1.1 История измерительного дела
Измерения являются одним из самых древних занятий в познавательной деятельности человека. Их возникновение относится к истокам материальной культуры человека. В древнейшие времена люди обходились только счетом однородных объектов – голов скота, числа воинов и т.п. Такой счет не требовал введения понятия физической величины и установления условных единиц измерения. Не было потребности в изготовлении и использовании специальных технических средств для проведения счета. Однако по мере развития общества появилась необходимость в количественной оценке различных величин – расстояний, веса, объема, размеров и т.п. Эту оценку старались свести к счету, для чего выбирались природные и антропологические единицы.
Первоначально единицы физических величин выбирались произвольно, без каких-либо взаимосвязей. До конца XVIII века в Европе было распространено множество не согласованных между собой единиц физических величин. Так, например, расстояние измерялось:
■ Пядью (расстояние между большим и указательными пальцами) 20 см;
■ Тремя ячменными зернами, составлявшими дюйм 25,4 мм;
■ Локтями (длина руки от конца среднего пальца до локтя – этой мерой пользовались на Руси потому, что было удобно наматывать ткань на руку);
■ Волосом мула;
■ Кушаком короля;
■ Железным стержнем (туазом).
Существовало до сотни различных единиц длины – футов и свыше сотни различных единиц массы – фунтов, в каждой стране свои футы и фунты.
Понятно, что это мешало развитию торговых и культурных связей. Возникла потребность в установлении единых мер. Ведь как нет одинаковых людей, так нет и одинаковых локтей, пядей, футов («фут» – по-английски ступня, для определения этой единицы составляли цепочку из 16 человек, стоящих так, что пятка предыдущего касалась концов пальцев следующего.1/16 длины такой «цепочки» и составляла фут).
Ученые полагали, что единицы физических величин должны быть взяты непосредственно из природы. Только так они станут международными, как, например, единицы времени, с самого начала одинаковые у большинства народов. В 1790 году во Франции был утвержден Декрет о реформе мер. За единицу длины был принят метр – одна десятимиллионная часть четверти парижского меридиана (то есть расстояния от полюса до экватора), за единицу массы - килограмм – масса 1 дм3 воды при температуре 4оС. Эта метрическая система мер была первой системой связанных между собой единиц. Но она позволяла определять лишь ограниченное число величин: длину, площадь, объем, массу.
Немецкий ученый К.Гаусс в 1832г. предложил создать совокупность взаимосвязанных единиц, охватывающую более широкий круг измерений. Он показал, что если выбрать несколько независимых друг от друга единиц, то единицы всех остальных физических величин можно определить с помощью физических законов, которые их связывают с ранее выбранными. Например, единицу скорости можно определить, если выбрать единицу длины и времени. В качестве основных Гаусс предложил единицы длины, массы и времени – миллиметр, миллиграмм и секунду.
В российской истории начало жесткой политики введения общегосударственных мер по измерительному делу можно отнести к периоду Ивана IV. По мнению его современников, задача «обеспечения единства измерений была уже решена».
К концу XVII века появляются инструменты в виде «заорленных» мер (с оттиском царского орла); появляются зачатки метрологического надзора в виде ревизий и наложения наказаний за несоблюдение правильности мер.
В конце 1736г. Сенат образовывает Комиссию мер и весов, поставив во главе ее главного директора Монетного правления графа М.Г.Головкина. Комиссия в своей работе решала задачу создания образцовых мер и определения отношения различных мер друг к другу.
11 октября 1835г. издается Указ Сената «О системе российских мер и весов», в котором были впервые утверждены «нормальные меры» - по сегодняшним понятиям эталоны. Это были эталоны длины (платиновый стержень) и массы (платиновый фунт).
В 1842г. на территории Петропавловской крепости в Санкт-Петербурге в специально построенном здании открылось первое метрологическое учреждение России – Депо образцовых мер и весов. В нем хранились эталоны и их копии, изготавливались образцовые меры для передачи в другие города, проводились сличения российских мер с иностранными. Первыми хранителями Депо стали академик Адольф Яковлевич Купфер и профессор Владимир Семенович Глухов, которые возглавили русскую метрологию. Деятельность Депо регламентировалась «Положением о мерах и весах», которое положило начало государственному подходу к обеспечению единства измерений в стране.
В 1849г. в С-Петербурге издается книга «Общая метрология», составленная Ф.И.Петрушевским, удостоенная Императорскою Академией Наук Демидовской премии. Книга содержит описание «мер, весов, монет и времяисчисления нынешних и древних народов», различные таблицы, метрологический словарь и представляет собой двухтомник общим объемом 820 страниц.
