Метрология, ее историческое развитие, предмет, цели и задачи

Общие сведения о метрологии

МЕТРОЛОГИЯ - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Нет ни одной области практической деятельности человека, где можно было бы обойтись без количественных оценок, получаемых в результате измерений.

Человек появляется на свет, еще не имеет имени, но нам становятся известны его рост, вес, температура - уже в первые минуты жизни ему приходится сталкиваться с линейкой, весами, термометром. Каждое утро, выходя из дома, мы оцениваем температуру воздуха на улице и одеваем при необходимости шляпу или ушанку, пальто или шубу. Весь свой день мы расписываем по часам и пытаемся выполнить этот план, периодически поглядывая на часы. Стоя перед лужей и решая - прыгнуть через нее или обойти, мы соизмеряем длину лужи и свои возможности. Это и есть измерение нахождение соотношения между измеряемой величиной (длиной лужи) и «единицей» этой величины (возможной длиной прыжка)...

Современная метрология как научная дисциплина пережила этап младенчества, когда она занималась описанием своих и зарубежных единиц измерений, этап юности, когда ее называли наукой об измерениях, приводимых к эталонам, повзрослела и стала разделом могущественной физики, овладела математическими методами и возглавила приборостроение, которое обеспечивает нас средствами измерений средствами объективной оценки окружающего мира. Академик А.П. Александров писал: «Метрология является острой необходимостью нашего времени - от нее зависит возможность установления фундаментальных основ физического мировоззрения, от нее же в сметной мере зависит благосостояние трудящихся».

Измерения — один из самых древних видов человеческой дея­тельности, возникший одновременно с материальной культурой. Первыми, очевидно, были измерения времени (определение време­ни суток), необходимые для правильного распределения занятий в течение дня, и измерения площадей участков обрабатываемой зем­ли и пастбищ, а также расстояний до мест охоты. С развитием то­варообмена появилась необходимость в измерении количества про­изведенных товаров — их объема, массы и т. д.

Первые измерения производились с целью определить, какая из имеющихся в распоряжении владельца величин больше или мень­ше. На первом этапе не ставился вопрос, на сколько больше (меньше) или во сколько раз больше (меньше). Подобные измере­ния могли производиться на глаз, на мышечное усилие, продолжи­тельность ходьбы. На этом этапе человек сопоставлял и сравнивал наблюдаемые им предметы и величины с размерами собственного тела и его частей, природными явлениями, другими предметами, весьма распространенными и потому доступными для проведения измерений. Так возникли и получили большее или меньшее рас­пространение такие единицы измерений, как длина шага, пальца, сустава большого пальца (дюйм в переводе с голландского — боль­шой палец), ступни (фут), локтя (аршин, арш — локоть в переводе с персидского), ширина ладони, горсть, охапка и т. п.

В зависимости от вида деятельности для измерения одних и тех же величин использовались различные меры. Например, для изме­рения расстояния использовались: бычий рев — расстояние, на ко­тором человек может услышать рев быка; выстрел из лука — рас­стояние, на которое летит выпущенная стрела; ружейный или пу­шечный выстрел — дальность боя ружья или пушки; день пути — расстояние, проходимое человеком за один день, и т. д. Меры раз­личались и по территориально-национальному признаку. Напри­мер, для измерения площадей использовались: югер (лат. jugerum) — площадь, которую вспахивал человек за один день на быке; морген (нем. morgen) — площадь, вспаханная за утро; колодец — площадь которую можно полить из одного колодца (единица древнего Вавилона) и т. п.

Достоинством этих мер было то, что они всегда находились под |рукой, основывались на опыте, имели большую наглядность и, самое главное, удовлетворяли потребности, связанные с хозяйствен­ной деятельностью человека. В дальнейшем появилась необходи­мость «усреднить» столь субъективные меры. Например, в одном из Старинных документов длина фута устанавливалась равной доле длины ступней 16 человек, «выходящих от заутрени в воскресенье». Позднее меры начали приобретать вещественный вид: локоть или, ступня ноги — в виде бруска равной им длины; меры массы — в виде гирь той или иной формы, изготовленных из камня или ме­талла, и т. п.

