Историявозникновения и развития метрологии

Метрология (от греческого metron – мера и logos – слово, понятие, учение) – наука об измерениях, методах обеспечения их повсеместного единства и способах достижения требуемой точности.

1 Измерения имеют древнее происхождение – они относятся к истокам возникновения материальной культуры человечества.

Первыми измерениями были:

1) измерение времени (вернее определение времени), необходимое для правильной организации сельскохозяйственных работ и распределения рабочего времени в течение дня

2) измерение площадей и расстояний, связанных с участками обрабатываемой земли, пастбищами, местами охоты

3) измерение 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.

В самом далеком прошлом измерения были весьма примитивны и имели целью определить, какая из двух или нескольких величин больше, а какая меньше. Например, какое расстояние или какой путь из двух возможных до какого-либо места короче, какая площадь земли больше, какая масса или объем больше и какая меньше. Такие измерения проводились на глаз, на мускульное ощущение (взвешивание на руках), на продолжительность ходьбы. Т.е. все это было весьма не точно. Затем измерения стали преследовать цель найти, во сколько раз одна величина больше или меньше другой. На этом этапе человек составлял и сравнивал наблюдаемые им предметы и величины с размерами собственного тела. Первые единицы длины он отождествлял с частями собственного тела: длина локтя, ступни, расстояния между концами большого пальца и мизинца при наибольшем раздвижении пальцев и т.п. Единицей для измерения больших расстояний служило расстояние, на которое можно было бросить камень, или расстояние, которое можно пройти за день. Объем измерялся горстью или шапкой. Масса оценивалась по весу предмета, который легко поднимал человек.

Все эти и подобные им меры и единицы были произвольными, случайного порядка. Позднее они приобрели вид вещественных мер: лапоть или ступня ноги – в виде бруска равной им длины; мера массы – в виде той или иной формы гирь, изготовленных из камня или металла; для измерений вместимости и объема жидких тел применялась скорлупа кокосового ореха определенной емкости, или другие сосуды.

Наиболее широкое распространение единицы и меры получили в древнейших культурных странах: Китае, Вавилоне, Египте. Установлено, что более чем за 4 тысячелетия до новой эры в Вавилоне и Египте уже проводили астрономические измерения. Разбиения суток на 24 часа, 1 часа – на 60 минут, 1 минуты – на 60 секунд было принято уже в Вавилоне ^*). Вавилонские меры (локоть - длины, талант – массы, мин) перешли в Грецию, Рим, а затем в Европу, где получили дальнейшее развитие.

С течением времени, в связи с ростом культуры и развитием ремесел и торговли, меры совершенствовались, узаконивались, появилась взаимозависимость между мерами отдельных величин (это в некоторой степени наблюдалось еще в Вавилоне).

2 Вплоть до конца средних веков измерения ограничивались измерениями времени, геометрических размеров и массы. В 14 – 16 веках начался бурный расцвет ремесел, наук, искусств, архитектуры. Вместе с развитием науки появляется необходимость в измерении разного рода новых открытых величин или величин, начавших играть значительную роль в науке и технике. Так, в 17 веке появились барометры для измерения давления воздуха, гигрометры для определения его влажности; термометры для измерения температуры; манометры для измерения давления воды.

*) так в Вавилоне было принято, что сутки содержат 24 часа, 1 час – 60 мин. и 1 мин – 60 сек. Вавилонские меры (локоть, меры массы – талант, мин) перешли в Грецию, Рим, а затем в Европу, где получили дальнейшее развитие.

В XVII в. появились динамометры для измерения силы, калориметры для измерения кол-ва теплоты, начали производиться измерения некоторых световых величин.

В 40-х годах XVIII в. основоположник русской науки Михаил Васильевич Ломоносов и его коллега академик Г. В. Рихман совместно проводили работу по изучению атмосферного электричества. Приступая к систематическим исследованиям по электричеству, Г. В. Рихман сразу же обратил внимание на необходимость измерений, и в самом начале экспериментальных исследований по электричеству ему удалось сконструировать первый в мире электроизмерительный прибор — «указатель електрической силы». Впервые этот прибор был представлен Г. В. Рихманом общему собранию Петербургской Академии наук 29 марта 1745 г.

