История развития метрологии

Измерения являются одним из самых древних занятий в деятельности человека. Вначале человек обходились лишь счетов однородных объектов (людей, скота и т.д.). Позже появилась необходимость в количественной оценке расстояний, веса, размеров и т.д. Эту оценку сводили к счету, например:

• время измерялось в сутках и годах;

• расстояние в шагах и сутках пути;

• размеры в локтях и ступнях и т.д.

В средние века развитие науки и техники привело к появлению множества различных мер. Так, расстояние в России измерялось верстами (1.07 км), а в Англии – милями (1.85 км) и т.д. В это время в Европе применялось около: 100 различных футов; 50 различных миль; 120 фунтов.

В 1791 г. во Франции при участии французских физиков и математиков Шарля Кулона, Пьера Лапласа, Жозефа Лагранжа была разработана и утверждена метрическая система мер. Эта система строилась на основе:

• метра – одна сорокамиллионной части меридиана, проходящего через Париж;

• килограмма – масса кубического дециметра чистой воды при температуре + 4 ºС.

В 1832 г. Клаус Гаусс (немецкий математик) предложил методику построения систем единиц как совокупности основных (исходных) и производных (получаемых на базе основных). За основу им были приняты миллиметр, миллиграмм и секунда.

В 1835 г. в России был издан Указ царя Николая I “О системе Российских мер и весов”, который утвердил первые эталоны длины – платиновая сажень (2.13 м) и массы – платиновый фунт (409.5 г). Изготовил их Адольф Купфер (русский физик).

В 1842 г. в Санкт-Петербурге открылось Депо образцовых мер и весов – первое государственное метрологическое учреждение. Возглавили его Адольф Купфер и Владимир Глухов (русский физик).

В 1848 г. в России вышла в свет первая книга по метрологии – “Общая метрология”, написанная Фомой Петрушевским (русский физик).

В 1875 г. (20 мая) 17 государств, в том числе Россия, подписали Метрическую конвенцию и образовали Международное бюро мер и весов в Париже.

С 1892 по 1907 г. Главную палату мер (бывшее Депо) возглавлял Дмитрий Менделеев (русский химик). В 1899 г. принят подготовленный им закон о мерах и весах, в котором введена новая система российских мер и весов, в которой основными единицами стали фунт (409.5 г.), аршин (0.71 м) и сутки. Нововведением являлось учреждение в различных местностях поверочных палаток (25 шт. к 1917 г.) для поверки и клеймения, применяемых в торговле и промышленности мер и весов.

С 1918 г. в СССР происходило насильственное внедрение метрической системы мер.

В 1925 г. образован Комитет по стандартизации, который:

• устанавливал стандартные формы, размеры, типы, спецификации и технические условия на различные материалы и изделия;

• утверждал и опубликовывал стандарты.

Первый стандарт – 1926 г., ОСТ 1 “Пшеница. Селекционные сорта зерна. Номенклатура”.

В 1930 г. Комитет по стандартизации становится высшим органом и по метрологии в стране. В его ведение передана Главная палата мер и весов со своими учреждениями.

В 1944 г. состоялась 1-я научно-техническая конференция ВКС, которая показала, что в СССР действует 2615 ГОСТ, из них 1824 ГОСТ было разработано во время Великой отечественной войны.

В 1946 г. (14 октября) в Лондоне принято решение о создании Международной организации по стандартизации (ИСО), причем СССР стал одной из стран-учредителей.

В 1956 г. в Париже открылась Международная организация законодательной метрологии (МОЗМ).

В 1961 г. 11-я Международная конференция по мерам и весам приняла международную систему единиц СИ, которая узаконена в большинстве стран мира.

С 1970 г. главное государственное метрологическое учреждение стало называться Госстандарт.

С 1970 г. в вузах и техникумах появились первые учебные курсы по стандартизации и метрологии.

С 1970 г. празднуется 14 октября международный день стандартизации.

