Краткая история развития метрологии

- Потребность в измерениях возникла в незапамятные времена. Долгое время в разных странах и у разных народов применялись меры, которые не требовали применения специальных устройств для их применения. 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 и испанского означает «зерно». Мно­гие меры были связаны с кон­кретной трудовой деятельностью человека. Так, в Киевской Руси применялись в обиходе вершок — длина фаланги указательного пальца пядь – расстояние между концами большого и указательного пальца взрослого человека, примерно 24-25 см (вспомните: "семи пядей во лбу");

- локоть – расстояние от сгиба локтя до конца среднего пальца руки, 42-47 см (в некоторых странах – до конца сжатого кулака или большого пальца).

- сажень — от «сягать», «достигать», то есть можно достать; косая сажень — предел того, что можно достать: расстояние от подошвы левой ноги до конца среднего пальца вытянутой вверх правой руки; сажень – равна трём локтям (152 см) и косая сажень (около 248 см).

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 (суток) 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.

- grain – длина одного пшеничного зерна, 8,3 мм;

- inch (дюйм) – длина трёх ячмённых зёрен, "круглых и высушенных", 25,4 мм;

- фут – длина шага ноги, 304,8 мм;

- ярд – длина руки короля Генриха I, 914,4 мм (существует с 1101 г.);

- унция- объём жидкости, вмещающейся в пригоршни

В 1736 г. по решению Сената была образована Комиссия весов и мер под председательством главного директора Монетного двора графа М. Г. Головкина. 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 комиссии, 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 1799 г. были изготовлены первые прототипы метра и килограмма; начальной точкой отсчёта веса (массы) являлся вес 1см³ химически чистой воды при Т ≈ +4^оС - один грамм, 1000 грамм – 1 кг. Одновременно применялись:

- ар – площадь квадрата со стороной 10 м;

- стер – единица объёма куба с ребром 10 м;

- литр – объём куба с объёмом 0,1 м.

- 1 баррель – 158,988 литров

В России указом «О системе Российских мер и весов» (1835 г.) были утвержде­ны эталоны длины и массы — платиновая сажень и платиновый фунт.

Первый принятый в 1791 г. Национальным собранием Франции эталонметра был равен одной десятимиллионной части четверти дуги парижского меридиана. Однако в 1837 г. было установлено, что в четверти меридиана содержится не 10 млн м, а 10млн 856 м. Значит, эталон метра оказался неточным. Его стали называть "метр Архива", т.к. к этому времени изготовленный эталон уже находился в архиве.

В 1967 г. была более точно установлена длина одной четверти меридиана: 10 млн 1954,4 м, т.е. оказалось, что "метр Архива" всего на 0,2 мм короче метра, рассчитанного по меридиану.

В 1889 г. был изготовлен 31 экземпляр эталона метра из платино-иридиевого сплава. Из них № 6 при температуре Т = 0^оС точно соответствующим "метру Архива". Именно он и был утверждён в качестве международного эталона метра и хранится в г. Севре (Франция). Россия получила эталоны № 11 и 28, из них в качестве эталона принят № 28.

Погрешность эталона метра, равная +1,1.10^-7 м, уже в начале XX в. считалась недопустимой. Поэтому, появился сначала криптоновый эталон с погрешностью 5.10^-9 м, а в 1983 г. за эталон метра была принята длина пути, проходимая светом в вакууме в единицу времени.

За эталон массы был принят "килограмм Архива" – масса платинового цилиндра, высота и диаметр которого равны 39 мм. Прототипы, вторичные эталоны, были изготовлены из платино-иридиевого сплава в количестве 42 шт. России были переданы прототипы килограмма № 12 и 26. Из них № 12 утверждён в качестве Государственного эталона массы, а
№ 26 используется как вторичный эталон. Эталон массы (№ 12) хранится в г. С.-Петербурге, на кварцевой подставке под двумя стеклянными колпаками в стальном сейфе при температуре воздуха Т = 20 ±3^оСи относительной влажности 65%. Один раз в 10 лет с ним сличают два вторичных эталона.

