Поняття
про метрологію. Метрологічна служба України
1.
Метрологія – наука про вимірювання
2.
Основні
етапи розвитку метрології
3.
Основні
поняття і визначення
1. Метрологія – наука про вимірювання
Метрологія (від гpец.
"metron" - міра, "logos" – наука(вчення)) - наука про
виміри, методи і засоби забезпечення їхньої єдності і необхідної точності.
Виміри
допомагають пізнавати матеріальний світ і природні закономірності. Вони
поєднують теорію з практичним життям суспільства і використовуються усюди: у
науці, у будь-якому виробництві, для обліку матеріальних цінностей,
забезпечення стандартних параметрів якості, удосконалювання технологічних
процесів, автоматизації виробництв, стандартизації й інших видів діяльності.
Значення
метрології в економіці будь-якої країни дуже велике, тому що від обліку
матеріальних цінностей багато в чому залежить добробут суспільства.
Стан засобів
вимірювання визначає стабільність роботи підприємства і якість продукції, що
випускається. Так, за висновком метрологічних служб близько 50 % неякісної
продукції випускається внаслідок незадовільного стану вимірювальних приладів.
Неточність
вимірювань, відсутність належної вимірювальної техніки або незадовільна
організація метрологічної служби можуть нанести непоправні втрати
Сучасна
метрологія класифікується трьома головними областями: наукова метрологія,
промислова метрологія і законодавча метрологія.
Наукова метрологія - це частина метрології, що вивчає
загальні метрологічні питання, незалежно від величин, що виміряються. Вона
охоплює загальні теоретичні і практичні проблеми, що стосуються одиниць
вимірювання, у тому числі застосування і забезпечення єдності вимірювань,
використовуючи наукові методи, проблеми помилок і погрішностей під час
вимірювань і проблеми метрологічних властивостей засобів вимірювань.
Промислова метрологія займається вимірюваннями на виробництві
і контролем якості. Вона охоплює методи повірки, періодичність повірок,
контроль процесу вимірювання і контроль засобів вимірювань у промисловості з
метою забезпечення того, щоб їх стан відповідало вимогам до їх використання.
Законодавча
метрологія охоплює
сукупність взаємообумовлених норм, вимог і правил, спрямованих на забезпечення
метрологічної єдності вимірів, що набувають правову обов'язкову силу. Це
частина метрології, що підпадає під законодавчий/регуляторний контроль, тобто
знаходиться під контролем відповідних органів державної влади.
2. Основні етапи розвитку метрології
Метрологія як
наука й область практичної діяльності виникла в древні часи. Основою системи
мір у слов'ян були давньоєгипетські одиниці вимірювань, а вони у свою чергу
були запозичені в Древній Греції і Римі. Природно, що кожна система мір
відрізнялася своїми особливостями, зв'язаними не тільки з епохою, але і з
національним менталітетом.
Найменування
одиниць і їхніх розмірів відповідали можливості здійснення вимірювань
"підручними" способами, не удаючись до спеціальних пристроїв. Так, на
Київській Русі основними одиницями довжини були п'ядь і лікоть. П'ядь означала
відстань між кінцями великого і вказівного пальця дорослої людини. Пізніше,
коли з'явилася інша одиниця – аршин, п'ядь (1/4 аршина) поступово вийшла з
уживання.
Міра лікоть означала відстань від згину ліктя до кінця середнього пальця
руки (іноді - стиснутого кулака або великого пальця).
Особою мірою
був сажень, що дорівнював трьом ліктям (близько
Указом Петра І російські
міри довжини були погоджені з англійськими, і це, власне кажучи, є перша
ступінь гармонізації російської метрології з європейською.
Метрична
система мір була уведена
у Франції в 1840 р. Значимість її прийняття підкреслив Д.І. Менделєєв,
пророчивши велику роль загального поширення метричної системи як засобу
сприяння "майбутньому бажаному зближенню народів".
З розвитком
науки і техніки були потрібні нові виміри і нові одиниці вимірювання, що
стимулювало у свою чергу удосконалювання фундаментальної і прикладної метрології.
