1 Історія виникнення і розвитку метрології.

Метрологія (від грецьких слів "метро" - міра, "логос" - на­вчання) - наука про виміри, методи і засоби забезпечення їх­ньої єдності і необхідної точності (ДСТУ 2681).

Вимірювання мають дуже давне походження. Так, першими були вимірювання:

- часудля організації сільськогосподарських робіт;

- площ і відстаней при обробці землі;

- об'єму і ваги під час торгівлі;

- кутів різних геометричних тіл і фігур для будівництва тощо.

Спочатку вимірювання були занадто примітивні. За одиниці вимірювань приймались розміри власного тіла людини (довжи­на ліктя чи ступні, віддаль між кінцями великого і малого па­льців руки чи між витягнутими руками), людських дій (від­стань кинутого списа або пройденого за день шляху).

Найбільше розповсюдження одержали одиниці вимірювань та їхні міри, винайдені у найстаріших країнах світу: Китаї, Єгипті, Вавилоні. Так, у Вавилоні було прийнято, що 1 доба містить 24 години, 1 година - 60 хвилин, 1 хвилина - 60 се­кунд. Вавилонські міри (лікоть, талант (вагова грошево-розрахункова одиниця) , міри маси) почали ви­користовуватись у Греції, Давньому Римі та в інших країнах Європи і світу, але до середніх віків вимірювання практично обмежувалися визначенням часу, геометричних розмірів, об'є­му і маси.

На давній території України, зокрема у Криму, ще в VI віці - І сто­ліття до нашої ери існували різноманітні системи одиниць ви­мірювання. Наприклад, у Херсонесі, Боспорі, Керкинитиді (Євпаторія) іс­нували свої системи одиниць вимірювання, які були пов'язані з давньогрецькими системами.

У XIV—XVI століттях почався бурхливий розвиток наук, мистецтва, архітектури, і тому виникла потреба у наукових та інших цілях вимірювати також інші величини. У XVIIстоліт­ті з'явились перші барометри, гігрометри, термометри, мано­метри, а у XVIIIстолітті почали використовувати динамометри, калориметри, прилади для вимірювання деяких світлових величин. Коли винайшли парові двигуни, то для розрахунків роботи і потужності почали застосовувати такі одиниці вимі­рювань, як пудофут і кінська сила. У середині XIX століття почали вимірювати електричні величини, а наприкінці XIX і на початку XX століть у зв'язку з фізичними відкриттями ви­никли нові види вимірювань у галузях рентгенівського випро­мінювання, радіоактивності, молекулярної та атомної фізики.

У другій половині XVIII століття в Європі нараховувалось до сотні футів різної довжини, 50 різних миль, 120 різних фунтів. У країнах Британської імперії існувала своя Британсь­ка система одиниць, у Сполучених Штатах Америки - Аме­риканська система одиниць. Одиниці цих систем ще й досі ши­роко застосовуються у країнах Британської Співдружності та США, хоча з 1 січня 2000 року Великобританія офіційно пере­йшла на застосування виключно Метричної системи одиниць.

Співвідношенні між давніми та метричними мірами

У Росії в 1736 році було організовано Комісію мір і ваг для створення зразків російських мір. У 1797 році видано російсь­кий закон "Об учреждении повсеместно в Российской империи верных весов, питейных и хлебных мер". У 1827 році створе­но Комісію з розробки системи російських еталонних мір і ваг, а у жовтні 1835 року вийшов царський наказ "О системе российских мер и весов", яким установлювалися такі російські міри: 1 сажень = 7 англійським футам, 1 фунт - маса води в об'ємі 25,02 куб. дюйма, 1 відро (міра рідини) = 30 фунтам води і 1 четверик (міра сипучих речовин) = 64 фунтам води.

Уточнення розмірів російських мір пізніше було проведено Д. Менделєєвим, який з 1893 по 1899 роки займався цією про­блемою. У червні 1899 року було затверджено "Положение о мерах и весах". В основу цієї системи покладені одиниця маси (1 фунт, що дорівнює 0,40951241 кг) та одиниця довжини (1 аршин, що дорівнює 0,7112 м).

У 1790 році у Франції було прийнято рішення про створення системи нових мір, "заснованих на незмінному прототипі, взя­тому з природи, з тим, щоб її змогли прийняти всі нації". Згід­но з цією системою у 1791 році одиниця довжини - метр – була визначена як 1/10 000 000 чверті меридіана Землі, що прохо­дить через Париж. У 1792-1799 роках проводились вимірюван­ня і опрацювання результатів під керівництвом астрономів Делямбра і Мешена (між містами Дюнкерк на півночі Франції і Барселоною в Іспанії) і був виготовлений перший еталон мет­ра - платиновий стрижень прямокутного перерізу, який зго­дом дістав назву "архівний еталон".