Наиболее широкое распространение измерения получили в обществах известных цивилизаций древности: в Индии, Китае, Вавилоне, Египте. Так, в Вавилоне было принято, что сутки содержат 24 часа, 1 час — 60 минут, 1 минута — 60 секунд. Вавилонские меры (мера длины — локоть, меры массы — талант, мин) перешли в Грецию и Рим, а затем в Европу, где получили дальнейшее развитие. Так, меры длины локоть и аршин пришли на Русь из Вавилона и были дополнены древнерусской мерой — пядью, которая равнялась 1/4 аршина и представляла собой расстояние между концами большого и указательного пальцев взрослого человека. Позднее (в XVIII в.) в России появилась еще одна мера длины — дюйм, позаимствованная в Западной Европе. Процесс взаимообогащения и взаимопроникновения мер, с одной стороны, был вызван товарообменом между странами, а с другой — способствовал его развитию.

В целом степень развития измерений соответствовала уровню развития цивилизации, хотя науке известны примеры, объяснение которым не найдено до сих пор. Так, календарь индейцев майя более пяти тысяч лет тому назад определял продолжительность сол­нечного года равной 365,242 суток. Уточнения, сделанные с исполь­зованием современных средств измерения, дают расхождение в 17,28 секунды.

При последующем развитии ремесел и торговли меры стали возникать повсеместно и стихийно, хотя вплоть до XIV в. измере­ния в основном ограничивались определением времени, геометрических размеров и массы. В XIV—XVI вв. начался бурный расцвет Ремесел, наук, искусств, архитектуры. Развитие науки обусловило Необходимость измерения вновь открытых величин. Так, в XVII в. появились барометры для измерения давления воздуха, гигрометры для определения его влажности, термометры для измерения температуры, манометры для измерения давления воды, в XVIII в. — динамометры для измерения силы, калориметры для измерения количества теплоты, осуществлялись 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).

В середине XIX в. начали измерять электрические величины, получили дальнейшее развитие световые измерения. В конце XIX — начале XX в. были открыты новые физические явления (рентгенов­ское излучение, радиоактивность и др.), которые обусловили появ­ление новых видов измерений.

Расширение сферы действия измерений сопровождалось повы­шением их точности. При решении вопроса о точности измерений, будь то научный эксперимент, производство или любой другой род деятельности человека, следует всегда помнить, что чем точнее вы­полнено измерение, тем лучше. Повышение точности измерений в любой сфере производства автоматически приводит к повышению качества продукции, т. е. дает реальный экономический эффект.

По мере развития производства требования к точности измере­ний возрастают. Когда Ползунов создавал первую паровую машину, он измерял зазоры в ней екатерининским пятаком толщиной в 6 мм. Джеймс Уатт в письме к одному из своих друзей с гордостью сооб­щал, что в его машине между поршнем и цилиндром «нельзя про­сунуть даже маленький палец». Современные прецизионные станки позволяют обрабатывать детали средних размеров с точностью до 0,2—0,3 мкм и выше. Такой допуск приблизительно в 200—250 раз меньше толщины человеческого волоса.

В последние годы точность измерений в станкостроении повы­шалась каждые 10 лет примерно в 10 раз. Следует отметить, что точность измерений параметров технологических процессов имеет весьма высокую стоимость. Например, погрешность измерения теп­лоты, образуемой при сгорании топлива на тепловых электростан­циях страны, всего лишь в 0,3% эквивалентна потере приблизи­тельно 600 тыс. т нефти, 270 млн м³ природного газа, 1 600 000 т угля в год. Из-за отсутствия на железных дорогах автоматических весов для взвешивания вагонов на ходу приходится расцеплять и сцеплять вагоны, совершать маневровые работы. На взвешивание подвижного состава затрачивается до 60 000 000 вагоно-часов и около 3 000 000 локомотиво-часов в год. Ежедневно на транспорте производится 170 000 взвешиваний. Кроме того, повышение точно­сти измерений в таких областях, как здравоохранение, охрана безо­пасности труда, экология, социология и др., дает эффект, который часто не поддается денежному выражению.

В настоящее время измерения пронизывают все стороны жизни и деятельности человека — его быт и производственную деятельность. Современный мир — мир, основанный на информации, дос­таточно большую часть которой составляет измерительная инфор­мация, получаемая на основе применения специальных устройств, называемых средствами измерений. Потребность в информации обусловила создание огромного количества средств измерений, приме­няемых в самых различных областях деятельности. Только в России используется порядка 1,5 млрд средств измерений. Именно поэтому нашу действительность во многом определяют состояние и качество «развернутой системы измерений и получаемой с ее помощью информации. При этом к качеству измерений, их быстроте, форме представления результатов предъявляются все более высокие требо­вания. Необычайно быстро увеличивается число измеряемых величин, расширяются диапазоны измерений, повышается точность по­ручаемых результатов. Так, достигнутый диапазон измерений ли­нейных размеров — от 10^-10 до 10¹⁷ м, температур — от 0,5 до 10⁶ К, электрического тока — от 10^-16 до 10⁴ А и т. д.

