталон массы.
Обратное же невозможно, так как мера массы, изготовленная, например, из сплава платины и иридия, никогда не сможет быть носителем
свойств, присущих, например, кремнию или углероду.
Кроме удобства использования единицы количества вещества
в проведении химических реакций, введение второй основной единицы количества вещества оправдано еще одним обстоятельством.
Оно состоит в том, что измерения количества вещества необходимо
проводить в очень широком диапазоне изменения этой величины.
В макроскопических явлениях объекты измерений в виде твердых
тел содержат порядка 1023 атомов. Это порядок величины числа атомов в грамм-эквиваленте вещества. В микроскопических явлениях существует даже проблема детектирования отдельных атомов.
Следовательно, количество вещества необходимо измерять в диапазоне изменения более чем 20 порядков. Естественно, что ни одно
устройство, ни один прибор на эталонном уровне такой возможности не обеспечит.
241
По этой причине очевидным становится желание метрологов
иметь в качестве основных две единицы количества вещества, одна
из которых позволяет проводить точные измерения в области больших количеств, а вторая – частицы определенного вещества поштучно.
Нежелание метрологов отказаться от какой-либо основной единицы количества вещества, например от килограмма, связано
с тем, что воспроизведение этой единицы изготовлением копии прототипа возможно с очень высокой точностью. Воспроизведение массы независимыми способами, такими как отбор одного литра воды
или электролитическое осаждение определенной массы металла из
раствора, оказывается значительно менее точным, чем изготовление копии килограмма взвешиванием.
В связи с перечисленными трудностями реализации основной
единицы количества вещества в виде эталона не существует: молем
является количество вещества, имеющее столько структурных единиц, сколько их содержится в 12 граммах моноизотопа углерода C12.
Из определения следует, что точно это значение не установлено.
По физическому смыслу оно равно постоянной Авогадро – числу
атомов в грамм-эквиваленте углерода. Это дает возможность определять моль как величину, обратную постоянной Авогадро. Для 12 г
углерода с массовым числом 12 количество атомов будет равно NA.
В соответствии с этим проблема создания эталона количества
вещества сводится к уточнению постоянной Авогадро. Технически
в настоящее время пользуются следующей процедурой:
1. Изготавливают определенное количество (сотни грамм) сверхчистого кремния.
2. На точных масс-спектрометрах измеряют изотопный состав
этого кремния.
3. Выращивают монокристалл сверхчистого кремния.
4. Находят объем V монокристалла по измерениям его массы
и плотности.
5. На рентгеновском интерферометре измеряют размер элементарной ячейки куба в монокристалле кремния – а.
6. Поскольку кристаллическая решетка в кремнии имеет форму
куба, число структурных единиц в монокристалле оказывается равным N = V/a3.
7. По измерениям массы и эквивалентного атомного веса определяют число молей кремния в кристалле: n = m/μ, где m – масса кристалла, μ – атомный вес образца с учетом различного процентного
содержания изотопов.
242
8. Определяют постоянную Авогадро как число структурных
единиц в одном грамм-эквиваленте кремния: NA = N/n.
Работы по уточнению постоянной Авогадро ведутся международными метрологическими центрами постоянно. Особенно большую активность проявляет национальная физическая лаборатория
Германии РТВ в Брауншвейге. Идет постоянная борьба за чистоту
исходного материала (кремния) за счет как очистки от примесей,
так и однородности изотопного состава. Достигнутый в настоящее
время уровень содержания примесей составляет для большинства
элементов не более одной частицы на миллион частиц кремния,
а по некоторым примесям, мешающим кристаллообразованию,
одна частица на миллиард частиц кремния.
В настоящее время относительная погрешность определения постоянной Авогадро достигает 10–6…10–7. Это больше погрешности
изготовления копий эталона килограмма методом взвешивания.
Кроме точности, уступающей точности воспроизведения килограмма, описанная процедура определения моля страдает еще
рядом существенных недостатков. Самый главный из них – это
невозможность создания меры, равной какой-либо части моля или
нескольких молей, то есть создания мер кратных и дольных единиц. Любые попытки сделать это приводят к необходимости взвешивания, то есть определения массы и выхода на эталон килограмма.
Естественно, что смысл воспроизведения моля при этом теряется.
Еще один принципиальный недостаток в процедуре использования
моля заключается в том, что проведенные измерения числа частиц
в кремнии очень трудно, а иногда невозможно сопоставить с какимилибо другими частицами и в первую очередь с углеродом, по которому
собственно и определяется моль. В общем случае любая сверхточная
процедура установления числа частиц какого-либо вещества может
оказаться совершенно непригодной для другого вещества. Массу любых веществ мы можем сравнивать друг с другом, но число частиц
одного вещества может оказаться несопоставимым с числом частиц
другого вещества. В идеальном случае для обеспечения единства измерений состава веществ и материалов следует иметь универсальный
метод воспроизведения моля любого вещества, но чаще всего такая
задача оказывается невыполнимой. Очень большое число веществ
в химические взаимодействия друг с другом не вступают.
Несмотря на все указанные проблемы в реализации эталона
моля, «химическая метрология» существует, и химикам очень
удобно использовать единицу количества вещества, определённую
как число частиц данного сорта. Именно поэтому моль широко распространен в измерениях состава веществ и материалов.
243
5.8. Государственный первичный эталон
единицы плоского угла
Радиан (рад) – единица плоского угла. Радиан равен углу между
двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна
радиусу.
Государственный первичный эталон (рис. 5.11) состоит из комплекса следующих средств измерений:
– интерференционного экзаменатора для воспроизведения единицы и передачи ее размера в область малых углов;
– угломерной автоколлимационной установки для передачи размера единицы;
– 12-гранной кварцевой призмы для контроля стабильности эталона.
Государственный первичный эталон обеспечивает воспроизведение градуса со среднеквадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 0,01′′ при 132 совокупных относительных измерениях 12-гранной призмы. Неисключенная систематическая погрешность не превышает 0,02′′.
Основные причины принятия при построении эталона градусной, а не радианной меры следующие:
Рис. 5. 11. Оборудование Государственного первичного эталона
единицы плоского угла (ГЭТ 22-80)
244
Рис. 5. 12. Вторичный эталон плоского угла (многогранные призмы)
– технологически легче изготовить и аттестовать призму, имеющую пары взаимно параллельных граней, чем клин, с углом при
вершине в 1 рад;
– средства измерений, проградуированные в радианах, не выпускаются, так как наиболее употребительные в технике и быту углы
(90°, 60°, 45°, 30°) не выражаются целочисленно в радианной мере;
– поскольку на сегодня мы располагаем сколь угодно точным
значением π, пересчет градусной меры в радианную не дает дополнительной погрешности, даже на эталонном уровне.
Эталона телесного угла – стерадиана – не существует, нет
и средств измерений для телесных углов. Телесные углы определяют путем измерения плоских углов: при телесном угле в 1 ср плоский угол при вершине конуса составляет 65°32′.
Рабочий эталон плоского угла показан на рис. 5.12. Принцип измерения тот же, что и в первичном эталоне.
Контрольные вопросы
1. Государственный первичный эталон единицы массы.
2. Государственный первичный эталон единицы времени и частоты.
3. Государственный первичный эталон единицы длины.
4. Государственный первичный эталон единицы температуры.
5. Государственный первичный эталон единицы силы света.
6. Государственный первичный эталон единицы силы постоянного электрического тока.
7. Проблемы построения эталона единицы количества вещества.
8. Государственный первичный эталон единицы плоского угла.
9. Проблемы построения эталонов плоского и телесного угла.
10. Структура базы национальных эталонов РФ.
245
5.9. Планы и перспективы переопределения
единиц системы СИ
В 2007 г. в Париже на XXIII ГКМВ обсуждались проблемы, связанные с переопределением ряда основных единиц СИ. После доклада Президента Консультативного комитета по единицам проф.
Я. Миллса о результатах работы за последние 12 лет и его обсуждения была принята Резолюция L «О возможном переопределении некоторых основных единиц Международной системы единиц (СИ)»,
в которой рекомендовалось Национальным метрологическим институтам и МБМВ проводить соответствующие эксперименты, чтобы МКМВ мог прийти к заключению о возможности переопределения килограмма, ампера, кельвина и моля с использованием фиксированных значений фундаментальных констант на XXIV ГКМВ
в 2011 г., на которой МКМВ представит доклад по этим вопросам
и официальные предложения по изменениям в определениях килограмма, ампера, кельвина и моля.
В октябре 2011 г. в Париже состоялась XXIV ГКМВ, на которой
окончательное решение о переопределении было отнесено на следующее, XXV заседание ГКМВ, а в Резолюции 1 было высказано намерение дальнейшего совершенствования формулировок для определений ряда основных единиц СИ, начиная с килограмма. Вновь
была подчеркнута необходимость продолжения исследований в Национальных метрологических институтах по уточнению значений
фундаментальных физических констант, а также по инициированию информационных кампаний в связи с намерениями по пересмотру определений ряда основных единиц СИ и о практических,
технических и законодательных последствиях таких переопределений.
