Краткая история метрологии

Содержание 

      Введение.

     Краткая история метрологии

     Потребность в измерениях возникла в незапамятные времена. Для этого в первую очередь использовались подручные средства. Например, единица веса драгоценных камней - карат, что в переводе с языков древнего юга-востока означает «семя боба», «горошина»; единица аптекарского веса – гран, что в переводе с латинского, французского, английского, испанского означает «зерно». Многие меры имели антропометрическое происхождение или были связаны с конкретной трудовой деятельностью человека. Так, в Киевской Руси применялись в обиходе вершок - длина фаланги указательного пальца; пядь - расстояние между концами вытянутых большого и указательного пальцев; локоть - расстояние от локтя до конца среднего пальца; сажень - от «сягать», «достигать», т. е. можно достать; косая сажень - предел того, что можно достать: расстояние от подошвы левой ноги до конца среднего пальца вытянутой вверх правой руки; верста - от «верти», «поворачивая» плуг обратно, длина борозды.

      Древние вавилоняне установили год, месяц, час. Впоследствии 1/86400 часть среднего периода обращения Земли вокруг своей оси получила название секунды.

      В Вавилоне во II в. до н. э. время измерялось в минах. Мина равнялась промежутку времени (равному, примерно, двум астрономическим часам), за который из принятых в Вавилоне водяных часов вытекала “мина” воды, масса которой составляла около 500 г. Затем мина сократилась и превратилась в привычную для нас минуту. Со временем водяные часы уступили место песочным, а затем более сложным маятниковым механизмам.

        Важнейшим метрологическим документом в России является Двинская грамота Ивана Грозного (1550 г.). В ней регламентированы правила хранения и передачи размера новой меры сыпучих веществ - осьмины. Ее медные экземпляры рассылались по городам на хранение выборным людям - старостам, соцким, целовальникам. С этих мер надлежало сделать клейменые деревянные копии для городских померщиков, а с тех, в свою очередь, - деревянные копии для использования в обиходе.

      Метрологической реформой Петра I к обращению в России были допущены английские меры, получившие особенно широкое распространение на флоте и в кораблестроении - футы, дюймы. В 1736 г. по решению Сената была образована Комиссия весов и мер под председательством главного директора Монетного двора графа М.Г. Головкина. В состав комиссии входил Л. Эйлер. В качестве исходных мер комиссия изготовила медный аршин и деревянную сажень, за меру веществ было принято ведро московского Каменномостского питейного двора. Важнейшим шагом, подытожившим работу комисии, было создание русского эталонного фунта.

      Идея построения системы измерений на десятичной основе принадлежит французскому астроному Г. Мутону, жившему в XVII в. Позже было предложено принять в качестве единицы длины одну сорокамиллионную часть земного меридиана. На основе единственной единицы - метра - строилась вся система, получившая название метрической.

      В России указом “О системе Российских мер и весов” (1835 г.) были утверждены эталоны длины и массы – платиновая сажень и платиновый фунт.

      В соответствии с международной Метрологической конвенцией, подписанной в 1875 г., Россия получила платиноиридиевые эталоны единицы массы № 12 и 26 и эталоны единицы длины № 11 и 28, которые были доставлены в новое здание Депо образцовых мер и весов. В 1892 г. управляющим Депо был назначен Д.И. Менделеев, которую он в 1893 г. преобразует в Главную палату мер и весов - одно из первых в мире научно-исследовательских учреждений метрологического профиля.

      Метрическая система в России была введена в 1918 г. декретом Совета Народных Комиссаров “О введении Международной метрической системы мер и весов”. Дальнейшее развитие метрологии в России связано с созданием системы и органов служб стандартизации.

      Развитие естественных наук привело к появлению все новых и новых средств измерений, а они, в свою очередь, стимулировали развитие наук, становясь все более мощным средством исследования.  

Что такое метрология?

     Метрология - наука об измерениях, методах и  средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой  точности.

     В практической жизни человек всюду  имеет дело с измерениями. На каждом шагу встречаются и известны с  незапамятных времен измерения таких  величин, как длина, объем, вес, время  и др.

     Велико  значение измерений в современном  обществе. Они служат не только основой  научно-технических знаний, но имеют  первостепенное значение для учета  материальных ресурсов и планирования, для внутренней и внешней торговли, для обеспечения качества продукции, взаимозаменяемости узлов и деталей  и совершенствования технологии, для обеспечения безопасности труда  и других видов человеческой деятельности.

