История развития метрологии

Понятия о метрологии и метрологическом обеспечении

Метрология в самом широком понимании этого слова представляет собой науку об измерениях, об обеспечении их единства, о способах достижения требуемой точности, а также о методах и средствах достижения указанных целей.

Первоочередные задачи стоят перед службой метрологии? Главная из них - обеспечить единство и точность измерений в стране. Измерения являются основным средством получения объективной достоверной информации о показателях качества продукции и их соответствии стандартам и техническим условиям. Качество самих измерений зависит в значительной степени от уровня метрологического обеспечения как в отдельных отраслях, так и в народном хозяйстве в целом.

Понятие метрологического обеспечения сформировалось в 70-х годах как комплекс мер по обеспечению единства измерений и определено в ГОСТ 1.25-76 как " установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений".

Точность измерений характеризует качество измерений, отражающее близость результата измерения к истинному значению измеряемой величины. Близость результата измерения Х к истинному значению измеряемой величины Хо количественно оценивается погрешностью измерения. Чем меньше погрешность, тем выше точность измерения.

Единство измерений характеризует такое их состояние, при котором результаты измерений выражены в узаконенных единицах, а погрешности измерений известны с заданной вероятностью.

История развития метрологии

С необходимостью измерений, сначала самых примитивных и простых, люди столкнулись много лет назад. Первобытный охотник убил зверя далеко от стоянки своего рода или племени. Донести добычу одному ему не под силу - надо вернуться на стоянку и позвать помощников. Но им нужно объяснить, какое расстояние надо пройти до убитого зверя. Так человек столкнулся с необходимостью измерять расстояния.

Изготовляя средства охоты и орудия труда, человек вынужден был измерять их длину и ширину. Строя первые жилища - необходимую площадь и т.д. Следовательно, еще в глубокой древности возникла потребность в мерах длины, площади, объема, веса.

Многие из первых единиц измерений заимствовались из размеров самого человека. Очевидно, первой мерой длины был человеческий шаг, затем появились и другие меры длины:

- палец - ширина какого-либо пальца;

- дюйм - длина сустава большого пальца;

- ладонь - ширина четырех пальцев;

- ступня, или фут (12 дюймов)

- локоть, или аршин.

Достоинством этих первых примитивных единиц измерения было то, что они всегда были под рукой, хотя они и несовершенны, ведь размеры пальцев у разных людей различны.

В последующем развитие общества требовало создания более точных мер. С этой целью в более поздние времена пытались применять средние значения указанных единиц. Например, в одном из старинных документов длина фута была установлена как 1/16 доля "длины ступней 16 человек, выходящих от заутрени в воскресенье". Эта мера уже точнее, хотя и далека от совершенства.

Первые меры перестали в ряде случаев удовлетворять человека недостаточной масштабностью. Трудно, например, измерить расстояние в несколько километров футами или локтями. Тогда для измерения больших расстояний стали использовать различные явления из окружающей среды:

- бычий рев - расстояние, на котором человек может услышать рев быка;

- выстрел из лука – расстояние, на которое летит стрела, выпущенная из лука;

- ружейный выстрел;

- день пути.

Для измерения площадей часто применялись единицы, связанные с производительностью труда человека:

- югер - площадь, которую человек мог вспахать на быке за день;

- морген - площадь, вспаханная за утро;

- колодец - площадь, которую можно полить из одного колодца.

Для измерения веса люди использовали зерна ячменя, проса, пшеницы. Наименование наименьшей части фунта - гран (равен 0,063 г.) на латинском языке означает "зерно". Применяемая и до настоящего времени единица массы драгоценных камней "карат" (равен 0,2 г.) - по-арабски означает «семя» одного из бобовых растений.

Большинство древних русских мер, так же как и у других народов, было связано с частями человека. Такими мерами были:

- палец - равный толщине пальца;

- пядь - равная наибольшему расстоянию между большим и указательным пальцам;

- локоть - длина которого определялась от локтя до переднего сустава среднего пальца;

- сажень - представляла собой расстояние между концами средних пальцев раскинутых рук (маховая сажень) или расстояние от пяты левой ноги до конца вытянутых пальцев поднятой вверх правой руки (косая сажень).

В ХVI веке сажень была приравнена к трем аршинам и стала называться казенной, или трехаршинной.

Для измерения больших расстояний на Руси с давних пор употреблялась верста. Впервые верста упоминается в документах ХI века.

Единицей измерения площади земли была десятина, равная 2400 кв. саженям.

Применявшиеся меры веса часто связывались с денежными единицами. Долгое время товары оплачивались кусками серебра определенного веса, которые одновременно считались и денежными единицами и мерой веса. На кусках серебра делались зарубины, по которым производился разлом для более мелкого расчета. От отломленных, рубленых частей кусков серебра и произошло слово "рубль".

Надзор за мерами и весами в Древней Руси поручался духовенству и только в XVI веке надзор перешел к гражданским властям. Грамота (1135 г.), данная г. Новгороду князем Всеволодом Мстиславичем, гласит: «…торговые весы, мерила и чаши от весов блюсти епископу без пакости…».

Первоначально единица физических величин выбирались произвольно, без какой - либо связи друг с другом, что создавало большие трудности при переводе.