Резолюция 1 XXIV ГКМВ (октябрь 2011 г.) О возможном будущем
пересмотре Международной системы единиц (СИ)
Генеральная конференция по мерам и весам (ГКМВ) на своем
24-м заседании учитывая:
– международный консенсус в отношении важности, ценности
и потенциальных преимуществ переопределения единиц Международной системы единиц (СИ);
– что национальными метрологическими институтами, а также
МБМВ в последние несколько десятилетий затрачены значительные усилия, чтобы за счет расширения границ метрологии система
единиц СИ могла быть определена в терминах инвариантов природы фундаментальных физических констант или свойств атомов;
246
– что ярким примером успеха таких усилий является текущее
определение единицы СИ метра (XVII ГКМВ, 1983 г., Резолюция 1),
которая связывает его с точным значением скорости света в вакууме, а именно 299 792 458 м/с;
– что из семи основных единиц СИ только килограмм попрежнему определяется с точки зрения материального артефакта, а
именно международного прототипа килограмма (1-я ГКМВ, 1889 г.
и III ГКМВ, 1901 г.), и что определения ампера, моля и канделы попрежнему зависят от килограмма;
– что, хотя международный прототип хорошо послужил науке
и технике, как это было санкционировано ГКМВ на своем первом
заседании в 1889 г., он имеет ряд существенных ограничений и одно
из самых значительных в том, что его масса косвенно связана с природными инвариантами, и, вследствие этого, нет уверенности в ее
долгосрочной стабильности;
– что на XXI ГКМВ в 1999 г. была принята Резолюция 7, в которой национальным лабораториям рекомендовалось, продолжить
свои усилия по реализации экспериментов по привязке единицы
массы к фундаментальным или атомным константам с целью разработки будущего переопределения килограмма;
– что в последние годы были достигнуты успехи, касающиеся
привязки массы международного прототипа к постоянной Планка
h методами, которые включают ваттвесы и измерения массы атомов
кремния;
– что неопределенности всех электрических единиц СИ, получаемые непосредственно или косвенно с помощью эффекта Джозефсона и квантового эффекта Холла, совместно со значениями констант
Джозефсона и фон Клитцинга KJ и RК, могут быть значительно
понижены, если килограмм будет пересмотрен таким образом, чтобы быть связанным с точным численным значение h, и ампер должен быть пересмотрен таким образом, чтобы связать его с точным
численным значением элементарного заряда е;
– что кельвин в настоящее время определяется с точки зрения
внутренних свойств воды, которая, будучи природным инвариантном, на практике зависит от ее используемой чистоты и изотопного
состава;
– что кельвин может быть также связан с точным численным
значением постоянной Больцмана k;
– что моль также можно переопределить, связав его с точным
численным значением постоянной Авогадро NA, и, таким образом,
больше не зависящим от определения килограмма, даже если ки247
лограмм будет определен по точному численному значению постоянной Планка h, тем самым подчеркивая различия между количеством вещества и массы;
– что неопределенность значений многих других важных фундаментальных констант и факторов преобразования энергии могла бы
быть значительно уменьшена, если бы константы h, e, k и NA имели
точные численные значения, выраженные в единицах СИ;
– что на XXIII ГКМВ в 2007 г. была принята Резолюция 12, в которой поставлена задача, которая должна решаться НМИ, МБМВ
и МКМВ вместе с его консультативными комитетами, чтобы можно
было принять новые определения килограмма, ампера, кельвина,
моля в привязке к фундаментальным физическим константам;
– что, хотя эта работа идет успешно, не все требования, установленные в Резолюции 12, принятой ГКМВ на заседании в 2007 г.,
были выполнены и МКМВ еще не готов сформулировать окончательные предложения, тем не менее, четкие и подробные объяснения того, что, вероятно, будет предлагаться, теперь могут быть
представлены и приняты к сведению как намерения МКМВ предложить пересмотр СИ следующим образом:
Международная система единиц (СИ) будет системой единиц,
в которой:
– частота сверхтонкого расщепления основного состояния атома
цезия-133 Δν точно равна 9 192 631 770 Hz (s–1);
– скорость света в вакууме с = 299 792 458 m/s;
– постоянная Планка h = 6,626 06X ∙ 10–34 J ∙ s;
– элементарный электрический заряд е = 1,602 17Х ∙ 10–19 C;
– постоянная Больцмана k = 1,380 6X ∙ 10–23 J/К;
– постоянная Авогадро NA = 6,022 14X ∙ 1023 mol–1;
– световая эффективность Кcd монохроматического излучения
частотой 540 ∙ 1012 Гц равна 683 lm/W,
где (i) Гц, джоуль, кулон, люмен и ватт, с единичными символами
Hz, J, C, lm и W и, соответственно, связаны с метром, килограммом,
ампером, кельвином, молем и канделой, с единичными символами
s, m, kg, A, K, mol и cd, в соответствии c Hz = s–1, J = m2 ∙ kg ∙ s–2,
C = s ∙ A, lm = cd ∙ m2 ∙ m–2 = cd ∙ sr и W = m2 ∙ kg ∙ s–3,
(ii), символ X в этом проекте резолюции представляет собой одну
или более дополнительных цифр, которые будут добавлены к численным значениям h, e, k, NA, используя значения на основе самых последних данных CODATA, из которых следует, что в СИ попрежнему будет существующий в настоящее время набор из семи
базовых величин, в частности:
248
– килограмм по-прежнему будет единицей массы, но его величина будет установлена в соответствии с численным значением постоянной Планка равным точно 6,626 06X ∙ 10–34, когда оно выражается в единице СИ m2 ∙ kg ∙ s–1, которая равна J ∙ s;
– ампер по-прежнему будет единицей электрического тока, но ее
величина будет установлена на основе численного значения элементарного заряда, равного точно 1,602 17X ∙ 10–19, когда оно выражается в единице СИ s ∙ A, которая равна C;
– кельвин будет по-прежнему единицей термодинамической
температуры, но ее величина будет установлена путем установления численного значения постоянной Больцмана, равного точно
1,380 6X ∙ 10–23, когда оно выражается в единице СИ m2 ∙ kg ∙ s–2 ∙ K–1,
которая равна J ∙ K–1;
– моль по-прежнему будет единицей количества вещества в указанных элементарных частицах, которыми могут быть атомы, молекулы, ионы, электроны и любые другие частицы или определенные
группы таких частиц, но ее величина будет установлена путем установления численного значения постоянной Авогадро, которая будет
равна точно 6,022 14X ∙ 1023, когда она выражается в единице СИ mol–1.
Генеральная конференция по мерам и весам отмечает далее, что:
– новые определения килограмма, ампера, кельвина и моля
предназначены быть постоянными, но определены косвенно, с указанием точных значений признанных фундаментальных констант;
– существующее определение метра связано с точным значением скорости света в вакууме на основе известных фундаментальных
констант;
– существующее определение секунды связано с точным значением, выраженным свойством атома цезия, которое также является
природным инвариантом;
– хотя существующее определение канделы не связано с фундаментальной константой, оно может рассматриваться в связи с точным значением природного инварианта;
– это позволит повысить понятность Международной системы
единиц (СИ), если все ее базовые величины будут иметь подобные
формулировки, МКМВ также может предложить переформулирование существующих определений секунды, метра и канделы в эквивалентных формах, которые могли бы быть следующими:
– секунда s составляет единицу времени и значение ее величины
устанавливается с помощью фиксации численного значение сверхтонкого расщепления основного состояния частоты атома цезия-133
249
в покое и при температуре 0 К, равным 9 192 631 770, когда оно выражается в единице СИ s–1, которая равна Hz;
– метр m составляет единицу длины и значение ее величины
устанавливается с помощью фиксации численного значения скорости света в вакууме, равного 299 792 458, когда оно выражается
в единице СИ, которая равна m ∙ s–1;
– кандела cd составляет единицу силы света в том или ином направлении и значение ее величины устанавливается численным
значением световой эффективности монохроматического излучения
с частотой 540 ∙ 1012 Гц, равным 683, когда оно выражается в единице СИ, которая равна m–2 ∙ kg–1 ∙ s3 ∙ cd ∙ sr или cd ∙ sr ∙ W–1.
Таким образом, определения всех семи базовых величин будут
следовать из набора приведенных семи констант.
Как следствие, для реализации пересмотра (СИ) выбраны:
– определение килограмма, вступившее в силу с 1889 г., основанное на определении массы международного прототипа килограмма
(1-я ГКМВ, 1889 г., III ГКМВ, 1901 г.), будет отменено;
– определение ампера, вступившее в силу с 1948 г. (IX ГКМВ,
1948 г.), основанное на определении, предложенном МКМВ (1946 г.,
Резолюция 2), будет отменено;
– обычное значение джозефсоновской постоянной Kj–90 и постоянной фон Клитцинга RК–90, принятые МКМВ (1988 г., Рекомендации 1 и 2) по просьбе Генеральной Конференции (XVIII ГКМВ,
1987 г., Резолюция 6) для создания определений вольт и ом с использованием эффекта Джозефсона и квантового эффекта Холла,
соответственно, будут отменены;
– определение кельвина, вступившее в силу с 1967–1968 гг.
