Размещено на http: //www. allbest. ru/
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Метрология: где спотыкаемся?
Адлер Юрий
В статье представлены основные вехи развития науки метрология, выявлены спорные и сложные моменты развития этого направления научного знания. Подробно описаны цели и задачи, которые сегодня стоят перед метрологией, раскрываются прикладные аспекты своеобразного методологического кризиса в метрологии. Представлен анализ комплекса вопросов, связанных с измерениями, что наглядно подтверждает кризис в прикладной метрологии.
Рассмотрены вопросы, связанные с процессом проведения измерительных процедур, а также представлены алгоритмы выполнения измерений в соответствии с правилами и процедуры обслуживания (поверки) оборудования. Операции измерения представляются системно, то есть с учетом сложных отношений эталонов, статистических выборок и пр. Статья изобилует многочисленными историческими примерами и интересными замечаниями.
В статье рассмотрены такие важные аспекты, как совместное обучение, вопросы выработки единой терминологической базы и разработки адекватных статистических баз. Статья снабжена рабочими кейсами вычислений значимых для анализа величин. Детально рассматриваются вопросы, связанные с мониторингом изменений характеристик измеряемой системы. В статье уточняются аспекты этой деятельности как элемента менеджмента качества. Также рассмотрены вопросы планирования эксперимента в сфере метрологии. Статья носит полемический характер.
Делается вывод, что метрология на пути больших перемен. Эти перемены витают в воздухе, прослеживаются при решении различных задач. Цель статьи описать состояние, которое сейчас переживает метрология, обозначит ключевые точки и спорные моменты. А по сути смоделировать первые шаги, которые позволят переменам в метрологии осуществиться.
Ключевые слова: командная работа; неопределённость и статистические модели; шкалы; стандартизация и непрерывное совершенствование; мониторинг измерительных систем; пробоотбор; оптимизация
Metrology: where do we stumble?
Adler Yuri, National Research Technological University «MISiS»
The article presents the main milestones in the development of the science of metrology, identifies the controversial and difficult aspects of the development of this area of scientific knowledge. The goals and objectives of metrology are described in detail, the applied aspects of a peculiar methodological crisis in metrology are revealed. An analysis of a set of issues related to measurements is presented, which clearly confirms the crisis in applied metrology.
Issues related to the process of carrying out measuring procedures are considered, and algorithms for performing measurements in accordance with the rules and procedures for servicing (checking) equipment are presented. Measurement operations are presented systematically, that is, taking into account the complex relationships of standards, statistical samples, etc. The article is replete with numerous historical examples and interesting remarks.
The article considers such important aspects as joint training, issues of developing a single terminological base and developing adequate statistical databases. The article is supplied with working cases of calculations of significant values for the analysis. The issues related to monitoring changes in the characteristics of the system being measured are considered in detail.
The article clarifies aspects of this activity as an element of quality management. The issues of experiment planning in the field of metrology are also considered. The article is polemical.
It is concluded that metrology is in the way of big changes. These changes are in the air, can be traced in solving various problems. The purpose of the article is to describe the state that metrology is currently experiencing, identify key points and controversial points.
And in essenceto simulate the first steps that will allow changes in metrology to be realized.
Keywords: teamwork; uncertainty and statistical models; scales; standardization and continuous improvement; monitoring of measuring systems; sampling; optimization
Метрологія: де спотикаємося?
Адлер Юрій, Національний дослідницький технологічний університет «МІСіС»
У статті представлені основні віхи розвитку науки метрологія, виявлені спірні і складні моменти розвитку цього напрямку наукового знання. Докладно описані цілі і завдання, які сьогодні стоять перед метрологією, розкриваються прикладні аспекти своєрідного методологічного кризи в метрології. Представлений аналіз комплексу питань, пов'язаних з вимірюваннями, що наочно підтверджує криза в прикладної метрології.
Розглянуто питання, пов'язані з процесом проведення вимірювальних процедур, а також представлені алгоритми виконання вимірювань відповідно до правил і процедури обслуговування (перевірки) обладнання. Операції вимірювання представляються системно, тобто з урахуванням складних відносин еталонів, статистичних вибірок тощо. Стаття рясніє численними історичними прикладами і цікавими зауваженнями.
У статті розглянуті такі важливі аспекти, як спільне навчання, питання вироблення єдиної термінологічної бази та розробки адекватних статистичних баз. Стаття забезпечена робочими кейсами обчислень значущих для аналізу величин. Детально розглядаються питання, пов'язані з моніторингом змін характеристик вимірюваної системи. У статті уточнюються аспекти цієї діяльності як елемента менеджменту якості. Також розглянуті питання планування експерименту в сфері метрології. Стаття носить політичний характер.