В каждой стране, а иногда даже в каждом городе, создавались свои единицы. Перевод одних единиц в другие был очень сложен и приводил к существенному снижению точности результатов измерений.

Помимо указанного разнообразия единиц, которое можно назвать "территориальным", существовало разнообразие единиц, применяемых в различных областях науки, техники, промышленности и т.д., которое называется "отраслевым" разнообразием величин. Оно существует и в настоящее время.

По мере развития техники и международных связей трудности использования результатов измерений возрастали и тормозили научно-технический прогресс. Положение осложнялось еще и тем, что соотношение между кратными единицами были разнообразны.

Например, в Англии:

1 легальная миля = 8 фарлонгам = 320 родам = 1760 ярдам =5280 футам = 63360 дюймам = 25,4мм. Подобные соотношения существовали и для других мер.

Даже в настоящее время в Европе насчитывается до сотни футов различной длины, около полусотни различных миль, свыше 120 различных фунтов. В России до введения метрический системы мер существовали единицы измерения, помещенные в приложении 1.

7 апреля 1795 года, после Великой французской революции, была введена метрическая система мер.

Первоначально она базировалась всего на четырех единицах:

- единица длины - метр;

- единица массы – килограмм;

- единица площади – квадратный метр (м2);

- единица объема – кубический метр (м3).

Позднее к этим величинам присоединили единицы времени - секунду и температуры - градус Кельвина.

За единицу длины был принят метр, равный одной десятимиллионной части четверти меридиана Земли, проходящего через Париж.

За единицу массы была принята масса 1 дм3 чистой воды при температуре +4о С. Эту величину назвали килограммом.

Как видим, в отличие от множества применявшихся ранее мер, основанных на самых разнообразных величинах, в основу метрической системы были положены незыблемые образцы. В этом заключалась одна из важнейших особенностей и преимуществ метрической системы мер.

Другое важнейшее преимущество метрической системы - десятичное подразделение единиц, когда каждая единица образуется путем деления или умножения основной единицы на число, кратное 10, а также единый способ образования их наименований путем включения в название соответствующей приставки: кило-, санти-.

Третьим, очень важным достоинством метрической системы являлось установление тесной и простой связи между единицами длины, площади, объема и массы.

Впервые понятие о системе единиц физических величин ввел немецкий ученый Гаусс. По его методу построения систем единиц различных величин вначале устанавливают или выбирают произвольно несколько величин независимо друг от друга. Единицы этих величин называют основными, так как они являются основой для построения системы единиц других величин.

Основные величины единицы устанавливают или выбирают таким образом, чтобы, пользуясь закономерной связью между величинами, можно было бы образовать единицы других величин. Под закономерной связью между величинами подразумевается возможность математически выразить зависимость одной величины от других.

Единицы, выраженные через основные, называют производными.

Полная совокупность основных и производных единиц, установленных таким путем, и является системой единиц физических величин.

Обратим внимание на особенности описанного метода построения системы единиц величин. Во-первых, метод построения системы не связан с конкретными размерами основных величин. Во-вторых, в принципе построение системы единиц возможно для любых величин, между которыми имеется связь, выражаемая математически в виде уравнения. В - третьих, выбор величин, единицы которых должны стать основными, ограничивается соображениями рациональности и в первую очередь тем, что оптимальным является выбор минимального числа основных единиц, которое позволило бы образовывать максимально большее число производных единиц.

Из всех систем предпочтение отдается системам, построенным на единицах длины - массы - времени как основных.

В физике применяются еще и сейчас системы, построенные по той же схеме - длина - масса – время: СГС (1870 г.) – сантиметр – грамм – секунда, МКС - метр - килограмм – секунда, МКГСС - метр - килограмм - сила - секунда. Удобство этой системы заключается в том, что применение в качестве одной из основных - единицы силы - упрощает вычисления и выводы зависимостей для многих величин. Недостатком же является то, что единица массы в ней получается производной и численно равной 9,81 кг. Это нарушало метричность. Второй недостаток - сходность наименования единицы силы и массы, что приводило часто к путанице. Третий - ее несогласованность с электрическими единицами.

Наличие ряда систем единиц измерения физических величин и большое количество внесистемных единиц, вызвало создание единой универсальной системы единиц

В 1948 г. IX Генеральная конференция по мерам и весам предложила принять для международных отношений единую практическую систему единиц. Были опрошены ученые, и в 1954 году (Х Генеральная конференция) приняла в качестве основных единиц новой системы следующие:

длина – метр,

масса – килограмм,

время – секунда,

сила тока – Ампер,

температура - градус Кельвина,

сила света – кандела;

дополнительные единицы:

радиан - плоский угол,

стерадиан - телесный угол.

В 1960 году ХI Генеральная конференция по мерам и весам окончательно приняла новую систему, присвоив ей наименование «Международная система единиц» (систем - интернационал) - СИ.

Система СИ является в настоящее время наиболее современной и универсальной из всех существовавших до настоящего времени. Она охватывает физические величины механики, электродинамики, термодинамики и оптики, которые связаны между собой физическими законами.

В 1971 году была принята единица количества вещества - моль.