2087

Позавчера мы ничего не знали об электричестве, вчера мы ничего не знали об огромных резервах энергии, содержащихся в атомном ядре, о чем мы не знаем сегодня?

Луи де Бройль

Введение

В настоящее время во всех развитых странах мира определяющим фактором конкурентоспособности продукции для производителей и потребителей становится качество. Качеством продукции необходимо управлять, то есть уметь количественно оценивать и анализировать ее показатели, варьировать влияющими на них процессами. В этих условиях важнейшая роль отводится метрологии, как науке об измерениях, ее методам и средствам, теории

ипрактике метрологического обеспечения предприятий и организаций.

Метрология рассматривается как область науки, которая должна обеспечивать на государственном уровне единство измерений. Проще говоря, должна существовать система, позволяющая представителям различных наук, например, физики, химии, биологии, медицины, геологии и т. д. разговаривать на одном языке и понимать друг друга. Средствами достижения этого результата являются составные части метрологии: системы единиц, эталоны, стандартные образцы, справочные данные, терминология, теория погрешностей, система стандартов.

Без развернутой системы измерений, позволяющей контролировать технологические процессы, оценивать свойство и качество продукции, не может существовать ни одна область техники. Измерения служат основой научных знаний. «Наука начинается … с тех пор, как начинают измерять», – писал великий русский ученый Д.И. Менделеев.

Необходимо измерять технические характеристики различных машин и механизмов, размеры деталей и составных частей машин, показатели продукции и различных жизненно важных объектов и т.д. Каждую секунду в мире производятся миллиарды измерительных операций, результаты которых используются для обеспечения качества и технического уровня выпускаемой продукции, безопасной

ибезаварийной работы транспорта, обоснования медицинских и экологических диагнозов, анализа информационных потоков. Практически нет ни одной сферы деятельности человека, где бы

интенсивно не использовались результаты измерений, испытаний и контроля. Для их получения привлечены миллионы людей и большие финансовые средства. Примерно 15 % затрат общественного труда расходуется на проведение измерений. По оценке экспертов, от 3 до 9 % валового национального продукта передовых индустриальных стран приходится на измерения и связанные с ними операции.

За последние годы в строительной и дорожной отраслях произошли коренные изменения в структуре, темпах и объемах строительно-монтажных работ, технологических процессах изготовления строительных, дорожных материалов и конструкций, возведении зданий и сооружений. Однако средства измерений физико-механических, теплотехнических и других важнейших свойств материалов и конструкций, контроля соблюдения режимов производства и качества выпускаемой продукции не претерпели существенных изменений.

В строительной и дорожной отраслях требуются разнообразные измерительные средства для выполнения косвенных измерений на основе использования инфракрасных, рентгеновских и ионизирующих излучений, ультразвука, лазера, принципов магнитной дефектоскопии и др. В настоящее время применения информационных технологий на всех стадиях жизненного цикла изделий, при разработке программных продуктов значительное внимание уделяется процессам измерения и программным метрическим показателям.

Материал, изложенный в данном учебном пособии, поможет студентам строительных, автомобильно-дорожных специальностей, а также специальностей, связанных с информационными технологиями, изучить состояние и перспективы развития метрологии, современные виды, методы и средства измерений, а также законодательные аспекты метрологического обеспечения в Российской Федерации.

Кто мудр, тот смотрит на замысел, а не на исход. Досуг без занятий наукой – смерть и погребение заживо.

Сенека

ГЛАВА 1

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ШКАЛЫ ИЗМЕРЕНИЙ В МЕТРОЛОГИИ

____________________________________________________________

1.1. Метрология: краткая история развития

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. и т. п. Естественно, что в давние времена еще не существовало развитого математическогоаппарата, не было четкосформулированных физических законов, позволяющих охарактеризовать качество и стоимость товара. Тем не менее, проблема справедливой сбалансированной торговли была актуальна всегда. От этогозависелоблагосостояние общества, от этогоже возникаливойны.