Спочатку
прототип одиниць вимірювання шукали в природі, досліджуючи макрооб'єкти і їхній
рух. Так, секундою стали вважати як частину періоду обертання Землі навколо
осі. Поступово пошуки перемістилися на атомний і внутрішньоатомний рівень. У результаті
уточнювалися "старі" одиниці (міри) і
з'явилися нові.
У 1960 р.
прийнята Міжнародна система одиниць СІ
(SI), де метр як одиниця довжини, що дорівнює 1650763,73 довжини хвилі
випромінювання у вакуумі (криптоновий еталон метра). 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 декількох
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 свідчить на користь
випереджальних темпів розвитку науки і техніки вимірів, тобто метрології.
У розвитку вітчизняної метрології виділяють декілька етапів:
Перший етап (до 1892 р.) охоплює період від стихійного зародження метрологічної
діяльності до створення єдиних еталонів. Для цього періоду характерна
централізація метрологічної діяльності, участь вчених у роботі міжнародних
метрологічних організацій.
Другий етап
– Менделєєвський. Він охоплює проміжок часу
1892-1917р.р. У цей період у Росії, а також в Україні впроваджується метрична
система мір. З 1892 р. Депо зразкових мір і ваг очолює Д.І. Менделєєв, який
приклав немало зусиль для впровадження метричної системи мір. У 1903 р. Депо
перетворено у Головну палату мір і ваг, яка стала однією із перших у світі
науково-дослідних установ метрологічного профілю.
Третій етап
розвитку метрології
охоплює період 1918-1945 рр. і називається нормативним етапом. У цей період
створюється нормативно-технічна документація різного рівня з метрології; вся
інформація зосереджується у Головній палаті мір і ваг; здійснюється комплекс
заходів щодо створення державної метрологічної служби. Починається впровадження
Міжнародної метричної системи мір. Впровадження метричної системи мір було
пов'язано з проведенням метричної реформи, яка здійснювалася протягом 9 років.
Четвертий етап розвитку метрології охоплює період з
1945 р. по 1980р. Цей післявоєнний етап характеризується інтенсивним розвитком
метрологічної діяльності. З 1963 р. Міжнародна система одиниць фізичних величин
почала впроваджуватися як обов'язкова в усіх галузях науки, техніки та в
народному господарстві. У 1967 р. відбувається зародження кваліметрії.
Відмінною особливістю четвертого етапу є повсюдне впровадження стандартизації
як головної організаційно-правової форми забезпечення єдності вимірювання в
країні.
На п'ятому етапі розвитку
метрології, який охоплює 1980-1991 рр. приділяється значна увага проблемам
вимірювання якості продукції. У цей період розвивається кваліметрія як розділ
метрології. Кваліметрія вивчає питання, пов'язані з вимірюванням якості
продукції. Метрологічні методи починають впроваджувати і використовувати при
управлінні якістю продукції, вимірюванні нефізичних величин.
Шостим етапом розвитку метрології в незалежній Україні є розвиток метрології з
1992 р. Він пов'язаний зі створенням національної метрологічної системи,
еталонної та вимірювальної бази. Здійснюється удосконалення кваліметрії,
зароджується і впроваджується система відповідності продукції (сертифікації).
Метрологічна наука спрямована на удосконалення стандартизації й управління
якістю продукції в Україні.
Разом з
розвитком фундаментальної і практичної метрології відбувалося становлення
законодавчої метрології.
Законодавча
метрологія - це розділ
метрології, що включає комплекси взаємозалежних і взаємообумовлених загальних
правил, а також інші питання, що потребують регламентації і контролю з боку
держави, які спрямовані на забезпечення єдності вимірювання і однаковості
засобів вимірювання.
Законодавча
метрологія є засобом державного регулювання метрологічної діяльності за
допомогою законів і законодавчих положень, що вводяться в практику через
Державну метрологічну службу, метрологічні служби державних органів управління
і юридичних осіб.
Метрологічні
правила і норми законодавчої метрології гармонізовані з рекомендаціями і
документами відповідних міжнародних організацій. Тим самим законодавча
метрологія сприяє розвиткові міжнародних економічних і торговельних зв'язків і допомагає взаєморозумінню в міжнародному
метрологічному співробітництві.
