Matavimų teorija ir praktika

Vadovėlyje "Matavimų teorija ir praktika" dėstomi šiuolaikiniai matavimų teorijos pagrindai, nagrinėjamos tolerancijų ir suleidimų sistemos, teisinė metrologija, aptariamas nuokrypių klasifikavimas ir norminimas. Išsamiai aprašyti statistiniai statinių paklaidų įvertinimo metodai, matavimo neapibrėžtis ir dinaminės paklaidos. Supažindinama su matavimo sistemų sandara, informacinės teorijos pagrindais, šiuolaikiniais matavimo įrankiais, įtaisais ir mašinomis. Aprašyti judesių ir procesų parametrų matavimo metodai ir priemonės. Vadovėlis skirtas visų mechaninių ir kitų specialybių studentams, bakalaurams, magistrams ir doktorantams, taip pat inžinieriams mechanikams.

ĮVADAS

Metrologija ir matavimų technologija užima svarbią vietą šiuolaikinėje visuomenėje. Matavimų mokslo uždavinys yra išplėsti objektyvių matavimų ribas ir sukurti tinkamas matavimo priemones. Matavimų mokslo raidą sąlygoja didėjantys visuomenės poreikiai, tad nuolat tobulinamos matavimų technologijos, taikomi pažangiausi jų projektavimo ir įgyvendinimo metodai. Metrologinė infrastruktūra sudaro svarbią išsivysčiusių šalių technologinės infrastruktūros dalį. Yra nustatyta, kad matavimai ir su jais susijusi veikla išsivysčiusiose šalyse sudaro 3...6 % jų bendrojo vidinio produkto [14]. Be sklandžiai funkcionuojančios metrologinės infrastruktūros sunku įsivaizduoti kasdienį mūsų visuo-menės gyvenimą.

Matavimai yra bazinis mokslinių tyrimų metodas. Šiuolaikiniai tikslieji mokslai yra visiškai priklausomi nuo matavimų technologijos galimybių. Be tikslių matavimų neįmanoma efektyvi gamyba. Tarptautinės telekomunikacijų (ryšių) sistemos dirba patikimai ir efektyviai, bet didelis informacijos perdavimo greitis neįmanomas be glaudžiai susietos visame pasaulyje laiko skalės. Medicinoje kartais labai sudėtingi matavimai atliekami diagnozuojant ligą ir ją gydant. Žemės ūkyje, nustatant maisto produktų kokybę, taip pat gamtos apsaugoje matavimai tampa vis svarbesni, nes jais remiantis kuriami žmonių praktinę veiklą atitinkantys įstatyminiai aktai. Tik matavimai daro kokybę kiekybiškai įvertinama.

Remiantis matavimų mokslo ir informacinių technologijų pažanga buvo gerokai išplėstos matavimų technologijų galimybės. Tai akivaizdžiai matyti panagrinėjus matavimų vaidmenį sprendžiant aplinkos bei techninių sistemų monitoringo, identifikavimo, diagnozavimo, teisinės metrologijos, metrologinės ekspertizės, gaminių ir procesų sertifikavimo, jų atitikties, kokybės užtikrinimo ir kitus klausimus.

Matavimo uždaviniai labai įvairūs. Matuojami įvairiausi skirtingų savybių fizikiniai ir cheminiai dydžiai, be to, skiriasi jų matuojamieji ruožai, įvairiems matavimams keliami tikslumo reikalavimai bei matavimo priemonių darbo sąlygos. Vieni matavimai turi būti atliekami laboratorijose griežtai apibrėžtomis, kiti - labai sunkiomis, netgi atšiauriomis sąlygomis. Todėl yra sukurta daugybė įvairaus sudėtingumo ir galimybių techninių priemonių. Vien jutiklių ir keitiklių, jungiančių matuojamąjį objektą su matavimo sistema bei pakeičiančių išorinį žadinimą informacinėse sistemose įprastai naudojamais signalais, yra su-kurta per 200 000. Informacinės technologijos įgalina rinkti ir apdoroti matavimo informaciją, pateikti ją vartotojui tinkama forma arba paversti ją fizikiniu valdymo poveikiu.

