Метрология
Метрология
Метрология (от греч. — мера, измерительный инструмент и от др.-греч. –мысль, причина) — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности (РМГ 29-99).
Сегодня трудно определить, что появилось раньше метрология или математика?
И та и другая науки появились с тех пор, когда древний человек начал что-то делить, например, пищу, землю и т. д.. Вот именно тогда появилась потребность в нахождении эталонов введении дольных и кратных величин а затем уже в последующей, как мы сейчас говорим математической обработке их, конечно же, первоначально в сложении вычитании и делении.
Несомненно, первые эталоны могли быть примитивны: например эталон длинны - длинный лист дерева, который в дальнейшем мог подсохнуть, эталон массы красивый прозрачный камень поваренной соли, изменяющийся после каждого дождя. Человек заметил необходимость стабильности эталонов, и кроме того, удобство эталонов, которые просто воспроизводимы и легко доступны.
Самым доступным и удобным оказалось утверждение:
Человек – мера всех вещей
С древних времен для удовлетворения своих потребностей человек строит жилища, делает орудия труда, шьет одежду и т.д. Чтобы служить человеку, они должны быть ему соразмерны. В древние времена части человеческого тела служили естественной основой всех единиц измерения. Даже сегодня, чтобы наиболее ясно представить себе размеры того или иного предмета, мы говорим, что он во столько-то раз больше человеческого роста, что его длина равна стольким-то локтям, что он на столько-то футов (фут-стопа) шире или на столько-то голов выше.
Из древнерусских мер (XI —XII вв.), происхождение которых связывают с древнеегипетскими мерами длины, основными явля лись верста, сажень, локоть, пядь (см. таблицу)
Верста (приблизительно 1140 м) использовалась для оценки относительно больших расстояний.
Сажень (около 152 см) получила широкое применение пре имущественно при измерении небольших расстояний, в строи тельстве различных сооружений. Существовали мерные веревки, длина которых была кратна сажени.
Локоть (приблизительно 51 см) — расстояние по прямой от лок тевого сгиба до конца вытянутого среднего пальца руки. Впервые локоть как мера длины упоминается во времена одного из правите лей Киевской Руси Ярослава Мудрого. Локоть широко применяли в розничной торговле холстом, полотном, иноземным сукном.
Пядь (18... 19 см) означало кисть руки на древнерусском языке. Это максимальное расстояние по прямой между концами вытяну тых большого и указательного пальцев кисти руки. Пядь часто упо требляли в обиходе для приближенного определения небольших длин, особенно размеров цилиндрических тел.
В древней Руси применялись также сугубо приближенные быто вые меры, неточные и не воспроизводящиеся материально, напри мер перестрел (расстояние, которое пролетела выпущенная из лука стрела, около 60...70 м), день (проходимое за день расстояние).
По мере объединения и развития Государства Российского древ нерусская система мер длины (1 верста = 750 саженям = 2 250 лок тям = 4 500 пядям) претерпевает изменения.
Появляется заимствованный с Востока аршин (72 см), с тече нием времени вытеснивший локоть, и вершок (4,5 см), его доли.
Для измерений расстояний между населенными пунктами ста ли использовать версту в 1000 сажен, позднее — версту в 500 са жен. В дальнейшем эта мера стала единственной русской верстой.
Использование единиц измерений, основанных на размерах человеческого тела, единиц измерений, не имеющих веществен ного тела, и единиц измерений, не имеющих вещественного воп лощения для непосредственного измерения (например, верста), не обеспечивало единство измерений и их достоверность.
|
О С Н О В Н Ы Е П Е Р В И Ч Н Ы Е М Е Р Ы
|
|
САЖЕНЬ
|
|
|
|
|
1
|
|
ПОЛУСАЖЕНЬ
|
|
|
|
|
|
|
ЛОКОТЬ
|
|
|
|
|
|
|
ПЯДЬ
|
|
|
|
|
|
Д О П О Л Н И Т Е Л Ь Н Ы Е М Е Р Ы
|
|
САЖЕНЬ
|
|
|
|
ЛОКОТЬ
|
|
|
Отдельные единицы измерений имели не только отдельные стра ны, но и внутри стран не было единообразия. Так, при Петре I с целью создания русского флота сложившаяся система единиц (мер) длины увеличилась введением английских мер — фута (304,8 мм), дюйма (25,4 мм), линии (2,54 мм). Это было необходи мо для заказа морских судов за границей, составления потребных спецификаций и контроля размеров. Кроме того, помимо английского фута применяли преимущественно лишь в научной практи ке французский фут. Вошли в употребление заимствованные с За пада единицы длины, прежде всего разные мили. Обе системы мер длины (с аршином и футом) использовались в стране вплоть до 1917г. только в разных отраслях промышленности: в текстильной — исключительно аршины и вершки, а в кораблестроении — в ос новном футы и дюймы. В соответствии с этим размеры судов и судостроительных деталей указывались в футах, размеры парусов — в аршинах. На окраинах России население пользовалось местными мерами, образование которых происходило под влиянием инозем ных метрологией, особенно польской и немецкой.
Отсутствие единства измерений тормозило дальнейшее разви тие промышленности, науки как внутри страны, так и при со трудничестве с другими странами.