     Метрология  имеет большое значение для прогресса  естественных и технических наук, так как повышение точности измерений - одно из средств совершенствования  путей познания природы человеком, открытий и практического применения точных знаний.

     Для обеспечения научно-технического прогресса  метрология должна опережать в своем  развитии другие области науки и  техники, ибо для каждой из них  точные измерения являются одним  из основных путей их совершенствования.

Основными задачами метрологии (по ГОСТу 16263-70) являются:

     - установление единиц физических величин, государственных эталонов и образцовых средств измерений;

     - разработка теории, методов и средств измерений и контроля;

     - обеспечение единства измерений и единообразных средств измерений;

     - разработка методов оценки погрешностей, состояния средств измерения и контроля;

     - разработка методов передачи размеров единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочим средствам измерений.

     Термин  «метрологическая инфраструктура»  используется применительно к метрологическим  мощностям страны или региона  и подразумевает наличие калибровочных  и проверочных служб, метрологических  институтов и лабораторий, а также  организацию и управление метрологической  системы. 

     Основные  понятия и определения метрологии

Метрология состоит  из 3 разделов:

• 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.

Метрологическое обеспечение – установление и  применение научных и организационных  основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемых точности измерений.

     Физическая  величина – одно из свойств физического  объекта, общее в качественном отношении  для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.

     Единица физической величины – физическая величина фиксированного размера, которой  условно присвоено числовое значение, равное 1, и применяемая для количественного  выражения однородных с ней физических величин.

     Технические измерения определяют класс измерений, выполняемых в производственных и эксплуатационных условиях, когда  точность измерения определяется непосредственно  средствами измерения.

     Измерение – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу  физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения измеряемой величины с ее единицей и получения  значения этой величины.

     Единство  измерений - состояние измерений, при  котором их результаты выражены в  узаконенных единицах и погрешности  известны с заданной вероятностью. Единство измерений необходимо для  того, чтобы можно было сопоставить  результаты измерений, выполненных  в разное время, с использованием различны методов и средств измерений, а также в различных по территориальному расположению местах.

     Единство  измерений обеспечивается их свойствами: сходимостью результатов измерений; воспроизводимостью результатов измерений; правильностью результатов измерений.

     Сходимость - это близость результатов измерений, полученных одним и тем же методом, идентичными средствами измерений, и близость к нулю случайной погрешности  измерений.

     Воспроизводимость результатов измерений характеризуется  близостью результатов измерений, полученных различными средствами измерений (естественно одной и той же точности) различными методами.

     Правильность  результатов измерений определяется правильностью как самих методик  измерений, так и правильностью  их использования в процессе измерений, а также близостью к нулю систематической  погрешности измерений.

     Процесс решения любой задачи измерения  включает в себя, как правило, три  этапа: подготовку, проведение измерения (эксперимента) и обработку результатов. В процессе проведения самого измерения  объект измерения и средство измерения  приводятся во взаимодействие.

     Средство  измерения - техническое устройство, используемое при измерениях и имеющее  нормированные метрологические  характеристики.

     Результат измерения - значение физической величины, найденное путем ее измерения. В  процессе измерения на средство измерения, оператора и объект измерения  воздействуют различные внешние  факторы, именуемые влияющими физическими  величинами.

     Эти физические величины не измеряются средствами измерения, но оказывают влияние  на результаты измерения. Несовершенство изготовления средств измерений, неточность их градуировки, внешние факторы (температура  окружающей среды, влажность воздуха, вибрации и др.), субъективные ошибки оператора и многие другие факторы, относящиеся к влияющим физическим величинам, являются неизбежными причинами  появления погрешности измерения.

     Точность  измерений характеризует качество измерений, отражающее близость их результатов  к истинному значению измеряемой величины, т.е. близость к нулю погрешности  измерений.

     Погрешность измерения - отклонение результата измерения  от истинного значения измеряемой величины.

     Под истинным значением физической величины понимается значение, которое идеальным  образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующие  свойства измеряемого объекта.

     Основные  постулаты метрологии: истинное значение определенной величины существует и  оно постоянно; истинное значение измеряемой величины отыскать невозможно. Отсюда следует, что результат измерения  математически связан с измеряемой величиной вероятностной зависимостью.

     Поскольку истинное значение есть идеальное значение, то в качестве наиболее близкого к  нему используют действительное значение. Действительное значение физической величины - это значение физической величины, найденное экспериментальным путем  и настолько приближающееся к  истинному значению, что может  быть использовано вместо него. На практике в качестве действительного значения принимается среднее арифметическое значение измеряемой величины.