В современном производстве измерения играют все более за­метную роль, поскольку оно освобождается от участия человека, технологические процессы управляются на основе измерительной информации. Например, при изготовлении авиационных двигателей выполняется более ста тысяч различных операций, почти половина из них — контрольные. В целом, по различным оценкам, в России производится от 50 до 200 млрд измерений ежедневно, они являются основой профессиональной деятельности более 4 млн человек, а доля затрат на их проведение достигает в некоторых отраслях 50—80%. Затраты Российской Федерации на измерения в 2004 г. составили 3,8% валового внутреннего продукта (ВВП) и это-то с точки зрения современных требований недостаточно, так как в развитых странах доля затрат на измерения достигает 9—12% ВВП.

Уровень развития средств измерений определяет не только прогресс традиционных областей экономики и естественных наук. Из­мерения и методы их проведения все больше вторгаются в те сферы социология, физиология и др., которые до недавнего времени считались недоступными для получения измерительной информации и контроля. Создание развитой системы измерений, ее совер­шенствование и эффективное использование невозможны без соот­ветствующих предпосылок. Прежде всего, уровень системы измерений определяется степенью и темпами развития экономики, которые задают потребность в измерениях и создают финансовую и техническую возможности ее обеспечения. Поэтому уровень и качество измерений не являются абсолютными показателями, они соот­ветствуют решаемым в экономике задачам и достигнутому техническому уровню. Затраты на достижение необходимого уровня систе­мы измерений достаточно велики. Так, еще в 1960-е гг. в США об­щая стоимость используемых средств измерений в сопоставимых ценах составляла около 50 млрд долл., а на их совершенствование ежегодно расходовалось до 8 млрд долл.

Расширение сферы применения измерений требует создания все новых средств измерений с учетом научных открытий и достиже­ний. В свою очередь, применение новейших средств измерений в физических, химических и других исследованиях приводит к новым научным достижениям. Взаимопроникновение науки и измеритель­ной техники — основа научно-технического прогресса. Именно этим объясняется бурное развитие работ в области измерительной техники, которое наблюдается во всем мире.

Таким образом, измерения в современном мире стали социаль­но значимой сферой деятельности и во многом определяют уровень развития производительных сил и научно-технического прогресса. Если рассмотреть основные направления использования средств измерений, то можно выделить сферу учета количественных пока­зателей, сферу контроля технологических параметров, сферу опре­деления показателей свойств и качества продукции и сферу изме­рения характеристик и показателей новых веществ, материалов и изделий или характеристик и показателей, определяемых на новых уровнях точности.

Следует еще раз отметить, что современный мир характеризует­ся постоянным расширением измерительной сети, т. е. огромной совокупности средств измерений, вырабатывающей и потребляю­щей измерительную информацию. Чтобы представить такую сеть, необходимо прежде всего ответить на вопрос, что же такое средство измерений.

Средство измерений — техническое средство, предназначенное для измерений.

Характерными особенностями средства измерений являются, таким образом, его искусственное, рукотворное происхождение, специальное предназначение, наличие установленных специальных метрологических характеристик, ограниченных (нормированных) по величине и остающихся неизменными в рамках допустимых значе­ний в течение некоторого интервала времени. Так как в настоящее время известно достаточно большое количество физических вели­чин, то соответственно в эксплуатации находится огромное количество средств измерений. Их совокупность получила название тех­нической базы измерений.

Средства измерений, находящиеся в эксплуатации, образуют основу измерительной мировой сети. Однако любая сеть безжиз­ненна, если отсутствуют регламенты, определяющие ее функциони­рование. Учитывая разнородный состав системы измерений, необ­ходим весьма обширный свод регламентов различного уровня. Дей­ствительно, как и в любой системе, должны быть регламентирова­ны вопросы, имеющие общий характер, и вопросы локальные, их взаимосвязь и взаимоподчиненность и т. д. Иначе говоря, учитывая специфику системы измерений, ее нормальное функционирование в международном масштабе должно обеспечиваться сводом унифи­цированных правил различного уровня иерархии (от законов до рекомендаций), или нормативно-правовой базой.

Нормативно-правовая база необходима для регулирования взаимоотношений между субъектами права. В данном случае субъ­ектами права выступают собственники средств измерений и потре­бители измерительной информации, т. е. государство, предприятия различных форм собственности и физические лица. Реализация нормативно-правовой базы системы измерений невозможна без установления субъектов этой системы, их прав и обязанностей. Субъекты нормативно-правового регулирования в области выработ­ки и потребления измерительной информации представляют собой организационную базу, «узлы» мировой измерительной сети.

