Лекция 1. Введение в метрологию

1.1 Введение

Измерения играют важную роль в жизни человека. С измере­ниями он встречается на каждом шагу своей деятельности, начи­ная от определения расстояний на глаз, измере­нием текущего времени по наручным часам и кончая контролем слож­ных технологических процессов и выполнением научных исследо­ваний.

Теоретическим обобщением всех проблем, возникающих при измерениях, занима­ется наука об измерениях - метрология (от греч.  - мера и  - учение, наука).

Развитие производства и естественных наук неразрывно связано с прогрессом в метрологии. Их взаимодействие показано на рис.1. Измерения - один из способов позна­ния. Многие исследования в области естественных наук сопровождаются измерениями, по­зволяющими установить количественные соотношения и законо­мерности изучаемых явлений. Значимость метрологии для естественных наук состоит в том, что эксперимен­тальная проверка их теоретических положений выполняется только с помощью измере­ний. Д.И.Менделеев писал: «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять; точная наука не­мыслима без меры». История науки знает примеры, говорящие о том, что прогресс в области измерений способствовал новым открытиям. В свою очередь, дости­жения науки позволяли совершенствовать методы и средства измерений, предоставляя в распоряжение метрологии новую теоретическую базу и новые технологические решения.

Естественные науки служат теоретической базой для внедрения в производство новых технологий, новых материалов и веществ, получая взамен эти материалы и вещества для совершенствования науки.

Аналогично имеется тесная связь между достижениями производства и возможно­стями измерительной техники. Улучшение качества продукции и повышение производи­тельности в значительной степени обусловлены тем, на­сколько хорошо оснащено и организовано метрологическое обеспечение производства. Осознание этого обстоятель­ства стимулирует совершенствование метрологической науки. С другой стороны, достиже­ния производства в области получения новых материалов, новых элементов с расширен­ными функциональными свойствами, новых технологий отражаются на характеристиках средств измерений, создают возможности для разработки принципиально новых средств измерений.

Разумеется, приведенная схема имеет в определенной степени условный характер, поскольку подчас трудно провести границу раздела между производством, наукой и метрологией. Часто измерительная техника является неотъемлемой частью производства и научных исследований. С другой стороны, ученые, специализирующиеся в определенной предметной научной области, как никто другой осознают необходимость в разработке или совершенствовании метрологического обеспечения своей научной дисциплины. Так сами естествоиспытатели становятся первыми метрологами в новой области знаний.

1.2 Краткие сведения из истории метрологии

Схема взаимодействия между производством, естественными науками и метро­логией, приведенная на рис.1, справедлива и в историческом аспекте - с учетом конкрет­ного содержания этих понятий на каждом историческом этапе их развития. На рис.2 в упрощенной форме показан процесс синхронного развития человеческой культуры и метрологии как составной части этой культуры. На ранних этапах истории человечества

Квантовая

физика

Механика

Электротехника

Оптика

Физика

Естественные

науки

Теплофизика

Химия

Геометрия

знания о природе существовали в достаточно примитивной форме и не делились на современные разделы естественные наук. Это был этап естественных пранаук, этап возникно­вения, развития и осмысления материальной культуры человечества. Когда человек научился изготовлять орудия труда, пользоваться ими и воздей­ство­вать на окружающую его природу, он стал производить измерения. В самых древних памятниках человечес­кой культуры имеются указания об измерениях, выполняемых человеком.

Первыми измерениями были: измерение времени ( вернее, определение времени ), необходимые для правильной организации сельскохозяйственных работ и распределения рабочего времени в течение дня; измерение площадей и расстояний, связанных с участками обрабатываемой земли, пастбищами ,местами охоты; измерения объема и массы, главным образом для оценки количества зерновых культур и других ценностей. Позднее, но все еще в очень отдаленные времена, в связи с ростом строительной техники, особенно развились измерения площадей, объемов, углов различных геометрических фигур и тел.

