Метрологiя наука про вимiрювання

Зміст

       1. Історія  розвитку 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 Давньоруські міри довжини

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.

2. 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.

3.Метрологія в країнах Західної Європи

У країнах західноєвропейського регіону метрологічна діяльність, зокрема, питання забезпечення єдності вимірювань регулюються статтями конституцій і або законодавчими актами:

у Великобританії - законом "Про міри й ваги", прийнятим  в останній редакції в 1985 р .;

у Німеччині - Конституцією (ст. 73) і двома основними законами: "Про вимірювальному справі і перевірці" та "Про одиницях вимірювань і вимірювальному справі". Обидва документи прийняті в 1985 р .;

в США - Конституцією (розд. 8, ст. 1) і декількома законами, наприклад, "Про метричної системі" ( 1966 р .), "Про фасування та зберіганні товарів" ( 1966 р .) Та ін;

у Франції - законом "Про  метричної системі і повірку  засобів вимірювань" ( 1985 р .).

Практично у всіх країнах  наукові та методичні проблеми, пов'язані  з єдністю вимірювань, розглядаються  як державне завдання і вирішення  їх - предмет діяльності державних метрологічних інститутів і лабораторій. Наприклад, у Великобританії основний науковий метрологічний центр - Національна фізична лабораторія.

Забезпеченню єдності  вимірювань в країнах Західної Європи, а також вирішенню інших метрологічних проблем сприяє діяльність Евромет. Найбільш вагомий внесок у цю роботу зроблено Федеральним фізико-технічним інститутом Німеччини.

Німеччина - активний учасник  усіх європейських метрологічних організацій, і її законодавча і прикладна  метрологічна практика відображає досягнення, принципи і тенденції розвитку метрології в міжнародному аспекті. Законодавство в області мір і ваг, визначення часу - прерогатива федерального рівня. Правові основи метрології на федеральному рівні встановлені в законах "Про одиницях вимірювань ..."," Про перевірці "," Про медичні прилади ", а також у приписах:" Про перевірці "," Про готових упаковках "," Про платежі за роботу по затвердженню типу та перевірці "," Про порушення в області метрології (адміністративних) ". Організація практичного застосування всіх законодавчих положень покладено на перевірочні управління в землях, причому Федеральний фізико-технічний інститут не має повноважень втручатися в їхню діяльність. Основними завданнями Інституту є встановлення одиниць вимірювань, розробка, зберігання та застосування державних еталонів, випробування і затвердження типу засобів вимірювань.

Земельним управління мір  і ваг надані повноваження по керівництву  і нагляду за повірочними управліннями; сертифікації систем якості у виробників засобів вимірювань; визнанню лабораторій повірки і нагляду за ними; визнання і нагляду за службами технічного обслуговування; планування, розробки та контролю за новими методами повірки засобів вимірювань , включаючи еталони, та ін

Повірочні управління здійснюють: повірку засобів вимірювань; контроль вимірювальних приладів в їхніх власників; контроль за дотриманням метрологічних правил виявлення порушень та видачу приписів для метрологічної поліції на штрафні санкції.

Державний метрологічний  контроль і нагляд у сфері законодавчої метрології проводиться в превентивній і репресивної формах.

Превентивний контроль - це випробування і перевірка самих засобів вимірювань.

Репресивний контроль - перевірка результатів вимірювань або нагляд за акредитованими державними лабораторіями.

Засоби вимірювань, що підлягають повірці, затверджуються двома способами:

• проведення випробувань та затвердження типу (таких засобів вимірювань майже 90%);

• загальне твердження (для простих  пристроїв і приладів нескладної конструкції).

За рівнем затвердження різниться: національне затвердження; затвердження ЄЕС (на основі старих директив); затвердження ЄС (на принципах глобальної концепції). При ЄЕС затвердження первинна повірка в рамках Європейського  Союзу може проводитися за директивами або національним документів. При наявності директиви ЄС кошти вимірювань проходять випробування і повірку згідно з єдиними для всіх країн - членів ЄС вимогами директиви. Вибірка для повірки становить 5% усієї кількості приладів, що діють на даний час, а термін перевірки не перевищує двох років. Винятком є електролічильники, періодичність перевірки яких - 16 років.