(XIII ГКМВ, Постановление 4), основанное на ранних определениях
(X ГКМВ, 1954 г., Резолюция 3), будет отменено;
– определение моль, вступившее в силу с 1971 г. (XIV ГКМВ,
Резолюция 3), основанное на определении молярной массы углерода 12, имеющее точное значение 0,012 kg ∙ mol–1, будет отменено,
– существующие определения метра, секунды и канделы, вступившие в силу и принятые на XVII ГКМВ (1983 г., Резолюция 1),
XIII ГКМВ (1967–1968 гг., резолюция 1) и XVI ГКМВ (1979 г., Резолюция 3), соответственно, будут отменены.
Генеральная конференция по мерам и весам отмечает далее, что:
– масса международного прототипа килограмма m (К) будет равной 1 кг, но с относительной погрешностью, равной рекомендуемому значению h перед переопределением, и что в дальнейшем его значение будет определено экспериментально;
250
– магнитная постоянная (проницаемость вакуума) μ0 будет равной 4π ∙ 10–7 Н ∙ м–1, с относительной неопределенностью, равной
рекомендуемому значению постоянной тонкой структуры α, и что
впоследствии его значение будет определено экспериментально;
– термодинамическая температура тройной точки воды TTPW будет равна 273,16 К, но с относительной погрешностью, равной рекомендуемому значению k до пересмотра, и что в дальнейшем его
значение будет определено экспериментально;
– молярная масса углерода 12 М (12С) будет равной 0,012 kg ∙ mol–1,
но с относительной погрешностью, равной рекомендуемому значению NA, ∙ h до пересмотра, и в дальнейшем его значение будет определено экспериментально.
Генеральная конференция по мерам и весам поощряет:
– исследователей в НМИ, МБМВ и академических учреждениях
в продолжении своих усилий и доведения до сведения научного сообщества, в целом, и CODATA, в частности, результатов их работ,
связанных с определением констант h, e, K, NA;
– МБМВ для продолжения своей работы, касающейся прослеживаемости прототипов, которая ведется над международным прототипом килограмма в целях содействия распространению единицы
массы при ее пересмотре;
приглашает:
– CODATA продолжать регулирование значений фундаментальных физических констант на основе всей соответствующей информации и сообщать результаты МКМВ через его Консультативный
комитет по единицам, так как эти значения CODATA и их неопределенности могут быть теми, которые будут использоваться для пересмотра системы СИ;
– МКМВ для подготовки предложений о пересмотре СИ, как
только Рекомендации Резолюций XII из XXIII ГКМВ будут выполнены, в частности, по подготовке документов для новых определений килограмма, ампера, кельвина и моля;
– МКМВ для продолжения работ по улучшению формулировок
для определения базы единиц СИ в терминах фундаментальных констант, имеющих как можно более понятных описаний для общих
пользователей в соответствии с научной строгостью и четкостью;
– МКМВ, Консультативный комитет по единицам, МБМВ,
МОЗМ и НМИ значительно активизировать свои усилия по инициированию информационных кампаний, направленных на доведение
до пользователей и широкой общественности информации о намерениях по пересмотру различных единиц СИ, а также о поощрении
251
рассмотрения практических, технических и законодательных последствий такого переопределения, с целью возможности реализации всех замечаний и предложений от широких научных кругов
и сообществ пользователей.
Резолюция 1 XXV ГКМВ (ноябрь 2014 г.)
О предстоящем пересмотре Международной системы единиц СИ
XXV ГКМВ, ссылаясь на:
– Резолюцию 1, принятую на XXIV ГКМВ (2011 г.), в которой
отмечалось намерение МКМВ внести предложение о пересмотре
системы СИ, призванным связать определения килограмма, ампера, кельвина и моля с точными числовыми значениями постоянной
Планка h, элементарного заряда e, постоянной Больцмана k и постоянной Авогадро NA соответственно, и изменить характер определений, применяемых в системе СИ, включая формулировки определений единиц СИ для времени, длины, массы, электрического тока,
термодинамической температуры, количества вещества и силы света, таким образом, чтобы они отчетливо отражали фундаментальные константы, положенные в основу СИ;
– обобщенные в Резолюции 1 многочисленные преимущества такого пересмотра для науки, технологии, промышленности и торговли, в особенности что касается связывания значения килограмма
с неизменным явлением природы, а не с массой материального артефакта, и обеспечения таким образом стабильности этого значения
в долгосрочной перспективе;
– Резолюцию 7, принятую на XXI ГКМВ (1999 г.), которая направлена на стимулирование проводимых НМИ работ, могущих
способствовать такому переопределению килограмма;
– Резолюцию 12, принятую на XXIII ГКМВ (2007 г.), очерчивающую круг работ, которые должны быть проведены НМИ, МБМВ,
а также МКМВ вместе с его Консультативными комитетами с целью
утверждения запланированного пересмотра системы СИ Генеральной конференцией по мерам и весам;
принимая во внимание существенный прогресс, достигнутый
в выполнении требуемых работ, в том числе:
– сбор необходимых данных и их анализ Комитетом по данным
для науки и техники (CODATA) для получения требуемых значений
h, e, k и NA;
– создание при МБМВ группового исходного эталона массы с целью передачи значения единицы массы в рамках пересмотренной
системы СИ;
252
– подготовку практической реализации новых определений килограмма, ампера, кельвина и моля, отмечая, что в дальнейшей работе Консультативный Комитет по единицам (CCU), МКМВ, МБМВ,
НМИ и Консультативные комитеты должны сосредоточить усилия на:
– проведении информационных кампаний для привлечения
внимания сообществ пользователей, а также широкой общественности к предлагаемому пересмотру системы СИ;
– подготовке 9-й редакции Брошюры СИ, в которой описание пересмотренной системы СИ представлено в форме, легко доступной
для самой разнообразной читательской аудитории, но без ущерба
для научного содержания, а также то, что несмотря на упомянутый прогресс, эти данные пока не представляются ГКМВ достаточно надежными для утверждения пересмотренной системы СИ
на XXV ГКМВ, призывает:
– НМИ, МБМВ и академические учреждения продолжить усилия, направленные на получение данных, необходимых для установления значений h, e, k, и NA с требуемым уровнем неопределенности;
– НМИ продолжить в Консультативных комитетах свою деятельность по анализу и обсуждению этих данных;
– МКМВ продолжить разработку плана по реализации Резолюции 1 XXIV ГКМВ (2011 г.) на уровне соответствующих Консультативных комитетов и Консультативного комитета по единицам измерения (CCU);
– МКМВ вместе с его Консультативными комитетами, НМИ,
МБМВ и другие организации, такие как Международная организация законодательной метрологии (МОЗМ), довести до завершения
все работы, необходимые для утверждения на XXVI ГКМВ в 2018 г.
резолюции, в соответствии с которой существующая система СИ будет заменена пересмотренной системой СИ, при условии, что объем
собранных данных, значения их неопределенностей, а также степень
их непротиворечивости будут признаны удовлетворительными.
Контрольные вопросы
1. Основные цели переопределения единиц величин.
2. Решение XXIV ГКМВ О возможном будущем пересмотре Международной системы единиц СИ.
3. Решение XXV ГКМВ О предстоящем пересмотре Международной системы единиц СИ.
253
6. МЕЖДУНАРОДНОЕ СОТРУДНИЧЕСТВО
В ОБЛАСТИ МЕТРОЛОГИИ
Возрастающая глобализация экономики, устранение барьеров
в торговле характеризуются растущими взаимосвязями между национальными экономическими структурами. Капиталы, технологии, предприятия и оборудование пересекают границы государств.
Финансы, информация и другие нематериальные объекты без затруднений перемещаются по всему миру. Устранение региональных
и национальных барьеров в торговле стало центральной политической задачей и привело к основанию в 1995 г. Всемирной торговой
организации (ВТО). Соглашение ВТО по техническим барьерам
в торговле охватывает все процедуры оценки соответствия, содержит правила целесообразной практики подготовки, утверждения
и применения стандартов и других технических норм для исключения избыточных препятствий в торговле. Потребности глобализации экономики и торговли стимулируют процессы гармонизации
норм в области стандартизации и метрологии, что, в свою очередь,
требует гармонизированного с международной практикой развития
национальных метрологических инфраструктур и инициирует разработку и заключение международных и двусторонних соглашений
между странами по взаимному признанию результатов измерений
и испытаний [1].
6.1. Международные региональные
метрологические организации
Тенденции в развитии региональных мировых рынков (Европейская экономическая зона, Северо-Американская ассоциация свободной торговли, Азиатско-Тихоокеанское экономическое сотрудничество) делают необходимым международное и региональное
сотрудничество в области метрологии. В силу географического положения, политических и экономических связей наибольший интерес для России представляет сотрудничество в таких региональных
метрологических организациях (РМО), как СНГ, КООМЕТ, ЕВРАМЕТ, ВЕЛМЕК, ЕЭК ООН, АТФЗМ, АТМП и ряде других, которые
тесно взаимосвязаны с МБМВ, МОЗМ, ИЛАК и другими ведущими
международными организациями [1].