Вплоть до конца средних веков измерения ограничивались измерениями времени, геометрических размеров и массы. В ХIV - XVI вв. начался бурный расцвет ремесел, наук, искусств, архитектуры. Произошла специализация естественных наук. Потребности зарож­дающегося промышленного производства привели к развитию механики, позднее теплотехники, оптики, химии. Вместе с развитием науки появляется необходимость в измерении разного рода вновь открытых величин или величин, начавших играть значительную роль в науке и технике. Так, в XVII в. появились барометры для измерения давления воздуха, термометры для измерения температуры; манометры для измерения давления воды.

В XVIII в. появились динамометры для измерения силы, калориметры для измерения количества теплоты, начали производиться измерения некоторых световых величин. В связи с изобретением паровых машин и распространением механических двигателей возникли понятия о работе и мощности, появились единицы для их измерения: пудофут, лошадиная сила.

Одновременно с изучением явлений электричества стали создаваться электроизме­ритель­ные приборы. В 1820 г. А. Ампер продемонстрировал первый гальванометр, представляющий собой магнитную стрелку, на которую действует поле проводника с измеряемым током. Вторая половина XIX в. ознаменовалась возникновением электротехники — области науки и техники, связанной с исполь­зованием явлений электричества для практических нужд (для связи, энергетики и т. п.). Поэтому в то время особенно интенсив­но разрабатывались различные электроизмерительные приборы. В 1867 г. У.Томсоном (Кельвином) был предложен гальвано­метр с подвижной катушкой и неподвижным электромагнитом, Â 1880-1881 гг. М.Депре и Ж. А. д'Арсонваль усовершенствовали гальванометр, применив постоянный магнит. В 1872 г. А. Г. Столетов, исследуя зависимость магнитной проницаемости железа от напряженности магнитного поля, разработал метод измерения индукции с помощью баллистического гальвано­метра. Для регистрации электрических сигналов в конце XIX столетия был разработан светолучевой осциллограф, а вначале XX в. для изучения электрических сигналов стали применять электронно-лучевую трубку.

В XX столетии было развито учение о строении атома, о явлении радиоактивности. Метрология была обогащена методами измерений в этих областях.

На современном этапе развитие естественных наук опережающими темпами проис­ходит на стыке сложившихся наук. По мнению многих ученых это позволяет прогнозиро­вать в ближайшем будущем определенное слияние естественнонаучных дисциплин. Соот­ветственно будут предложены новые методы и средства измерений, адекватно отображающие будущее понимание явлений природы.

Существенной частью метрологии является понятие о мере как единице измерения. На раннем этапе развития культуры человек сопоставлял и сравнивал наблюдаемые им предметы и величины с размерами отдельных частей своего тела: длина локтя, ступни, расстояние между концами большого пальца и мизинца при наибольшем раздвижении пальцев, длина между концами вытянутых в стороны рук и т. п. Другой «мерой» длины служили предметы и понятия обиходные. В Англии в 1324г. Король Эдвард II установил в качестве единицы длины «законный дюйм» как длину «трех ячменных зерен, вынутых из средней части колоса и приставленных одно к другому своими концами». Единицей для измерения больших расстояний служило расстояние на которое можно было кинуть камень, пустить стрелу или расстояние, которое можно пройти за день, от зари до зари. Объем измерялся горстью или охапкой. Масса оценива­лась по весу предмета, который легко поднимал человек.

С размерами человеческого тела связывались и более сложные, чем длина, меры, например, единицы площади. Так в Японии около 2000 лет тому назад в качестве единицы площади стали применять «татами» - размер циновки, на которой может поместиться «средний» японец. Этот обычай сохранился у японцев до сих пор при измерении площади помещений.