В 1875г. семнадцать государств, в том числе и Россия, на дипломатической конференции подписали метрическую конвенцию, к которой в настоящее время примкнула 41 страна мира. Согласно этой конвенции устанавливается международной сотрудничество подписавших ее стран. Для этого было создано Международное бюро мер и весов (МБМВ), находящееся в г.Севре близ Парижа. В нем хранятся международные прототипы ряда мер и эталоны единиц некоторых физических величин. Для руководства деятельностью МБМВ был утвержден Международный комитет мер и весов (МКМВ), в который вошли ученые из различных стран.
Очень много для развития отечественной метрологии сделал Д.И.Менделеев. Период с 1892 по 1917гг. называют менделеевским этапом развития метрологии. В 1893г. на базе Депо образцовых мер и весов была утверждена Главная палата мер и весов, управляющим которой до последних дней жизни был Д.И.Менделеев. Это ему принадлежат слова: «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять. Точная наука немыслима без меры». Он раньше других сумел увидеть научное будущее метрологии, понять ее огромную роль как основы измерительной техники и стремился к превращению метрологии в строгую науку. Он никогда не изменял высказанному им принципу: «…измерять все то, что может подлежать измерению, показывать численное отношение изучаемого к известному, к категориям времени и пространства, к температуре, массе и т.н., определять место изучаемого в системе известного, пользуясь как качественными, так и количественными сведениями».
В 1899г. Менделеев добился правительственного разрешения на факультативное применение метрической системы мер в России наряду со старой русской и английской (дюймовой) системами.
В 1918г. издается Декрет Совета Народных Комиссаров РСФСР «О введении Международной метрической системы мер и весов».
Идея Гаусса оказалась весьма плодотворной, но его единицы оказались неудобны для практического применения. Появились другие системы единиц, названия которых составлялись из первых букв основных единиц:
■ Система СГС – сантиметр, грамм, секунда;
■ Система МТС – метр, тонна, секунда;
■ Система МКС – метр, килограмм, секунда.
Наличие большого числа систем единиц по-прежнему создавало неудобства: усложняло технические расчеты, затрудняло изучение научных дисциплин и мешало развитию международных научно-технических связей.
Поэтому в 1960 году на XI Международной генеральной конференции по мерам и весам была утверждена новая Международная система единиц – СИ(SI) со следующими основными единицами:
метр (м) – единица длины,
килограмм (кг) – единица массы,
ампер (А) – единица силы электрического тока,
секунда (с) – единица времени,
кельвин (К) – единица термодинамической температуры,
кандела (кд) – единица силы света,
моль (моль) – единица количества вещества.
В настоящее время на базе Главной палаты мер и весов существует высшее научное учреждение страны – Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им.Д.И.Менделеева (ВНИИМ). В лабораториях института разрабатываются и хранятся государственные эталоны единиц измерений, определяются физические константа и свойства веществ и материалов. Тематика работ института охватывает линейные, угловые, оптические и фотометрические, акустические, электрические и магнитные измерения, измерения массы, плотности, силы, давления, вязкости, твердости, скорости, ускорения и других величин.
В 1955г. под Москвой был создан второй метрологический центр – Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИФТРИ). Он разрабатывает эталоны и средства точных измерений в ряде важнейших областей науки и техники: радиоэлектронике, службе времени и частоты, акустике, атомной физике, физике низких температур и высоких давлений.
Третьим метрологическим центром России является Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы (ВНИИМС) – головная организация в области прикладной и законодательной метрологии. На него возложена координация и научно-методическое руководство метрологической службой страны.
К международным метрологическим организациям относится Международная организация законодательной метрологии (МОЗМ), образованная в 1956г. При МОЗМ в Париже работает Международное бюро законодательной метрологии, деятельностью которого руководит Международный комитет законодательной метрологии. Некоторые вопросы метрологии решает Международная организация по стандартизации ИСО (ISO).
1.2. Предмет метрологии
Процесс познания в обобщенном виде можно представить себе как определенное исследование, заканчивающееся получением качественной или количественной информации.
 |
|
|
Количественная информация связана с метрологией. Слово «метрология» в переводе с греческого обозначает учение о мерах (от слов «метрон» - мера и «логос» - учение). Под мерой принято понимать вещественное воспроизведение единицы измерений.
В книге Ф.И.Петрушевского (1849г.) «Общая метрология» дается понятие: «метрология есть описание всякого рода мер по их наименованиям, подразделениям и взаимному отношению».
Общепринятое определение метрологии дано в ГОСТ 16263-70 ГСИ. Метрология. Термины и определения.
Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.