История развития метрологии

Косихина Александра Ивановича

СЗПИ

г.Среднеуральск 2010г.

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

 

1. Введение

 

 

Одним из путей познания природы  человеком, объединяющие теорию с практической деятельностью, являются измерения. Они представляют собой основу научных знаний, служат для учета материальных ресурсов, обеспечения требуемого качества продукции, взаимозаменяемости деталей и узлов, совершенствования технологии, автоматизации производства, стандартизации, охраны здоровья и обеспечения безопасности труда и для многих других отраслей человеческой деятельности.

Во всем мире ежедневно производятся сотни, тысячи миллиардов измерений. В интересах каждой страны, во взаимоотношении между странами необходимо, чтобы результаты измерений, где бы они не выполнялись, могли бы быть согласованы.

Другими словами, необходимо, чтобы  результаты измерений одинаковых величин, полученные в разных местах и с помощью различных измерительных средств, были сопоставимы на уровне требуемой точности.

В первую очередь для этого необходимо единообразие единиц измеряемых величин и мер, осуществляющих вещественное их воспроизведение. Обеспечение высокой степени единообразия, или как говорят, единства мер, является одним из условий обеспечения сопоставимости результатов измерений. Кроме того, необходимо выполнение ряда других условий для того, чтобы обеспечит все те качества результатов измерений, которые нужны для их сопоставимости и правильного использования, что в целом называют единством измерений.

Вопросами теории и практики занимается метрология.

Метрология в самом широком  понимании представляет собой науку об измерениях, об обеспечении их единства, о способах достижения указанных целей.

Метрология служит теоретической  основой измерительной техники.

И чем больше развивается измерительная техника, тем большее значение приобретает метрология, создающая и совершенствующая теоретические основы измерений, обобщающая практический опыт в области измерений и направляющая развитие измерительной техники.

 

2. История развития метрологии

 

2.1. История  метрологии

История метрологии издавна привлекала внимание исследователей, среди них есть ученые с мировым именем. Усилиями многих из них создана "историческая метрология" - научная дисциплина, которая изучает историю метрологии у различных народов, включая даже эпоху, отдаленную от нас многими столетиями. Свою задачу историческая метрология видит, в первую очередь, в установлении номенклатуры древних мер, их значений, соотношений и происхождения. Исходными данными для этого являются сохранившиеся меры и различные материальные памятники прошлого ( монеты, гири, меры длины, сооружения со "стандартными", кратными размерами), а также литературные памятники, содержащие сведения о каких-либо мерах, о соотношениях между ними, об их использовании.

Историческая метрология устанавливает, оставались те или иные меры постоянными на протяжении веков или измерение мер в торговопромышленной практике и в быту, как создавались и развивались системы мер, как постоянно осуществлялось единство мер.

Первоначально деятельность исследователей сводилась к накоплению первичных материалов и лишь с течением времени, в результате критического анализа собранных данных, удалось сделать ряд обобщающих выводов, связать историю развития метрологии с общественно-экономическим развитием общества и получать в известной степени целостную картину развития науки.

Если изначально применяли индивидуальные примитивные меры ( моя ступня, мой  локоть), то затем начали переходить к общеобязательным( усредненным по соглашению или по административному распоряжению) и к их реализации в материальной форме. К таким общеобязательным мерам относился, например, уже упоминавшийся египетский священный локоть. Появление вещественных мер сделало возможным воспроизведение большого количества одинаковых мер, что открывало путь к использованию математических действий и создавало необходимость предпосылки для выделения метрологии из наличной совокупности знаний.

Не менее важным шагом являлось установление определенных числовых соотношений между однородными мерами (например, длины или веса), которые первоначально часто бывали разрозненными, случайными и независимыми друг от друга, т.е. совершалось превращение комплекта мер в их упорядоченную совокупность, в систему мер.

 

 

2.2. Измерения и человек

 

Обширна область измерений. От далеких  галактик до мельчайших частиц, из которых  построен атом, от температуры Солнца и ядерных реакций до низких температур криогенных установок, от электромагнитных волн, создаваемых и используемых человеком на Земле, до волн, приходящих на Землю, от неведомых источников, расположенных на расстояниях в сотни и тысячи световых лет.

