Основы метрологии. Учебное пособие по дисциплине «Метрология. Стандартизация. Сертификация»

УДК 006.91

М 42

Медведев Ю.Н. Основы метрологии: Учебное пособие по дисциплине «Метрология. Стандартизация. Сертификация». – М.: РУТ (МИИТ), 2020. – 83 с.

В учебном пособии рассмотрены основы метрологии как науки об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства; способы достижения требуемой точности; приведены основные сведения о единицах физических величин, даны теория погрешностей и методы математической обработки результатов измерений.

Учебное пособие предназначено для студентов строительных специальностей, является расширенным курсом лекций читаемых автором, а также может быть использовано широким кругом специалистов, работающих в области техники геодезических и навигационных измерений.

Рецензенты:

Б.Л. Недорчук – к.т.н., доцент кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» РУТ (МИИТ),

Б.А. Сахаров – д.т.н., технический директор ООО «Время- Ч»,

Ю.Ф. Смирнов – к.т.н., начальник отдела ФГУП «ВНИИФТРИ»

© РУТ (МИИТ), 2020

ВВЕДЕНИЕ

Развитие науки и техники, технологических и производственных процессов, повышает роль метрологии как науки об измерениях. Это объясняется тем, что без опережающего развития метрологии невозможен прогресс многих научных направлений, а также невозможно создание и эффективное использование современной измерительной техники. Как известно, важнейшей задачей, возникающей в процессе измерения, является обеспечение единства измерений и достоверности их результатов. Это связано с тем, что за последнее время резко повысились требования к точности измерений, увеличилось количество измеряемых величин и расширились диапазоны их измерения. Возникла необходимость измерять быстроизменяющиеся величины, их характеристики процессов и систем.

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ МЕТРОЛОГИИ

Метрология как наука и область практической деятельности зародилась в древности. Основой древнерусской системы мер длины, объема и массы послужила тщательно разработанная система древнеегипетских мер. Впрочем, древнеегипетская система была воспринята и в древней Греции, в др. Риме и других государствах.

Слово “метрология” в переводе с греческого означает учение о мерах. Для наших дней можно сказать, что

метрология – это наука об измерениях, обеспечения их

3

единства, методах и средствах достижения требуемой точности.

У всех народов использовались части человеческого тела в качестве мер длины, о чем свидетельствуют уже сами названия: фут – ступня, дюйм – палец.

В качестве исходных мер длины издревле применяли также ширину зерна (в особенности ячменного), толщину волоса верблюда или мула. У арабов в VIIIIХ вв. ячменное зерно приравнивалось 6 верблюжьим волосам. Актом английского короля Эдуарда I дюйм определялся как “три сухих круглых ячменных зерна”. Вес зерна ячменя или пшеницы (иногда плодов деревьев) использовали в качестве исходной меры веса, о чем свидетельствует, например, наименование меры “гран” – зерно.

Русь эпохи Киевского Великого княжества принадлежала к числу передовых стран своего времени. Практика ремесел, торговли, строительства в древней Руси привела к созданию системы мер, которая удовлетворяла потребности того времени и оказалась достаточно устойчивой на протяжении ряда столетий.

Система древнерусских мер длины включала в себя несколько основных мер. Такие как верста, сажень, локоть и пядь.

Меры площади: квадратных метров не было, были “дом”, “рало”, “соха”, “обжа”.

Меры объема: 1 кадь=2 половникам=4 четвертям=8 осьминам.

Меры веса: берковец, пуд, гривна, гривенка, золотник, почка, пирог.

Для поддержания единства фактических значений установленных мер в Киевской Руси служили образцовые

4

меры, которые находились обычно в распоряжении князей и представлялись ими для единовременного пользования в торговле или строительстве.

Споявлением образцовых мер появилась необходимость их бережного хранения. Церковные храмы были своего рода общественными центрами, поэтому там и хранились общественные образцовые меры. На духовенство был возложен надзор за мерами и весами. Непосредственное наблюдение за мерами и весами, а также за правильным выполнением измерений в крупной торговле лежало на низших чинах церковного клира и на выборных представителей купечества. Для придания мерам законности на них выставлялись имена князей или название города.

Сцелью предотвращения неправильных измерений и различных обманов, связанных с использованием мер и весов, были установлены строгие наказания для непосредственных виновников порчи средств измерений, особенно злонамеренной (“казнити близко смерти”, иногда также с конфискацией имущества).

Таким образом, монастыри и церкви явились не только первыми хранителями государственных мер и весов, но и представителями надзора за правильностью торговых сделок и верностью мер и весов.

Образцовые меры, санкционированные государственной властью, часто передавались князьям в постоянное или временное пользование при выполнении определенных торговых операций или строительных работ.

Вопросы надзора за отсутствием злоупотреблений отражались в международных договорах того времени. Эти договора содержали правила, которых должны были

5

придерживаться весовщики. Весовщики должны были целовать крест, иногда и повторно, в том, что они будут взвешивать товары правильно, без обмана в пользу той или иной стороны; при взвешивании весовщики обязаны были, положив товар и гири на весы, отнять руки и отступить от весов.

