Стандартизация. Метрология. Стандарты информационной безопасности. Практика применения

Процесс создания и исполнения стандартов не может обойтись без собственного научного аппарата.

Термин «Метрология» произошёл от двух греческих слов μέτρον «мера» + λόγος «мысль или причина», т.е. метрология должна дать научные обоснования измерениям, проводимым не только в процессе стандартизации, но и в других процессах, где необходимы замеры. На первый взгляд, кажется, все просто: метр, килограмм, литр. И объяснения примитивно-простые метр – это примерно «вот столько», а один килограмм – это вес одного литра воды. Однако, простота измерений кажется такой, только, если не погружаться в эту проблему. К чему привязать эталон метра, если на планете Земля все предметы «живут и изменяются», расширяясь и сжимаясь. Как измерить расстояние нулевого меридиана, если точек северного полюса, как и экватора, с высокой точностью не существует. Что взять за единицу времени, если нет постоянных процессов и время субъективно (или нет?). Вращение Земли вокруг Солнца, вокруг своей оси, при точном измерении оказалось не постоянное. А кто сказал, что скорость света постоянная и больше её не может быть ничего? Альберто Эйнштейн, но многие учёные его пытаются опровергнуть многочисленными экспериментами.

Без научных исследований ответы на эти вопросы не найти.

Метрология (Metrology) – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства, и способах достижения требуемой точности [44]. На рисунке 1.12 представлена графическая визуализация термина метрология.

Рисунок 1.12 – Составные части метрологии

(Источник: выполнено автором по данным [44])

В англоязычных источниках чаще встречается другое понятие, отличное от русскоязычных источников, трактующее метрологию как три самостоятельных направления.

Метрология – обширная область знаний, которую можно свести к трём основным направлениям: определение общепризнанных единиц измерения, отслеживаемость и реализация этих единиц измерения на практике с определением эталонов [45, 46]. На рисунке 1.13 показаны особенности трактовки термина метрология в научных зарубежных источниках.

Рисунок 1.13 – Составные части метрологии по зарубежным источникам

(Источник: выполнено автором в соответствии с научными трудами [45, 46])

Для понимания задач метрологии вводится понятие «Traceability», что можно перевести как «отслеживаемость» или «прослеживаемость». Метрология не только способствует реализации единых мер измерения, но и формирует механизмы контроля, поверки (не путать с термином «проверка»), юстирования, обеспечения сохранности. Можно уверенно сказать, что наука и человечество не могут развиваться без метрологии. Учитывая, что на нашей планете нет постоянных процессов, которые можно было бы принимать за эталоны меры, становится понятна сложность задач, которые решают метрологи.

Рассуждениям людей на эту тему много тысячелетий. Современная метрология, в том виде, как она дошла до наших дней, уходит своими корнями во Французскую революцию. Революция прав и свобод дала импульс многим наукам, в том числе и метрологии. Именно в это время была сделана попытка найти единицу измерения расстояния, не связанную с человеком или предметами, изменяющими свои размеры. Эти исследования в 1795 году привели к созданию десятичной метрической системы и установили набор стандартов для других типов измерений [47, 48]. В дальнейшем, десятичная метрическая система трансформировалась в Международную систему единиц (СИ).

Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов с заданной точностью и достоверностью.

Нормативная база – метрологические стандарты.

В данной области работает много специалистов. Специалисты по метрологии, эксперты метрологии называются метрологами.

Задачами метрологии являются:

– создание общей теории измерений;

– образование единиц физических величин и систем единиц;

– разработка и стандартизация методов и средств измерений, методов определения точности измерений, основ обеспечения единства измерений и единообразия средств измерений;

– создание эталонов и образцовых средств измерений, поверка мер и средств измерений.

Приоритетной подзадачей данного направления является выработка системы эталонов на основе физических объектов. Ну и чтобы учёные-метрологи не скучали, в последнее время им добавили ещё одну задачу: изучение развития системы мер, денежных единиц и счёта в исторической перспективе. Деньги решают всё!

Метрология делится на три основных пересекающихся вида деятельности, представленные на рисунке 1.14. Виды деятельности метрологии тесно связаны между собой. Исследование отдельных видов может осуществляться только с позиции системного подхода.

Рисунок 1.14 – Пересечения видов деятельности метрологии

(Источник: выполнено автором по научным трудам [46-49])

Определение единиц измерения может быть длительным процессом, например, для научного обоснования метра потребовалось более десяти лет. Практическая реализация единиц измерения происходит быстрее, но также для новых процессов может занимать продолжительное время. Очень важным видом деятельности метрологии является отслеживаемость (Traceability, есть перевод «прослеживаемость») или привязка измерений, сделанных на практике, к эталонным стандартам.

Научная часть метрологии включает в себя три основные раздела, представленные на рисунке 1.15:

Рисунок 1.15 – Разделы научной части метрологии

(Источник: выполнено автором)

Разделы научной части метрологии подразделяются на:

– теоретическая или фундаментальная метрология (в англоязычных источниках «научная метрология») рассматривает общие теоретические проблемы, такие как разработка теории и проблем измерений физических величин, их единиц, методов измерений [50];

– прикладная метрология – изучает вопросы практического применения разработок теоретической метрологии. В её ведении находятся все вопросы метрологического обеспечения;

– законодательная метрология – устанавливает обязательные технические и юридические требования по применению единиц физической величины, методов и средств измерений.

Теоретическая или фундаментальная (научная) метрология занимается установлением единиц измерения, разработкой новых методов измерения, реализацией эталонов и передачей отслеживаемости (прослеживаемости) от этих эталонов пользователям [45, 46]. Этот раздел считается высшим уровнем метрологии, стремящимся к высокой степени точности [45]. Международное бюро мер и весов (BIPM) поддерживает базу данных по метрологической калибровке и измерительным возможностям институтов по всему миру. Такая деятельность подвергается экспертной оценке, обеспечивает фундаментальные ориентиры для метрологической отслеживаемости (прослеживаемости).

В области измерений Международное бюро мер и весов (BIPM) определило девять областей метрологии [51]:

– акустика;

– 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.