В ту эпоху никаких электроизмерительных приборов еще не было и исследования физиков по электричеству являлись только качественными. Выдающийся экспериментатор Г. В. Рихман обогатил науку весьма важным изобретением.

«Указатель електрической силы» (рис. B.I) представлял собой льняную нить 1, укрепленную на металлической стойке 2. У основания стойки помещался деревянный квадрант 3 немного большего радиуса, чем длина нити.

Если стойку 2 соединить с наэлектризованным телом, то вследствие одноименной электризации стойки и нити последняя будет отталкиваться от стойки. По величине отклонения нити, которое измеряется по шкале на деревянном квадранте, можно судить об «електрической силе», являющейся во времена Ломоносова характеристикой электрических явлений.

Этот прибор, предназначенный Рихманом для изучения атмосферного элeктpичecтвa, явился первым электроизмерительным прибором—родоначальником электрометров, измеряющих разность потенциалов, хотя понятие потенциала было установлено значительно позднее.

Изучая грозы, Ломоносов предложил весьма оригинальный прибор для определения максимальной «електрической силы». Этот прибор содержал очень важную часть — пружину для создания противодействующего момента.

Вторая половина XVIII в. характерна многими открытиями в области статического электричества. Для исследования количественной стороны электрических явлений Ш. Кулон вслед за Ломоносовым и Рихманом построил и применил измерительный прибор — «крутильные весы».

Конец XVIII и начало XIX столетия ознаменовались круп­ными событиями в истории изучения электричества. Опыты Л. Гальвани и исследования А. Вольта привели к открытию электрического тока. Вслед за этим многими исследователями были открыты химическое, световое и тепловое действия тока, влияние контура, обтекаемого током, на магнитную стрелку, а также взаимодействие проводников с токами и постоянными магнитами. Разработка вопро­сов теории электрического тока привела к необходимости создания измерительного прибора для определения силы тока, что и было сделано Г. С. Омом. Для относительного определения силы тока Г. С. Ом воспользовался действием проводника с током на магнитную стрелку. При помощи такого прибора Ом экспериментально установил известный закон, носящий его имя.

В 1831 г. М. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. В 1837 г. швейцарский физик О. де ла Рив изобрел тепловой электроизмерительный прибор.

В связи с изобретением паровых машин и распространением механических двигателей возникли понятия о работе и мощности; появились единицы для измерения: пудофут, лошадиная сила.

В середине XIX в. начали измеряться электрические величины, получили дальнейшее развитие световые измерения. В то время под метрологической базой понималось наличие величин измерения и их воспроизведения в материализованном виде в качестве мер с наивысшей точностью. В те годы в разных странах мира многие учёные создали меры электрических величин которые принимали в качестве эталонов, производили измерения в этих единицах и даже считали результаты измерения в разных лабораториях. В 1848 г. русский академик Якоби предложил в качестве единицы сопротивления испытать медную проволоку длиной 25 футов (7,62 м) и весом 342 грана (22,5 гр.) навитую спирально на цилиндр из изоляционного материала. В Германии – столб ртути длиной 1 м. И сечением 1 мм при 0 С. Во Франции – железная проволока длиной 1 км и диаметром 4 мм (единица бреге). Якоби сумел разослать разработанные им меры измерения электрического сопротивления в ведущие Европейские лаборатории с целью сравнения их с мерами применявшимися в этих лабораториях. Это впоследствии способствовало их систематизации и узаконивания их в качестве единой мировой меры.

Первые попытки ввести единство в измерения электрических величин принадлежат русскому ученому, академику Борису Семеновичу Якоби. Он создал ряд приборов для измерения электрического сопротивления, назвав их «вольтагометрами», изготовил свой собственный условный эталон сопротивления из медной проволоки и разослал его ряду физиков. Б. С. Якоби усовершенствовал «вольтаметр» — прибор для измерения силы тока по количеству осаждаю­щегося вещества при электролизе в единицу времени. Эти работы Б. С. Якоби, весьма важные для развития электроизмерительной техники, предшествовали созданию системы электрических единиц, которая установилась значительно позднее. Зарождение в нашей стране метрологической службы относится к 1842 г., в котором был издан указ о мерах и весах, предусматривающий создание первого в России метрологического учреждения – депо образцовых мер.

3. В конце XIX и начале XX веков были открыты новые физические явления и в связи с этим появились новые виды измерений: в области рентгеновских лучей, радиоактивности и, наконец, в области молекулярной и атомной физики.