     Рассмотрев  понятие об измерениях, следует различать  и родственные термины: контроль, испытание и диагностирование.

     Контроль - частный случай измерения, проводимый с целью установления соответствия измеряемой величины заданным пределам.

     Испытание - воспроизведение в заданной последовательности определенных воздействий, измерение  параметров испытуемого объекта  и их регистрация.

     Диагностирование - процесс распознавания состояния  элементов объекта в данный момент времени. По результатам измерений, выполняемых для параметров, изменяющихся в процессе эксплуатации, можно прогнозировать состояние объекта для дальнейшей эксплуатации.

     Метод измерений - прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерения. 

     Классификация измерений

     По  способу получения измерения:

• Прямые – когда физическая величина непосредственно связывается с ее мерой;
• Косвенные – когда искомое значение измеряемой величины установлено по результатам прямых измерений величин, которые связаны с искомой величиной известной зависимостью;
• Совокупные – когда используются системы уравнений, составляемых по результатам измерения нескольких однородных величин.
• Совместные – производятся с целью установления зависимости между величинами. При этих измерениях определяется сразу несколько показателей.

     По  характеру изменения измеряемой величины:

• Статические – связаны с определением характеристик случайных процессов => необходимое количество измерений определяется статическими способами.
• Динамические – связаны с такими величинами, которые в процессе измерений меняются (t окружающей среды).

     Измерения могут меняться по количеству информации:

• Однократные;
• Многократные (> 3);

     По  отношению к основным единицам измерения:

• Абсолютные - (используют прямое измерение одной основной величины и физической константы).
• Относительные – базируются на установлении отношения измеряемой величины, применяемой в качестве единицы. Такая измеряемая величина зависит от используемой единицы измерения

     По  условиям, определяющим точность результата, измерения делят на три класса:

• измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровне техники;
• контрольно-поверочные измерения, выполняемые с заданной точностью;
• технические измерения, погрешность которых определяется метрологическими характеристиками средств измерений.

     Метрологическое обеспечение

     Достижение  высокого качества продукции и обеспечение  точности и взаимозаменяемости деталей  или сборочных единиц невозможно без метрологического обеспечения  производства. Метрологическое обеспечение (МО) - установление и применение научных  и организационных основ, технических  средств, правил и норм, необходимых  для достижения единства и требуемой  точности измерения.

     Юридическую основу МО составляет закон Российской Федерации "Об обеспечении единства измерений", а также нормативные  документы Федерального агентства  по техническому регулированию и  метрологии (Федерального агентства), как организации, на которые правительством возложено проведение единой государственной  технической политики в области  метрологии.

     Научно-технической  основой МО являются системы государственных  эталонов единых физических величин; передачи размеров единиц физических величин  от эталонов к рабочим средствам  измерений; государственных испытаний  средств измерений, их поверки и  калибровки; обязательной государственной  поверки или метрологической  аттестации средств измерений, эксплуатации и ремонта; стандартных образцов состава и свойств веществ  и материалов, обеспечивающих воспроизведение  единиц величин, характеризующих состав и свойства веществ и др.

     Организационные основы МО составляют государственные  и ведомственные метрологические  службы (в том числе на фирмах и предприятиях различных форм собственности).

     В состав государственной метрологической  службы, осуществляющей свою деятельность под руководством Федерального агентства, входят:

• государственные научные метрологические институты, осуществляющие создание, совершенствование и хранение государственных эталонов, а также проводящие исследовательские работы по научным основам метрологии;
• Государственная служба стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов (ГССА), отвечающая за создание и внедрение стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов с целью обеспечения единства измерений;
• Государственная служба стандартных справочных данных о специфических константах и свойствах веществ и материалов (ГСССД), осуществляющая информационное обеспечение организаций;
• Государственная служба времени и частоты и определения параметров вращения Земли (ГСВЧ), сеть организаций, несущих ответственность за воспроизведение и хранение единиц времени и частоты и передачу их размеров, а также за обеспечение потребности народного хозяйства соответствующей информацией.

     Государственной или ведомственной поверке подлежат все средства измерений.

     Средства  измерений, не прошедшие поверки, неисправные, и в том числе имеющие внешние  повреждения или своевременно не поверенные, к эксплуатации не допускаются.

     С целью МО производства на предприятиях различных форм собственности создаются  метрологические службы или службы главного метролога, которые должны быть аккредитованы органами Федерального агентства.

     В понятие МО производства входят научные  и организационные основы, технические  средства, правила и нормы, обеспечивающие полноту, точность и достоверность  контроля качества продукции на всех этапах ее производства, необходимых  для управления современным производством  и обеспечения стабильного уровня, качества продукции.

