Метрология

Метрологія — наука  про вимірювання 

1. Короткий історичний  нарис про розвиток метрології 

Історія розвитку метрології висвітлювалась у багатьох дослідженнях, зібрані численні відомості про  становлення цієї науки. Вагомий  внесок у розвиток метрології своїми працями здійснили такі вчені, як Г.І. Вільд, Б.С. Якобі, А.Я. Купфер, B.C. Глухов, Д.І. Менделєєв, Н.Г. Єгоров, Л.В. За-луцький, В.В. Бойцов та ін. 

Здавна людям досить часто доводилось мати справу з різними  вимірюваннями: при будівництві  споруд, при визначенні напрямку руху по морю з використанням астрономії, у торгівлі, при визначенні пропорцій  людського тіла. У стародавні часи частини людського тіла використовувались  як міра довжини: ширина великого пальця — дюйм, ширина долоні — пальма, довжина стопи — фут, відстань від ліктя до кінця середнього пальця — лікоть та ін. 

В Англії ще в XVII ст. була прийнята одиниця міри довжини —  фут (нога, стопа), яка дорівнювала 30,5 см. Болільники футболу знають, що розміри  футбольних воріт становлять 7,22 х 2,44 м або ж 24 х 8 футів, оскільки Англія є батьківщиною футболу. 

Різні народи нашої  планети перебували на неоднакових  стадіях розвитку, то й міри були різноманітні. Досить пригадати, що у XVII ст. в Європі було понад 100 різних футів, понад 120 фунтів, 46 миль та інших одиниць  виміру. 

У Київській Русі найпоширенішими  мірами довжини були: верста, сажень, лікоть, аршин, ступня, долоня, вершок, палець (табл. 1); мірами ваги — пуд, гривня, гривенка, золотник, почка, пиріг тощо.

Таблиия 1. Давньоруські міри довжини

Міра довжини 

Величина

Верста 

1066,8 м 

Сажень 

2,154 м 

Аршин 

0,7112 м 

Лікоть 

«0,5385 м 

Ступня 

0,359 м 

Долоня 

89,9 мм 

Вершок 

44,9 мм 

Палець 

22,4 мм 
 

У Московській державі  з 1550 року запроваджені "печатні  мідні міри" (осьмини) для сипучих  речовин, а з 1558 року, за часів Івана  Грозного, були введені "государеві" (казенні) ваги. 

У законодавстві Петра  І також згадуються укази про  запровадження єдиних мір і ваг, виконання цих указів покладалося  на воєвод. 

Одиницями виміру часу на Русі були рік, місяць, тиждень, доба, година. Причому відлік нового року починався і з березня, і з  вересня. Указом Петра І введено  початок нового року з першого  січня. 

Заснування у 1725 році Російської Академії сприяло розвитку наукової думки, вдосконаленню мір  та упорядкуванню їх точності. Розширювалися  межі впровадження одноманітних російських мір. У 1736 році за рішенням сенату була створена Комісія мір і ваг, яку  очолив головний директор монетного  двору граф М.Г. Головін. 

Для організації повірочної роботи було утворено спеціальний комітет, який у 1747 році розробив еталонний російський фунт (400 г) і визначив за норму довжини  аршин (0,7112 м). Фунт і аршин у нашій  державі використовувалися до впровадження метричної системи. 

Указом від 1835 року "Про систему російських мір  і ваги" було закладено основу російської системи вимірювання, а  в Санкт-Петербурзькій фортеці  в одному з особливих приміщень  зберігалося нове зібрання еталонних  мір довжини, місткості рідких і  крихких тіл та вагових одиниць. За цими еталонами було виготовлено  і розіслано в губернії Росії  вивірені копії аршина, відра, четверика, фунта. Практичним застосуванням російських мір і ваги займалося засноване  у 1842 р. Депо еталонних мір та ваги. Організація Депо і встановлення правил повірки робочих мір стали  тією основою, яка забезпечувала  єдність вимірювання у Росії  і одноманітність мір. Першим хранителем Депо еталонних мір і ваги був  призначений академік А.Я. Купфер, відомий  учений і метролог, який очолював Депо з 1842 до 1865 p.

Метрологічна система  мір 

Зміцнення культурних і економічних зв'язків вимагало подальшого упорядкування системи  мір з розробленням єдиної прийнятної для держав міжнародної одноманітної системи мір і ваги. 

