Метрология. 5

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. 

До недавнього часу засоби вимірювальної техніки обмежувалися показувальними та автоматичними приладами  для вимірювання окремих технологічних  параметрів. В останні роки у зв'язку з різним рівнем інтенсифікації і  автоматизації сучасних технологічних  процесів підхід до вимірювань суттєво  змінився. Виникла потреба у своєчасному  одержанні, опрацюванні й записах  потоків вимірювальної інформації, що зумовило виникнення інформаційно-вимірювальних  систем, здатних відтворювати на екранах  дисплея повну інформацію про  стан об'єкта, давати поради оператору, відображати значення того чи іншого параметра і прогнозувати подальшу його зміну. 

Для забезпечення науково-технічного прогресу метрологія повинна випереджати  у своєму розвитку інші галузі науки, бо для кожної з них точні вимірювання  і достовірна інформація є основоположними.

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. Державні метрологічні  організації 

Першим науковим метрологічним  закладом у Росії була закладена  Д.І. Менделєєвим Головна палата мір і ваги у Петербурзі. її головним завданням було збереження одноманітності, вірності і взаємовідповідності  державних мір. Головна палата здійснила  велику роботу щодо організації метрологічної  служби у державі і переходу до метричної системи. Згодом на базі Головної палати мір та ваги був створений  Науково-дослідний інститут метрології імені Д.І. Менделєєва (1927 р.). У лабораторіях Інституту розробляються і зберігаються державні еталони основних одиниць  вимірювання, нові методи точних вимірювань, сучасні засоби вимірювання та ін. 

Верховна Рада України  Постановою від 12 вересня 1991 р. № 1545-12 "Про  порядок тимчасової дії на території  України окремих актів законодавства  СРСР" продовжила чинність постанов Ради Міністрів колишніх СРСР та УРСР з питань організації робіт щодо стандартизації та метрології. 

Центри стандартизації і метрології в Україні забезпечують державний метрологічний нагляд, експертизу, контроль за дотриманням  метрологічних норм і правил та єдність  вимірювання і одноманітність засобів  вимірювання в нашій державі. 

Враховуючи міжнародний  характер стандартизації, метрології та сертифікації і необхідність взаємозамінності продукції, вузлів та елементів, а також  усвідомлюючи важливість економічного та науково-технічного співробітництва  всіх держав, 13 березня 1992 р. держави  СНД підписали угоду про проведення узгодженої політики в галузі стандартизації, метрології та сертифікації. Відповідно до цієї угоди на території України  вважаються чинними стандарти колишнього СРСР. 

Угода, укладена державами  СНД, передбачає: 

• використання і  розвиток основних положень чинних систем стандартизації і метрології; 

• визнання чинних стандартів ГОСТ як міжнародних; 

• збереження абревіатури  ГОСТу за повними міжнародними стандартами; 

• визнання існуючих державних еталонів одиниць фізичних величин як міжнародних; 

• проведення робіт  з питань сертифікації на підставі загальних організаційно-методичних положень; 

• створення міждержавної ради з проблем стандартизації, метрології та сертифікації. 

Міжнародна рада з  питань стандартизації, метрології та сертифікації координує і розробляє  рішення щодо проведення організаційних, методичних і науково-дослідних  робіт з питань стандартизації, метрології та сертифікації. До її складу входять  представники держав-учасниць, які  від імені держав наділяються  правом бути членами ради і уповноваженими представниками держав для виконання  функцій, покладених на Раду. 

Робочим органом Ради є постійно діючий технічний секретаріат, який знаходиться у Мінську. 

Вищим органом з  питань стандартизації, метрології та якості продукції є Державний  комітет України з питань стандартизації, метрології та сертифікації (Держстандарт України). 