Первыми средствами обеспечения единства измерений были объекты, которые имеются в распоряжении человека всегда. Так появились первые меры длины, опирающиеся на размеры рук и ног человека. На Руси использовались локоть, пядь, сажень, косая сажень. На Западе – дюйм, фут, сохранившие свое название до сих пор. Поскольку размеры рук и ног уразных людей были разными, то должное единство измерений не всегда удавалось обеспечить. Следующим шагом были законодательные акты различных правителей, предписывающие, например, за единицу длины считать среднюю длину стопы нескольких людей. Иногда правители просто делали две зарубки на стене рыночной площади, предписывая всем торговцам делать копии таких «эталонных мер». В настоящее время такую меру можно видеть на Вандомской площади в Париже в том месте, где когда-то располагался главный рынок Европы.

По мере развития человечества и науки, особенно физики и математики, проблему обеспечения единства измерений стали решать более широко. Появились государственные службы и хранилища мер, с которыми торговцам в законодательном порядке предписывалось сравнивать свои меры. Для определения размеров единиц выбирались размеры объектов, не изменяющиеся со временем. Например, для определения размера единицы длины измерялся меридиан Земли, для определения единицы массы измерялась масса литра воды. Единицы времени с давних времен донастоящего момента связываютс вращением ЗемливокругСолнцаивокруг собственной оси.

Издавна придается большое значение единству мер для правильного развития внутренней торговли и упрочнения торговых связей с соседними народами. Упоминания о русских мерах встречаются в первых памятниках древнерусской письменности. Меры тех времен были примитивны и весьма неустойчивы. Например, локоть

– «расстояние от локтя до переднего сустава среднего перста» 38 см,

сажень – 4 локтя (152 см), полусажень – 2 локтя (76 см), пядь 1/8

сажени – 19 см.

Верста являлась единицей длины пути, но размер ее колебался в разное время в различных областях Руси от 1000 до 500 саженей. Для измерения площади земли применялась десятина – площадь квадрата со сторонами равными 1/10 версты.

Надзор за мерами и весами в Древней Руси поручался духовенству. В церковном уставе князя Владимира (Х век) говорится: «Всякие мерила епископу блюсти без пакости – множити, ни умаляти, за все то дати ему ответ во день страшного суда». Наказание за злоупотребление при пользовании мерами и весами предусматривалось «близко к смерти», с разделом имущества в пользу церкви и властей.

Шли столетия, росло количество средств измерения, росли и трудности общегосударственного упорядочения мер. В 1736 году была создана специальная комиссия по мерам и весам. Она занялась созданием образцов русских мер и организацией поверочного дела. В 1802 году были изготовлены образцовые четырехгранные аршины для Петербурга хрустальный, стальной и медный, а также 52 образцовых аршина для губерний (аршин – 71,12 см).

В 1790 г. во Франции в Национальное собрание было подано предложение – принять за основу единицы длины меру, имеющую прототип в природе – метр, равный 1/10000000 часть четверти

парижского меридиана. В 1799 году из платины был изготовлен образец – «архивный метр» и сдан на хранение в архив Французской республики.

Созданная в 1827 году Правительственная Комиссия образцовых мер и весов определила меру единицы длины – сажень, меру веса – фунт, емкости жидких тел – ведро, сыпучих тел – четверик (26,24 л).

В1842 году именным Указом императора было утверждено «Положение о мерах и весах», которое предусматривало обязательное применение только русских мер во всем государстве. Великое множество мер в различных странах и даже в одной стране затрудняло торговлю и развитие общества, поэтому необходимо было совершенствовать систему измерений. В России основано Депо образцовых мер (1842 г.), преобразованное затем в Главную палату мер

ивесов России, возглавляемую многие годы великим ученым Д. И. Менделеевым.

20 мая 1875 года Россия в числе 17 государств подписала Международную метрическую конвенцию. Страны, подписавшие эту конвенцию, обязались учредить и содержать Международное бюро мер и весов, в задачи которого входило создание международных и национальных метрических эталонов, их хранение.

В1899 году на I Генеральной конференции по мерам и весам был утвержден Международный прототип метра и распределены государственные эталоны между странами – участниками конвенции. Россия в результате жеребьевки получила эталоны метра № 28, эталон-свидетель № 11 и эталоны килограмма № 12 и № 26. Единая

мера длины метр это одна десятимиллионная часть четверти Парижского меридиана (расстояние между городами Дюнкерком и Барселоной); эталон килограмма – цилиндр из сплава иридия и платины, масса которого равна массе воды объемом в 1 дм3 при температуре 4 С. Дальнейший прогресс в обеспечении единства измерений состоял уже в произвольном выборе единиц, не связанных с веществамиили объектами.