Итак, имеется система, основанная на организационной, право­вой и технической базах, задачи которой лежат в сфере учета про­дукции, контроля и регулирования технологических процессов, по­лучения информации о новых веществах и материалах, повышения качества информации, расширения ее номенклатуры и т. п. Естест­венно, что объединяющая эту систему деятельность должна иметь общую цель — получение достоверной, т. е. не вызывающей сомнений, измерительной информации.

Основным показателем достоверности измерительной информа­ции служит ее точность. Однако точность не может быть абсолютной: различают точность, достаточную для решения конкретной задачи, и максимально достижимую точность. В этом отношении «Достоверность можно рассматривать только применительно к какой-либо конкретной задаче. Для решения одних задач достаточной является точность невысокого уровня, в то время как для других требуется получение более точной информации. Кроме показателя точности, достоверность информации определяется возможностью и результатами ее проверки в других условиях, другими людьми и на другом оборудовании. Иначе говоря, речь идет о воспроизводи­мости результатов измерений и возможности их сопоставления и использования в различных сферах, что невозможно без унифика­ции структуры измерительной информации и методов ее получения или, как принято говорить, без обеспечения единства измерений.

Все перечисленные задачи решает отрасль науки, получившая название метрологии (от греч. «metron» — мера и «logos» — учение). Самое короткое определение метрологии как науки об измерениях представляет собой практически дословный перевод с греческого. С точки зрения задач, стоящих перед метрологией на современном этапе, такое определение не может быть признано полным. Поэто­му в современном понимании метрология — это не только наука об измерениях, но и наука, которая определяет методы унификации измерений, обеспечения их единства в национальном и междуна­родном масштабах.

Метрология — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения заданного уровня точности.

Задача обеспечения единства измерений не нова. Она стоит на повестке дня с того момента, когда собственно и начались измере­ния. При этом единство измерений на ранних этапах понималось как единообразие используемых мер. В России одним из первых упоминаний о попытке ввести единую систему мер является Устав князя Владимира о десятинах, судах и людях церковных (996), в со­ответствии с которым вводился надзор за мерами и весами. Надзор поручался церковной власти (епископам), определялась ответствен­ность за нарушения установленных мер. Эта система постоянно рас­ширялась и совершенствовалась. Известны документы от 1134, 1135, 1406, 1550 гг. Интересно то, что установление единой системы мер поручалось церкви и проводилось параллельно с установлением еди­ной религии, укреплением и централизацией государственной вла­сти, развитием экономики и преодолением раздробленности страны. Характерно в этом смысле высказывание опричника Генриха Штадена о результатах правления Ивана Грозного, при котором был сделан один из решающих шагов к объединению Руси: «Ны­нешний Великий князь достиг того, что по всей Русской земле, по всей державе — одна вера, один вес, одна мера». Функция создания и поддержания единой системы мер и весов или, говоря современ­ным языком, обеспечения единства измерений в стране — одна из важнейших функций государства.

В сложные моменты развития экономики, когда необходимо осуществить ускоренную перестройку промышленности, данная функция приобретает особое значение, так как от состояния системы измерений во многом зависит решение проблемы качества продукции и интенсификации производства. Так, в СССР в период ускоренной индустриализации вопросы обеспечения единства измерений для их успешного решения были переданы в ведение Народного комиссариата внутренних дел (1936 г.). Сегодня столь радикальные меры по поддержанию единства измерений не требуются, вместе с тем единство измерений — сфера, базирующаяся на четком установлении и соблюдении специальных метрологических норм и правил. В целях обеспечения единства измерений в России действует Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ).

Итак, предмет метрологии — измерения, цель метрологии — обеспечение единства измерений и получение количественной измерительной информации об окружающем нас мире с требуемой точностью. Задачи, стоящие перед метрологией, можно разделить на две большие группы:

1) задачи, вытекающие из необходимости совершенствования процедуры измерений;

2) задачи, определяемые необходимостью их практического по­вседневного проведения на достаточном и общепринятом уровне.

В соответствии с этим метрологию принято подразделять на теоретическую и практическую. В задачи теоретической метрологии входят вопросы совершенствования общей и прикладной теории измерений, теории построения систем единиц и шкал, их воспроизведения и передачи средствам измерений, теории погрешностей, принципов оптимизации системы обеспечения единства измерений и систем показателей качества продукции и т. п.

Задачи практической метрологии достаточно полно и ясно сформулированы в документах ГСИ, которой также установлены методы и технологии решения задач практической метрологии.

Дата добавления: 2014-01-07