10 декабря 1799 г. декретом французского революционного пра вительства во Франции была введена в качестве обязательной мет рическая система мер. В этой системе за единицу длины был принят метр — основная исходная единица, поэтому и вся система еди ниц получила название метрическая.
Основное принципиальное отличие метрической системы от существовавших в разных странах состоит в том, что в ней преду сматривалось десятичное подразделение мер длины. До этой систе мы в основном использовалось разделение основной меры чаше всего на 12 частей. Принятая единица длины — метр — не совпада ла ни с одной из существовавших в мире единиц длины. Это было сделано с тем, чтобы ни одна страна, которая пожелает присоеди ниться к ней, не имела преимуществ перед другими.
С целью выбора единицы измерения, для которой мог бы сущест вовать эталон, не изменяющийся во времени, за метр была принята величина, равная одной десятимиллионной (1/10000000, т.е. 110-7) части от 1/4 части земного меридиана, на котором расположен Па риж. Само слово метр является французским словом metre (от греч. metron — мера). Размер метра был определен на основе геодезичес ких и астрономических измерений. Был изготовлен первый эталон в виде платиновой линейки шириной около 25 мм и толщиной около 4 мм с расстоянием между концами в 1 метр. Изготовленный метр был передан на хранение в архив Франции, где находится до сих пор, и его называют «метр архива», или «архивный метр».
В 1872 г. было решено за метр принять длину архивного метра. По нему были изготовлены 31 копия в виде платино-иридиевых брусков, имеющих в поперечном сечении форму буквы X, как бы вписанную в воображаемый квадрат, сторона которого равна 20 мм. Такая форма бруска обеспечивала прочность от изгиба во всех на правлениях. На нейтральной плоскости, менее всего подвержен ной изгибу, вблизи каждого конца были нанесены по три штриха, и расстояние между средними штрихами было равно одному метру при 0 °С. Изготовленные эталоны были распределены между стра нами. Эталон метра № 28 достался России, который впоследствии был утвержден в качестве государственного эталона СССР.
Требования к повышению точности эталона длины (платино-иридиевый прототип метра не может дать точности воспроизведе ния выше 0,1 ... 0,2 мкм), а также целесообразность установления естественного и неразрушимого эталона привели к тому, что в 1960 г. за метр была принята длина, равная 1650763,73 длины вол ны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уров нями 2р10 и 2d5 атома криптона-86 (криптоновый метр). При этом точность определения метра по сравнению с прежним возросла в 10 раз.
История метрологии
Исторически важные этапы в развитии метрологии:
XVIII век — установление эталона метра (эталон хранится во Франции, в Музее мер и весов; в настоящее время является в большей степени историческим экспонатом, нежели научным инструментом);
1832 год — создание Карлом Гауссом абсолютных систем единиц;
1875 год — подписание международной Метрической конвенции;
1960 год — разработка и установление Международной системы единиц (СИ);
XX век — метрологические исследования отдельных стран координируются Международными метрологическими организациями.
Вехи отечественной истории метрологии:
присоединение к Метрической конвенции;
1893 год — создание Д. И. Менделеевым Главной палаты мер и весов (современное название: «Научно-исследовательский институт метрологии им. Менделеева»);
Всемирный день метрологии отмечается ежегодно 20 мая. Праздник учрежден Международным Комитетом мер и весов (МКМВ) в октябре 1999 года, на 88 заседании МКМВ.
Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов с заданной точностью и достоверностью. Средством метрологии является совокупность измерений и метрологических стандартов, обеспечивающих требуемую точность.
Измерение – совокупность операций, выполняемых для определения количественного
значения величины.
Качество измерений
Качество измерений - совокупность свойств измерений, обуславливающих соответствие средств, метода, методики, условий измерений и состояния единства измерений требованиям измерительной задачи.
Средство измерений – техническое средство, предназначенное для измерений.
Метрология занимает особое место среди технических наук, т.к. метрология впитывает в себя самые последние научные достижения и это выражается в совершенстве ее эталонной базы и способов обработки результатов измерений. Метрология стала наукой, без знания которой не может обойтись ни один специалист любой отрасли.
Метрология состоит из 3 направлений:
Теоретическая
Рассматривает общие теоретические проблемы (разработка теории и проблем измерений, физических величин, их единиц, методов измерений).
Прикладная
Изучает вопросы практического применения разработок теоретической метрологии. В её ведении находятся все вопросы метрологического обеспечения.
Законодательная
Устанавливает обязательные технические и юридические требования по применению единиц физической величины, методов и средств измерений.
Цели и задачи метрологии
Создание общей теории измерений;
образование единиц физических величин и систем единиц;
разработка и стандартизация методов и средств измерений, методов определения точности измерений, основ обеспечения единства измерений и единообразия средств измерений (так называемая «законодательная метрология»);
создание эталонов и образцовых средств измерений, поверка мер и средств измерений. Приоритетной подзадачей данного направления является выработка системы эталонов на основе физических констант.
Также метрология изучает развитие системы мер, денежных единиц и счёта в исторической перспективе.
Аксиомы метрологии
Любое измерение есть сравнение.
Любое измерение без априорной информации невозможно.
Результат любого измерения без округления значения является случайной величиной.
Основные понятия, связанные с объектами измерений