За одиницю маси було прийнято масу 0,001 м³ (1 дм³) чис­тої води за температури +4 °С (найбільшої густини), названу кілограм. Еталон кілограма - платиновий циліндр, висота яко­го дорівнювала діаметру. Із введенням метричної системи по­чали застосовувати десяткову систему утворення кратних і ча­стинних одиниць.

На підставі подальших, більш точних вимірювань, з'ясува­лось, що в 1/4 меридіана міститься не 10⁷ м, а 10 000 856 мет­рів. Тому в 1872 році Міжнародною комісією з прототипів метричної системи прийнято рішення перейти від одиниць до­вжини і маси, які базуються на природних еталонах, до оди­ниць, що засновані на умовних матеріальних еталонах (прото­типах).

2 Роль міжнародної метричної конвенції в світовому розвитку метрологічної науки. Прийняття та склад міжнародної системи одиниць – SI

Необхідність сприяння міжнародній торгівлі промисловою продукцією за допомогою узгодженості одиниць вимірювань була визнана у 1860 році та закріплена в Метрологічній кон­венції.

Застосування Метричної системи мір відіграло видатну роль не тільки в установленні єдності вимірювань між країнами, але й сприяло розвитку національних метрологічних центрів і в цілому метрології як науки.

У 1875 році була скликана дипломатична конференція, де з 20 присутніх 17 держав підписали Метричну конвенцію, згід­но з якою:

- встановлювались міжнародні прототипи метра і кілограма;

- створювалось Міжнародне бюро мір і ваг (МБМВ) - нау­кова установа, кошти на утримання якої зобов'язувалися виді­ляти держави, що підписали конвенцію;

- утворювавсь Міжнародний комітет мір і ваг (МКМВ), який складався з вчених різних країн (18 осіб), однією з функцій якого було керівництво діяльністю МБМВ;

- скликалась один раз на шість років (згодом - один раз на чотири роки) Генеральна конференція з мір і ваг (ГКМВ).

У 1889 році виготовили зразки метра (43 екземпляри) із сплаву платини та іридію. Прототип метра - платино- (90 %) -іридієва (10 %) штрихова міра загальною довжиною 102 см, на віддалі 1 см від кінців якої були нанесені штрихи, що визнача­ли одиницю довжини - метр.

Конвенція передбачала створення і фінансування на загальні кошти постійного наукового закладу - МБМВ з місцеперебу­ванням у Парижі. Цьому закладові було доручено зберігання міжнародних прототипів метра і кілограма, а також періодичні співставлення з ними їхніх копій, наданих країнам, які підписа­ли конвенцію. Пізніше діяльність МБМВ розширилася і роз­повсюдилася на еталони електричних одиниць (вольт/Ом), а та­кож на дослідження в галузі іонізуючих випромінювань.

Метричну конвенцію у жовтні 1921 року було доповнено Міжнародною угодою для розширення її дії на галузь вимірю­вання електричних величин. Одночасно МБМВ було доручено проведення робіт з визначення фізичних сталих, точніше знан­ня яких сприяло б підвищенню точності вимірювання довжи­ни, маси, температури, електричних та інших величин.

Хоча в 1875 році Росія підписала Міжнародну метричну кон­венцію, у країні зберігалась раніше діюча російська система мір. Метрична реформа завершилась в основному в 1927 році.

Метрична система почала застосовуватись для створення інших систем одиниць. Ще в 1832 році німецький математик К.Гаус розробив метод створення системи магнітних одиниць. Як основні він запропонував міліметр, міліграм і секунду. Такий вибір був вдалим з теоретичної точки зору, однак для практики розміри довжини і маси виявилися незручними. У 1851 році В. Вебер розповсюдив систему Гауса на електричні величини.

У 1861-1870 роках Комітет з електричних еталонів Британ­ської асоціації розвитку наук розробив систему одиниць СГС (сантиметр-грам-секунда). Для похідних одиниць сили і робо­ти комітет запропонував найменування "дина" і "ерг". Цей ко­мітет встановив дві системи електричних одиниць: абсолютну електростатичну (СГСЕ) і абсолютну електромагнітну (СГСМ). Для електричних і магнітних одиниць існувало вже сім різних систем, побудованих на основі системи СГС. У кін­ці минулого століття з'явилася система МКГСС, основними одиницями якої є метр, кілограм-сила і секунда. Ця система одержала найбільше розповсюдження в механіці, теплотехніці і споріднених з ними галузях. У 1919 році у Франції" прийня­та система МТС (метр-тонна-секунда).

