История развития метрологии в России

 

Содержание.

 

 

1. Введение

 

Проблема обеспечения единства измерений имеет возраст, сопоставимый с возрастом человечества. Как только человек стал обменивать, или продавать результаты своего труда, возник вопрос - как велик эквивалент этого труда и как велик продукт, представленный на обмен или продажу.

Для характеристики этих величин использовались различные свойства продукта - размеры,- как линейные, так и объемные,- масса или вес, позднее цвет, вкус, состав и т. д. Естественно, что в давние времена еще не существовало развитого математического счета, не было четко сформулированных физических законов, позволяющих охарактеризовать качество и стоимость товара. Проблема справедливой торговли была актуальна всегда. От этого зависело благосостояние общества, от этого же возникали войны.

Что бы измерять различные вещи, взвешивать продукты, отсчитывать время понадобилось создать целую систему различных  измерений, необходимую для вычисления объема, веса, длины, времени и т. п. Данные подобных измерений помогают освоить количественную характеристику окружающего мира. Крайне важна роль подобных измерений при развитии цивилизации. Сегодня никакая отрасль народного хозяйства не могла бы правильно и продуктивно функционировать без применения своей системы измерений с помощью, которой происходит формирование и управление различными технологическими процессами.

Систематизация и изучение единиц измерений происходит в рамках науки об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности  называемой метрологией.

 

2. Характеристика метрологии

 

Метрология — это наука об измерениях, методах и средствах  обеспечения их единства и способах достижения точности, соизмеримой с точностью воспроизведения и хранения физических величин мерами или стандартными образцами состава и свойств веществ и материалов.

Наука метрология – особый вид  человеческой познавательной деятельности, направленный на выработку объективных, системно организованных и обоснованных знаний о физических объектах, процессах, явлениях, эффектах и свойствах окружающего нас (мега-, макро-, микро- и нано-) мира.

Метрология состоит из 3 составных  частей: фундаментальная (общетеоретическая и прикладная) метрология, законодательная (государственная и общегосударственная) метрология и практическая (отраслевая и производственная) метрология.

Фундаментальная метрология – та составная часть науки об измерениях, предметом которой является разработка фундаментальных (общетеоретических) основ этой науки и развитие на ее базе прикладных теорий и научных направлений.

• Общетеоретическая метрология – это та часть фундаментальной метрологии, предметом которой является разработка систем общих и частных законов, аксиом, постулатов, категорий, принципов, методов, математических и структурных моделей, определений, положений, условий и т.д., характеризующих стратегии прямых (т.е. необходимых) и избыточных (необходимых и достаточных) измерений величин разной физической природы, пути и методы достижения качества, метрологической эффективности и надежности измерений.

 

• Прикладная метрология – это та часть фундаментальной метрологии, предметом которой является разработка прикладных теорий и дисциплин, описывающих и характеризующих особенности измерений величин той или иной физической природы методами прямых или избыточных измерений, конкретные пути и методы достижения качества измерений, метрологической эффективности и надежности. Она направлена на получение конкретного научного результата, который актуально или потенциально может быть использован для удовлетворения частных или общественных потребностей.

Законодательная метрология – это та составная часть науки об измерениях, предметом которой является установление обязательных технических и юридических требований по применению единиц физических величин, мер, эталонов, стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов, методов и средств измерений, направленная на обеспечение единства измерений, необходимого качества и единообразия средств измерений в интересах общества.

Законодательная метрология рассматривает  всю совокупность взаимосвязанных  и взаимообусловленных общих правил, требований и норм, а также другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и контроле со стороны государства.

Практическая метрология – это та составная часть науки об измерениях, предметом которой является изучение и освещение вопросов практического применения разработок фундаментальной метрологии, результатов ее теоретических исследований, положений, требований и норм законодательной метрологии, вопросов эффективности и метрологического обеспечения производства, ведения метрологической документации, осуществления всех видов поверочных работ, аккредитации метрологических служб, государственного метрологического контроля и надзора в масштабах страны, отрасли, предприятий и организаций и т.д.

 

Цели и задачи метрологии:

• 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 (так называемая «законодательная метрология»);
• создание эталонов и образцовых средств измерений, поверка мер и средств измерений. Приоритетной подзадачей данного направления является выработка системы эталонов на основе физических констант.

Также метрология изучает развитие системы мер, денежных единиц и счёта  в исторической перспективе.

 

Аксиомы метрологии

• Любое измерение есть сравнение.
• Любое измерение без априорной информации невозможно.
• Результат любого измерения без округления значения является случайной величиной.

 

3. Предпосылки к развитию  науки метрологии

 

Предпосылки к становлению метрологии возникали еще в древности, когда  человек впервые пришел к необходимости измерений объектов и расстояний между ними. Для самых первых единиц измерения понятие «точность» было малоприменимо, поскольку измеряли тем, что было под рукой. Так, расстояние измерялось футами (foot – ступня), локтями, пядями, а большие расстояния – милями (1 миля равнялась 2000 шагов), полетом стрелы, обеганием территории и т.д. Однако такие измерения существенно отличались друг от друга в виду различия самих эталонов (шагов, пядей и пр.).

