Файл: Лекции по теоретической метрологии.doc

Обеспечение единства измерений необходимо для обеспечения современного производства с разделением труда и кооперацией как в масштабах одной страны, так и в международных промышленно-экономических отношениях. Вот почему с давних пор активно работают международные метрологические организации, принимаются общие для всех метрологические стандарты, гармонизируются требования к измерениям, к средствам измерений, к оценке их метрологических характеристик.

Под единообразием средств измерений понимают состояние средств измерений, характеризующееся тем, что они проградуированы в узаконенных единицах и их метрологические свойства соответствуют нормам. Для обеспечения единообразия приходится разрабатывать представления об эталонах единиц физических величин, создавать эталоны как технические устройства, передавать значение единицы от эталонов другим, менее точным средствам измерений. Единообразие средств измерений есть необходимое, но недостаточное условие соблюдения единства измерений.

Метрология использует для повышения точности измерений новейшие достижения физики и других наук. Постоянно создаются новые, все более точные средства измерений, включая эталоны, совершенствуются методы измерений и передачи единиц физических величин рабочим средствам измерений, а также методы выявления и оценки погрешностей измерений. В соответствии с требованиями обеспечения единства измерений метрология уделяет особое внимание поиску и исключению систематических погрешностей измерений, а также вероятностной оценке случайных погрешностей, которые невозможно прогнозировать и оценивать другими методами.

Особое место в метрологии занимает математическая обработка результатов измерений. Для обработки результатов косвенных измерений, для построения моделей объектов измерений и процессов измерительного преобразования, для оценки систематических погрешностей используют различные разделы математического анализа, аналитической геометрии и других областей «детерминированной» математики. Наряду с этим широко используется аппарат теории вероятностей и математической статистики для оценки случайных составляющих погрешности измерений.

На сегодняшний день можно признать существование объективно сложившихся теоретических основ в следующих областях измерений:

• 
  физические измерения в макромире (включая технические измерения);
  
• 
  квантово-механические измерения;
  
• 
  психологические измерения;
  
• 
  кибернетические измерения;
  
• 
  математические измерения.
  

---

Есть и другие пока еще недостаточно четко оформившиеся области измерений.

Физическими измерениями занимается метрология, одним из приоритетов которой является «теория погрешностей измерения».

Квантовомеханические измерения фактически основаны на взаимодействии микрообъекта с измерительным макроприбором.

Психологические и им подобные измерения (измерения в социологии, психологии, системотехнике и других подобных областях) сводятся к выбору типа шкалы и «помещению» объекта в некоторую ее область.

В кибернетических измерениях в первую очередь рассматривают воздействие помех в измерительном канале на искажение измерительной информации. Специально для этих целей разработана «информационная теория измерений».

Математические измерения (например, в геометрии) основаны на допущении «идеальных измерений», результаты которых свободны от погрешностей. Но изучение измерения как некоторого способа (алгоритма) получения числового результата в ходе измерительного эксперимента привело к разработке «алгоритмической теории измерения», где основное внимание уделяют измерению как процессу, который должен быть выполнен в соответствии с рационально построенным алгоритмом.

«Частные теории измерений» необходимы для использования в конкретных областях, а метрология как общенаучная область акцентирует внимание на следующих проблемах:

• 
  Создание единиц и систем единиц, необходимых для реализации измерений.
  
• 
  Методы выявления и оценивания погрешностей измерений.
  
• 
  Математическая обработка и представление результатов измерений.
  

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 А

Измерения физических величин, или в философской интерпретации физические измерения являются предметом изучения метрологии. В противоположность этому нефизические измерения являются основным объектом изучения квалиметрии. Практика показывает, что подходы к измерению физических величин невозможно механически переносить на нефизические измерения. Особенности измерений любых свойств могут быть учтены применением для их оценки соответствующих шкал. Рассмотрению шкал и их применения для оценки свойств посвящен отдельный модуль.

В самом широком смысле слова измерение можно трактовать как классификацию объектов, в ходе которой каждому из них приписывают определенный знак (цифру, букву, слово и т.д.). Здесь под измерением понимается оценка по шкале наименований. При наличии двух основных элементов, характеризующих процесс измерения (измеряемого свойства объекта и результата измерения), зачастую в качестве результата измерения признается только числовая символизация. В этом случае измерение можно трактовать как «приписывание чисел», что придает результату видимость объективности, однако числовая символизация ничем не лучше любой другой (нечисловой).

---

Измерение имеет две базовых компоненты:

• 
  средство измерения;
  
• 
  процесс измерения.
  

Средство физического измерения – техническое устройство, с помощью которого осуществляется измерительное преобразование, а процесс измерения обусловлен инструкцией по применению средства измерения (методикой выполнения измерений), которая обеспечивает получение объективной оценки измеряемой физической величины.

При нефизическом измерении средство измерения реализуется, как правило, в виде заранее подготовленной шкалы (она должна быть достаточно наглядной и понятной), которая воспроизводится экспертом, а процесс измерения (собственно измерение), имеет ряд специфических моментов (наличие возможности оценивания, как способности различения уровней сигнала; понимание инструкции по измерению; объективность наблюдателя и т.д.). Оценка измеряемой величины заключается в выставлении баллов и/или рангов и не может быть объективной, поскольку и «средством измерений» и «устройством измерительного преобразования» является субъект – эксперт.