Конечно, все эти и подобные им меры и единицы были произвольными, случай­ного порядка. С течением времени люди пришли к пониманию ценности специаль­ных вещественных мер для измерений. Например, водяные часы использовали в качестве меры, воспроизводящей определенный интервал вре­мени. Затем стали вводить в практику «естественные» меры. Такой мерой стала Земля, период вращения которой использо­вался для воспроизведения единицы времени. Для хранения размера единицы длины перешли от локтя или ступни ноги к бруску равной им длины; размера единицы массы - к гирям той или иной формы, изготовленных из камня или из металла.

Наиболее широкое распространение единицы и меры получили в древнейших куль­тур­ных странах: Китае, Вавилоне, Египте. Так, уже в Древнем Вавилоне было приня­то, что сутки содержат 24 часа, 1 час - 60 минут и 1 минута - 60 секунд. Вавилонские меры (локоть, меры массы - талант, мин) перешли в Грецию, Рим, а затем в Европу, где получили дальнейшее развитие. В Киевской Руси эталоном длины был «золотой пояс» великого князя Святослава Ярославича (1073-1076гг.), равный 108 см.

С течением времени, в эпоху великих географических открытий в связи с ростом культуры и развитием ремесел и торговли, меры совершенствовались, узаконивались, появилась взаимозависимость между мерами отдельных величин.

Дальнейшее развитие человеческого общества — развитие торговли и мореходства, появление промышленности, развитие наук требовали повышения постоянства мер. Были организованы государственные службы по хранению, поверке эталонов и контролю мер. В России в 1842г.было организовано Депо образцовых мер и весов. В 1849г. Была издана первая в России научно-учебная книга Ф.И. Петрушевского «Основы метрологии».

По мере роста международного товарообмена все более укреплялось понимание необходимости единства мер в мировом масштабе. В 1840г. Во Франции была принята метрическая система мер. С этого времени по сегодняшний день Франция является ведущей страной в области метрологии. В 1875г. На Дипломатической метрологической конференции, проведенной в Париже, в которой участвовали 17 стран (включая Россию), была принята Метрическая конвенция «для обеспечения единства и усовершенствования метрической системы». Конвенция предусматривала:

0. создание Международного бюро мер и весов (г.Севр, Франция) для хранения международных эталонов (материальных прототипов метра и килограмма) с целью их периодического сличения с эталонами других стран;

1. учреждение Международного комитета мер и весов (МКМВ), координирующего научную и практическую работу в области метрологии стран-участниц Метрической конвенции:

2. проведение (не реже одного раза в 6 лет) Генеральных конференций по мерам и весам для решения принципиальных вопросов обеспечения единства измерений в международном масштабе.

Эти решения выполняются до сих пор, что свидетельствует о правильности и объективной необходимости решений, принятых Метрической конвенцией.

В 1893г. Депо было преобразовано в Главную палату мер и весов России, которую до 1907г. Возглавлял Д.И. Менделеев. Он внес большой вклад в дело развития метрологии в России.

В годы существования СССР метрология получила дальнейшее развитие на фоне увеличения промышленного и аграрного производства. Главная палата мер и весов была преобразована во Всесоюзный Научно-Исследовательский Институт Метрологии - ВНИИМ (г.Санкт-Петербург), который стал одним их авторитетнейших метрологических центров в мире. Были организованы научно-исследовательские институты метрологического профиля в гг. Москва, Новосибирск, Свердловск, Казань, Тбилиси, Ереван, Харьков, Львов.

С распадом СССР в государствах-членах СНГ сохранилось понимание государ­ствен­ной важности метрологии. Принято решение о продолжении действия стандартов СССР, включая в области метрологии, на территории государств-членов СНГ.

В настоящее время Украина, как независимое государство, совершенствует свое законодательство в области метрологии. Верховной Радой Украины в феврале 1998г. принят Закон Украины №113-98-ВР «О метрологии и метрологической деятельности», который уточняет базовую терминологию метрологии, определяет организационную структуру государственной метрологической службы Украины.