У структурі Держстандарту  України нараховується 35 центрів  стандартизації, метрології та сертифікації, в тому числі 26 обласних (Український  науково-виробничий центр стандартизації, метрології та сертифікації, Білоцерківський, Вінницький, Волинський, Дніпропетровський, Донецький, Житомирський, Закарпатський, Івано-Франківський, Кіровоградський, Кримський, Луганський, Львівський, Миколаївський, Одеський, Полтавський, Рівненський, Тернопільський, Харківський, Херсонський, Хмельницький, Черкаський, Чернігівський, Чернівецький), 9 міських (Горлівський, Дрогобицький, Кременчуцький, Криворізький, Маріупольський, Мелітопольський, Краматорський, Северопольський, Червоноградський). Крім того, до складу Держстандарту України входять  декілька науково-дослідних інститутів: Львівський ДНДІ "Система", Харківське науково-виробниче об'єднання "Метрологія", УНДІССІ; два навчальні заклади: вище училище метрології та якості у м. Одесі та український навчально-науковий центр у м. Києві (колишній ВІСМ); заводи "Еталон" (у Києві, Харкові, Донецьку, Умані, Білій Церкві); дослідні заводи "Прилад" (у Вінниці та Полтаві) і магазини стандартів (у  Києві та Харкові). 

Держстандарт України  здійснює державне управління забезпеченням  єдності вимірювань в Україні  і організовує проведення фундаментальних  досліджень в галузі метрології, створення та функціонування еталонної бази України, проведення повірок засобів вимірювальної техніки та ін. 

Рішення Держстандарту  України з питань метрології є  обов'язковими для виконання центральними та місцевими органами виконавчої влади, органами місцевого самоврядування, підприємствами, організаціями, громадянами  — суб'єктами підприємницької діяльності та іноземними виробниками. 

На початку XXI століття Україна реалізує свій державний  суверенітет з метою визначення свого місця серед міжнародного товариства і забезпечення миру, стабільності, добробуту українському народу, а  також заради активної участі у світовій торгівлі та науковому співробітництві. 

Україні є що запропонувати  своїм партнерам — від космічних  технологій, продукції суднобудування до ліків і продуктів харчування. Якість вітчизняної продукції базується  більш ніж на 200-річному досвіді, вона закріплена відповідними стандартами  та сертифікатами. 

Україна готується  вступити до Світової організації торгівлі (СОТ), хоча і сьогодні багато видів  продукції з успіхом конкурують із кращими світовими зразками. Реалізація цього курсу потребує подальшого розвитку та удосконалення національної системи стандартизації, метрології та сертифікації у напрямку зближення  з міжнародними і європейськими  стандартами, угодами і підходами. Цьому сприятиме участь України  у Міжнародній організації з  питань стандартизації (ISO), Міжнародній  електротехнічній комісії (ІЕС), Міжнародній  організації законодавчої метрології (OIML) та інших міжнародних організаціях, де її представляє Держстандарт. 

Законодавчою основою  національної метрологічної системи  є Закон України "Про метрологію та метрологічну діяльність" від 11 лютого 1998 року N° 113/98-ВР, який визначає правові  основи забезпечення єдності вимірювань у нашій державі, регулює суспільні  відносини у сфері метрологічної  діяльності та спрямований на захист громадян і національної економіки  від наслідків недостовірних  результатів вимірювання. 

Технічною основою  національної метрологічної системи  є система Державних еталонів одиниць фізичних величин. Еталонна база України складається з 28 Державних  еталонів одиниць фізичних величин, а саме: маси, довжини, температури, сили світла, часу, частоти, енергії  згорання, тиску, об'єму рідини, прискорення  сили тяжіння, магнітної індукції, молярної частки компонентів у газовому середовищі тощо. 

З метою підвищення ефективності метрологічної діяльності створюється наукова, технічна та організаційно-правова  база метрології. За станом на 1998 рік  у сфері метрології діє понад 40 національних нормативних документів (ДСТУ) і понад 350 Міжнародних стандартів (ГОСТів).

6. 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.