Стандартизация. Метрология. Стандарты информационной безопасности. Практика применения

– электричество и магнетизм;

– длина;

– масса и связанные с ней величины;

– фотометрия и радиометрия;

– ионизирующее излучение;

– время и частота;

– термометрия;

– химия.

Прикладная метрология (в англоязычных источниках, техническая или промышленная) занимается:

– применением измерений к производственным и другим процессам и их использование в обществе;

– обеспечением пригодности средств измерений, их калибровки и контроля качества [45].

В промышленности важны качественные измерения, поскольку они влияют на стоимость и качество конечного продукта и на 10–15 % влияют на производственные затраты [46]. Хотя основное внимание в этой области метрологии уделяется самим измерениям, прослеживаемость калибровки измерительных приборов необходима. Такая необходимость заключается в обеспечении уверенности в измерении. Признание метрологической компетентности в промышленности может быть достигнуто посредством соглашений о взаимном признании, аккредитации или экспертной оценки [46]. Промышленная метрология важна для экономического и промышленного развития страны, а состояние программы промышленной метрологии страны может указывать на её экономический статус [51-53].

Законодательная метрология касается деятельности, которая вытекает из требований законодательства и касается измерений, единиц измерения, средств измерений и методов измерения, которые осуществляются метрологическими органами [52]. Такие законодательные требования могут возникать из необходимости защиты здоровья, общественной безопасности, окружающей среды, обеспечения возможности налогообложения, защиты потребителей и справедливой торговли. Международная организация по законодательной метрологии (OIML) была создана для оказания помощи в гармонизации нормативных требований за пределами национальных границ. Международная организация по законодательной метрологии (OIML) должна гарантировать, что законодательные требования не препятствуют торговле [51]. Эта гармонизация гарантирует, что сертификация измерительных приборов в одной стране совместима с процессом сертификации в другой стране, что позволяет торговать измерительными приборами и продуктами, которые на них основаны.

В Европейском Союзе в 1990 году для продвижения европейского сотрудничества в области законодательной метрологии была создана организация WELMEC. Целью WELMEC стало развитие сотрудничества в области законодательной метрологии и между государствами-членами Европейской ассоциации свободной торговли (ЕАСТ) [52-58]. В Соединённых Штатах законодательная метрология находится в ведении Управления мер и весов Национального института стандартов и технологий (NIST), за соблюдением которого следят отдельные штаты [52-58]. В Российской Федерации данной функцией обладают законодательные органы, согласующие свою работу с Росстандартом.

До настоящего времени все базовые измерительные единицы не определены никакими физическими объектами [52-58]. Пока человечеству и науке не удаётся сделать шаг в привязке измерительных единиц к не изменяющимся физическим объектам. При этом цель метрологии остаётся с самого начала одна: эталонные меры привязать к таким физическим объектам. Попробую объяснить это на примере килограмма. Для определения в качестве физического объекта массы, например, ядра атома, надо «отвязать» массу тела от существующего эталона, но и это ещё не все: для точного определения основных единиц требуются точные измерения физических констант. Так, чтобы переопределить стоимость килограмма без существующего эталона, значение постоянной Планка должно быть известно с точностью до двадцати частей на миллиард [52, 53]. Научная метрология благодаря разработке весов Киббла (Весы Киббла – прибор для установления соотношения между массой и электрической мощностью) и Проекта Авогадро (Project Avogadro) дали значение постоянной Планка с достаточно низкой неопределенностью, чтобы можно было переопределить килограмм [53]. Понимая это, можно уверенно сказать, что третье тысячелетие пройдёт под основной задачей по привязке базовых измерительных единиц к новым физическим объектам «Нано размерности».

Аксиомы* метрологии:

– любое измерение есть сравнение;

– любое измерение без априорной** информации невозможно;

– результат любого измерения без округления значения является случайной величиной.

* Аксиома – исходное положение какой-либо теории, принимаемое в рамках данной теории истинным без требования доказательства.