Попытки измерить расстояние столь разными единицами порой приводили к спорам, дракам, использованию людей с длинными ногами и руками. Чем больше развивалась торговля и другие отрасли, тем более совершенные единицы измерения требовались для спокойного ведения дел. Естественным итогом этого стало то, что с течением времени в разных странах для измерения одной и той же физической величины использовались разные единицы. Различные меры и единицы применялись не только в разных государствах, но и внутри каждого отдельного государства. Французским феодалам королевским указом было разрешено пользоваться своими собственными мерами. Мили в англоязычных странах тоже были разными по размеру.

Все это к началу XVII века привело  к невообразимому хаосу мер и  единиц. Срочно требовалось сократить число единиц физических величин и привести их в систему единую для всех стран.

Первая система мер – «á tous les temps, pour tous les peuples» – «на все времена, для всех народов», появилась во Франции, в период Великой французской революции. Ее назвали метрической, так как главной единицей в ней был метр, а все остальные единицы определялись уже с помощью метра. Так, за единицу площади приняли квадратный метр, за единицу объема – кубический метр. Даже единицу массы – килограмм – определяли через метр: как массу кубического дециметра чистой воды при температуре 4°С.

Метр – происходил от греческого слова μέτρον, что значит МЕРА. Сама система с самого начала была задумана как международная. Поэтому чтобы  никого не обидеть, ее единицы не совпадали  ни с какими национальными единицами, и, кроме того наименования использовавшихся десятичных приставок (милли, нано, пико, тера, гига) были придуманы от слов «мертвых» языков.

Метр определили как одну десятимиллионную часть земного меридиана, проходящего  через Париж. Затем в 1795 г. был изготовлен первый эталон метра, сначала из латуни, а в 1799 г. –  уже из платины. Одновременно был изготовлен и эталон килограмма – гиря, тоже из платины. В 1889 г. был изготовлен эталон метра из платино-иридиевого сплава.

В 1875 г. после подписания Метрической конвенции между 17 странами мира (в их числе была и Россия), метрическая система получила международное признание, хотя многие страны все еще продолжали пользоваться национальными мерами и единицами.

Так продолжалось до второй половины XIX века, пока не появилась необходимость точных измерений электрических и магнитных величин.

Каждый экспериментатор выбирал при электрических измерениях свои единицы и эталоны. Из-за этого возникало много споров среди ученых-физиков того времени в процессе сравнения и проверки результатов независимых экспериментов.

Немецкий математик и физик  Фридрих Гаусс (1777-1855), обрабатывая  результаты магнитных измерений, пришел к новой методике. Он предложил свести единицы измерения всех физических величин к абсолютным мерам длины, массы и времени. В качестве таких Гаусс предложил миллиметр, миллиграмм и секунду. Так появилась абсолютная система единиц. Слово «абсолютная» имело буквальный смысл: Гаусс утверждал, что единицы абсолютно всех физических величин могут быть выражены через массу, длину и время. Началось введение этих мер в электродинамику. И уже начиная с 1871 г. абсолютная система была принята всем научным миром.

В последующие годы (начиная с 1881 г.) возник целый ряд частных систем. Они охватывали лишь отдельные направления и поэтому предназначались для отдельных областей науки и техники. Вот некоторые из них: СГС (сантиметр, грамм, секунда), МТС (метр, тонна, секунда), МКГСС (метр, килограмм-сила, секунда, ампер), МКСМ (метр, килограмм, секунда, магн (единица магнитной проницаемости)), МКСА (метр, килограмм, секунда, ампер).

Все эти системы были производными от метрической. Поэтому можно сказать, что в этот период система мер  стала превращаться в систему  единиц измерений.

К середине XX века всем стала ясна необходимость сведения всего этого многообразия систем к одной единственной, международной системе, охватывающей все области измерений. Это осуществила XI Генеральная конференция по мерам и весам в 1960 г. Новая система получила название Международной системы единиц физических величин, или по-французски Systeme International d’Unites, или SI (СИ) – от первых букв слов «Международная система».

К созданию этой системы подошли  серьезно – она должна была отвечать следующим требованиям:

1) охватить все области науки  и техники;

2) включать единицы таких величин,  воспроизведение которых возможно  с помощью эталонов с наибольшей точностью;

3) принять удобные для практики  размеры основных единиц, уже  получивших широкое распространение на практике;

4) создать основу образования производных единиц для различных физических величин.

За основу системы  приняли несколько так называемых основных единиц физических величин, которые выбрали по следующим признакам: они должны быть независимы друг от друга, наиболее важными и воспроизводимыми на практике с наибольшей точностью. Вот эти 7 основных физических величин и их единицы:

Физическая величина			Ее единица
Наименование	Размерность	Рекомендуемое обозначение	Наименование	Обозначение русское	Обозначение международное
Длина	L	l	метр	м	m
Масса	M	m	килограмм	кг	kg
Время	T	t	секунда	с	s
Сила электрического тока	I	I	ампер	А	A
Термодинамическая температура	Q	T	кельвин	К	K
Количество вещества	N	n	моль	моль	mol
Сила света	J	J	кандела	кд	cd

 

 

Физическая величина «количество  вещества» и ее единица – моль – была добавлена в систему SI позже – в 1971 г.

Также эта система содержит более  ста производных единиц – таких, которые образуются из основных на основе фундаментальных физических законов с помощью простейших математических выражений.