Робиться висновок, що метрологія на шляху великих змін. Ці зміни витають в повітрі, простежуються при вирішенні різних завдань. Мета статті описати стан, яке зараз переживає метрологія, позначить ключові точки і спірні моменти. А по суті змоделювати перші кроки, які дозволять змін в метрології здійснитися.
Ключові слова: командна робота; невизначеність і статистичні моделі; шкали; стандартизація і безперервне вдосконалення; моніторинг вимірювальних систем; пробовідбір; оптимізація
Введение
«На граните я строилрухнуло, На песке я построил рухнуло, Теперь начну с печного дыма». Юлиан Тувим
Измерения нужны всем. Всегда. Без них не обойтись. А метрология это наука о том, что такое измерение, как оно устроено, какими свойствами обладает. А ещё это организация практики разработки методов и инструментов измерения, их использования и интерпретации полученных результатов. Метрология стоит на пересечении бесчисленных дорог, где ей приходится обслуживать решение самых разнообразных задач, учитывать многочисленные требования самых разнообразных операторов процессов. Причём, каждый из участников этих многочисленных взаимодействий сам находится в состоянии развития и не представляет стабильную структуру. Такую ситуацию естественно можно охарактеризовать как кризис прикладной метрологии.
Давайте посмотрим, чем же конкретно занимается метрология. Всё начинается, как обычно, с потребности человеческого общества в получении информации о характеристиках некоторого объекта или явления. Сами характеристики бывают разными. Некоторые из них, такие, например, как форма или размеры, можно определять непосредственно, а чтобы узнать, сколько в данном предмете содержится железа или меди, надо уже проводить анализ. Но прежде, чем измерить что либо, надо иметь метод измерения и измерительный прибор или систему. Если они уже есть прекрасно, а если нет, то нам предстоит изобрести метод и придумать прибор с такой функцией. К этому ещё необходимо приложить методологию использования прибора (инструкция по применению, пропись), а также правила интерпретации полученных результатов.
Что значит: «изобрести метод»? Мы привыкли измерять длины или расстояния в метрах, или в производных метра. Но как измерить, например, расстояние от Земли до Луны? Здесь нужен метод. И люди придумали посылать на Луну лазерный луч, ждать его отражения от Луны и возвращения обратно. Тогда можно поделить общее время движения луча пополам и умножить на скорость его распространения. Так мы получим расстояние. А как узнать длину нанообъекта, его вообще можно увидеть только в микро скоп и при очень большом увеличении? Ну что ж, можно, например, сфотографировать изображение в микроскопе, измерить объект на изображении линейкой, а результат разделить на увеличение микроскопа. Вот и будет размер объекта.
Конечно, это сильное упрощение ситуации. Но главная мысль ясна: мы должны либо пользоваться методом, который кто-то изобрёл до нас, либо мы вынуждены изобретать свой собственный метод, даже в таких «простых» случаях, как измерение линейных размеров. Метод, которым мы пользуемся по «историческим» причинам, никогда не бывает единственно возможным. Этот факт обеспечивает условия для прогресса, для непрерывного совершенствования, но и одновременно создаёт некоторую неопределённость.
Кроме метода, как мы знаем, нужен ещё измерительный прибор или измерительная система. Это обычно некоторая техническая система, которая тиражируется, если речь не идёт о каких-то уникальных системах, таких как Большой андронный коллайдер. Школьные линейки производятся ежегодно тысячными тиражами. Тиражирование из мерительных систем создаёт очередную метрологическую проблему. Это проблема воспроизводимости результатов. Естественно хотеть, чтобы два разных человека, работая с двумя разными экземплярами измеритель ной системы, при измерении одного и того же объекта получали сопоставимые результаты. Иначе в измерениях не будет смысла. Если для школьных линеек это не слишком критично, то для реальных измерений это чрезвычайно важно. Значит, к производству тиражируемых измерительных систем должны предъявляться жёсткие требования. Одним из самых ярких примеров таких «жёстких» измерений служат измерения времени часами.
Таким образом, измерительная система нуждается в обслуживании и в правилах использования в алгоритме работы. Конечно, как и в случае метода, выбор принципа работы и конструкции измерительной системы никогда не бывает единственно возможным. Достаточно вспомнить эволюцию часов от солнечных, песочных и водяных к механическим, а затем и к электронным вариантам.