В кінці XVIII ст. у Франції  національні збори ухвалили декрет про реформу системи мір і  доручили Паризькій академії наук провести підготовчу роботу. Комісія під керівництвом Лагранжа запропонувала десятичну  систему з кратними і дольовими  частинами, а комісія під керівництвом Лапласа запропонувала одиницю  довжини 1/40 000 000 частину довжини  паризького меридіана. Цю одиницю назвали  метр. 

За одиницю маси було запропоновано масу 1 кубічного  дециметра чистої води при температурі 4°С, яку назвали кілограмом. Таким  чином, перша метрична система мір, у якій одиниці довжини, площі, об'єму і маси були чітко пов'язані між собою, була законодавчо прийнята 7 квітня 1795 року Національними зборами Франції. 

22 червня 1799 року роботи  над метричною системою були  завершені, виготовлені із платини  прототипи одиниці довжини у  вигляді лінійки довжиною 1 метр, товщиною 4 мм і шириною 25 мм, а  також одиниці маси — 1 кілограм  у вигляді платинового циліндра  висотою і діаметром 39 мм. Платинові  прототипи метра і кілограма  згодом передали на збереження  до Національного Архіву у  Франції. 

У 1870 році за пропозицією  Петербурзької академії наук було проведено  міжнародну нараду щодо розробки прототипів мір. На ній було утворено комісію  з прототипів метричних мір, яка  у 1872 році прийняла рішення про виготовлення платино-іридієвих прототипів метричних  мір: метра та кілограма. Відповідно до рішення комісії було виготовлено 31 прототип метра у вигляді штрихової  міри на бруску довжиною 102 см і поперечним перерізом форми X. Із них прототип № 6 при 0°С був найточнішим прототипом метра Архіву, і в 1889 році на І  Генеральній конференції з мір  і ваги його прийняли за міжнародний  еталон метра. 

20 травня 1875 року 17 держав-учасниць  підписали міжнародну Метричну  конвенцію, що мала важливе  значення для міжнародної уніфікації  одиниць вимірювання в міжнародному  масштабі. Метрична конвенція —  це перше свідчення міжнародного  наукового співробітництва вчених  Європи, Азії й Америки. 

У 1889 році російська  делегація одержала на Першій генеральній  конференції з мір та ваги по дві  копії нових прототипів метра  № 11 і № 28 та кілограма № 12 і № 26, виготовлених із платино-іридієвого сплаву. 

З 1865 по 1892 pp. керуючий Депо еталонних мір і ваги B.C. Глухов поповнив обладнання Депо удосконаленою  вимірювальною апаратурою і розробив проекти відновлення російських еталонів мір довжини і ваги та запровадження метричної системи  мір у Росії у факультативному  порядку. 

Для збереження одноманітності, точності і взаємовідповідності  мір і ваги на базі Депо у 1893 році було створено Головну палату мір  і ваги, президентом якої став Д.І. Менделєєв. При палаті було організовано ряд лабораторій, обладнаних першокласною вимірювальною технікою. Вона перетворилася  на справжню метрологічну установу, яка  забезпечувала єдність вимірювань у Росії. 

Д.І. Менделєєв як президент  Головної палати здійснив низку організаційних та наукових робіт з метою забезпечення максимальної точності результатів  вимірювань температури, маси тощо. 

Подальша історія  розвитку метрології у колишньому СРСР починається з декрету від 14 вересня 1918 р. про введення метричної системи  мір і ваги. Він сприяв подальшому розвитку науково-дослідних робіт  щодо забезпечення єдності вимірювань і розвитку приладобудування. 

2. Метрологія: основні  поняття та визначення 

Галузь науки, яка  вивчає вимірювання, називається метрологією. Слово "метрологія" утворене із двох грецьких слів: "metron" — міра і "logos" — наука. Дослівний переклад —  наука про міри. 

Довгий час метрологія була описовою наукою про різні міри та співвідношення між ними. Лише завдяки  прогресу фізичних та точних наук метрологія набула суттєвого розвитку у забезпеченні єдності і точності вимірювань фізичних величин, кількість яких дедалі збільшувалася, та щодо якості цих вимірювань. Великий  вклад у становлення сучасної метрології як науки внесли вітчизняні вчені: Б.С. Якобі, В.Я. Струве, А.Я. Купфер, B.C. Глухов, Д.І. Менделєєв, Н.Г. Єгоров, Л.В. Залуцький, Л.І. Кременчуцький, Б.І. Руденко, І.П. Глибін та ін. 