3. Основні поняття і визначення
Розглянемо
зміст основних понять фундаментальної і практичної метрології.
Вимірювання як
основний об'єкт метрології зв'язані як з фізичними величинами, так і з
величинами, що відносяться до інших наук (математики, психології, медицині,
суспільним наукам і ін.). Далі будуть розглядатися поняття, що відносяться до
фізичних величин.
Фізичною
величиною називають
властивість фізичного об'єкта (явища, процесу), що є загальним у якісному
відношенні для багатьох фізичних об'єктів, відрізняючись при цьому кількісним
значенням. Так, властивість "міцність" у якісному відношенні
характеризує такі матеріали, як сталь, дерево, тканина, скло і багато інші, у
той час як ступінь (кількісне значення) міцності - величина для кожного з них
зовсім різна.
Характеристиками фізичних величин є розмір, тобто
кількість одиниць фізичної величини в даному об'єкті, виявлене вимірювальними
випробуваннями, і розмірність – вираження, що зв'язує вимірювану
величину з основними одиницями системи вимірювання при коефіцієнті
пропорційності, рівному одиниці. Розмірність має національне або міжнародне
буквене написання з урахуванням масштабу. Фізична величина може мати безумовне
(m – маса) або умовне, тобто не є обов'язкове застосування (m –
число студентів), літерне написання з урахуванням масштабу і позначення
фізичної величини.
Фізичні
величини прийнята поділяти на основні і похідні.
Основні
величини не залежні
одна від одної, але вони можуть бути основою для встановлення зв'язків з іншими фізичними величинами, що називають
похідними від них. Згадаємо формулу Ейнштейна –
E = m´c2, до якої входить основна одиниця -
маса, а енергія - це похідна одиниця, залежність між якою й іншими одиницями
визначає дана формула. Основним величинам відповідають основні одиниці
вимірювання, а похідним - похідні одиниці вимірювання.
Сукупність
основних і похідних одиниць називається системою одиниць фізичних величин.
Першою системою одиниць вважається метрична система, де, як уже
відзначалося вище, за основну одиницю довжини був прийнятий метр, за одиницю
ваги - вага 1 см3 хімічно чистої води при температурі біля +40С
– грам (пізніше - кілограм). У 1799 р. були виготовлені перші прототипи
(еталони) метра і кілограма. Крім цих двох одиниць метрична система у своєму
первісному варіанті включала ще й одиниці площі (ар - площа квадрата зі
стороною
Таким чином, у
метричній системі ще не було чіткого підрозділу одиниць величин на основні і
похідні.
Поняття
системи одиниць як сукупності основних і похідних уперше запропоновано
німецьким ученим К.Ф. Гаусом у 1832 р. Основними у цій системі були прийняті:
одиниця довжини - міліметр, одиниця маси - міліграм, одиниця часу - секунда. Цю
систему одиниць назвали абсолютною.
У 1881 р. була
прийнята система одиниць фізичних величин СГС, основними одиницями якої були:
сантиметр - одиниця довжини, грам - одиниця маси, секунда - одиниця часу.
Похідними одиницями системи вважалися одиниця сили - кілограм-сила й одиниця
роботи - ерг. Незручність системи СГС полягала в труднощах перерахування
багатьох одиниць в інші системи для визначення їхнього співвідношення.
На початку ХХ
століття італійський учений Джорджі запропонував ще
одну систему одиниць, що одержала назву МКСА (у російської транскрипції) і що
досить широко розповсюдилася у світі. Основні одиниці цієї системи: метр,
кілограм, секунда, ампер (одиниця сили струму), а похідні: одиниця сили -
ньютон, одиниця енергії - джоуль, одиниця потужності - ват.
Були й інші
пропозиції, що вказує на прагнення до єдності вимірювання у міжнародному
аспекті. Але навіть сьогодні деякі країни не відійшли від історично сформованих
у них одиниць вимірювання. Відомо, що Велика Британія, США, Канада основною
одиницею маси вважають фунт, причому його розмір у системі "британських
імперських мір" і "старих винчестерских
мір" різний.