     Метрологическое обеспечение охватывает все стадии жизненного цикла изделия, начиная  с этапа научно-исследовательских  и опытно-конструкционных работ. На этом этапе устанавливаются, а  затем закладываются в конструкторской  и технологической документации параметры точности, обеспечивающие высокие эксплуатационные характеристики изделия и их допуски; производится выбор и обоснование необходимых средств измерения и контроля.

     Значение  метрологического обеспечения производства для достижения высокого качества продукции  определено рядом между народных документов, в том числе стандартом ИСО 10002-1.

     Соблюдение  этого стандарта является одним  из условий аккредитации системы  качества на предприятии. 

Калибровка средств измерений

      В настоящее время в Российской Федерации с переходом к рынку возникла необходимость поиска новых форм организации метрологической деятельности, которые соответствовали бы рыночным отношениям в экономике. Одной из таких форм является организация Российской системы калибровки (РСК).

      Контроль  средств измерений на предмет  их пригодности к применению в  мировой практике осуществляется двумя  основными видами: поверкой и калибровкой.

      Калибровка  средства измерений - это совокупность операций, выполняемых калибровочной  лабораторией с целью определения  и подтверждения действительных значений метрологических характеристик  и (или) пригодности средства измерений  к применению в сферах, не подлежащих государственному метрологическому контролю и надзору в соответствии с  установленными требованиями.

      Результаты  калибровки средств измерений удостоверяются калибровочным знаком, наносимым  на средства измерений, или сертификатом о калибровке, а также записью  в эксплуатационных документах.

     Поверку (обязательная госповерка) может выполнять, как правило, орган государственной  метрологической службы, а калибровку - любая аккредитованная и неаккредитованная  организация.

     Поверка обязательна для средств измерений, применяемых в сферах, подлежащих Государственному метрологическому контролю (ГМК), калибровка же - процедура добровольная, поскольку относится к средствам  измерений, не подлежащим ГМК. Предприятие  вправе самостоятельно решать вопрос о выборе форм и режимов контроля состояния средств измерений, за исключением тех областей применения средств измерений, за которыми государства  всего мира устанавливают свой контроль - это здравоохранение, безопасность труда, экология и др.

     Построение  Российской системы калибровки (РСК) основывается на следующих принципах: добровольность вступления; обязательность получения размеров единиц от государственных  эталонов; профессионализм и компетентность персонала; самоокупаемость и самофинансирование.  

Основы  квалиметрии

     Квалиметрия — раздел метрологии, изучающий вопросы измерения качества. Здесь используются те же законы и правила, что и в области измерения физических величин, но есть и некоторые особенности, которые наглядно проявляются в сравнении.

      Если мерами физических свойств являются физические величины (масса, время, давление, скорость и др.), то мерами свойств, определяющих качество, служат показатели качества.

      Установлено 12 областей измерений физических величин: измерения геометрических величин; измерения механических величин; измерения давления и вакуума; теплофизические и температурные измерения; измерения времени и частоты; измерения электрических и магнитных величин; измерения акустических величин и др.

      Показатели качества в квалиметрии группируются в областях, установленных РД 50-64-84. К ним относятся такие показатели, как назначения; надежности (безотказности, долговечности, ремонтопригодности, сохраняемости); экономного использования сырья, материалов, топлива, энергии и трудовых ресурсов; эргономические; эстетические; технологичности; стандартизации и унификации и др.

      Физические величины используются для описания свойств, в совокупности определяющих качество, но понятия "физическая величина" и "показатель качества" не тождественны. Физические величины отражают объективные свойства природы, а показатели качества — общественную потребность в конкретных условиях.

      Показатели качества делятся на единичные и комплексные. Единичные относятся к одному из свойств, определяющих качество, комплексные - сразу к нескольким свойствам. Комплексные показатели качества могут быть связаны с единичными через функциональные зависимости, отражающие объективные законы природы, а могут быть некоторой комбинацией их, соответствующей определению комплексного показателя.

     В комплексных показателях качества низкие значения одних единичных  показателей могут компенсироваться высокими значениями других. Иногда это  соответствует реальным жизненным  ситуациям. 

     Эталон

     Эталон (стандарт измерения) может быть физической мерой, измерительным инструментом, стандартным образцом или измерительной  системой, предназначенной для того, чтобы определять, реализовывать, сохранять  или воспроизводить единицу или  одно или более значений величины, чтобы служить в качестве эталона.