У 1901 році італійський фізик Л. Джорджи запропонував систему механічних одиниць, побудовану на трьох основних одиницях - метрі, кілограмі та секунді (система МКС); Пере­ваги системи МКС у порівнянні з іншими системами механіч­них одиниць були в тому, що її легко зіставити (зв'язати) з аб­солютною системою електричних і магнітних одиниць, оскільки одиниці роботи (джоуль) і потужності (ват) у цих двох системах збігалися, тоді як систему МКГСС неможливо зв'язати з практичними електричними одиницями, а одиниці СГС, якими користувались фізики, є незручними для різних галузей техніки.

Отже, на початок XX століття використовувалось багато си­стем одиниць. У 1919 році в МБМВ вченими-метрологами Франції розроблено на основі МКС систему одиниць, рекомен­довану як міжнародну. Необхідно було вирішувати питання уніфікації одиниць.

У 1948 році 9-та ГКМВ розглянула пропозицію Міжнародної спілки чистої і прикладної фізики про встановлення міжнарод­ної практичної системи одиниць. Крім того, французький уряд запропонував проект уніфікації одиниць. У 1954 році 10-таГКМВ затвердила з цього питання резолюцію щодо основних одиниць практичної системи для міжнародних відносин і вста­новила за:

одиницю довжини - метр,

одиницю маси - кілограм,

одиницю часу - секунда,

одиницю сили струму - ампер,

оди­ницю термодинамічної температури - градус Кельвіна (потім -кельвін)

і одиницю сили світла - кандела.

У листопаді 1961 року було затверджено ГОСТ 9867-61 "Міжнародна система одиниць" (термін введення з 1 січня 1963 року), який зазначав, що систему SI потрібно застосову­вати як переважну в усіх галузях науки, техніки і народного господарства. На заміну цього стандарту у 1997 році в Украї­ни прийнято ДСТУ 3651-97.

В Україні у 1997 році затверджено три державні стандарти, які регламентують застосування одиниць системи SI і вперше в країнах СНД реалізують сучасні положення документів ГКМВ, зокрема, 20-ої ГКМВ (1995 рік). Одиниці си­стеми SI застосовані також і у затвердженому в 1996 році дер­жавному класифікаторі України.

Таким чином, метрична система одиниць була першою сис­темою пов'язаних між собою одиниць довжини, площі, об'єму, маси. Введення нового способу утворення кратних і частинних величин одиниць суттєво полегшило перерахунок значень вели­чин. Укладання Метричної конвенції і діяльність її органів мали велике значення у справі вдосконалення метричної систе­ми мір і уніфікації одиниць вимірювання в цілому світі. Тіль­ки завдяки цій діяльності стало можливим прийняття Міжна­родної системи одиниць і підвищення точності вимірювань.

3 Розвиток практичної, фундаментальної та

законодавчої метрології

Сучасна метрологія включає три складові: законодавчу метрологію, фундаментальну (наукову) і практичну (приклад­ну) метрологію.

З розвитком науки і техніки були потрібні нові вимірюван­ня і нові одиниці виміру, що стимулювало у свою чергу удо­сконалювання фундаментальної і прикладної метрології.

Спочатку прототип одиниць вимірювання шукали в природі, досліджуючи макрооб'єкти і їхній рух. Поступово пошуки пе­ремістилися на атомний і внутрішньоатомний рівень. У резуль­таті уточнювалися "старі" одиниці (міри) і з'являлися нові. Так, у 1983 р. було прийнято нове визначення метра: це довжина шляху, що проходить світло у вакуумі за 1/299792458 частку секунди. Це стало можливим після того, як швидкість світла у вакуумі (299792458 м/с) метрологи прийняли як фізичну конс­танту. Цікаво відзначити, що тепер з погляду метрологічних правил метр залежить від секунди.

У 1988 р. на міжнародному рівні були прийняті нові кон­станти в області вимірів електричних одиниць і величин, а в 1989 р. прийнята нова Міжнародна практична температурна шкала МТШ-90.

На цих прикладах видно, що метрологія як наука дина­мічно розвивається, що, природно, сприяє удосконалюванню практики вимірів у всіх інших наукових і прикладних областях.

