Co to jest pomiar? Czym zajmuje się współczesna metrologia? Jaki jest kierunek jej rozwoju?

Na te i inne pytania odpowiedzi można znaleźć w poniższym artykule.

  

Rola metrologii i kierunki jej rozwoju.

prof. Janusz Gajda

Trudno jest sobie wyobrazić jakąkolwiek działalność człowieka czy to w obszarze działalności technicznej np. produkcja, sterowanie obiektami lub systemami (np. systemem transportowym), czy w obszarze ochrony zdrowia, ochrony środowiska, w obszarze handlu bądź dystrybucji jakichkolwiek dóbr materialnych, bez udziału metrologii. Początki metrologii były prawdopodobnie związane z wymianą towarową prowadzoną pomiędzy ludźmi.

Trzeba zacząć od zdefiniowania obszaru zainteresowań metrologii czyli nauki o mierzeniu. Pomiar jest procesem poznawczym prowadzonym w celu uzyskania ilościowej informacji o obiekcie lub procesie będącym przedmiotem badań. Źródłem tej informacji są sygnały generowane przez badany obiekt lub proces. Nazywamy je sygnałami pomiarowymi. Zadaniem metrologa jest wydobycie tej informacji przy równoczesnym zapewnieniu wymaganej dokładności wyniku pomiaru.
Pomiar polega na porównaniu, z odpowiednią wysoką dokładnością, wartości wielkości mierzonej z wartością tej wielkości przyjętą za jednostkę miary. Wynikiem pomiaru jest para liczb, które pozwalają odpowiedzieć na pytanie „ile?” oraz informują nas o tym jak dokładnie ten wynik pomiaru został wyznaczony. Wyznaczenie tych liczb wymaga podjęcia wielu działań obejmujących zdefiniowanie obiektu pomiarów (a więc określenie, co jest przedmiotem pomiaru i z jaką dokładnością powinien zostać wyznaczony wynik pomiaru), określenie metody pomiarowej, dobór narzędzi pomiarowych oraz numerycznych algorytmów przetwarzania sygnałów pomiarowych, przeprowadzenie eksperymentu pomiarowego, analiza błędów i ocena niepewności uzyskanego wyniku pomiarowego.
Pomiar może być realizowany jako bezpośredni, gdy wynik pomiaru odczytujemy bezpośrednio z używanego miernika. Bardziej złożone są pomiary pośrednie, w których mierzona jest bezpośrednio pewna liczba różnych wielkości, a wynik pomiaru jest wyznaczany jako wynik działania pewnego algorytmu przetwarzającego wyniki pomiarów bezpośrednich. Obecnie w wielu przypadkach pomiary są realizowane metodami cyfrowymi przy użyciu cyfrowych mierników lub z wykorzystaniem kart akwizycji danych. Sygnał pomiarowy będący ze swojej natury sygnałem ciągłym – analogowym jest przetwarzany na sygnał cyfrowy – ciąg liczb. Taki sygnał cyfrowy jest poddawany dalszemu przetwarzaniu w komputerze zgodnie z opracowanymi algorytmami numerycznymi.

Rozwój techniki i technologii postawił przed metrologią nowe wymagania zarówno, co do spektrum mierzonych wielkości, wysokiej dokładności pomiaru, szybkości działania systemów pomiarowych, objętości strumieni zbieranych i przetwarzanych sygnałów pomiarowych. Z drugiej strony rozwój fizyki, techniki, postępy technologii czujników pomiarowych pozwalają na poszerzanie listy mierzonych wielkości i podnoszenie dokładności oraz rozdzielczości pomiarów.
Nie potrafimy np. wyobrazić sobie istnienia nowoczesnej medycyny bez pomiarów, których celem jest poznanie określonych właściwości żywego organizmu. Pomiar temperatury ciała ludzkiego oraz częstotliwości tętna jest już wysoce niewystarczający. Mierzenie jest również niezbędne w przemysłowych procesach produkcyjnych, w systemach obronności kraju, w ochronie środowiska, w handlu, w badaniach naukowych. Przedmioty codziennego użytku są wręcz naszpikowane układami pomiarowymi. Samochody, którymi jeździmy to „systemy pomiarowe na kółkach”. W tym przypadku metrologia stoi na straży bezpieczeństwa chroniąc użytkowników przed niekontrolowanym poślizgiem, przewróceniem samochodu, skracając drogę hamowania, minimalizując skutki zderzenia, ułatwiając prowadzenie samochodu w trudnych warunkach atmosferycznych, ułatwiając manewrowanie samochodem np. cofanie, kontrolując czas pracy kierowców oraz prędkość jazdy, stan najważniejszych podzespołów, zapas paliwa, wskazując drogę do celu podróży itd. Często nawet nie jesteśmy świadomi wszystkich funkcji pomiarowych wypełnianych na pokładzie naszego samochodu a służących naszemu bezpieczeństwu i wygodzie.

Tą listę można znacznie wydłużyć. Łatwiej jest chyba wymienić te przejawy ludzkiej działalności, które mogą obejść się bez mierzenia, a więc również bez metrologii.

