Метрология. Историческое развитие, предмет, цели и задачи

В наиболее упрощенном представлении метрология — это наука об измерениях.

Измерения — один из самых древних видов человеческой деятельности. Их происхождение относится к истокам возник­новения материальной культуры, когда человек учился изготав­ливать орудия труда, пользоваться ими и воздействовать в нуж­ных ему целях на окружающую среду. Первыми измерениями, очевидно, были измерения времени (или его определение), не­обходимые для правильного распределения рабочего времени в течение дня, и измерения площадей и расстояний, связанных с участками обрабатываемой земли, пастбищами, местами охоты. С появлением и развитием товарообмена становились необхо­димыми измерения количества произведенных товаров — их объема, массы и т д.

Первые измерения производились с целью определить, какая из имеющихся в распоряжении владельца величин больше или меньше. На первом этапе не ставился вопрос на сколько больше (или меньше) или во сколько раз больше (или меньше). Подобные измерения могли производиться на глаз, на мышечное уси­лие, на продолжительность ходьбы. На этом этапе человек со­поставлял и сравнивал наблюдаемые им предметы и величины с размерами собственного тела и его частей, с природными явле­ниями, с другими предметами, имевшими большое распростра­нение и потому доступными для проведения измерений. Так возникли и получили большее или меньшее распространение такие единицы измерений, как длина шага, пальца, сустава большого пальца (дюйм на голландском языке — большой па­лец), ступни (фут), локтя (аршин, арш — локоть на персидском языке), ширина ладони, горсть, охапка и т.п.

В зависимости от рода деятельности для измерения одних и тех же величин использовались различные,меры. Например, для измерения расстояния использовались: бычий рев — расстояние, на котором человек может услышать рев быка; выстрел из лука — расстояние, на которое летит выпущенная стрела; ружейный или пушечный выстрел — дальность боя ружья или пушки; день пути — расстояние, проходимое человеком за один день, и т.д. Меры различались и по территориально-национальному призна­ку. Например, для измерения площадей использовались: югер (лат. jugerum) — площадь, которую вспахивал человек за 1 день на быке; морген (нем. morgen) — площадь, вспаханная за утро; колодец — площадь, которую можно полить из одного колодца (единица древнего Вавилона) и т.п.

Достоинством этих мер было то, что они всегда находились под рукой, основывались на опыте хозяйственной деятельности человека, имели большую наглядность и, самое главное, удовле­творяли в то время потребности хозяйственной деятельности человека. В дальнейшем с развитием потребности в измерениях появилась необходимость «усреднить» столь субъективные меры. Например, в одном из старинных документов длина фута была установлена как доля длины ступней 16 человек, «выходящих от заутрени в воскресенье». Позднее меры начали приобретать ве­щественный вид: локоть или ступня ноги — в виде бруска рав­ной им длины; меры массы — в виде гирь той или иной формы, изготовленных из камня или металла, и т.п.

Наиболее широкое распространение измерения получали в обществах с развитой экономикой и техникой — известных ци­вилизациях древности: в Индии, Китае, Вавилоне, Египте. Так, в Вавилоне было принято, что сутки содержат 24 часа, 1 час —60 минут и 1 минута — 60 секунд. Вавилонские меры (мера дли­ны — локоть, меры массы — талант, мин) перешли в Грецию, Рим, а затем в Европу, где получили дальнейшее развитие. Так, меры длины локоть и аршин пришли на Русь из Вавилона и бы­ли дополнены древнерусской мерой — пядью, которая равня­лась 1/4 аршина и представляла собой расстояние между конца­ми большого и указательного пальцев взрослого человека. Позд­нее (в XVIII в.) в России появилась мера длины — дюйм, поза­имствованная в Западной Европе. Это взаимообогащение и взаи­мопроникновение мер, с одной стороны, вызывалось, а с дру­гой — способствовало развитию товарообмена между странами.

В целом степень развития измерений соответствовала уров­ню развития цивилизации, хотя науке известны поразительные примеры, объяснение которым не найдено до сих пор. Так, ка­лендарь индейцев Майя более пяти тысяч лет назад определил продолжительность солнечного года равной 365,242 суток. Уточнения, сделанные сегодня при современном уровне техни­ки, дают расхождение в 17,28 секунды.

При последующем развитии ремесел и торговли меры стали возникать повсеместно и стихийно, хотя вплоть до XIV в. изме­рения в основном ограничивались измерениями времени, гео­метрических размеров и массы. В XIV—XVI вв. начался бурный расцвет ремесел, наук, искусств, архитектуры. Вместе с развити­ем науки появляется необходимость в измерении разного рода вновь открытых величин. Так, в XVII в. появились барометры для измерения давления воздуха, гигрометры для определения его влажности, термометры для измерения температуры, мано­метры для измерения давления воды, в XVIII в. — динамометры для измерения силы, калориметры для измерения количества теплоты, начали производиться измерения некоторых световых величин. В связи с изобретением паровых машин и распростра­нением механических двигателей возникли понятия о работе и мощности, появились единицы для их измерения: пудофут, ло­шадиная сила.