Необходимость в простейших измерениях возникла у человека как только он начал строить жилища, делать примитивные орудия труда, изготовлять домашнюю утварь и одежду.

В повседневной трудовой жизни потребовалось  прежде всего измерять длину, объем, вес, время. И на первой же стадии измерений понадобились меры, с которыми можно было сравнивать, в которых можно выразить результат измерений. Самым естественным было привлечь для этой цели те предметы окружающей природы, которые чаще всего употреблялись в практике древнего человека. Меры рождались в трудовой деятельности и были связаны с образом жизни людей, с их конкретными занятиями. Это нашло отражение в названиях некоторых местных мер: косье (мера площади применявшаяся при покосе - полоса покоса, равная по ширине одному взмаху косы, - в разделе земли; имела хождение в Вологодской, Ярославской, Московских губерниях), весло (мера, определявшая расстояние, пройденное лодкой при одном взмахе весел), топорище (мера, равная длине топорища, ее применяли болгары, белорусы, псковитяне) и др.

У разных народов появились, например, мера веса и длины, связанная с размерами зерна и плодов: грамм - единица аптекарского веса и др. Очень удобным оказалось использовать для измерения длины размеры частей человеческого тела, отсюда антропологические названия: локоть, палец, ладонь, лядь, кулак, ступня и др. Были также и меры, обусловленные физическими возможностями человека или животного или физического явлениями.

Измерения служат для познания природы; точность измерений - это путь к открытиям, хранению и применению точных знаний.

Измерять  начали давних пор. И с каждым годом  роль и значение измерений повышались.

Старые  средства измерений (палка, тень, чашка, камень) заменились новыми, позволяющими нам воспринимать невидимый свет, ощущать магнитные силы и другие явления, которые иначе были бы нам неизвестны.

Звуковые  и электромагнитные волны служат для измерений глубины океанов, толщины ледников, больших расстояний на Земле, расстояний до Луны и других планет. Звуковые волны, отражаясь от дна океана, приходят обратно как эхо, Время, за которое эти волны проделают путь туда и обратно, дает возможность определить глубину океана, так как скорость прохождения их в воде известна ( эхолот).

Электромагнитные  волны, отражаясь от предметов, на которые  они направлены , или от планет распространяются со скоростью света и тоже приходят обратно подобно эху, и позволяют  определить расстояние (радиолокация)

Исследование  природы и выполняемые при  этом измерения и в лаборатории, и в обсерватории, и в кратере вулкана, и в глубинах морей, и в высоких слоях атмосферы или в космосе - очень рискованны. Но люди смело идут на риск, чтобы познать природу на благо человечества.

 

3. Унификация единиц физической величины

 

3.1. Создание  метрических мер.

 

Первоначально единицы физических величин выбирались произвольно, без какой-либо связи друг с другом, что создавало большие трудности. Значительное число произвольных единиц одной и той же величины затрудняло сравнение результатов измерений, произведенных различными наблюдателями.

В каждой стране, а иногда даже в каждом городе создавались свои единицы. Перевод одних единиц в другие был очень сложен и приводил к существенному снижению точности результатов измерений.

Помимо  указанного разнообразия единиц, которое  можно назвать " территориальным", существовало разнообразие единиц, применяемых в различных отраслях науки, техники, промышленности и т.п. В различных отраслях человеческой деятельности создавались новые единицы тех или иных величин, характерных для данной отрасли. Это разнообразие, которое мы называем условно " отраслевым" разнообразием единиц, к сожалению, существует и в настоящее время.

По мере развития техники, а также  международных связей, трудности использования результатов измерений возрастали и тормозили дальнейший научно-технический прогресс. Большой ущерб причиняла множественность единиц и науке. Положение осложнялось еще и тем, что соотношения между дольными и кратными единицами были необычно разнообразны.

В 1790 г. во Франции было принято  решение о создании системы новых мер, "основанных на неизменном прототипе, взятом из природы, с тем, чтобы ее могли принять все нации".