К 1980 г. в систему Госстандарта входило около 400 организаций и предприятий.

В 1984 г. утвержден первый акт в области сертификации продукции, в частности в отрасли машиностроения.

В 1991 г. выходит закон СССР “О защите прав потребителей”, в котором введена обязательная сертификация продукции и услуг.

С 1991 г. Госстандарт переходит в ведение РФ и становится правопреемником Госстандарта СССР.

В 1992 г. создан Межгосударственный совет по метрологии, стандартизации и сертификации, членами которого стали страны СНГ.

В 1992-1993 гг. вышли законы РФ “О стандартизации”, “Об обеспечении единства измерений”, “О сертификации продукции и услуг”, а также “О защите прав потребителей”.

В 1998 г. принято Постановление “О некоторых мерах, направленных на совершенствование систем обеспечения качества продукции и услуг”, которое зафиксировало, что важнейшей задачей власти является поддержка субъектов хозяйственной деятельности, внедряющих системы качества на основе ГОСТ Р ИСО 9000.

В 1999 г. 88-я Международная конференция по мерам и весам учредила Всемирный день метрологии, 20 мая.

В 2003 г. вступил в силу Федеральный закон “О техническом регулировании”.

В 2004 г. Госстандарт РФ преобразован в Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии.

В 2008 г. принят новый Федеральный закон “ Об обеспечении единства измерений ”.

В 2008 г. вступили в действие первые технические регламенты: на молочную, табачную, масложировую, соковую продукцию и др.

При проведении измерений необходимо обеспечить их единство. Под единством измерений понимается характе­ристика качества измерений, заключающаяся в том, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам воспро­изведенных величин, а погрешности результатов измерений известны с заданной вероятностью и не выходят за установ­ленные пределы. Понятие «единство измерений» охватывает важнейшие задачи метрологии: уни­фикацию единиц ФВ, разработку систем воспроизведения величин и передачи их размеров рабочим средствам изме­рений с установленной точностью и ряд других вопросов.

Следует отметить то, что объектом любого измерения являются величины. Величина – это характеристика одного из свойств объекта или системы, явления, процесса.

Величины можно разделить на два вида: реальные и иде­альные (рис. 1).

Идеальные величины главным образом относятся к мате­матике и являются обобщением (моделью) конкретных реаль­ных понятий.

Реальные величины делятся в свою очередь на физиче­ские и нефизические. Физическая величина (ФВ) в общем случае может быть определена как величина, свойственная материальным объектам (процессам, явлениям), изучаемым естественными (физика, химия) и техническими науками.

К нефизическим следует отнести величины, присущие обще­ственным (нефизическим) наукам — философии, социоло­гии, экономике и т.д.

Отличительная черта физических величин состоит в том, что они имеют единицу измерения (метр, секунда, кельвин, килограмм и др.), материализованную (воспроизводимую) при помощи эталонов. Нефизические величины измеряются в баллах, рангах и других условных единицах и не имеют возможности быть воспроизведены с помощью технических средств.

Физическая вели­чина - одно из свойств физического объекта, в качест­венном отношении общее для многих физических объектов, а в количественном — индивидуальное для каждого из них. Индивидуальность в количественном отношении понимают в том смысле, что свойство может быть для одного объекта в определенное число раз больше или меньше, чем для дру­гого. Таким образом, физические величины — это измерен­ные свойства физических объектов и процессов, с помощью которых они могут быть изучены.

Физические величины (ФВ) разделяют на измеряемые и оцениваемые. Измеряемые ФВ могут быть выражены количественно в виде определенного числа установ­ленных единиц измерения. Возможность введения и использо­вания последних является важным отличительным признаком измеряемых ФВ. Физические величины, для которых по тем или иным причинам не может быть введена единица изме­рения, могут быть только оценены. Оценивание величины осуществляется при помощи шкал. Шкала величины — упо­рядоченная последовательность ее значений, принятая по соглашению на основании результатов точных измерений.