Итак, мы обнаружили, что тиражируемые измерительные системы порождают неопределённость, связанную с выбором конкретного экземпляра измерительной системы. Более того, они нуждаются в обслуживании. Механические часы, например, нам приходится заводить и чистить, а в электронных менять батарейки. И от качества обслуживания, как правило, зависит качество работы. В этой связи возникает масса вопросов. Как узнать, с какой частотой надо обслуживать данную измерительную систему? Должна ли эта частота меняться во времени (например, из-за старения системы)? Как узнавать об отказах и поломках системы и, следовательно, как организовать её ремонт или замену? Как оценивать её надёжность? Как, наконец, организовать менеджмент систем такого рода? Особенно, если речь идёт о широкомасштабных массовых измерениях, скажем, в заводской лаборатории.
На некоторые их таких вопросов есть ответы. Так, для поверки и настройки (наладки) системы существуют метрологические процедуры, такие как юстировка и калибровка. Для организации ремонта вполне годится технология «Всеобщего управления оборудованием» (TPM).
Следующий шаг, который предстоит совершить на пути к реализации измерения - это алгоритм использования измерительной системы, то, что мы называли инструкцией по применению, а в аналитической химии иногда называют «прописью». Собственно, это описание процесса измерения, которое должно быть полным, точным и, по возможности, не допускающим различных толкований. Конечно, такой процесс надо ещё раз работать, и он должен быть оптимальным в смысле какого-нибудь заранее заданного критерия, например, времени или затрат. Это стандартная задача планирования экспериментов. После того, как алгоритм разработан, его надо стандартизовать, если мы хотим, чтобы им могли пользоваться разные люди, работающие на разных экземплярах измерительных систем, в разных точках земного шара. Иначе нет никакой надежды на воспроизводимость. И хотя он оптимален, стандартен и воспроизводим, всё равно, он никогда не будет единственно возможным.
Теперь пора заметить, что любое измерение - это сравнение, результаты которого мы хотим выразить некоторым определённым образом, обычно, с помощью чисел. Точнее, чтобы получить искомое число, нужны две системы с отношениями: эмпирическая и числовая, между которыми должна быть установлена функциональная связь. В математической теории измерений обе системы, вместе с функциональной связью между ними, образуют объект, который называется кортежем, а в метрологии кортеж называется шкалой. Но это не шкала измерительного прибора, просто два разных, хоть и отчасти связанных объекта, получивших по воле случая одинаковые названия. Все реальные действия и события происходят в эмпирической системе. Именно здесь происходит сравнение, результатом которого и служит измерение. Что же с чем сравнивается? Измерительная система предназначена для того, чтобы генерировать сигнал (информацию), вырабатываемый при её взаимодействии с объектом измерения. Сам по себе этот сигнал мало что говорит, пока его не сравнили с некоторым эталоном («опорным значением»). Вот различие между сигналом и эталоном и есть то, что мы хотим получить. Но результат мы хотим получить в числовом виде. А числа как раз находятся в числовой системе с отношениями. Ясно, что эта система должна принять структуру, максимально близкую к структуре эмпирической системы. Для этого и нужна функция, связывающая эмпирическую и числовую системы. При этом, важно иметь в виду, что выбор числового значения, скажем, для эта лона, с формальной точки зрения совершен но произволен и служит предметом конвенции, то есть, договора. Это вопрос удобства и привычки, так что «печной дым» кажется слишком жёстким основанием.
Эталоны или стандартные образцы создают серьёзную проблему, поскольку их надо разрабатывать, измерять с запредельной точностью, хранить и воспроизводить, в надежде сохранить во времени их ключевые свойства.
Получив, наконец, вожделенный результат измерения, мы хотим понять, какими же свойствами он обладает. Какова же неопределённость, связанная с ним? Насколько он надёжен? Меряет ли он именно то, что мы хотели измерить? Пока ответы на подобные вопросы не будут получены, мы, в сущности, не можем воспользоваться результатом трудов для принятия решений. Ситуация усложняется ещё и тем, что редко измерения бывают прямыми, как, например, измерение длины карандаша линейкой. Гораздо чаще измерения бывают косвенными, то есть, измеряется несколько величин, которые подставляются в некоторую формулу, и уже из неё находят искомое. Всё, что связано с оцениванием свойств измерений, обычно относится к прикладной математической статистике. Взаимодействие метрологии со статистикой - одна из ключевых проблем.