Якістю і точністю вимірів визначається можливість розробки принципово нових приладів, вимірювальних пристроїв для будь-якої сфери техніки, що промовляє на користь випереджальних темпів розвитку науки і техніки вимірів, тобто метрології.

Разом з розвитком фундаментальної і практичної метроло­гії відбувається становлення законодавчої метрології.

Законодавча метрологія - це розділ метрології, що включає комплекси взаємозалежних і взаємообумовлених загальних правил, а також інші питання, що спрямовані на забезпечен­ня єдності вимірів і однаковості засобів вимірів.

Законодавча метрологія слугує засобом державного регулю­вання метрологічної діяльності за допомогою законів і законо­давчих положень, що вводяться в практику через Державну метрологічну службу і метрологічні служби державних органів керування і юридичних осіб. До області законодавчої метроло­гії відносяться іспити; затвердження типу засобів вимірів; їх перевірка та калібрування; сертифікація засобів вимірів; дер­жавний метрологічний контроль і нагляд за засобами вимірів.

Метрологічні правила і норми законодавчої метрології гар­монізовані з рекомендаціями і документами відповідних між­народних організацій. Тим самим законодавча метрологія сприяє розвитку міжнародних економічних і торгівельних зв'язків і сприяє взаєморозумінню в міжнародному метрологіч­ному співробітництві.

Розглянемо зміст основних понять фундаментальної і прак­тичної метрології.

Вимірювання як основний об'єкт метрології пов'язані як з фізичними величинами, так і з величинами, що відносяться до інших наук (математики, психології, медицини, суспільних наук тощо). Далі будуть розглядатись поняття, що відносять­ся до фізичних величин.

Фізичною величиною називають одну з властивостей фізич­ного об'єкта (явища, процесу), яка є загальною у якісному від­ношенні для багатьох фізичних об'єктів і відрізняється при цьому за кількісним значенням. Так, властивість "міцність" у якісному відношенні характеризує такі матеріали як сталь, де­рево, тканину, скло і багато інших, у той час як степінь (кіль­кісне значення) міцності - величина для кожного з них зовсім різна.

Виміром називають сукупність операцій, виконуваних за допомогою технічного засобу, що зберігає одиницю величини і дозволяє зіставити з нею вимірювану величину. Отримане зна­чення величини і є результат вимірів.

4 Види вимірювань, шкали.

Фізичні величини як об’єкти вимірювань

Вимірювання розрізняють за способом одержання інформа­ції, за характером зміни вимірюваної величини в процесі ви­мірів, за кількістю вимірювальної інформації стосовно основ­них одиниць.

За способом одержання інформаціївимірювання розділяють на прямі, непрямі, сукупні і спільні.

Прямі вимірювання - це безпосереднє порівняння фізичної величини з її мірою. Наприклад, при визначенні довжини пред­мета лінійкою відбувається порівняння шуканої величини (кіль­кісного вираження значення довжини) з мірою, тобто лінійкою.

Непрямі вимірювання відрізняються від прямих тим, що шукане значення величини встановлюють за результатами прямих вимірів таких величин, що пов'язані із шуканою ви­значеною залежністю. Так, якщо виміряти силу струму ампер­метром, а напругу вольтметром, то за відомим функціональним взаємозв'язком всіх трьох названих величин можна розрахува­ти потужність електричного ланцюга.

Сукупні вимірювання сполучені з рішенням системи рів­нянь, яка складається за результатами одночасних вимірів декількох однорідних величин. Рішення системи рівнянь дає можливість обчислити шукану величину.

Спільні вимірювання - це вимірювання двох чи більше не­однорідних фізичних величин для визначення залежності між ними.

Сукупні і спільні вимірювання часто застосовують при ви­мірюваннях різних параметрів і характеристик в галузі елект­ротехніки.

За характером зміни вимірюваної величини в процесі вимі­рів існують статистичні, динамічні і статичні вимірювання.

Статистичні вимірювання пов'язані з визначенням характе­ристик випадкових процесів, звукових сигналів, рівня шумів тощо.

Статичні вимірювання мають місце тоді, коли вимірювана величина практично постійна.

Динамічні вимірювання пов'язані з такими величинами, з якими в процесі вимірів відбуваються ті чи інші зміни.

Статичні і динамічні вимірювання в ідеальному виді на практиці зустрічаються рідко.

За кількістю вимірювальної Інформації розрізняють одно­кратні і багаторазові виміри.