Сотрудничество с международными и региональными организациями отвечает национальным интересам России, способствует
развитию ее торговых и экономических связей, служит важным
источником получения и обмена научно-технической информаци254
ей, позволяет поддерживать и совершенствовать национальную эталонную базу страны.
В 1999 г. под эгидой МКМВ было подписано Соглашение (Договоренность) о взаимном признании национальных эталонов и сертификатов калибровки и измерений, выдаваемых национальными
метрологическими институтами – CIPM MRA. Реализацией этого
Соглашения занимается Межправительственная организация Метрической конвенции. В настоящее время участниками Соглашения являются НМИ 56 стран-членов Метрической конвенции, 37 ассоциированных членов ГКМВ и три международные организации.
Соглашение декларирует следующие цели его реализации:
– установление степени эквивалентности национальных эталонов (т. е. степени, с которой эти эталоны согласуются с опорными
значениями, определяемыми в ходе ключевых сличений);
– взаимное признание сертификатов калибровки и измерений,
выдаваемых НМИ;
– обеспечение правительств и национальных административных
органов надежной технической базой для более широких договоренностей, касающихся международной торговли, научно-технического сотрудничества и разработки нормативных документов.
Результатом участия НМИ в Соглашении CIPM MRA является
публикация в базе данных ключевых сличений KCDB сведений об
их калибровочных и измерительных возможностях (CMC), которые
определяют как «наивысший уровень измерений или калибровки,
обычно предлагаемый клиентам, выраженный в значениях доверительного уровня, равного 95 %».
Поддерживаемая МБМВ и общедоступная в сети Интернет KCDB
содержит приложения А, В, С и D к Соглашению CIPM MRA:
А – Перечень участников Соглашения CIPM MRA.
В – Информация МКМВ и РМО о ключевых и дополнительных
сличениях с результатами оценки эквивалентности сличенных эталонов.
С – Данные о CMC, признанных НМИ – участниками Соглашения CIPM MRA.
D – Перечень и краткое описание ключевых сличений, зарегистрированных МБМВ. Публикуемые на сайте МБМВ данные о CMC
по существу представляют собой сведения о метрологических услугах, которые могут быть оказаны соответствующим НМИ с выдачей сертификата, признаваемого на международном уровне. Для
этого CMC должны демонстрировать прослеживаемость. Органом,
координирующим сотрудничество участников Соглашения CIPM
MRA, является Объединенный комитет РМО (JCRB), созданный
255
в 1998 г. В Объединенный комитет входят представители пяти
РМО: Внутриафриканская метрологическая система (AFRIMETS),
Азиатско-Тихоокеанская программа по метрологии (APMP), Европейская организация национальных метрологических учреждений
(EURAMET), Межамериканская метрологическая система (SIM)
и Евро-Азиатское сотрудничество государственных метрологических учреждений (СООМЕТ). Росстандарт России входит в Объединенный комитет. В соответствии с Соглашением Объединенному
комитету вверяется:
– согласование действий среди РМО по созданию доверия к признанию сертификатов калибровки и измерений;
– внесение «политических» предложений для РМО и МКМВ по
работе с Соглашением;
– анализ критериев Соглашения для применения в каждой РМО;
– анализ и внесение в Прил. С предложений от каждой РМО
в части потенциальных возможностей при проведении калибровки
и измерений в каждом НМИ и передачи отчета в МКМВ;
– содействие в проведении соответствующих межрегиональных
сличений;
– подготовка ежегодного отчета о деятельности Объединенного
комитета для МКМВ и для НМИ, подписавших Соглашение.
Объединенным комитетом РМО и МБМВ координируются все
действия по каждой экспертизе в соответствии с принятыми им
процедурами и внедряются поисковые системы, совершенствующие процесс опубликования этих данных. Объединенный комитет
разрабатывает и утверждает документы, необходимые для реализации Соглашения и регламентирующие, в частности, методику оценивания неопределенности измерения для CMC, критерии оценки
и процедуры их утверждения и опубликования, порядок контроля
и отчетности РМО относительно функционирования систем качества НМИ. Все эти документы публикуются на сайте Объединенного комитета. На их основе РМО разрабатывают документы, необходимые для реализации Соглашения.
Региональная метрологическая организация выполняет основной объем работ по экспертизе и согласованию CMC. Данные по
CMC в определенной области измерений, полученные от конкретного НМИ, подвергаются экспертизе внутри РМО, членом которой
он является, а затем через Объединенный комитет РМО и МБМВ
направляются на межрегиональное рассмотрение в другие РМО.
При условии одобрения этих данных другими РМО их представляют на утверждение в Объединенный комитет РМО и МБМВ и затем
публикуют на сайте МБМВ.
256
6.2. Евро-Азиатское сотрудничество государственных
метрологических учреждений
В июне 1991 г. на учредительном заседании в Варшаве был подписан Меморандум о сотрудничестве и образовании региональной
организации по метрологии – Сотрудничество государственных
метрологических учреждений стран Центральной и Восточной Европы (КООМЕТ). Необходимость создания подобной региональной
организации по метрологии была обусловлена социально политической обстановкой того времени, роспуском Совета Экономической
Взаимопомощи и необходимостью сохранения научно-технического
потенциала, наработанного в период долголетнего сотрудничества
в рамках этого Совета странами Центральной и Восточной Европы.
Объединению способствовала территориальная близость этих стран
и наличие экономических связей, для сохранения и совершенствования которых необходимо было выработать правила и нормы метрологического обслуживания экономических и научно-технических отношений. Кроме того, создание или совершенствование во
многих странах-партнерах основ национального законодательства
в области метрологии в условиях перехода на рыночную экономику
закрепляло в национальном законодательстве по метрологии принципиально новые подходы к сферам распространения государственного метрологического контроля и надзора и позволяло внедрить их
новые виды. С учетом этого для большинства участников КООМЕТ
актуальным являлось и до настоящего времени является сотрудничество в области законодательной метрологии. В мае 2002 г. в целях
упрощения процедуры вступления в КООМЕТ метрологических организаций не только европейских, но и азиатских стран, Совет был
официально переименован в «Евро-Азиатское сотрудничество государственных метрологических учреждений».
Меморандум о сотрудничестве
Государственные метрологические учреждения, от имени которых подписан настоящий Меморандум, исходя из:
– территориальной близости стран и их экономических связей;
– необходимости постоянного совершенствования метрологического обслуживания экономических и научно-технических отношений;
– сходства структур и принципов деятельности национальных
метрологических служб;
– накопленного опыта и результатов двух- и многостороннего сотрудничества;
257
– стремления более тесного взаимодействия в рамках международных и региональных метрологических организаций, заявляют
о своем намерении сотрудничать в области эталонов единиц физических величин, калибровки, законодательной метрологии, систем
менеджмента качества, информационных технологий и обучения
в области метрологии в рамках организации КООМЕТ.
Раздел 1. Члены КООМЕТ
КООМЕТ является организацией Евро-Азиатского сотрудничества государственных метрологических учреждений (из числа
стран Центральной и Восточной Европы, Азии и географически
близких к ним стран), открытой для присоединения к ней метрологических учреждений стран других регионов.
Раздел 2. Цели КООМЕТ
Целями КООМЕТ являются: Содействие эффективному решению
вопросов единообразия мер, единства и требуемой точности измерений. Содействие развитию сотрудничества в экономике и устранению технических препятствий в международной торговле. Сближение деятельности метрологических служб на основе международных договоренностей.
Раздел 3. Задачи КООМЕТ
Задачами КООМЕТ являются укрепление связей между государственными метрологическими учреждениями, заинтересованными
в решении совместных проблем, и создание эффективных механизмов для:
– достижения взаимного соответствия эталонов, согласованности требований, предъявляемых к измерительным приборам и методам их метрологического контроля;
– признания эквивалентности национальных сертификатов,
удостоверяющих результаты метрологической деятельности;
– обмена информацией о состоянии метрологических служб
и направления их развития;
– совместной разработки метрологических тем;
– содействия во взаимном оказании метрологических услуг.
Раздел 4. Основные направления сотрудничества КООМЕТ
К основным направлениям сотрудничества КООМЕТ относятся:
– реализация Соглашения CIPM MRA;
– создание и совершенствование первичных эталонов единиц
и шкал физических величин;
– передача размеров единиц от первичных эталонов рабочим
средствам измерений;
– участие в ключевых сличениях национальных эталонов CIPM
и проведение региональных сличений эталонов;
258
– разработка новых методов измерений и новых типов высокоточных средств измерений;
– решение вопросов общей метрологии, включая вопросы теории
измерений и погрешностей, системы единиц, терминологии;
– создание системы сбора и распространения информации по метрологии и измерительной технике, информационно-измерительные технологии;
– определение, сбор, оценка и аттестация стандартных справочных данных, используемых в метрологии;
– создание и применение стандартных образцов состава и свойств
веществ и материалов;
– согласование требований к измерительным приборам, подлежащим метрологическому контролю, а также методов их испытаний, с учетом международных рекомендаций;
– создание условий для взаимного признания результатов метрологического контроля и надзора;
– развитие калибровки и признание ее результатов в соответствии с принципами и процедурой, установленными международными организациями;
– создание, обеспечение функционирования и развития систем
менеджмента качества национальных метрологических институтов;
– обучение и повышение квалификации специалистов;
– совершенствование деятельности Организации и ее структур.