Вторая половина XIX в. была периодом роста новой отрасли знаний — электротехники. Создание генераторов электрической энергии и применение их для различных практических целей побудили крупнейших электротехников второй половины XIX в. заняться изобретением и разработкой различных электроизмерительных приборов, без которых стало немыслимо дальнейшее раз­витие теоретической и практической электротехники.

В 1880—1881 гг. французские инженер Депре и физиолог д'Ар-сонваль построили ряд высокочувствительных гальванометров с зеркальным отсчетом. В 1881 г. немецкий инженер Ф. Уппенборн изобрел электромагнитный прибор с эллиптическим сердечником, а в 1886 г. он же предложил электромагнитный прибор с круглой катушкой и двумя цилиндрическими сердечниками. В 1894 г. немецкий инженер Т. Бругер изобрел логометр.

Особенно велики заслуги в развитии электроизмерительной техники второй половины XIX и начала XX в. выдающегося русского электротехника Михаила Осиповича Доливо-Добровольского, которому принадлежит много работ и изобретений, относящихся к разным областям электротехники.

Деятельность М. О. Доливо-Добровольского в области электроизмерительной техники протекала в нескольких направлениях.

Во-первых, М. О. Доливо-Добровольский разработал электромагнитные амперметры и вольтметры, изобрел и изготовил индукционный измерительный механизм с вращающимся магнитным полем и подвижной частью в виде диска и применил его в ваттметре и фазометре, а также предложил и сконструировал ферродинамические ваттметры. Однако ввиду низкого уровня электротехнической промышленности дореволюционной России патенты М. О. Доливо-Добровольского первоначально были использованы за рубежом, в частности по ним выпускала приборы немецкая фирма АЭГ.

Во-вторых, М. О. Доливо-Добровольский выполнил ряд работ, имеющих принципиальное значение для конструирования электроизмерительных приборов. В работе «О применении железа в электрических измерительных приборах» он не только предложил новые ферродинамические приборы, подчеркнув их основное достоинство — сравнительно большой вращающий момент и независимость пока­заний от влияния внешних магнитных полей, — но и привел ряд соображений о выборе значения магнитодвижущей силы и воздуш­ного зазора для получения линейной зависимости между напряженностью поля и магнитодвижущей силой и малых погрешностей от гистерезиса. В своих статьях и докладах М. О. Доливо-Добровольский пользовался термином «вращающий момент» и для характеристики приборов указывал значения вращающего момента и веса подвижной части, что в дальнейшем привело к установлению понятия «коэффициент добротности».

В-третьих, М. О. Доливо-Добровольским были предложены и осуществлены новые методы электрических и магнитных измерений. Следует особо отметить его предложение измерять потери в ферромагнитных материалах при их перемагничивании при помощи ваттметра.

Ко второй половине XIX в. относятся работы в области электроизмерительной техники одного из выдающихся русских физиков Александра Григорьевича Столетова. В своем «Исследовании функции намагничивания мягкого железа» А. Г. Столетов изложил от­крытый им закон изменения магнитной проницаемости в зависимости от напряженности поля. Величину, показывающую, как изме­няется намагниченность с изменением напряженности поля, А. Г. Столетов называл «функцией намагничения» (теперь она назы­вается магнитной восприимчивостью). Для исследования «функции намагничения» А. Г. Столетов разработал специальный метод, кото­рый заключался в том, что испытуемому образцу придавалась кольцеобразная форма, образец намагничивался током обмотки кольцеобразного сердечника, а значение намагниченности его определя­лось по индуктированному току в другой катушке, намотанной на том же образце. Этот ток измерялся баллистическим гальванометром.

Несмотря на то, что в середине XIX в. уже пользовались электроизмерительными приборами, общепринятой системы электрических и магнитных единиц еще не было.

В 1880 г. имели распространение 15 единиц электрического сопротивления, 8 единиц электродвижущей силы, 5 единиц электрического тока. Ввиду такого разнообразия в единицах всякое сравнение результатов измерений и расчетов различных исследователей было практически невозможным.