Kai reikia matuoti patikimai ir tiksliai bei užtikrinti matavimų vienovę, naudojamasi vienetais, susijusiais su fundamentaliąja fizika, jos konstantomis, nes vienintelių jų nekintamumas yra tikras. Tą pripažino Maksvelis (Maxwell) dar 1870 metais. Tokie matavimai tenkina stabilumo ir suderinamumo sąlygas, nes gali būti tiksliai atkartojami ilgą laiką ir būti suderinami su matavimais, atliktais kitose mokslo ir technologijų srityse. Matavimų suderinamumas įvairiose mokslo ir techniko srityse yra būtinas, kad būtų galima praktiškai pritaikyti fizikos lygtis. Šį suderinamumą turi užtikrinti matavimų sistema, kuri savo ruožtu turi būti stabili, sudaryta iš tarpusavyje suderintų matavimo vienetų ir pripažinta visame pasaulyje. Tokia yra SI vienetų sistema, t. y. tarptautinė vienetų sistema, beveik išimtinai naudojama visose mokslo ir technikos srityse. Perėjus prie SI vienetų ir kvantiniais reiškiniais grindžiamų etalonų, padidėjo daugelio įvairiausių matavimų tikslumas. Pavyzdžiui, pritaikius optinę interferometriją (panaudojant tiksliai žinomo ilgio šviesos bangas) geometriniams matavimams, į dviejų ir trijų koordinačių koordinatines matavimo mašinas buvo įkomponuoti tikslūs matavimo etalonai, tad būdingosios šių mašinų matavimo neapibrėžties dedamosios dabar daugiausia priklauso tik nuo oro refrakcijos indekso (lūžio rodiklio). Elektrinių dydžių metrologijoje įdiegus Džozefsono Ųosephson) kontakto etalonines sistemas, matavimų rezultatai atkartojami kelių 1(HŪ dalių tikslumu. Komerciniais cezio atominiais laikrodžiais laikas matuojamas kelių 10-!3 dalių tikslumu, t. y. matavimo neapibrėžtis per parą sudaro keletą nanosekundžių. Toks tikslumas būtų neįmanomas, jeigu matavimai būtų susieti su matavimo etalonais, sudarančiais tradicines daugiapakopes matavimo priemonių sieties grandines, nes kiekvienos žemesnės sieties grandinės pakopos etalonų tikslumas yra 3...4 kartus mažesnis negu aukštesnės pakopos etalonų. Taigi nacionalinių etalonų tikslumas turėtų būti 10 ar net 50 kartų didesnis negu reikalinga pramonei. Esant šiuolaikiniams tikslios gamybos reikalavimams, naudojantis tradicine sieties grandinės schema reikėtų neįmanomo tikslumo etalonų, nes tikslūs matavimai, kurių reikia kai kuriose pažangių technologijų įmonėse, yra ties priešakine metrologijos galimybių riba.

Kita vertus, patikimų matavimų poreikis didėja beveik visose visuomenės gyvenimo srityse. Pasaulyje susikūrė ir toliau plėtojasi galingi ekonominiai regionai. Pasaulinė prekybos organizacija yra suinteresuota šalinti techninius prekybos barjerus pasauliniu mastu, suderinti pramonės produktų kokybės ir jų atitikties įvertinimo reikalavimus. Europoje toks regionas yra bendroji Europos rinka. Viena iš bendrosios rinkos nuostatų yra tokia: analizės ar ekspertizės rezultatai, gauti vienos iš ES šalių reikiamai sertifikuotoje ir akredituotoje laboratorijoje, galioja visose kitose ES šalyse. Ekonomikos ir tarptautinių prekių mainų plėtojimasis ir susidariusi nauja situacija reikalauja, kad nacionalinė matavimų sistema (NMS) atitiktų naujas rinkos reikmes, garantuotų reikiamą šalies pramonės produkcijos kokybę ir konkurencingumą. Nacionalinių metrologinių etalonų lygį lemia pramonės poreikiai, taip pat šalies resursai bei metrologinės galimybės. Aukšto lygio NMS yra prielaida apsaugoti žmonių sveikatą, užtikrinti jų saugumą bei piliečių ir aplinkos teisinį statusą. Šiuos klausimus nagrinėja teisinė metrologija, kurios pagrindinis tikslas yra apsaugoti žmones nuo neteisingų matavimų padarinių.