Цікавим досвідом представляється контроль готових упаковок. Мета цього контролю - захист прав споживачів, створення однакових умов для конкуренції між різними підприємствами - виробниками упаковки, упорядкування і раціоналізація торгівлі. Вимоги до упаковок містяться в декількох директивах ЄС, враховують безпосередньо німецький досвід. Підприємство - виробник упаковки проводить вибірковий контроль на місці розфасовки методом неруйнівного контролю. Результати реєструються на картах контролю подібним, застосовуваним для статистичного контролю. Реєструються дані: вид товару, маса тари, середнє значення параметрів, час контролю та прізвище контролера. Державної повірці підлягають тільки контрольні ваги на фасувальному підприємстві. Дані контролю на підприємстві перевіряються при нагляді за правильністю утримання готових упаковок повірочним управлінням. Оплачує перевірку виробник упаковок. У досить рідкісних випадках готові упаковки перевіряються на складі підприємства за діючими для таких ситуацій правилами. Федеральне Міністерство економіки публікує узагальнені дані перевірок із зазначенням відсотка претензій (у середньому близько 7%) і "фальшивих упаковок". Останні являють собою упакування, які створюють для покупця ілюзію великої кількості їх вмісту, у той час як понад 30% обсягу пустує. Про масштаби такого контролю говорять цифри: у 85 повірочних управліннях у всіх землях Німеччини 130 фахівців займаються упаковками.  
Ще одна особливість німецької метрологічної практики - тенденції приватизації. Це виражається в передачі деяких державних функцій приватним організаціям з-за необхідності скорочення державних витрат на управління. Наприклад, незважаючи на те, що за законодавством різні побутові лічильники (газу, води, електроенергії, тепла) можуть використовуватися тільки після повірки державною лабораторією, створюється мережа приватних лабораторій з випробувань таких лічильників.  
Лабораторія проходить акредитацію державним органом, при цьому вона повинна виконати низку умов і вимог. Зазвичай такі лабораторії створюються при приватних фірмах і утримуються за їх рахунок. Але оскільки лабораторія повинна бути незалежною, її начальник виведений з підпорядкованості керівництву фірми і підпорядковується перевірному управління. Перевірочне управління здійснює нагляд за визнаними державою лабораторіями за двома напрямками: правовим і кваліфікаційному. У Німеччині вже функціонує понад 400 визнаних державою приватних повірочних лабораторій, які стали частиною законодавчої метрологічної інфраструктури. Для споживачів засобів вимірювань послуги приватизованих лабораторій обходяться дорожче державних в основному через сплати ними податків, а державні перевірочні управління від податків звільнені. Приватні лабораторії фінансуються за рахунок оплати їх послуг власниками лічильників. Земельні перевірочні управління утримуються за рахунок державного бюджету.

У країнах - членах ЄС прийнята спеціальна маркування, яке вказує на відповідність засоби вимірювання  вимогам директиви ЄС. Наприклад, якщо на приладі позначено СЄ 940104 М , Це означає наступне:

СЄ - знак відповідності вимогам директив ЄС;

94 - рік проведення первинної повірки приладу;

0104 - шифр повірочної лабораторії;

M-зеленого кольору-позначення засоби вимірювання.

У Німеччині, як і в  ЄС в цілому, застосовується досить широко, оцінка відповідності засобів вимірювань з використанням модулів які вибираються самим виробником і вказуються в заяві-декларації.

4. Міжнародні  метрологічні організації

Розширення культурних і економічних зв'язків між  державами світу потребувало  вирішення одного із невідкладних завдань — забезпечення міжнародної єдності вимірювань і одноманітності мір.

Першим кроком до вирішення  цієї проблеми стало впровадження наприкінці XVIII ст. у Франції метричної системи мір. На думку її творців, вона мала слугувати "на всі часи, для всіх народів".

У 1870 році в Парижі з  ініціативи Петербурзької академії наук відбулося засідання, на якому  пропонувалося організувати комісію  з виготовлення прототипів міри довжини  та маси (метра і кілограма). Така комісія була організована, і в 1872 році нею було прийнято рішення про створення платино-іридієвих еталонів метра та кілограма як основних одиниць метричної системи.

20 травня 1872 р. 17 держав  Європи та Америки, у тому  числі й Росія, на Міжнародній  дипломатичній конференції, присвяченій  мірі довжини метру, з метою забезпечення міжнародної єдності і вдосконалення метричної системи підписали Метричну конвенцію.

Вищим органом Міжнародної  метричної конвенції є Генеральна конференція з мір і ваги (ГКМВ), яка збирається один раз на 6 років  для обговорення наукових проблем з метрології та прийняття необхідних заходів щодо розповсюдження та вдосконалення метричної системи. Структурна схема органів міжнародної метричної конвенції наведена на рис. 1.

Рис. 1. Органи міжнародної метричної конвенції:

консультативні комітети:

ККЕ — з електрики; ККФР — фото-і радіометрії; ККТ  — з термометрії; ККВМ — з визначення метра; ККВС — з визначення секунди; ККЕІВ — еталонів іонізуючого  випромінювання; ККО — з одиниць; ККМ — з визначення маси

Одним із важливих положень Метричної конвенції є затвердження нею згоди держав на утворення Міжнародного бюро мір і ваги (МБМВ) як наукового постійно діючого метрологічного закладу для наукової роботи та сприяння поширенню метричної системи мір у міжнародному масштабі.