Metrologia „obsługuje” więc znakomitą większość dziedzin naszego życia. W tym kontekście rola metrologii polega przede wszystkim na poszerzaniu zbioru wielkości mierzalnych tj. wielkości, które potrafimy mierzyć, konstruowaniu nowych narzędzi pomiarowych, opracowywaniu nowych metod pomiarowych oraz algorytmów przetwarzania sygnałów pomiarowych, podnoszeniu dokładności i rozdzielczości pomiaru wielkości, które już potrafimy mierzyć. Wypełniając tą rolę metrologia korzysta z narzędzi oferowanych przez inne dyscypliny nauki jak dla przykładu elektronika, informatyka, telekomunikacja, równocześnie twórczo rozwijając te narzędzia. Przykładem takiego twórczego rozwoju może być np. wirtualna bronchoskopia w istotny sposób wspomagająca pracę lekarza podczas zabiegu. Opracowywane (i stosowane) systemy pomiarów parametrów ruchu drogowego służą poprawie bezpieczeństwa tego ruchu, poprawiają efektywność wykorzystania istniejącej infrastruktury drogowej, pozwalają planować nowobudowaną infrastrukturę (drogi, mosty, skrzyżowania, stacje benzynowe), minimalizują „korki”, skracają czas podróży, przyczyniają się do ochrony środowiska naturalnego.
Nie można, więc wskazać w sposób jednoznaczny tych dziedzin życia, które najwięcej czerpią z metrologii. Jest ona obecna prawie wszędzie.

Można się zapytać, co metrologia daje przeciętnemu obywatelowi? Jeżeli w tym miejscu mielibyśmy wymienić te najważniejsze korzyści to należałoby zacząć od ochrony zdrowia. Rozwój metrologii oznacza w tym obszarze bardziej wnikliwą diagnostykę pacjentów, możliwość stałego i zdalnego monitorowania parametrów fizjologicznych, stosowanie zaawansowanych algorytmów analizy sygnałów biomedycznych, wspomaganie przewlekle chorych np. poprzez stosowanie glukometrów oraz precyzyjnych pomp infuzyjnych. Realizowany obecnie projekt pt. „Polskie Sztuczne Serce” to w dużej części rozwiązywanie problemów metrologicznych związanych z kontrolą parametrów wszczepionej protezy serca. Bez tego wkładu metrologii powodzenie tego zamierzenia nie byłoby możliwe.
Niebagatelne znaczenie dla każdego z nas ma ochrona środowiska. Również w tym obszarze metrologia ma istotny wkład w jego monitoring. Takim spektakularnym przykładem są bezprzewodowe sieci czujników rozwijane na świecie od 10 lat i doskonale nadające się właśnie do monitorowania zanieczyszczeń na danym obszarze, w rzece a także do sygnalizowania zagrożenia pożarowego na dużych obszarach leśnych. Istotne znaczenie ma tutaj również rozwój technologii czujników prowadzący do wydłużenia ich żywotności, zwiększenia czułości i odporności na czynniki zakłócające. Te same sieci czujników są stosowane w systemach dozoru strzegących dostępu do zamkniętych obszarów, a to wiąże się z zapewnieniem nam wszystkim bezpieczeństwa. Z bezpieczeństwem wiąże się również ochrona antyterrorystyczna. Również tutaj metrologia wnosi swój istotny wkład. W obszarze działalności przemysłowej człowieka rozwój metrologii oznacza podnoszenie jakości i niezawodności wyrobów. Metrologia zapewnia nam również wygodę – automatyczne rozliczenia przy dystrybucji mediów (woda, gaz, energia elektryczna, internet, rozmowy telefoniczne, automatyczny pobór opłat za przejazd autostradą, za korzystanie z parkingów), zapewnia, że przedmioty codziennego użytku stają się wygodniejsze i bezpieczniejsze.
Przykłady ilustrujące praktyczne korzyści, jakie nam wszystkim przynosi wdrażanie efektów prac metrologów można by jeszcze długo wyliczać.

Coraz powszechniejsze staje się przekonanie, że wiek XXI, po wieku XX, w którym nastąpiła rewolucja techniczna i informatyczna, będzie wiekiem rewolucji w obszarze czujników. Apogeum tych zmian jest przewidywane na lata 30 tego wieku, a ich początki są już obserwowane obecnie.
Zauważalnymi przejawami tych zmian jest miniaturyzacja czujników, wprowadzenie czujników inteligentnych, zdolnych samodzielnie przetwarzać sygnały, przeprowadzać autokalibrację, nawiązywać łączność z innymi czujnikami, samodzielnie organizować się w sieci. Olbrzymie postępy zostały poczynione w zakresie miniaturyzacji czujników stosowanych w biopomiarach. Trwają zaawansowane badania nad czujnikami, które samodzielnie będą poruszać się we wnętrzu naszego organizmu minitorując jego funkcje.
Dotrzymanie kroku krajom wysoko rozwiniętym, niezależnie czy rozumiemy pod tym pojęcie czynny i twórczy wkład w badania i rozwój, czy tylko umiejętność efektywnego wykorzystania w naszym kraju efektów zapowiadanej rewolucji metrologicznej, bezwzględnie wymaga dysponowania szeroką, młodą kadrą dobrze wykształconych inżynierów metrologów, specjalistów od biopomiarów, metrologów-elektroników, metrologów-informatyków, konstruktorów narzędzi pomiarowych, naukowców prowadzących badania w zakresie szeroko pojętej, interdyscyplinarnej metrologii.