Matavimų vienovei tiek Europoje, tiek ir pasaulyje skiriama itin daug dėmesio. XX am-žiuje buvo sukurtas ir toliau plėtojamas tankus nacionalinių metrologijos laboratorijų tinklas. Taip atsirado pasaulinė matavimų sistema (infrastruktūra), užtikrinanti tiek nacionalinių, tiek tarptautinių matavimo etalonų vienovę ir tikslumą. Dabar nacionalinės metrologijos laboratorijos įkurtos visose išsivysčiusiose šalyse. Jos rūpinasi nacionalinių matavimo etalonų įgyvendinimu, taip pat daugeliu atvejų vadovauja nacionalinei matavimų sistemai, į kurią įeina kalibravimo laboratorijos, sertifikavimo, akreditavimo bei teisinės metrologijos tarnybos. Nacionalinė metrologinė įstatymdavystė ir nacionalinės laboratorijos turi atitikti šalies poreikius. Nacionalinės metrologijos institucijos turi teikti aukštos kokybės matavimų paslaugas nacional-nėms pramonės bei paslaugų įmonėms, taip pat vyriausybės įstaigoms bei tyrimo institutams, kad visi vartotojai gautų patikimus matavimų rezultatus.

Pokyčiai tiek matavimų teorijoje, tiek praktikoje yra akivaizdūs [6, 7, 8]. Mokymo procese tiek matavimų fizika, tiek matavimų techologija nebegali būti pateikiamos tradicine forma. Efektyviam mokymui ir studijoms matavimų dalykas turėtų būti dėstomas kaip sisteminis, loginės struktūros mokslas, grindžiamas fundamentaliaisiais principais ir koncepcijomis. Vadovaujantis sisteminiu požiūriu, į matavimus žiūrima kaip į informacinį procesą, o ne kaip į atskirą aktą, o į matavimo prietaisus - kaip į informacines mašinas. Kuriant tokias mašinas remiamasi sistemine metodologija. Matuojant mechaninius dydžius, sisteminio požiūrio pranašumai išryškėja ypač tada, kai matuojama netiesiogiai, pavyzdžiui, nustatant paviršių formą, jų tarpusavio išsidėstymą, mechaninių sistemų dinamines savybes irkt.

Nuolat didėjantys visuomenės poreikiai, būtinybė tobulinti matavimų bei gamybos technologijas, projektavimo metodus spartino matavimų mokslo plėtotę. Gyvenimas privertė naujai pažvelgti į pamatinius matavimų mokslo dalykus, pakoreguoti tokių pamatinių sąvokų kaip matavimas, matuojamasis dydis, matavimo signalas, paklaida, nuokrypis, matavimo neapibrėžtis ir kt. sampratą. Matavimų mokslas turėtų sudaryti svarbią viso žmonių lavinimo, pirmiausia tiksliųjų mokslų specialistų rengimo, dalį. Kompetencija matavimų srityje yra būtina, kad žmogus galėtų efektyviai reikštis šių laikų pasaulyje. Į naujų metodų ir priemonių kūrimą orientuotas, probleminis matavimų dalyko mokymas yra puikus integruoto tarpdalykinio mokymo pavyzdys, intelekto ugdymo priemonė.

Matavimų mokslo ir technologijos pagrin-dą sudaro baziniai realaus pasaulio objektų ar įvykių atributų atvaizdavimo principai matavimų teorijoje ir praktikoje priimtais infor-macijos atvaizdavimo simboliais, remiantis matavimo signalų ir jų apdorojimo teorija. Matavimų sistemų struktūrai ir jų sisteminio organizavimo principams išryškinti taikomi sis-temų teorijos principai ir metodai, pirmiausia sistemų modeliavimo, jų analizės ir sintezės metodai. Matavimų mokslui ir technologijoms ypač svarbi paklaidų, nuokrypių ir matavimo neapibrėžties teorija, nes šios problemos yra bendros daugeliui informacinių mašinų ir procesų.

Sisteminis požiūris į matavimų mokslą, ypač į mechaninių dydžių matavimus, dar nebuvo akcentuojamas ruošiant šio dalyko vadovėlius ir mokymo priemones šalies aukštosioms mokykloms. Ši knyga yra vienas pirmųjų bandymų užpildyti šią spragą. Joje išdėstyti daugeliui sričių bendri matavimo metodų pagrindai ir principai.

Knygoje daug dėmesio skirta matavimo pagrindams, aptartas šiuolaikinis matavimo vienetų etalonų lygis, matavimo signalai, pateikti informacinės matavimų teorijos pagrindai, išnagrinėti matavimo neapibrėžties skaičiavimo principai, supažindinama su teisinės metrologijos pagrindais.