При сличении с Международным эталоном массы наш национальный эталон показал результат 1,000.000.0877 кг. Для передачи размера единицы массы от прототипа № 12 вторичным эталонам используются специальные весы № 1 (изготовлены фирмой "Рупрехт") и №2 (изготовлены НПО ВНИИМ им. Д.И. Менделеева) с пределом измерения 1 кг и дистанционным управлением. Погрешность воспроизведения килограмма составляет 2.10^-9 кг.

Пока не удаётся изготовить прототип массы с более высокой точностью.

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. Автором первого в России научного труда по метрологии (1849 г.) был Ф.И. Петрушевский.

По причине широты научных направлений и сфер деятельности – физика, химия, медицина, электротехника и т.д., довольно долго существовали и развивались самостоятельно метрологии в разных отраслях знаний.

Метрическая система в России была введена в 1918 г. декретом Совета Народ­ных Комиссаров «О введении Международной метрической системы мер и ве­сов». ГОСТом 16263-70 была введена единая для всей страны метрология. Были разработаны общие представления о терминах, эталонах, средствах измерений и системе их поверки. Последовавшие за этим разработка и утверждение ряда стандартов на отдельные проблемы метрологии внесли дополнительную ясность в общую картину, единообразили и узаконили подход к средствам и методам измерений, независимо от сферы применения.

Некоторые области измерений, родившиеся и развивающиеся в последние годы, испытывают узость существующих нормативов и, видимо, в недалёком будущем нормативная документация будет дорабатываться. Например, требуются новые меры и методы измерений в космонавтике, в космовидении, в волоконной оптике.

2.3 Системы единиц измерения

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 1799 г. были изготовлены первые прототипы метра и килограмма; начальной точкой отсчёта веса (массы) являлся вес 1см³ химически чистой воды при Т ≈ +4^оС - один грамм, 1000 грамм – 1 кг. Одновременно применялись:

- ар – площадь квадрата со стороной 10 м;

- стер – единица объёма куба с ребром 10 м;

- литр – объём куба с объёмом 0,1 м.

- 1 баррель – 158,988 литров

В России указом «О системе Российских мер и весов» (1835 г.) были утвержде­ны эталоны длины и массы — платиновая сажень и платиновый фунт.

Впервые понятие "система единиц" в 1832 г. предложил К.Ф. Гаусс. Он предложил принять за основу такие единицы:

длины – мм, массы – мг, времени - секунда.

Впоследствии эта система единиц получила название абсолютной. Неудобства применения этой системы состоят в очень мелких значениях единиц, при практических измерениях приходилось оперировать очень крупными значениями измеряемых величин.

В 1881 г. была введена система СГС, в которой за основу были приняты единицы: длины –см, массы – г, времени – секунда. Были согласованы и некоторые производные единицы: силы – кгс, работы – эрг.

Неудобства применения этой системы заключались в ограниченном количестве принятых единиц и в отсутствии согласованных действий между странами. Поэтому постоянно возникала необходимость пересчёта многих других единиц в системах измерений, принятых в разных отраслях науки и техники и в разных странах.

В начале ХХ века итальянцем Джорджи была предложена система МКСА, в которой в качестве основных были приняты единицы: длины – м, массы – кг, времени – секунда, тока – ампер. В качестве производных единиц были согласованы: единица силы – ньютон (н), энергии – джоуль.

В 1960 г. на XI Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ) была предложена система СИ(System Internationally), разработанная учёными разных стран. Основными преимуществами этой системы являются универсальность,(охвачены все области науки и техники) согласованность и возможность создания новых производных единиц по мере развития науки и техники на основе уже существующих.

В этой системе основными единицами являются: длины – м, массы – кг, времени – секунда (с), тока – Ампер (а), температуры – Кельвин (1/273,16)^о, силы света – кандела (свеча – в пер. с лат.); единица вещества – моль

килограмм – единица массы;

ньютон – единица силы и веса.

При этом понятие "масса" характеризует инерционность тел и веществ или их способность создавать гравитационное поле, а понятие "вес" – означает силу, возникающую вследствие взаимодействия массы с гравитационным полем. Поэтому масса m не зависит от ускорения свободного падения g, а вес – пропорционален этому ускорению и равен G = mg.