Нефизические величины, для которых единица измерения в принципе не может быть введена, могут быть только оце­нены.

ФВ класси­фицируют следующим образом:

По видам явлений ФВ делятся на следующие группы:

- вещественные, т.е. описывающие физические и физи­ко-химические свойства веществ, материалов и изделий из них. К этой группе относятся масса, плотность, электриче­ское сопротивление, емкость, индуктивность и др. Иногда указанные ФВ называют пассивными. Для их измерения необходимо использовать вспомогательный источник энер­гии, с помощью которого формируется сигнал измеритель­ной информации. При этом пассивные ФВ преобразуются в активные, которые и измеряются;

- энергетические, т.е. величины, описывающие энергети­ческие характеристики процессов преобразования, передачи и использования энергии. К ним относятся ток, напряже­ние, мощность, энергия. Эти величины называют активными. Они могут быть преобразованы в сигналы измерительной информации без использования вспомогательных источни­ков энергии;

- характеризующие протекание процессов во времени. К этой группе относятся различного рода спектральные харак­теристики, корреляционные функции и др.

По принадлежности к различным группам физических процессов ФВ делятся на пространственно-временные, меха­нические, тепловые, электрические и магнитные, акустические, световые, физико-химические, ионизирующих излучений, атомной и ядерной физики.

По наличию размерности ФВ делятся на размерные, т.е. имеющие размерность, и безразмерные.

По степени условной независимости от других величин данной группы ФВ делятся на основные (условно незави­симые) и производные (условно зависимые).

В Российской Федерации используется Меж­дународная система единиц (СИ или SI), введенная ГОСТ 8.417—2002 «ГСИ. Единицы физических величин». Единая международная система единиц (СИ) была принята XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 г. На территории нашей страны СИ действует с 1 января 1982 г. В каче­стве основных единиц приняты метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела. В настоящее время в международной системе (СИ) используется семь физических величин, выбранных в качестве основных: длина, время, масса, температура, сила электрического тока, сила света и количество вещества. Ha XX Генеральной конференции мер и весов (1995 г.) единицы плоского и телесного углов — радиан и стерадиан исключены из класса дополнительных единиц СИ и пере­ведены в класс производных, выражающихся через основные на основе известных уравнений связи между ними. Примерами производных величин могут служить: плотность вещества, определяемая как масса вещества, заключенного в единице объема; ускорение — изменение скорости за еди­ницу времени и др. Производные единицы бывают когерентными и некоге­рентными. Когерентной называется производная единица ФВ, связанная с другими единицами системы уравнением, в котором числовой множитель принят равным единице. Например, единицу скорости образуют с помощью урав­нения, определяющего скорость прямолинейного и равно­мерного движения точки: v = Lit, где L — длина пройденного пути, t— время движения. Подстановка вместо L и t их еди­ниц в СИ дает v = 1 м/с (табл. 1.2). Следовательно, единица скорости является когерентной.

Единицы ФВ делятся на системные и внесистемные. Сис­темная единица — единица ФВ, входящая в одну из приня­тых систем. Все основные, производные, кратные и дольные единицы являются системными. Внесистемная единица — это единица ФВ, не входящая ни в одну из принятых систем единиц. Внесистемные единицы по отношению к единицам СИ разделяют на четыре вида:

• допускаемые наравне с единицами СИ, например: единицы массы — тонна; плоского угла — градус, минута, секунда; объема — литр и др. Внесистемные единицы, допускаемые к применению наравне с единицами СИ;

• допускаемые к применению в специальных областях, например: астрономическая единица, парсек, световой год — единицы длины в астрономии; диоптрия — единица опти­ческой силы в оптике; электрон-вольт — единица энергии в физике и т.д.;

• временно допускаемые к применению наравне с едини­цами СИ, например: морская миля — в морской навигации; карат — единица массы в ювелирном деле и др. Эти единицы должны изыматься из употребления в соответствии с меж­дународными соглашениями;

• изъятые из употребления, например: миллиметр ртут­ного столба — единица давления; лошадиная сила — единица мощности и некоторые другие.