Раздел 5. Структура КООМЕТ и порядок работы
Инициативным и поддерживающим сотрудничество органом
КООМЕТ является Комитет, в состав которого входят руководители
государственных метрологических учреждений – Членов КООМЕТ
или назначенные ими лица, по одному представителю. Комитет заботится о том, чтобы деятельность КООМЕТ соответствовала его
целям и способствовала решению его задач. Комитет избирает из
числа своих Членов Президента сроком на 3 года с возможностью
одного повторения этого срока.
Каждый Член Комитета может участвовать в его заседаниях
в сопровождении экспертов. Право голоса имеет только Член Комитета. Комитет может приглашать на свои заседания представителей
от других международных и региональных организаций в качестве
наблюдателей. Заседания Комитета созываются по мере необходимости, но не реже одного раза в год.
Комитет устанавливает порядок своих действий и действий
остальных органов КООМЕТ. Президент Комитета обеспечивает ве259
дение Секретариата КООМЕТ, как правило, силами своего национального органа. Секретариат КООМЕТ оказывает помощь Президенту и Совету Президента в управлении деятельностью КООМЕТ
и осуществляет связь между Членами Комитета, а также между
Комитетом, структурными и рабочими органами КООМЕТ. Для
организации работ по основным областям и направлениям сотрудничества по решению Комитета КООМЕТ образуются структурные
органы КООМЕТ – Объединенные комитеты (ОК), Технические комитеты (ТК), Советы, Форумы и др. Их цели, задачи, порядок работы и взаимодействия определяются Положениями о них, утверждаемыми Комитетом КООМЕТ.
Раздел 6. Языки
Заседания Комитета ведутся на английском и/или на русском
языках. Документы общего распространения, получаемые и рассылаемые Секретариатом, должны быть отредактированы на английском и на русском языках. Окончательные отчеты по выполненным
работам могут быть отредактированы на английском, французском,
немецком или русском языках.
Раздел 7. Права
Для достижения целей КООМЕТ каждый Член Организации
имеет следующие права:
– иметь доступ, по согласованию, к национальным эталонам
Членов Организации;
– обращаться за содействием и оказанием помощи при решении
метрологических проблем;
– предлагать темы совместных работ и участвовать в их реализации;
– получать информацию о результатах деятельности органов
КООМЕТ.
Раздел 8. Обязанности
Для достижения целей КООМЕТ каждый Член Организации
принимает на себя следующие обязательства:
– предоставлять Комитету по его запросу в разумных пределах
информацию о проводимых и планируемых работах в соответствии
с направлениями деятельности КООМЕТ;
– оказывать Членам КООМЕТ помощь и услуги по договоренности;
– принимать участие в совместных работах КООМЕТ, исходя из
имеющихся в его распоряжении финансовых и технических средств
и в зависимости от степени своей заинтересованности и компетентности;
260
– сохранять конфиденциальность информации о результатах испытаний типа, поверок и калибровок средств измерений, представленной другой стороной;
– учитывать в деятельности своих государственных метрологических учреждений рекомендации КООМЕТ и содействовать использованию результатов работ КООМЕТ в своих странах.
Раздел 9. Сотрудничество с международными и региональными организациями
1. КООМЕТ в максимальной степени будет пользоваться результатами работ международных метрологических и других организаций:
– международных организаций в рамках Метрической конвенции:
Генеральной конференции мер и весов (CGPM), Международного комитета мер и весов (CIPM) и Международного бюро мер и весов (BIPM);
– Международной организации законодательной метрологии
(OIML), Международного комитета законодательной метрологии
(CIML) и Международного бюро по законодательной метрологии
(BIML);
– Международного сотрудничества по аккредитации лабораторий (ILAC);
– Международного форума по аккредитации (IAF);
– Международной конфедерации по измерительной технике
(IMEKO) и др.,
а также организаций, представляющих интерес для метрологии,
таких как ISO, IEC, CODATA, и будет в своих работах руководствоваться их рекомендациями.
2. КООМЕТ, исходя из взаимной заинтересованности, будет сотрудничать с региональными метрологическими и другими организациями:
– Европейской ассоциацией национальных метрологических институтов (EURAMET);
– Европейским сотрудничеством в области законодательной метрологии (WELMEC);
– Европейским сотрудничеством по аккредитации (EA);
– Азиатско-Тихоокеанской метрологической программой (APMP);
– Азиатско-Тихоокеанским форумом по законодательной метрологии (APLMF);
– Азиатско-Тихоокеанским сотрудничеством по аккредитации
(APLAC);
– Научно-технической комиссией по метрологии (НТКМ) Межгосударственного совета по стандартизации, метрологии и сертификации (МГС);
261
– Внутриафриканской метрологической системой (AFRIMETS);
– Межамериканской метрологической системой (SIM) и др.
Раздел 10. Условия действия
Настоящий Меморандум вступает в силу с момента его подписания не менее чем четырьмя сторонами, при этом он остается открытым для других участников. В настоящий Меморандум могут быть
внесены поправки в письменной форме в любое время с согласия
не менее 3/4 подписавших его сторон. Если одна из сторон, подписавших Меморандум, по какой-либо причине намерена прекратить
свое участие в КООМЕТ, она должна уведомить Президента Комитета КООМЕТ о своем намерении не позднее, чем за шесть месяцев.
Настоящий Меморандум заключен сроком на пять лет. Если в течение этих пяти лет в Комитет КООМЕТ не поступит предложение
о пересмотре или окончании действия настоящего Меморандума от
более чем одной трети подписавших его сторон, то его действие будет продлено на очередные пять лет.
Раздел 11. Ограничения
Решения КООМЕТ носят рекомендательный характер. Финансирование деятельности Секретариата осуществляется за счет средств
председательствующей в Комитете КООМЕТ Стороны. Остальные
Члены КООМЕТ на добровольной основе могут оказывать финансовую поддержку Секретариату, Совету Президента и другим органам
КООМЕТ для осуществления конкретных мероприятий. Настоящий Меморандум не затрагивает прав и обязательств подписавших
его сторон, вытекающих из других двусторонних или многосторонних соглашений.
В настоящее время в состав КООМЕТ входят государственные метрологические учреждения Азербайджана, Армении, Беларуси, Болгарии, Боснии и Герцеговины, Германии, Грузии, Казахстана, КНДР,
Республики Куба, Кыргызстана, Литвы, Молдовы, России, Румынии,
Словакии, Таджикистана, Турции, Узбекистана и Украины.
В КООМЕТ организованы работы по реализации Соглашения
CIPM MRA:
– обеспечены мониторинг принимаемых JCRB решений и состояния прохождения материалов по СМС, поступающих от НМИ
стран-участниц КООМЕТ и из других РМО;
– создана и постоянно развивается нормативно-методическая
база, регламентирующая большинство вопросов по проведению
в КООМЕТ работ по реализации Соглашения;
– сформирована постоянно обновляемая Программа сличений
эталонов КООМЕТ, в которой участвуют и НМИ из других РМО (Великобритании, Дании, Израиля, Польши, Турции и других стран);
262
– разработана типовая форма сертификатов калибровки, выдаваемых НМИ КООМЕТ.
Важнейшим направлением работ по реализации Соглашения
CIPM MRA стала деятельность Форума качества КООМЕТ. Активное участие российских специалистов в его деятельности способствовало тому, что все метрологические институты Росстандарта
получили свидетельства Форума качества КООМЕТ о признании их
систем менеджмента качества в соответствии со стандартом ИСО/
МЭК 17025. КООМЕТ участвует в деятельности ряда других РМО.
Доля СМС стран-участниц КООМЕТ в международной базе KCDB
достигает 20%. А такие страны-участницы КООМЕТ, как Германия и Россия, все эти годы по количеству опубликованных на сайте МБМВ СМС (т. е. признанным на международном уровне) делят
второе и третье места, соответственно, среди стран-участниц Соглашения CIPM MRA, уступая лишь США. КООМЕТ активно сотрудничает с Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации СНГ.
6.3. Договоренность о взаимном признании
и база данных ключевых сличений МБМВ
В 1999 г. на 21-м заседании ГКМВ была принята Договоренность
о взаимном признании национальных эталонов и сертификатов
калибровки и измерений, выдаваемых национальными метрологическими институтами (CIPM MRA). Ее формальное утверждение
содержится в Резолюции 2 21-го заседания ГКМВ, Резолюцией 3
которого предусматривалось создание категории ассоциированных
членов ГКМВ – государств и экономических сообществ, что позволило развивающимся странам, а также странам с переходной экономикой принимать участие в CIPM MRA.