Различия физических и нефизических измерений видны на рисунке 1.6.

Специфика нефизических измерений:

1. 
   Измерение методологически связано с классификацией. Иногда его представляют как определенный вид классификации, чем подчеркивают концептуальный аспект (не акцентируется операциональная сторона, более важная для физических измерений).
   
2. 
   Измерение концептуально и операционально связано с человеком (с его субъективными свойствами: эмоциями, установками, желаниями и т.д.).
   
3. 
   Операционально процедура нефизического измерения определяется весьма нечетко: реализацией процедуры измерений считаются не только «шкалирование», но и «наблюдение, анкетирование, беседа». И сами шкалы здесь часто являются концептуальными средствами, отражающими определенные опытные данные, ранее полученные и устоявшиеся, а не технически реализованные шкалы средств измерений.
   

В итоге, даже при высоком уровне объективности участвующих в измерениях экспертов процедура измерения и результаты зависят от субъективных факторов (например, от вкусов тех экспертов, которые составляли или трактуют конвенционально установленную «шкалу»).

На примере сравнения физического и нефизического измерений (рисунок 1.6) видно, что принципиальные различия применяемых методов получения количественных оценок, приводят к огромным затруднениям при попытках создания «общей теории измерений».

---

Даже парадигму физического измерения, равно как и математические методы в измерениях и обработке результатов нельзя использовать одинаковым образом во всех научных сферах, поскольку каждый научный метод связан со специфическими содержательными проблемами и теоретическими конструкциями, весьма различными для разных научных дисциплин.
Измерения, счет, контроль

Если под измерением понимать количественную (числовую) оценку интенсивности некоторого конкретного свойства, то счет тоже подходит под такое определение (более того, «измерение количества вещества» фактически можно рассматривать как счет; оценка разрешающей способности оптических систем основана на счете, счетными являются единицы частоты, разрешающей способности оптической системы монитора и т.д.). Различение континуального и дискретного в измерениях почти всегда носит условный характер. В частности, оно перестает быть очевидным с переходом от макроуровня к анализу на уровне квантовой механики.

Различить измерения и счет удается, если под счетом понимать определение количества целочисленных объектов в некотором заданном множестве, а под измерением свойства – экспериментальное нахождение количественной оценки его интенсивности. При этом измерения физических величин осуществляют с использованием специальных технических средств, в которые заложена определенная мера физической величины (нормированный уровень свойства), а счет может осуществляться как без специальных технических средств, так и с их применением (счетчики банкнот, счетчики числа деталей).

Контроль подразумевает определение соответствия или несоответствия контролируемого объекта заданному уровню по одному или нескольким свойствам. Любой контроль принято рассматривать как контроль качества (контроль уровня качества), поскольку фактически он должен ответить на единственный вопрос: соответствует ли контролируемое свойство объекта установленному для него уровню качества?

Контроль предусматривает два действия (которые иногда могут быть совмещены в одной операции):

• 
  определение действительного (реального) значения свойства контролируемого объекта;
  
• 
  установление соответствия или несоответствия реального свойства контролируемого объекта заданным нормам.
  

---

Пример совмещения контроля в одной операции – визуальная проверка требования об отсутствии царапин, заметных невооруженным глазом (если царапина обнаружена, требование нарушено).

В зависимости от контролируемых свойств контроль может быть органолептическим или инструментальным (аппаратурным).

Органолептический контроль, осуществляемый экспертными методами и средствами, является объектом изучения квалиметрии. Привлекаемые эксперты в зависимости от контролируемых свойств могут использовать зрение (визуальный контроль), осязание (тактильный контроль), слух (контроль по звуку), вкусовые рецепторы (контроль по вкусу), обоняние (контроль по запаху).

Контроль, осуществляемый с использованием средств измерений, называется измерительным контролем. Измерительный контроль является объектом изучения метрологии (поскольку его основа – аппаратурное измерение). Используемые для контроля средства измерений могут быть относительно простыми, не осуществляющими измерительное преобразование измеряемой физической величины (меры), более сложными (осуществляющими измерительное преобразование) – измерительные приборы, установки, системы. В ряде случаев для контроля могут применяться индикаторы – средства измерений, предназначенные для определения перехода свойства за установленное пороговое значение.

Схематически контроль свойств объектов (органолептический и инструментальный) представлен на рисунке 1.7.

Комбинация органолептического и инструментального контроля ряда свойств любого объекта применяется для контроля уровня его качества. Минимально необходимый уровень качества определяет порог, разделяющий объекты на годные и бракованные, соответствующие и несоответствующие, пригодные для поставки (дальнейшей обработки, продажи, применения) и непригодные. На производстве таким контролем занимаются работники отдела технического контроля (ОТК), в рамках отрасли и государства – различные инспекции и специальные контрольные и надзорные органы.



Следует иметь в виду, что изделие, справедливо прошедшее контроль ОТК, а также сертифицированное изделие не обязаны обладать высоким уровнем качества. Если при проектировании разработчик ориентировался на ограниченный технический уровень и минимальную себестоимость, не следует ожидать очень высокого уровня качества. Никто не требует от механических часов точности электронных, от дешевого струйного принтера – высококачественной

---