На территории первого русского государства имели хождение разнообразные  меры, удовлетворявшие потребностям в различных областях: в ремеслах, торговле, строительстве и в быту.

Однако ценность такого богатства  мер была бы значительно ниже, если бы не было того, что теперь называем поверкой мер. Во времена Киевской Руси уже были образцовые меры, используемые главным образом для поверки мер в торговле, строительстве и т.д.

Поскольку появились меры, принятые за образец, то надлежало кому-то поручить и их хранение.

 

 

3.2. Эталоны

 

Для обеспечения единства измерений  необходима тождественность единиц, в которых проградуированы все средства измерений одной и той же физической величины.

Единство измерений достигается  путем точного воспроизведения и хранения установленных единиц физических величин и передача их размеров применяемым средствам измерений.

Размеры единиц воспроизводятся, хранятся и передаются с помощью эталонов и образцовых средств измерений.

Высшим звеном в метрологической  цепи передачи размеров единиц измерений являются эталоны. Эталон представляет собой средство измерений ( или комплекс средств измерений), обеспечивающее воспроизведение и хранение единицы физической величины ( или одну из этих функций) с целью передачи размера единицы образцовым, а от них рабочим средствам измерений, утвержденное в качестве эталона в установленном порядке.

Впервые в истории отечественной  метрологии Положение 1842 года установило основы государственной службы мер  и весов в стране, отдельные элементы которой не утратили своего значения и поныне.

В этом документе указаны: система  единиц, обязательная для применения по всей стране; учреждения, которые  должны ведать мерами и весами и надзором за ними, а также порядок хранения, применения, поверки и клеймения эталонов и мер.

В настоящий момент система метрологического обеспечения является одной из наиболее развитых и общепризнанных в мире.

Передача размеров единиц физических величин от эталонов к рабочим средствам измерения осуществляется с помощью обширного парка образцовых СИ.

Изучая историю развития метрологии мы можем проследить как же изменялись эталоны в связи с развитием науки и техники.

Например, эталоном единицы длины  в 1889 году был принят метр равным расстоянию между двумя штрихами, нанесенными  на металлическом стержне Х- образного поперечного сечения. Хотя международный и национальные эталоны метра были изготовлены из сплава платины и иридия, отличающегося значительной твердостью и большим сопротивлением окислению, однако не было полной уверенности в том, что длина эталона с течением времени не изменится. В 1895 г. II Генеральная конференция по мерам и весам признала, что естественным свидетелем размера метра является длина световой волны монохроматического света. Но к интерферометру человеку и приближаться-то нельзя: эталон метра сразу перестает быть эталонным, непредсказуемо "вырастает", и на несколько часов работу приходится прерывать.

С 1945г. началась интенсивная разработка специальных фотоэлектрических способов наблюдения, позволивших заменить человека возле интерферометра электронной аппаратурой. Началась, следовательно, автоматизация эталона длины. Кроме этого, появились новые методы разделения изотопов-атомов одного и того же химического элемента с различными атомными весами. А качество эталонов находится в прямой зависимости от технологии получения сверхчистого источника излучения. Ведь два источника одного элемента имеют чуть-чуть отличающиеся длины волн. Смесь изотопов дает размытую спектральную линию. Источник излучения в эталоне метра должен состоять из одного единственного изотопа. И вот в Международном бюро мер и весов во всех крупнейших национальных метрологических лабораториях в основу конструкции эталона метра были положены газоразрядные лампы с изотопом криптона-86. А для сличения вторичных эталонов (в том числе и платиноиридиевых прототипов метра) со световым метром стали применяться автоматические интерфереционные фотоэлектрические компараторы-приборы сравнения. Эти приборы подсчитывают не все количество волн, вмещающихся в метр, а лишь оценивают разницу между длинами измеряемой и заданной. Первоначальный истинный и окончательный метр, рожденный французской революцией, был задуман как естественная, природная мера. Именно такой естественной мерой он стал снова в 1960г., на новом витке спирали НТП.

Спустя четверть века, в декабре 1985г. создан первый в мире единый эталон разнородных по своей природе физических величин - времени, частоты и длины. Слово "эталон" означает мерило,