Руководители НМИ, являющиеся участниками CIPM MRA, обязуются:
– поддерживать предусмотренный CIPM MRA процесс создания базы данных МБМВ (KCDB), размещенной в свободном доступе
в сети Интернет;
– признавать результаты сличений, публикуемые в базе данных;
– признавать калибровочные и измерительные возможности
других участвующих в Соглашении НМИ, зафиксированные в базе
данных.
Администрирование базы данных KCDB осуществляется МБМВ.
База данных обеспечивает техническую основу функционирования
CIPM MRA, давая возможность ознакомиться со списком лаборато263
рий, принимающих участие в сличениях, с результатами международных сличений, интерпретируемыми с точки зрения их эквивалентности, а также с признаваемыми калибровочными и измерительными возможностями (CMCs).
Цели:
– установить степень эквивалентности национальных измерительных эталонов, поддерживаемых НМИ;
– обеспечить взаимное признание сертификатов калибровки
и измерений, выдаваемых НМИ;
– обеспечить правительства и другие органы надежной технической базой для более широких Договоренностей в отношении международной торговли, коммерческой деятельности и делах, связанных с составлением нормативной документации.
Процесс:
– международные сличения измерений, называемые ключевыми
сличениями;
– дополнительные международные сличения измерений;
– системы качества и демонстрирование компетентности НМИ.
Результаты:
заявления об измерительных возможностях каждого НМИ, вводимые в базу данных, поддерживаемую в МБМВ и общедоступную
через сеть Интернет.
Обязательства:
– директора НМИ, которые подписывают Договоренность о взаимном признании с одобрения соответствующих властей в своей
собственной стране и тем самым:
– принимают процесс, указанный в MRA, для создания базы
данных;
– признают результаты ключевых сличений и дополнительных
сличений, как указано в базе данных;
– признают калибровочные и измерительные возможности других участвующих НМИ, как об этом указано в базе данных.
Исключения:
– подписание MRA обязывают НМИ, но не обязательно какойлибо иной орган в своей стране;
– ответственность за результаты калибровок и измерений полностью ложится на НМИ, который их выполняет, но не распространяется, через MRA, на любые иные участвующие НМИ.
Организационная структура:
– вся координация осуществляется МБМВ с полномочиями, от
МКМВ, который сам имеет полномочия от государств-членов Метрической конвенции;
264
– Консультативные комитеты МКМВ, Региональные метрологические органы и МБМВ несут ответственность за ключевые и дополнительные сличения;
– Объединенный комитет региональных метрологических организаций и МБМВ несут ответственность за анализ и введение данных в базу данных по калибровочным и измерительным возможностям, декларируемых НМИ.
Преамбула
Национальные органы аккредитации и регулирования нуждаются в многосторонних соглашениях или договоренностях для
определения условий, при которых они могут принять сертификаты калибровки, измерений и испытаний, выдаваемые аккредитованными лабораториями в других странах. Эти соглашения или
договоренности основываются на точности национальных эталонов
и достоверности сертификатов калибровки и измерений, выдаваемых национальными метрологическими институтами (НМИ).
Настоящая Договоренность обеспечивает взаимное признание
национальных эталонов и сертификатов калибровки и измерений,
выдаваемых НМИ, и опирается на усилия каждого НМИ проводить
свои измерения и оценивать неопределенности результатов измерений в единицах СИ.
Для обоснования объективности критериев взаимного признания Договоренность устанавливает необходимость следующих факторов:
а) наличие результатов ряда ключевых сличений, проводимых
по четко установленным методикам, которые ведут к количественной мере степени эквивалентности национальных эталонов;
b) использование каждым НМИ соответствующей системы обеспечения качества;
c) успешное участие каждого НМИ в соответствующих дополнительных сличениях.
В совокупности все три процедуры демонстрируют участвующим институтам степень, до которой каждый из них может иметь
доверие к результатам, сообщенным другими, и таким образом содействовать укреплению доверия между ними.
Для целей данной Договоренности степень эквивалентности
эталонов означает ту степень, с которой эти эталоны согласуются
с опорными значениями, определяемыми в ходе ключевых сличений, и, следовательно, согласуются друг с другом. Каждое опорное
значение рассматривается как «опорное значение, полученное при
ключевом сличении», и в большинстве случаев его можно рассмат265
ривать как близкую, но не обязательно лучшую аппроксимацию
значения в СИ. Степень эквивалентности национальных эталонов
выражается количественно в значениях отклонения от опорного
значения, полученного при ключевом сличении и неопределенности этого отклонения.
Документ практически является технической договоренностью
между директорами НМИ государств-членов Метрической конвенции, а не дипломатическим договором. Он составлен МКМВ в соответствии с Метрической конвенцией и не является ни расширением
Конвенции, ни заменой какой-либо статьи Конвенции. Директоры,
которые должным образом решают подписать Договоренность, делают это с одобрения соответствующих правительственных или
других официальных органов своей страны. Ожидается, что участие в этой Договоренности откроет путь и обеспечит техническую
основу для более широких соглашений, связанных с торговлей,
коммерцией, и проблемами урегулирования, подписываемых компетентными уполномоченными в каждой стране или регионе.
Участие в Договоренности через РМО также открыто для НМИ
государств и экономик, являющихся Ассоциированными членами
ГКМВ.
1. Договоренность
1.1. Это – Договоренность между НМИ, которая устанавливает
условия взаимного признания национальных эталонов и признания обоснованности сертификатов калибровки и измерений, выдаваемых НМИ. Она составлена МКМВ на основании полномочий,
данных ему статьей 10 (1921 г.) Регламента в Приложении к Метрической конвенции.
1.2. Эта Договоренность состоит из 2-х частей, как указано в п. 2:
первая часть касается национальных эталонов, вторая часть – сертификатов калибровки и измерений.
1.3. Участвующие НМИ – стороны, подписывающие эту Договоренность, могут сделать выбор: ограничить свое участие только первой частью – признанием национальных эталонов.
1.4. Стороной, подписывающей эту Договоренность, является
НМИ, назначенный соответствующим национальным правительственным или другим официальным органом государства-члена
Метрической конвенции, ответственным за национальные эталоны. В случае, когда таких назначенных институтов в стране существует более одного, то только один институт может подписывать
эту Договоренность, но делает это от имени и по поручению других,
названия которых должны быть указаны в документе.
266
1.5. Назначенные НМИ государств или экономик, являющиеся
Ассоциированными членами ГКМВ, могут участвовать в Договоренности только через их НМИ путем подписания декларации, прилагаемой к данной Договоренности.
1.6. Межправительственные и международные организации, выбранные МКМВ, могут также принимать участие в Договоренности.
2. Сфера действия Договоренности
2.1. Участвующие НМИ, указанные в Прил. А, признают степень
эквивалентности национальных эталонов, полученную по результатам ключевых сличений, для величин и значений, установленных
в Прил. В. Это составляет первую часть Договоренности.
2.2. Участвующие институты признают обоснованность сертификатов калибровки и измерений, выдаваемых другими участвующими институтами для величин и диапазонов, установленных
в Прил. С. Это составляет вторую часть Договоренности.
3. Техническая основа Договоренности
3.1. Технической основой Договоренности является ряд результатов, полученных в ходе ключевых сличений, проводимых Консультативными комитетами МКМВ, МБМВ и РМО, опубликованных МБМВ и поддерживаемых в базе данных ключевых сличений.
Подробные технические положения даны в Техническом Дополнении к настоящей Договоренности.
3.2. Ключевые сличения, проводимые Консультативными комитетами или МБМВ, называются ключевыми сличениями МКМВ,
а ключевые сличения, проводимые РМО, называются ключевыми
сличениями PMO. Ключевые сличения РМО должны быть связаны
с соответствующими ключевыми сличениями МКМВ посредством
общих участников. Степень эквивалентности, полученная из ключевых сличений РМО, имеет тот же статус, что и полученная из
ключевых сличений МКМВ.
3.3. Объединенный комитет региональных метрологических
организаций и МБМВ (JCRB), созданный МКМВ, отвечает за координацию данных, представляемых РМО, и другие действия, предпринимаемые ими, для поддержания доверия к сертификатам калибровки и измерений (см. п. 9.3).
4. Ответственность Консультативных комитетов МКМВ
Консультативные комитеты несут ответственность за выбор ключевых сличений, приведенных в Прил. D, и за утверждение обоснованности результатов. Конкретные обязанности Консультативных
комитетов подробно описаны в Техническом дополнении.
267
5. Ответственность Региональных метрологических организаций
НМИ, подписывающие Договоренность, обеспечивают участие
соответствующих структур в рамках своих РМО с тем, чтобы они
могли:
a) готовить предложения для Консультативных комитетов по выбору ключевых сличений;
b) проводить ключевые сличения РМО, описанные в Техническом дополнении, соответствующие ключевым сличениям МКМВ;
с) участвовать в Объединенном комитете РМО и МБМВ (см. пп. 9.3
и 9.4);
d) проводить дополнительные сличения и другие действия, предназначенные для поддержания взаимного доверия к обоснованности сертификатов калибровки и измерений, выдаваемых участвующими институтами (см. п. 7.3).