В XV веке в связи с образованием Московского государства значительно увеличился оборот за счет торговли присоединенных городов. Большой доход от таможенных пошлин и разного рода торговых сборов и налогов вызвал необходимость сосредоточения всех дел по мерам и весам в органах государственной власти. В связи с этим надзор за правильностью мер и весов от церквей и духовенства постепенно переходит к гражданской власти – к приказам, и, главным образом, к приказу большого прихода или большой казны, и делаются первые попытки установить единообразие мер и весов на территории всего государства.

При Иване Грозном запрещается иметь частные весы, а предписывается пользоваться за определенную плату “государственными” – казенными весами; взвешивание производят “весы”, или “пудовщики”; за взвешивание устанавливается особая такса.

Особенно сильно российская метрология стала развиваться при Петре I. Еще в конце XVII в. Петром I был организован ввоз различных измерительных приборов (угломерных, оптических и др.), требовавшиеся для армии и флота, в связи, с чем появились ремонтно-юстировочные мастерские.

Расширилась лабораторно-контрольная база. На многих заводах были организованы контрольно-

6

измерительные лаборатории, достаточно хорошо оснащенные.

Необходимость применения правильных и клейменых мер, весов и гирь всеми торговцами была подтверждена Петром I рядом указов, наказов и инструкций. Надзор за мерами и весами возлагается на воевод, а в Москве – на обер-полицмейстера, которые должны были требовать от магистратов сведения о нарушении узаконений и мерах и весах.

В1736 г. правительством была образована Комиссия об учреждении весов и мер, общей задачей которой являлось установление прочных метрологических основ для упорядочения измерительного хозяйства.

Наблюдение за мерами и весами и за отсутствием злоупотреблений осуществлялось в городах новыми административными органами, а в уездах – местными органами власти. Одновременно надзор за мерами и весами несла полиция.

За неправильные меры и весы, за обмеривание, обвешивание и другие обманы и злоупотребления предусматривались наказания, основными формами которых являлись штрафы и телесные наказания.

В1842 году было создано специальное учреждение для хранения образцовых мер, получившее название Депо образцовых мер и весов, которое стало первым по времени государственным метрологическим и поверочных учреждением страны.

Основоположником государственной службы мер и весов является Д.И. Менделеев. В 1892 году он был назначен ученым хранителем Депо образцовых мер и весов. Первым мероприятием Д.И. Менделеева было создание Главной Палаты мер и весов, роль которой в

7

дальнейшей организации государственной службы мер и весов была исключительно велика. Это случилось 20 июня

1893 года.

Сейчас это Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева. В настоящее время в здании размещены:

государственные эталоны основных единиц международной системы, в том числе эталоны метра, килограмма, кельвина, вольта, ампера (всего 21 эталон)

уникальная научно-техническая библиотека, основанная в конце XIX века, имеющая раритетные издания в области метрологии

Параллельно с Россией метрология развивалась и в других странах мира.

Исторически важные этапы в развитии метрологии в России:

17-18 века – Петр 1 издает указы на согласование прототипов русских и иностранных мер

1842 г. – принято «Положение о мерах и весах», создано первое государственное проверочное учреждение

– Депо образцовых мер и весов 1875 г. - подписание международной Метрической

конвенции 1893 г. – Депо преобразовано в Главную палату мер и

весов 1918 г. – создание метрической системы

Различные службы и комитеты 1954 г. – Комитет стандартов, мер и измерительных

приборов 1970 г. – Государственный комитет Совета Министров

СССР по стандартам

8

2004 г. – Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ МЕТРОЛОГИИ

Физические величины

С января 2001 г. на территории России введены рекомендации РМГ 29-99, содержащие основные термины и определения в области метрологии, согласованные с международными стандартами ИСО 31(0-13) и ИСО 1000.

Всоответствии с этими документами метрология - это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Взависимости от цели различают три раздела метрологии: теоретический, законодательный и прикладной.

Втеоретической (фундаментальной) метрологии

разрабатываются фундаментальные основы этой науки.

Предметом законодательной метрологии является установление обязательных технических и юридических требований по применению единиц физических величин, эталонов, методов и средств измерений, направленных на обеспечение единства и необходимой точности измерений.

Практическая (прикладная) метрология освещает вопросы практического применения разработок теоретической и положений законодательной метрологии.

Все объекты окружающего мира характеризуются своими свойствами.

9

Свойство - философская категория, выражающая такую сторону объекта (явления, процесса), которая обусловливает его различие или общность с другими объектами и обнаруживается в его отношениях к ним. Свойство - категория качественная. Для количественного описания различных свойств процессов и физических тел вводится понятие величины.

Величина - свойство чего-либо, что может быть выделено среди других свойств и оценено тем или иным способом, в том числе и количественно. Величина не существует сама по себе, она имеет место лишь постольку, поскольку существует объект со свойствами, выраженными данной величиной.

Величины можно разделить на два вида: реальные и идеальные.

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)

может быть определена как величина, свойственная материальным объектам (процессам, явлениям), изучаемым в естественных (физика, химия) и технических науках. К нефизическим следует отнести величины, присущие общественным (нефизическим) наукам - философии, социологии, экономике и т.д.

Рекомендации РМГ 29-13 определяют физическую величину, как 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

10