Систему электрических единиц установил Первый конгресс по электричеству, состоявшийся в Париже в 1881 г. Россию на этом конгрессе представлял А. Г. Столетов. На конгрессе были приняты электромагнитная и электростатическая системы единиц. Для практических целей конгрессом была введена абсолютная система, единицы которой получаются из соответствующих единиц системы СГС. На дальнейших конгрессах по электричеству, происходивших в 1889, 1900 гг. и позднее, система электрических единиц пополнялась новыми практическими единицами, были установлены магнитные единицы.

Связан с работами по установлению научно обоснованных электрических и магнитных единиц, а также выработки документации по созданию эталонов этих единиц, а также выработал рекомендации по созданию эталонов единиц в мировой практике базируясь на работах Гаусса. Британская ассоциация содействию развития наук в 1862 году предложила использовать абсолютную электро статическую и электро магнитную системы СГС (см., гр., с.). Однако, эта система оказалась неудобной для практического использования, поэтому ею же была предложена абсолютная система практических единиц. В 1881 году в Париже на первом Международном конгрессе по электричеству официально были приняты к исполнению названная система СГС и практическая система. В 1893 году на международном конгрессе по электричеству в Чикаго были приняты определения по воспроизведению единицы сопротивления Ом и тока А. В конце третьего этапа были созданы эталоны воспроизводящие электрические единицы (Ом., А., В.).

Основу отечественной метрологии заложил русский учёный Д.И. Менделеев (1834-1907 гг.). Роль и значение измерений Д.И. определил так: „В природе мера и вес – суть главное орудие познания. Наука начинается с тех пор, как начинают измерять; точная наука немыслима без меры”.

В 1893 г. Д. И. Менделеев основал Главную палату мер и весов. Д.И. восстановил “прототипы” русских мер, причем размер их он выразил через метрические меры. В результате его работ (1833 – 1899 гг.) было утверждено “Положение о мерах и весах”, которое устанавливало систему российских мер. В основу этой системы были положены:

Единица массы – фунт (равный 0.40951241 кг)

Единица длины – аршин (равный 0.711200 м)

Для справки: соотношения между русскими и метрическими мерами:

1 аршин = 16 вершкам = 28 дюймам = 0.71120 м (1 дюйм = 25.4 мм)

1 сажень = 3 аршинам = 7 футам = 2.1336 м

1 верста = 500 саженям = 1.0668 км

1 десятина = 2 400 кв. саженям = 10925 м²(1.0925 га)

1 четверть = 8 четверикам = 209.9 дм³(209.9 л)

1 пуд = 40 фунтам = 16.38 кг

1 фунт = 409.5 г

1 золотник = 4.266 г

В задачу деятельности палаты входило не только хранение эталонов и обеспечение поверки по ним средств измерений, но и проведение научных исследований в области метрологии.

По инициативе гениального ученого Дмитрия Ивановича Менделеева на рубеже прошлого и настоящего веков в Главной палате мер и весов в Петербурге было организовано специальное отделение для поверки электрических измерительных приборов. В 1909 г. в Главной палате мер и весов А. Н. Георгиевский и М. Ф. Маликов приступили к созданию эталонов ома и вольта (эталон вольта — в виде группы нормальных элементов).

Несмотря на изобретения русских ученых в области электроизмерительной техники, в дореволюционной России производство средств измерений практически отсутствовало.

После Великой Октябрьской социалистической революции началось всестороннее развитие всех отраслей народного хозяйства, которое выдвинуло новые задачи в области электроизмерительной техники.

1) В 1927 г. начал выпускать электроизмерительные приборы новый завод «Электроприбор». В 1930 г. была организована Отдельная лаборатория измерений (ОЛИЗ), сотрудники которой разработали ряд приборов и многое сделали в области расчета и конструирования электроизмерительных приборов. Особенно плодотворной в этом направлении была деятельность Н. Н. Пономарева. Начали выпускаться приборы для измерений неэлектрических величин электрическими методами. Довоенный. В 1930 году были созданы первые приборостроительные заводы: Москва, Ленинград, Киев, Харьков, Краснодар. Наивысший класс точности в те годы был 0,1. На этом этапе все функции снятия информации отводились человеку.