Діяльністю МБМВ керує Міжнародний комітет мір і ваги (МКМВ), який щороку заслуховує і затверджує звіт про роботу бюро, його плани та фінансування тощо. При МКМВ працюють 8 консультативних комітетів (див. рис. 1).

Міжнародне бюро мір  і ваги розташоване у Севрі (поблизу  Парижа). В його спеціальних приміщеннях зберігаються міжнародні еталони метра, кілограма, електричних і світлових одиниць, радіоактивності тощо. Бюро організовує регулярні міжнародні звіряння національних еталонів довжини, маси, електрорушійної сили, електричного опору, сили світла, світлового потоку, джерела іонізаційного випромінювання та інших зразків мір.

У 1956 році була утворена Міжнародна організація законодавчої метрології (МОЗМ) з метою вирішення  таких завдань:

• створення центру документації й інформації про національні служби контролю за вимірювальними приладами та з метою їх повірки;

• уніфікація методів  і правил вирішення завдань законодавчої метрології;

• переклад і випуск текстів  законодавчих правил про вимірювальні засоби та їх використання;

• складання типових проектів законів і регламентів щодо вимірювальних засобів та їх використання;

• розробка проекту матеріальної організації типової служби для  повірки вимірювальних приладів і контролю за ними;

• розробка характеристик  та якості вимірювальних приладів, які використовуються у міжнародному масштабі.

У складі Міжнародної  організації законодавчої метрології є Міжнародне бюро законодавчої метрології, розташоване у Парижі. Його роботою  керує комітет законодавчої метрології. У Міжнародній організації законодавчої метрології функціонує 66 секретаріатів-доповідачів, які розробляють як загальні питання законодавчої метрології, так і питання щодо окремих видів приладів (ваги, тахометри, манометри, спиртометри та ін.).

Нині Міжнародну Метричну конвенцію підписали 44 держави, а метрична система мір визнана й узаконена 129 державами.

5. Актуальні проблеми метрології

Науково-технічний прогрес  прямо пов'язаний з інтенсивним  розвитком метрології і точних вимірювань, необхідних як для розвитку природних  і точних наук, так і для створення нових технологій та вдосконалення засобів технічного контролю. Все це ставить перед метрологією низку важливих і невідкладних завдань.

У галузі одиниць вимірювань одним із важливих завдань є уніфікація їх на базі широкого впровадження Міжнародної системи одиниць (СІ). Незважаючи на універсальність цієї системи, ще багато одиниць вимірювання є позасистемними і потребують систематизації та уніфікації.

Значно підвищуються вимоги до засобів вимірювання найвищого  рівня — еталонів. Точність вимірювання у промисловості у багатьох випадках наближається до граничних технічних меж. На черзі використання знань фундаментальних наук, атомних сталих (енергетичних переходів, випромінювань та ін.), які характеризуються високою стабільністю, для розробки нових, більш досконалих і точних еталонів, а також засобів вимірювальної техніки.

Зросли вимоги до самої  системи передачі розміру одиниці  фізичної величини від еталона зразковим  засобам вимірювання, а від них  — технічним засобам за умови  найменшої втрати точності, особливо у промислових процесах. Сучасні еталони і способи передачі розміру одиниці фізичної величини мають бути бездоганними і відповідати вимогам еталона.

Невідкладним завданням  є забезпечення точних вимірювань досить малих і достатньо великих значень тиску, температури, частоти, витрат та інших параметрів.

Розвиток інформаційно-вимірювальних  систем на базі електронно-обчислювальних машин потребує розробки нового метрологічного забезпечення таких систем і розробки теорії вимірювання такими системами.

Актуальною сьогодні є проблема розробки інтелектуальних  датчиків і на їх базі систем автоматичного  контролю, прогнозування та діагностики  складних технологічних процесів та наукових досліджень.

Як наукова основа вимірювальних систем метрологія повинна забезпечувати надійність, достовірність і правильність вимірювальної інформації, а також законодавчо регламентувати єдність вимірювань у державі, єдність методів і одноманітність засобів контролю за технологічними процесами і продукцією. Метрологія, узагальнюючи практичний досвід вимірювань, регулює розвиток вимірювальної техніки та методів вимірювань.

Одним із важливих завдань метрології є впровадження методів кваліметрії для контролю за якістю виготовлюваної продукції,  особливо продукції харчових виробництв.

Список використаної літератури

     1. В.Д.Цюцюра, С.В.Цюцюра. Метрологія та основи вимірювань. Навч. посібн., К., "Знання -Прес", 2003

     2.Мала гірнича енциклопедія. В 3-х т. / За ред. В. С. Білецького. — Донецьк: Донбас, 2004. — ISBN 966-7804-14-3.

     3.Л.Н. Брянский "Непричёсанная метрология"

     4.Гвоздев В.Д. Прикладная метрология: Величины и измерения. – М.:МИИТ, 2011.