6. Участие в ключевых и дополнительных сличениях
6.1. Участие в ключевых сличениях МКМВ открыто для лабораторий, которые обладают наивысшей технической компетентностью и опытом, обычно являющихся членами соответствующих
Консультативных комитетов. Лаборатории, не являющиеся ни
членами Консультативных комитетов, ни НМИ, должны предлагаться назначенным НМИ, упомянутым в п.1.4, ответственным за
соответствующие национальные эталоны. При выборе участников
сличений Консультативные комитеты должны учитывать должное
региональное представительство. Число лабораторий, участвующих в ключевых сличениях МКМВ, может быть ограничено по техническим причинам.
6.2. Участие в ключевых сличениях PMO открыто для всех членов РМО и для других институтов, выполняющих правила региональной организации (включая институты, приглашенные извне
региона), обладающих технической компетенцией применительно
к конкретному сличению.
6.3. Участие в дополнительных сличениях РМО открыто для той
же категории институтов, какая приведена в п. 6.2.
7. Доверие к измерениям
7.1. Доверие к измерениям является важной предпосылкой в международной торговле и облегчает почти каждое затруднение в индустриальном мире. В большой степени это доверие уже существует
и основывается на системе СИ, которая является краеугольным камнем международной системы измерений, как она реализована национальными метрологическими институтами. Назначение этой Договоренности о взаимном признании состоит в расширении и укреплении уже существующего всемирного доверия к измерениям.
268
7.2. От институтов, участвующих в этой Договоренности, ожидается расширение существующего международного доверия к их деятельности путем опубликования и передачи в МБМВ регулярных
отчетов о работе их лабораторий и передачи их в МБМВ, участия
в соответствующих конференциях, участия в деятельности, организуемой МБМВ.
7.3. Кроме участия в ключевых и дополнительных сличениях,
указанных в п.6, признание сертификатов калибровки и измерений
требует одной из следующих процедур для установления необходимого взаимного доверия:
a) НМИ, выбирающий для своих калибровочных и измерительных служб систему качества, соответствующую требованиям Руководства ИСО 25 или эквивалентного для НМИ документа, аттестованный органом по аккредитации, соблюдающим требования Руководства ИСО 58, заявляет свои калибровочные и измерительные
возможности (см. п. Т.7) и направляет их своей РМО для анализа
и передачи их Объединенному Комитету для последующего рассмотрения и включения в Прил. С;
b) НМИ, выбирающий использование другого пути обеспечения
качества или выбирающий другую систему качества, или Руководство ИСО 25 без оценки третьей стороной, для своих калибровочных
и измерительных служб, заявляет свои калибровочные и измерительные возможности (см. п. Т.7) и направляет их своей РМО для
анализа и передачи их Объединенному комитету для последующего
рассмотрения и включения в Прил. С. Демонстрация компетентности и возможностей может потребовать визитов и проверочных процедур НМИ и/или экспертов, назначенных соответствующей РМО.
7.4. Ничто в этой Договоренности не ограничивает свободу одной
или более подписывающих сторон установления взаимного признания, как указано в пп. 2.1 и 2.2, вне рамок этой Договоренности.
8. Споры в процессе работы по этой Договоренности
Работы по настоящей Договоренности проводятся под эгидой
МБМВ в постоянном общении с Консультативными комитетами
и РМО, в ответственность которых входит, в соответствии с пп. 4
и 5, проведение и оценка результатов ключевых сличений. Расхождения, которые могут возникнуть в процессе работы по данной Договоренности, обсуждаются сначала в рамках соответствующего
Консультативного комитета, РМО или Объединенного комитета, и,
если они не получают там решения, рассматриваются МКМВ.
9. Координация
9.1. Вся координация деятельности, относящейся к Договоренности, остается за МКМВ.
269
9.2. Координация ключевых сличений осуществляется через
консультации между Консультативными комитетами и РМО.
9.3. Координация дополнительных сличений и других действий,
относящихся к доверию к сертификатам калибровки и измерений,
проводимых РМО, осуществляется Объединенным комитетом, созданным МКМВ и включающим в себя представителей РМО и руководимый Директором МБМВ. Круг полномочий Объединенного комитета дан в Прил. E.
9.4. При ответственности МКМВ за всю деятельность Объединенный комитет несет ответственность за анализ и поддержание содержания Прил. С.
10. Обязательства и ответственность за измерения
10.1. Признано и принято каждой подписавшейся стороной, что
Договоренность не создает каких-либо прав, ответственности или
обязательств, которые могут оказывать ограничительные воздействия на выполнение национального или международного закона.
10.2. Признано и принято каждой подписавшейся стороной, что
Договоренность налагает обязательства в каждой стране только на
подписавший ее институт и другие представленные им институты.
Это положение не является обязательным для других метрологических или регулирующих органов в этой стране.
10.3. Ответственность за все измерения, выполненные в рамках
Договоренности, целиком и полностью лежит на институте, проводящем измерения. МКМВ, МБМВ, Консультативные комитеты или
РМО не несут никакой ответственности за декларированные неопределенности или заявления по качеству.
11. Подписание данной Договоренности о взаимном признании
и введение ее в силу
11.1. Процедура по введению настоящей Договоренности проводится следующим образом:
– на заседании директоров НМИ, состоявшемся 23–25 февраля
1998 г., было предложено парафировать проект этой Договоренности;
– на заседании директоров НМИ, которое должно состояться одновременно с проведением 21-й ГКМВ в октябре 1999 г., будет предложено подписать эту Договоренность на начальный период в 4 года.
Новые подписанты могут присоединиться к данной Договоренности
в любое время, подав заявку на имя директора МБМВ.
11.2. В случае выхода из Договоренности директор института,
подписавший документ, должен уведомить директора МБМВ за
шесть месяцев до даты вступления в силу выхода из Договоренности.
270
Директор МБМВ уведомит все другие подписавшие стороны об этом
заявлении о выходе не позднее одного месяца после его получения.
11.3. Будет существовать переходный период действия Договоренности с октября 1999 г. до того времени, когда будет завершен
первый круг ключевых и дополнительных сличений и будут введены в действие системы качества, указанные в п. 7.3. Временные степени эквивалентности (Прил. В) будут основываться на результатах
сличений, проведенных с 1988 г., рассмотренных и одобренных Консультативным комитетом для каждой области и введенных в базу
ключевых сличений, упомянутую в п. 3.1. Временные калибровочные и измерительные возможности (Прил. С) будут основываться
на соответствующих данных, рассмотренных РМО и проанализированных Объединенным комитетом, учитывающих процедуры, указанные в п. 7.3, и включенных в базу данных ключевых сличений.
11.4. Изменения к Договоренности после начального периода
в 4 года могут быть внесены подписантами с одобрения соответствующих правительственных или других официальных органов их
стран на заседаниях директоров НМИ, организованных МКМВ.
12. Статус национальных эталонов, калиброванных в МБМВ
или в национальном метрологическом институте
Ничто в Договоренности не ограничивает прав, вытекающих из
Метрической конвенции для участвующих НМИ, калибровать свои
национальные эталоны по эталонам МБМВ или другого НМИ. Взаимное признание таких эталонов зависит от последующего участия
в ключевых и дополнительных сличениях (см. п.п. 3 и 6).
13. НМИ, не являющиеся членами РМО
НМИ, желающие участвовать в Договоренности, но не являющиеся членами РМО, должны либо образовать новую РМО, либо для
целей данной Договоренности ассоциировать себя с существующей
РМО, наиболее соответствующей. Если ни один из предложенных
подходов не является приемлемым, то следует искать специальные
условия.
14. НМИ, являющиеся членами более чем одной РМО НМИ,
должны продекларировать, с какой РМО они участвуют во второй
части этой Договоренности.
15. Вхождение новых РМО в Объединенный комитет
Вхождение новой РМО в Объединенный комитет РМО и МБМВ
осуществляется с одобрения МКМВ.
Техническую основу настоящей Договоренности составляет набор результатов, полученных при выполнении ключевых сличений, проводимых Консультативными комитетами МКМВ, МБМВ
271
и РМО (п. 3.1). Далее перечислены установленные договоренности
и ответственности, касающиеся ключевых сличений.
Т.1. Полученные результаты ключевых сличений, проводимых
МКМВ, становятся опорными значениями, известные как опорные
значения ключевого сличения.
Т.2. Применяемый для целей настоящей Договоренности термин
«степень эквивалентности эталонов» означает ту степень, с которой эти эталоны согласуются с опорным значением, определяемым
в ходе ключевого сличения. Степень эквивалентности каждого национального эталона выражается количественно двумя терминами – через значение его отклонения от опорного значения, полученного при ключевом сличении и через неопределенность этого отклонения (при 95 % уровне достоверности). Степень эквивалентности
между парами национальных эталонов выражается через разницу
их отклонений от опорного значения и неопределенность этой разницы (при 95 % уровне достоверности).