4 Относится к послевоенному периоду. В 1948 году было принято решение о переходе от международных электрических единиц к абсолютным практическим единицам производимым от системы СГС. Согласно решениям генеральных конференций по мерам и весам – 10 конференция в 1954 году и 11 конференция в 1960 году была принята новая практическая система единиц – Международная Система единиц SI (длина [м], масса [кг], время [с], сила тока [А], температура Кельвина [K], сила света [канделла]). В 1969 году ввели моль для химии. Кроме этого 2 дополнительные единицы – радиан и стерадиан (в системе наведения).

В соответствии с развитием средств измерения по качеству получаемой информации этап связан с созданием автоматизированных измерительных приборов (АИП), что было вызвано:

- Необходимостью проведения измерений в труднодоступных для человека местах (космос, океан, недра земли) 1956-57 года.

- Экстремальный характер протекающих процессов.

- Дальнейший процесс в науке и необходимость повышения производительности научных исследований.

АИП позволяет:

- исключать основную и относительную погрешности из результата измерений;

- вводить динамическую коррекцию;

- быстродействие при измерении 100-200000 изм/с.

5 Связан с созданием цифровых измерительных приборов (ЦИП) и

информационно измерительных систем (ИИС). Причины создания ЦИПа и ИИС.

- широкая автоматизация и механизация производственных процессов;

- широкое применение при измерениях вычислительных машин и комплексов;

- необходимость полной автоматизации при проведении научных исследований;

- необходимость исследовать сверхсложный быстропротекающие процессы;

- необходимость предоставления результатов в вероятностной форме с целью дальнейшего прогнозирования характера изменений измеряемой величины во времени.

ЦИПы позволяют:

- предоставлять результат измерений в кодированном виде, что удобно для машинной обработки;

- полностью автоматизировать процесс измерения;

- значительно повысить помехозащищенность;

- класс точности до 0,00001%;

- быстродействие 1-2 млн. оп./сек.;

- исключить составляющие погрешности и произвести статическую обработку результатов измерений.

Величина минимальная максимальная

Мощность Вт 1000 МВт

Напряжение 100 МВ

Ток А 100 000А

Давление Па Па

Усилие Н Н

Ускорение g g

Скорость м/с 1 000 000 м/с

Таким образом, на протяжении всей истории развития науки и техники пред человеком возникало (и возникает сейчас) множество проблем, для решения которых необходимо располагать количественной информацией о том или ином свойстве объектов материального мира (явлении, процессе, теле, веществе, изделии и пр.).

Количественной оценки требует почти всё, что делает инженер при исследованиях, разработке, изготовлении, эксплуатации или ремонте любых изделий. В техническом паспорте любой машины указаны её масса, габарит, мощность, частота отказов и др. параметры.

Для количественной оценки свойств и отношения вещей люди издавна используют физические величины. Количественная оценка явлений, процессов и событий приводиться в виде формул и уравнений, связывающих физические величины. Практически все исходные числа – значения величин – мы получаем как результат измерения – основного способа получения количественной информации.

При правильном выполнении измерения (измерительного эксперимента) находится результат измерения с большей или меньшей точностью отражающий интересующие свойства объекта.

Можно считать, что прогресс науки и техники определяется степенью совершенства измерений и измерительных приборов.

Сейчас метрология развивается по нескольким направлениям. Наиболее сформулированы и развиваются две взаимосвязанные ее ветви: научная и законодательная метрология.

Научная метрология являясь базой измерительной техники, занимается изучением проблем измерения в целом (общая теория измерений) и образующих измерение элементов: средств и приборов измерений, физических величин и их единиц, методов и методик измерений, методов определения точности измерений (теория погрешностей измерений). Современная метрология включает в сферу своей деятельности и определение наиболее точных значений важнейших физических констант (скорости света, частоты излучения микрочастиц и пр.), необходимых для многих отраслей науки и техники.

Метрология обеспечивает потребителей стандартными образцами веществ и материалов, состав и физико-химические характеристики которых определены с необходимой точностью.

Важной особенностью метрологии является ее законодательный характер. Раздел метрологии, включающий комплексы взаимосвязанных общих правил, требований и норм, а также вопросы регламентации и гос. контроля, направленные на обеспечения единства измерений и единообразия средств измерений, называется законодательной метрологией. Это, в свою очередь, предписывает соответствующий надзор за средствами измерений. Надзор осуществляется деятельностью органов метрологической службы, обеспечивающей единообразие средств измерений.

Государственный комитет Украины по стандартизации, метрологии и сертификации.

Дата добавления: 2015-05-10