** Априори – знание, полученное до опыта и независимо от него, то есть знание, как бы заранее известное.

История метрологии

Метрология ведёт свою историю с античных времён и даже упоминается в Библии: «Неверные весы – мерзость пред Господом, но правильный вес угоден Ему. (Притча 11:1)». Возможно, первое упоминание о мере измерения относится к 2900 г. до н.э., когда египетский локоть Фараона был вырезан из черного гранита [51]. Локоть был определён как длина предплечья фараона плюс ширина его руки. Этот артефакт послужил строителям в качестве меры измерения размера. На точность стандартной длины материалов, использующихся при строительстве пирамид, указывает длина их оснований, отличающаяся не более чем на 0,05 процента [53].

Ранние формы метрологии заключались в установлении местными властями простых произвольных стандартов, зачастую основанных на простых практических измерениях, например, рост человека. Самые ранние стандарты были введены для таких величин как длина, вес и время, это делалось для упрощения коммерческих сделок, а также регистрации человеческой деятельности.

Новое значение метрология обрела в эпоху промышленной революции, она стала совершенно необходима для обеспечения массового производства.

Исторически важные этапы в развитии метрологии:

– XVIII век – установление эталона метра (эталон хранится во Франции, в Музее мер и весов, в настоящее время является в большей степени историческим экспонатом, нежели научным инструментом);

– 1832 год – создание Карлом Гауссом абсолютных систем единиц;

– 1875 год – подписание международной Метрической конвенции;

– 1960 год – разработка и установление Международной системы единиц (СИ);

– XX век – метрологические исследования отдельных стран координируются Международными метрологическими организациями. Конечно, XX веком метрологические исследования не закончились.

Значимые события истории метрологии России:

– присоединение к Метрической конвенции;

– 1893 год – создание Д. И. Менделеевым Главной палаты мер и весов (современное название: «Научно-исследовательский институт метрологии им. Менделеева»).

Термины и определения метрологии

Единство измерений – состояние измерений, характеризующееся тем, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам единиц, воспроизводимым первичными эталонами, а погрешности результатов измерений известны и с заданной вероятностью не выходят за установленные пределы. Визуализация термина «Единство измерений» представлена на рисунке 1.16. Основная проблема состоит в выявлении эталонного состояния измерений {Sо}.

Рисунок 1.16 – Визуализация термина «единство измерений»

(Источник: выполнено автором)

Физическая величина – одно из свойств физического объекта, общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.

Измерение – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения измеряемой величины с её единицей и получения значения этой величины. Например, для оптимизации жёсткого диска требуется измерение его параметров. На рисунке 1.17 представлен жёсткий диск и программа для измерения параметров.

Рисунок 1.17 – Жёсткий диск и программа для измерения параметров

(Источник: переработано автором по стоковым изображениям iStock [37])

Средство измерений – техническое средство, предназначенное для измерений и имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящие или хранящие единицу величины, размер которой принимается неизменным в пределах установленной погрешности в течение известного интервала времени.

На рисунке 1.17 в качестве средства измерения использована программа HD_Speed. Соответственно, для измерения времени в качестве средства измерения используются часы, а для измерения массы тела следует использовать весы.

Поверка – совокупность операций, выполняемых в целях подтверждения соответствия средств измерений метрологическим требованиям. Поверку не следует путать с проверкой. Поверка подтверждает точность измерительного прибора, а проверка как процесс выявляет наличие имущества или присутствие персонала.

Погрешность измерения – отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.

Погрешность средства измерения – разность между показанием средства измерений и действительным значением измеряемой физической величины.

Точность средства измерений – характеристика качества средства измерений, отражающая близость его погрешности к нулю.

Лицензия – это разрешение, выдаваемое органом государственной метрологической службы на закреплённой за ним территории физическому или юридическому лицу на осуществление ему деятельности по производству и ремонту средств измерения.

Эталон единицы величины – техническое средство, предназначенное для передачи, хранения и воспроизведения единицы величины.