Особливо слід підкреслити  значну роль Д.І. Менделєєва у розвитку метрології. Його роботи з вимірювання  маси і температури, а також щодо впровадження метричної системи  залишаються актуальними і сьогодні. 

Метрологія в її сучасному розумінні — це наука  про вимірювання, методи та засоби забезпечення єдності вимірювань і способи  досягнення необхідної точності їх. 

Єдність вимірювань —  стан вимірювань, коли результати виражені у прийнятих одиницях, а похибки  вимірювань прийняті із заданою ймовірністю. Єдність вимірювань необхідна для  порівняння результатів вимірювань, проведених у різних місцях, в різний час, з використанням різних методів  і засобів вимірювання. Результати при цьому повинні бути однаковими, незалежно від використання методів  і засобів вимірювання. Так, маса в 1 кг чи інша одиниця фізичної величини повинна бути адекватною у різних місцях, при вимірюванні різними  засобами, методами та експериментаторами . 

Точність вимірювань означає максимальну наближеність їх результатів до істинного значення вимірюваної величини. 

Таким чином, одним  із головних завдань метрології є  забезпечення єдності і необхідної точності вимірювань на підприємствах  галузі і держави. 

У більшості держав світу заходи щодо забезпечення єдності  і необхідної точності вимірювань установлюються (закріплюються) законодавчо: шляхом ухвалення  одиниць вимірювань, регулярних повірок  технічних, зразкових та еталонних  засобів, випробування нових засобів  вимірювання, підготовки кадрів тощо. 

Одним із розділів метрології є законодавча метрологія, яка  вивчає комплекс взаємопов'язаних і  взаємообумовлених загальних правил, вимог і норм експлуатації, повірку, обслуговування, виготовлення та зберігання засобів вимірювання, а також  інші завдання, які контролюються  і регламентуються державою з  метою забезпечення єдності вимірювань і одноманітності засобів вимірювань. 

Основні визначення і  поняття у метрології закріплені законодавчою метрологією, що обумовлює  єдиний підхід до визначення змісту основних наукових положень і визначень (ДСТУ 2681—94).

3. Значення метрології  для науково-технічного прогресу  та промисловості 

Метрологія має  важливе значення для науково-технічного прогресу, оскільки без вимірювань, без постійного підвищення їх точності неможливий розвиток жодної з галузей  науки і техніки. Завдяки точним вимірюванням стали можливими численні фундаментальні відкриття. Наприклад, вимірювання густини води з підвищеною точністю обумовило відкриття у 1932 р. важкого ізотопу водню — дейтерію, мізерний вміст якого у звичайній воді здатний збільшувати її густину. 

Розвиток науки  і промисловості стимулював розвиток вимірювальної техніки, а удосконалення  вимірювальної техніки, у свою чергу, активно впливали на розвиток багатьох галузей науки і техніки. 

Жодне наукове дослідження  чи процес виробництва не може обійтися без вимірювань, без вимірювальної  інформації. Ні в кого немає сумніву  відносно того, що без розвитку методів  і засобів вимірювання прогрес  у науці і техніці неможливий. 

Сучасні досягнення у  галузі радіоелектроніки були б неможливі  без нових технологій і високоточних вимірювань товщини шарів напилення  у мікросхемах і чистоти напівпровідників. Впровадження нових технологій грунтується  на нових засобах вимірювань, принципи роботи яких розроблені з урахуванням  останніх наукових досягнень і відкриттів. 

Розвиток сучасного  наукового експерименту при дослідженні  космосу, елементарних частинок матерії, складних технологічних процесів і  об'єктів залежить від своєчасного  і якісного збору вимірювальної  інформації, від необхідного рівня  і випереджаючого розвитку засобів  вимірювання. 

Поряд з метрологією  формувалися теоретичні основи вимірювальної  техніки в цілому та окремих видів  вимірювань, наприклад, електричні, оптичні, механічні. Нові засоби вимірювальної  техніки розробляються на основі сучасних досягнень у галузі математики, фізики, радіоелектроніки, біології, теорії автоматичного управління, теорії зв'язку тощо. Перелічені галузі науки у  свою чергу використовують досягнення теорії вимірювань, метрології, вимірювальної  техніки. Так, спеціалісти обчислювальної техніки розробляють аналогово-цифрові  перетворювачі, вимірювальні комутатори і відповідне метрологічне забезпечення.