Т.3. Хотя опорное значение, полученное при ключевом сличении,
является обычно близкой аппроксимацией значения соответствующей единицы СИ, вполне возможно, что некоторые из значений, полученных от отдельных участников, могут быть еще более близким
представлением. В отдельных случаях, например, в некоторых химических измерениях, возможны затруднения с привязкой результатов к единицам СИ. Тем не менее, опорное значение, полученное
при ключевом сличении, и отклонения от него являются хорошими
индикаторами значения единицы СИ. По этой причине эти значения
используются для выражения степени эквивалентности между эталонами участвующих лабораторий. В отдельных случаях, как исключение, Консультативный комитет может выдать заключение, что
по техническим причинам опорное значение для конкретного ключевого сличения неприемлемо; тогда результаты выражаются напрямую терминами степеней эквивалентности между парами эталонов.
Т.4. Результаты ключевых сличений РМО связываются с опорными значениями ключевых сличений, установленных ключевыми
сличениями МКМВ, путем общего участия нескольких институтов
в сличениях как МКМВ, так и РМО. Передаваемая неопределенность результатов сличений зависит как от числа институтов, принимающих участие в обоих сличениях, так и от качества результатов, сообщенных этими институтами.
Т.5. Результаты ключевых сличений МКМВ и РМО, опорные значения ключевых сличений, отклонения от опорных значений и их
неопределенности вместе с другой информацией, необходимой для
272
их толкования, публикуются МБМВ и включены в базу данных
ключевых сличений.
Т.6. Ключевые сличения МКМВ и РМО должны выполняться в соответствии с описаниями в Руководстве для МКМВ по ключевым сличениям, опубликованном МБМВ и представленном на сайте МБМВ.
Т.7. Для сертификатов калибровки и измерений величины, диапазоны и условия калибровки и измерений, выраженные через неопределенность (обычно при 95 % уровне достоверности, но для некоторых
случаев уровень может быть установлен более высоким), перечислены в Прил. С для каждого участвующего института. Они должны согласовываться с результатами, имеющимися в Прил. В, полученными при проведении ключевых сличений. Если в результате какоголибо ключевого сличения для эталона определенного участвующего
института сохраняется существенное неразрешимое отклонение от
опорного значения ключевого сличения, то существование этого отклонения указывается в Прил. С. То же самое относится и к существенным несоответствиям, полученным в результате дополнительного сличения. В этом случае по своему усмотрению институт может
или не проводить одну или несколько соответствующих калибровочных или измерительных услуг из Прил. С, или взять большие соответствующие неопределенности, имеющиеся в Прил. С. Включение
в Прил. С условий калибровки и измерения исследовано Объединенным комитетом в соответствии с процедурами, указанными в параграфе 7.3. Условия проведения калибровки и измерений, указанные
в данном параграфе, это те, которые обычно институт предоставляет
потребителям, оказывая услуги по калибровке и измерениям; иногда
их относят к лучшим условиям измерений.
Т.8. Ответственность Консультативных комитетов: Консультативные комитеты играют главную роль в выборе и осуществлении ключевых сличений и утверждении обоснованности результатов. К их
специфическим особенностям обязанностей относится следующее:
a) идентификация ключевых сличений в каждой области и поддержание текущего перечня (Прил. D);
b) инициирование и организация в сотрудничестве с МБМВ выполнения ключевых сличений с периодичностью, которая должна
определяться отдельно для каждого сличения;
c) анализ результатов ключевых сличений МКМВ и установление опорных значений и степеней эквивалентности на основании
предложений, поступивших от соответствующих рабочих групп;
d) утверждение окончательного отчета по ключевым сличениям
МКМВ для публикации МБМВ;
273
e) рассмотрение и одобрение результатов ключевых сличений
РМО и дополнительных сличений для включения их в Прил. В и
базу данных ключевых сличений;
f) рассмотрение и одобрение результатов двусторонних ключевых сличений для включения в Прил. В и базу данных ключевых
сличений.
T.9. Ключевые сличения РМО: ключевые сличения РМО расширяют метрологическую эквивалентность, установленную в результате проведения ключевых сличений МКМВ, на большее число
НМИ, включая те, чьи государства и экономики являются Ассоциированными членами ГКМВ. Избыточность, когерентность и своевременность являются важными аспектами региональных сличений, поскольку они обеспечивают надежность всей системы сличений. Региональные организации поэтому несут исключительную
ответственность за то, чтобы:
a) привязки к результатам ключевых сличений МКМВ обеспечивали разумную избыточность через участие достаточного числа
лабораторий в обеих группах сличений, для того чтобы гарантировать, что связи с опорными значениями ключевых сличений установлены с приемлемо низкой неопределенностью;
b) методики, используемые в региональных сличениях, и оценка
результатов и неопределенностей были совместимы с теми, которые
используются в ключевых сличениях МКМВ;
c) периодичность проведения ключевых сличений координировалась с ключевыми сличениями МКМВ, и частота их проведения
была, по крайней мере, одинаковой;
d) результаты ключевых сличений РМО прошли тщательную
оценку РМО, которая также несет ответственность за гарантию
того, что использовались соответствующие методики, и результаты
затем были направлены для публикации и представлены в соответствующий Консультативный комитет для включения в Прил. В и
введения в базу данных ключевых сличений;
e) результаты выполненных надлежащим образом двусторонних
сличений были рассмотрены и затем представлены соответствующему Консультативному комитету для включения в Прил. В и введения в базу данных ключевых сличений;
f) в случае, если проведение ключевого сличения РМО состоялось раньше соответствующего ключевого сличения МКМВ, привязка к последующему опорному значению ключевого сличения
была отложена до завершения обоих ключевых сличений.
Т.10. Дополнительные сличения: в дополнение к ключевым сличениям РМО могут проводить дополнительные сличения для удовлет274
ворения специфических потребностей, которые не охвачены ключевыми сличениями, включая сличения с целью поддержки доверия
к сертификатам калибровки и измерений. Объединенный комитет
РМО и МБМВ (см. п. 9.3) организует форум по вопросам координации
между регионами дополнительных сличений, проводимых РМО для
поддержки доверия к сертификатам калибровки и измерений.
Приложения к Договоренности
Приложения A, B, C и D поддерживаются в электронном виде
в базе данных ключевых сличений в МБМВ. Первые четыре года эта
база данных (которая разрабатывалась в НИСТ) будет поддерживаться общими усилиями – МБМВ и НИСТ.
Приложение А. Перечень НМИ, подписавших Договоренность,
и их логотипы.
Приложение В В1. Результаты ключевых сличений МКМВ.
В2. Результаты ключевых сличений РМО.
B3. Результаты дополнительных сличений.
Для каждого ключевого сличения указываются:
– индивидуальные значения для каждого института вместе с их
заявленными неопределенностями;
– опорное значение ключевого сличения и связанная с ним неопределенность;
– для каждого института отклонение от опорного значения ключевого сличения и неопределенность этого отклонения (при 95 %
уровне достоверности), т. е. его степень эквивалентности; степени
эквивалентности между эталонами каждого из участвующих институтов.
Приложение С. Величины, для которых сертификаты калибровки и измерений признаются институтами, участвующими в ч. 2
Договоренности. Для каждого участвующего института приведены
величины, диапазоны и калибровочные и измерительные возможности, выраженные как неопределенность (обычно при 95 % уровне
достоверности).
Приложение D. Перечень ключевых сличений.
Приложение Е. Круг полномочий Объединенного комитета РМО
и МБМВ (JCRB).
1. Объединенный комитет несет ответственность за:
а) координацию взаимодействия РМО по установлению доверия
для признания сертификатов калибровки и измерений в соответствии с условиями Договоренности о взаимном признании;
b) проведение политики по разработке предложений для РМО
и МКМВ по выполнению Договоренности;
275
с) анализ применения каждой РМО критериев Договоренности;
d) анализ и включение в Прил. С предложений каждого РМО
в части калибровочных и измерительных возможностей своих членов – НМИ и информирование МКМВ;
e) cодействие соответствующим межрегиональным дополнительным сличениям;
f) подготовку ежегодного доклада о деятельности Объединенного
комитета для МКМВ и подписантов Договоренности.
2. Представительство и заседания Объединенного комитета:
а) Каждая РМО сообщает директору МБМВ имя своего официального представителя в Объединенном комитете.
b) На каждом заседании Объединенного комитета официальные
представители могут сопровождаться соответствующими советниками.
c) Объединенный комитет работает на принципе консенсуса.
d) Объединенный комитет должен заседать, по крайней мере, раз
в год.
На основе Договоренности и Руководства по ключевым сличениям МКМВ были разработаны и действуют:
– Положение о сличении эталонов КООМЕТ (R/GM/11:2007) 2007 г.
– Межправительственное соглашение СНГ о взаимном признании испытаний с целью утверждения типа, метрологической аттестации, поверки и калибровки средств измерений 2015 г.
6.4. Международные документы
по законодательной метрологии
Международная организация законодательной метрологии –
всемирная межправительственная организация, основной целью
которой является гармонизация требований и норм метрологического контроля, применяемых национальными метрологическими службами или соответствующими организациями входящих
в МОЗМ государств. Основные категории публикаций МОЗМ, кроме
Бюллетеня МОЗМ, можно охарактеризовать следующим образом:
– Международные рекомендации (OIML R) являются типовыми
правилами, которые устанавливают требования к метрологически