Obserwowane zmiany i prognozowany postęp w obszarze metrologii wymagają rozwijania nowych kierunków badawczych. Jako przykłady ilustrujące ten trend można wymienić:

– Badania nad nowoczesnymi narzędziami pomiarowymi stosowanymi w monitorowaniu procesów w systemach rozległych. Postęp w dziedzinie technologii budowy czujników krzemowych, elektroniki cyfrowej ze szczególnym uwzględnieniem systemów mikroprocesorowych, oraz zintegrowanych układów transmisji radiowej pozwolił na opracowanie koncepcji nowoczesnego narzędzia pomiarowego jakim jest (wspomniana wcześniej) Bezprzewodowa Sieć Czujników – BSC. Jest to jedno z najnowocześniejszych narzędzi pomiarowych, a z pewnością jest takim w obszarze rozproszonych systemów pomiarowych. Koncepcję i rozwój BSC należy datować na rok 2000 kiedy to rozwinęły znacząco swoją działalność niezależnie od siebie dwa amerykańskie ośrodki akademickie: Berkeley Wireless Embeded Systems oraz Center for Embedded Networked Sensing związany z University of California.

– Rozwój biopomiarów następujący w zakresie opracowania interfejsów człowiek-system pomiarowy i człowiek – komputer oraz środków technicznego wspomagania diagnostyki medycznej. W szczególności trwają prace nad budową, w oparciu o technologię scalonych układów VLSI, wielokanałowego interfejsu do pomiarów i stymulacji in vivo oraz in vitro żywych sieci neuronowych np. mózgu, siatkówki, czy też sztucznie hodowanych sieci neuronowych. W ostatnim dziesięcioleciu dzięki postępowi w nanotechnologii i w zakresie wytwarzania biokompatybilnych systemów mikro-elektromechanicznych (BioMEMS) pojawiły się matryce płaskich i ostrzowych miko-elektrod mogących zbierać sygnały elektryczne ze żywych sieci neuronowych.
Brakuje jednak rozwiązań w zakresie ekstrakcji i kondycjonowania sygnałów z matryc mikro-elektrod, w oparciu o które można by budować zminiaturyzowane wielokanałowe systemy pomiarowe składające się z setek, bądź tysięcy kanałów odczytowych/stymulacyjnych odpowiadające potrzebom współczesnych eksperymentów neurobiologicznych, prowadzonych zarówno przez laboratoria uniwersyteckie, instytuty badawcze, jak i przez przemysł. Rozwiązanie tych problemów to właśnie zadanie metrologii.

– Kontynuowane są badania nad układami i algorytmami bezprzewodowej transmisji danych pomiarowych z inteligentnych systemów monitorowania stanu pacjenta. Opracowane rozwiązania, w zależności od konfiguracji, po uzupełnieniu o interfejs sensora CMOS i wielokanałowy wzmacniacz wstępny, są przeznaczone do współpracy z takimi urządzeniami diagnostycznymi jak np. bezprzewodowa kapsuła endoskopowa, bezprzewodowy system rejestracji biopotencjałów neuronowych, kapsuły do diagnostyki układu pokarmowego itp.

– Trwają prace nad rozwijaniem metod obrazowania cyfrowego wykorzystującego promieniowanie X. Prace te koncentrują się nad badaniami wzmacniaczy ładunkowych w technologiach submikronowych do zastosowań w architekturach pikselowych.

– Ważne z praktycznego punktu widzenia są prace rozwojowe związane z opracowaniem metod pomiaru, kontroli i diagnostyki systemów energetycznych. Rozwijana idea budowy systemu energetycznego składającego się z bardzo wielu (liczonych w setkach tysięcy) węzłów, z których każdy wypełnia rolę zarówno odbiorcy energii elektrycznej jak również jej producenta, zdobywa coraz szersze grono zwolenników. Te pojedyncze węzły składowe nazywane Smart Grids to nic innego jak pojedyncze gospodarstwa produkujące energię elektryczną ze źródeł odnawialnych (słońce, wiatr, biomasa, pompy cieplne, źródła geotermiczne). Energia ta jest przeznaczona na własne potrzeby gospodarstwa, ale jeżeli występuje jej nadmiar jest oddawana do sieci energetycznej. Wcielenie tej idei do praktyki wymaga rozwiązania bardzo wielu problemów, głównie właśnie z obszaru metrologii i sterowania.

Wymienione obszary zastosowań metrologii i wymienione kierunki jej rozwoju należy potraktować wyłącznie jako nieliczne przykłady, których celem jest jedynie wskazanie jej interdyscyplinarnego charakteru oraz poparcie tezy, że bez metrologii współczesny świat nie mógłby funkcjonować.