В настоящее время каждую единицу оценивают по ее отношению к системе СИ.

Основные, дополнительные и производные единицы системы СИ:

Величина	Единица измерения	Сокращенное обозначение единицы
		русское		международное
Основные
Длина	Метр	М		m
Масса	Килограмм	Кг		kg
Время	Секунда	С		s
Сила электрического тока	Ампер	А		A
Термодинамическая температура	Кельвин	К		K
Сила света	кандела	Кд		cd
Количество вещества	моль	Моль		mol
Основные единицы электрорадиоизмерений
Частота	гердц	Гц		Hz
Энергия (работа)	джоуль	Дж		J
Мощность	ватт	Вт		W
Электрический заряд	кулон	Кл		C
Напряжение	вольт	В		V
Емкость	фарад	Ф		F
Сопротивление	ом	Ом		Ом
Проводимость	сименс	См		S
Индуктивность	генри	Г		H
Производные единицы - образуются с помощью простейших уравнений между величинами, в которых числовые коэффициенты равны единице. Например, к числу производных единиц относят квадратный метр, кубический метр, ускорение и др.
Плоский угол	радиан	рад		rad
Телесный угол	стерадиан	ср		cr
Некоторые производные единицы
Площадь	квадратный метр		м2	m2
Объем, вместимость	кубический метр		м3	m3
скорость	метр в секунду		м/с	m/c
ускорение	метр на секунду в квадрате		м/с2	m/s2
Частота периодического процесса	герц		Гц	Hz
Экспозиционная доза (рентгеновского и гама-излучения)	кулон на килограмм		Кл/кг	c/kg
Мощность поглощенной дозы	грей в секунду		Гр/с	Gy/s

Определения основных единиц, соответствующие решениям Генеральной конференции по мерам и весам, следующие:

Метр равен длине пути, проходимого светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды.

Килограмм равен массе международного прототипа килограмма.

Секунда равна 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Ампер равен силе неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызывает на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную Н.

Кельвин равен 1/273.16 части термодинамической температуры тройной точки воды.

Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0.012 кг.

Кандела равна силе света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Международная система единиц включает в себя две дополнительные единицы - для измерения плоского и телесного углов.

Единица плоского угла - радиан (рад) - угол между двумя радиусами окружности, дуга между которыми по длине равна радиусу. В градусном исчислении радиан равен 57°17'48".

Стерадиан (ср), принимаемый за единицу телесного угла, - телесный угол, вершина которого расположена в центре сферы и который вырезает на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, по длине равной радиусу сферы.

Измеряют телесные углы путем определения плоских углов и проведения дополнительных расчетов по формуле

где Q - телесный угол; - плоский угол при вершине конуса, образованного внутри сферы данным телесным углом.

Телесному углу 1 ср соответствует плоский угол, равный 65°32', углу ср - плоский угол 120°, углу ср - плоский угол 180°.

Дополнительные единицы СИ использованы для образования единиц угловой скорости, углового ускорения и некоторых других величин. Сами по себе радиан и стерадиан применяются в основном для теоретических построений и расчетов, так как большинство важных для практики значений углов (полный угол, прямой угол и т.д.) в радианах выражаются трансцендентными числами ( , и т.д.).

Ha XX Генеральной конференции мер и весов (1995 г.) единицы плоского и телесного углов — радиан и стерадиан исключены из класса дополнительных единиц СИ и пере­ведены в класс производных. Производные единицы Международной системы единиц образуются с помощью простейших уравнений между величинами, в которых числовые коэффициенты равны единице. Так, для линейной скорости в качестве определяющего уравнения можно воспользоваться выражением для скорости равномерного прямолинейного движения .