В 1918 году был принят декрет о введении в стране метрической системы мер (вместо саженей, фунтов, ведер).

Поиск нового «естественного» эталона, неразрушаемого и обладающего большой точностью и развитие интерференционного метода измерений позволили в 1960 году принять новое определение метра в длинах световой волны, соответствующей оранжевой линии

спектра криптона – 86. Но это было не последнее определение эталона метра.

Международное признание и развитие метрической системы мер, расширение международного сотрудничества привели к тому, что в 1960 году ХI Генеральная конференция по мерам и весам утвердила «Международную систему единиц», основанную на метрической системе мер – систему СИ (систему интернациональную).

В ней принято шесть основных единиц физических величин – длины, массы, времени, силы электрического тока, термодинамической температуры и силы света. В 1974 году на XIV Генеральной конференции была принята седьмая основная единица СИ – единица количества вещества. В России окончательно система СИ принята в

1980 году.

Гигантский скачок в точности измерений механических величин был совершен при внедрении лазеров в измерительную технику. Образно говоря, точность средств измерения стала определяться параметрами отдельного атома. Если выбрать определенный тип атома, определенный изотоп элемента, поместить атомы в резонатор лазера и использовать все преимущества, присущие лазерному излучению, то реально достижимая погрешность воспроизведения единицы длины можетсказыватьсявтринадцатом или четырнадцатомзнаках.

27 апреля 1993 г. в России был принят Закон РФ № 4871-I «Об обеспечении единства измерений» (с изменениями от 10 января 2003 г.), который устанавливает правовые основы обеспечения единства измерений в РФ, регулирует отношения государственных органов управления РФ с юридическими и физическими лицами по вопросам изготовления, выпуска, эксплуатации, ремонта, продажи и импорта средств измерений и направлен на защиту прав и законных интересов граждан, установленного правопорядка и экономики РФ от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений.

1.2. Структурные элементы метрологии

Представим в виде схемы основные элементы, которые охватывает метрология (рис. 1).

Физическая величина это величина, свойственная материальным объектам (процессам, явлениям), изучаемым в естественных (физика, химия) и технических науках. Отличительной

особенностью физических величин является их измеримость, т.е. они имеют единицу измерения, материализованную с помощью эталона. Нефизические величины являются оцениваемыми. К ним следует отнести величины, присущие общественным наукам – философии, социологии, экономике, психологии, медицине, информатике, управлению качеством. Например, оценку умственного развития человека называют измерением интеллекта, оценку качества продукции – измерением качества.

Под базами метрологии понимается та правовая и нормативная основа, руководствуясь которой осуществляется вся деятельность в области метрологии.

Субъекты метрологии представляют собой совокупность органов и участников метрологической деятельности.

Структурные элементы метрологии

Рис. 1. Структурные элементы метрологии

Методы метрологии представляют собой совокупность различных приемов и средств, с целью получения измерительной информации об объекте.

Под средствами метрологии понимаются технические устройства, с помощью которых решается измерительная задача.

1.3. Общие вопросы метрологии.

Основные термины и определения

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Слово «метрология» происходит от греческих слов metron (мера) и logos (понятие, наука).

Различают три направления развития метрологии:

теоретическая метрология рассматривает общие проблемы теории измерений и погрешностей;

прикладная метрология занимается теорией и практикой обеспечения гарантированной точности конкретных измерений и измерительных систем;

законодательная метрология устанавливает обязательные технические и юридические требования по применению единиц физических величин, эталонов, методов и средств измерений и охватывает вопросы метрологической деятельности, нуждающиеся в регламентации и контроле со стороны государства с целью защиты интересов самого государства, предприятий или отдельных граждан.

Основные задачи метрологии:

 обеспечение единства измерений;  установление единиц физических величин и их

государственных эталонов;

определение физических констант и физико-химических свойств веществ и материалов;

разработка стандартных методов и средств испытания и контроля;

разработка теории измерений и методов оценки погрешностей;

метрологический контроль и надзор за состоянием и применением средств измерения.

Основные метрологические понятия даны в рекомендациях РМГ 29-99, введенных с 1 января 2001г. на территории России, они содержат основные термины и определения метрологии, согласованные с международными стандартами.

Традиционным объектом метрологии являются физические величины (ФВ).

Физическая величина – свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам, но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта. Так, свойство «прочность» в качественном отношении характеризует такие