При длине пройденного пути (в метрах) и времени t, за которое пройден этот путь (в секундах), скорость выражается в метрах в секунду (м/с). Поэтому единица скорости СИ - метр в секунду - это скорость прямолинейно и равномерно движущейся точки, при которой она за время 1 с перемещается на расстояние 1 м.

Если в определяющее уравнение входит числовой коэффициент, то для образования производной единицы в правую часть уравнения следует подставлять такие числовые значения исходных величин, чтобы числовое значение определяемой производной единицы было равно единице. Например, единица кинетической энергии СИ - килограмм-метр в квадрате на секунду в квадрате - это кинетическая энергия тела массой 2 кг, движущегося со скоростью 1 м/с, или кинетическая энергия тела массой 1 кг, движущегося со скоростью м/с. Эта единица имеет особое наименование - джоуль (сокращенное обозначение Дж).

Различают так же кратные и дольные единицы физической величины. Кратная единица – единица физической величины, в целое число раз большая системной или внесистемной единицы. Дольная единица - единица физической величины, в целое число раз меньшая системной или внесистемной единицы.

Наиболее прогрессивным способом образования кратных и дольных единиц является принятая в метрической системе мер десятичная кратность между большими и меньшими единицами. В соответствии с резолюцией 11 Генеральной конференции по мерам и весам десятичные кратные и дольные единицы от единиц СИ образуются путем присоединения приставок. Например, единица длины километр равна 10³ м, т.е. кратна метру, а единица длины миллиметр равна 10^-3 м, т.е. дольной.

Множитель	Приставка	Обозначение приставки
		русское	международное
1018	экса	Э	Е
1015	пета	П	Р
1012	тера	Т	Т
109	гига	Г	G
106	мега	М	M
103	кило	к	k
102	гекто	г	h
101	дека	да	da
10-1	деци	д	d
10-2	санти	с	c
10-3	милли	м	m
10-6	микро	мк	μ
10-9	нано	н	n
10-12	пико	п	p
10-15	фемто	ф	f
10-18	атто	а	a

Система единиц СИ обладает достоин­ствами и преимуществами перед другими системами единиц. Основные из них: универсальность — охват всех областей науки, техни­ки, производства; унификация единиц для всех видов измерений (тепло­вых, химических, механических и др.); уменьшение числа единиц; лучшее взаимопонимание при развитии международ­ных, научно-технических и экономических связей.

Качественной характеристикой измеряемой величины является размерность. Размерностью называют символическое (буквенное) обозначение зависимости производных величин (или единиц) от основных. Она выражается произведением степеней основных величин, через которые может быть определена. Размерность обозначается символом dim, происходящим от английского слова dimension - размерность. Размерность основных физических величин обозначается заглавными буквами. Для длины, массы и времени, имеем dim l = L, dim m = M, dim t = T.

Количественной характеристикой измеряемой величины служит ее размер. Получение информации о размере физической или нефизической величины является содержанием любого измерения.

Для представления результата измерений используется значение величины – оценка размера величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц измерения. Например, m = 10 кг, где 10 - это значение.

Отсюда можно записать основное уравнение измерения:

Q = a [q],

где Q – измеряемая величина; a – числовое значение измеряемой величины; [q] – единица измеряемой величины; Правая часть уравнения – величина известного размера, которая воспроизводится, как правило, с помощью некоего устройства.

Истинное значение физической величины – значение, которое идеальным образом отражает в качественном и количественном отношениях соответствующую физическую величину. Истинное значение неизвестно. Оно может быть получено только в результате бесконечного процесса измерений с бесконечным совершенствованием методов и средств измерений. Данное понятие используется как теоретическая основа.

На практике вместо истинного значения используют действительное значение измеряемой величины.

Действительное значение физической величины – значение, найденное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что для поставленной задачи может его заменить.