В середине XIX в. начали измерять электрические величины, получили дальнейшее развитие световые измерения. В конце XIX и начале XX в. были открыты новые физические явления, в связи с чем появились новые виды измерений: рентгеновское излучение, радиоактивность.

Расширение сферы действия измерений сопровождалось по­вышением их точности. При решении вопроса о точности измерений, будь то научный эксперимент, производство или любой другой род деятельности человека, следует всегда помнить, что, чем точнее выполнено измерение, тем лучше. Повышение точ­ности измерений в любой сфере производства автоматически приводит к повышению качества продукции, т.е. дает реальный экономический эффект. По мере развития производства требо­вания к точности измерений постоянно растут. Когда Ползунов создавал первую паровую машину, он измерял зазоры в ней ека­терининским пятаком толщиной в 6 мм. Джеймс Уатт в письме к одному из своих друзей с гордостью сообщал, что в его маши­не между поршнем и цилиндром «нельзя просунуть даже ма­ленький палец», а современные прецизионные станки позволя­ют обрабатывать детали средних размеров с точностью до 0,2— 0,3 мкм и выше. Такой допуск приблизительно в 200—250 раз меньше толщины человеческого волоса. В последние годы точ­ность измерений в станкостроении повышалась каждые 10 лет примерно в 10 раз. Точность измерений многих параметров тех­нологических процессов имеет весьма высокую стоимость. На­пример, погрешность измерения теплоты, образуемой при сго­рании топлива на тепловых электростанциях, всего лишь в 0,3% эквивалентна потере почти 600 тыс. т нефти, 270 млн м³ при­родного газа, 1 600 000 т угля в стране в год. Из-за отсутствия на железных дорогах автоматических весов для взвешивания ва­гонов на ходу приходится расцеплять и сцеплять вагоны, совер­шать маневровые работы. На взвешивание подвижного состава затрачивается в год до 60 000 000 вагоно-часов и около 3 000 000 локомотиво-часов. Ежедневно на транспорте производится 170 000 взвешиваний. Кроме того, повышение точности измере­ний в таких областях, как здравоохранение, охрана безопасности труда, экология, социология и др., дает эффект, который часто не поддается денежному выражению.

В настоящее время измерения пронизывают все стороны жизни человека: его быт и производственную деятельность. Со­временный мир — мир, основанный на информации, заметную часть которой, а особенно в таких областях, как материальное производство, наука, транспорт, торговля и др., представляет со­бой измерительная информация, получаемая на основе примене­ния специальных устройств, называемых средствами измерений. Потребность в информации потребовала создания огромного ко­личества средств измерений, применяемых в самых различных условиях. Только в России используются порядка 1,5 млрд средств измерений. Поэтому во многом нашу действительность определяют состояние и качество развернутой системы изме­рений и получаемой с ее помощью информации. Причем к ка­честву измерений, их быстроте, форме представления результа­тов предъявляются все более высокие требования. Необычайно увеличивается число измеряемых величин, расширяются диа­пазоны измерений, повышается точность получаемых результа­тов. Так, достигнутый диапазон измерений линейных размеров — от 1СГ¹⁰ м до 10¹⁷ м, температур — от 0,5 К до 10⁶ К, электриче­ского тока — от 10~¹⁶ А до 10⁴ А и т.д.

В современном производстве измерения играют все более и более заметную роль, поскольку оно освобождается от участия человека, технологические процессы управляются на основе измерительной информации. Например, при изготовлении авиационных двигателей выполняют более 100 тыс. различных операций, почти половина из которых — контрольные. В це­лом, по различным оценкам, в нашей стране производится от 50 до 200 млрд измерений ежедневно, они являются основой про­фессиональной деятельности более 4 млн человек, а доля затрат на их проведение достигает в некоторых отраслях 50—80%. За­траты на измерения в России в 2004 г. составили 3,8% от вало­вого внутреннего продукта (ВВП), этого с точки зрения совре­менных требований недостаточно, так как в развитых странах доля затрат на измерения достигает 9—12% ВВП.

Уровень развития средств измерений определяет не только прогресс традиционных областей экономики и естественных наук. Измерения и методы их проведения все больше вторгают­ся в те сферы (социология, физиология и др.), которые до не­давнего времени считались недоступными для получения изме­рительной информации и контроля. Создание развитой системы измерений, ее совершенствование и эффективное использова­ние невозможны без соответствующих предпосылок. Прежде всего, уровень системы измерений определяется степенью и темпами развития экономики, которые задают потребность в измерениях и создают финансовую и техническую возможности ее обеспечения. Поэтому уровень и качество измерений в стране не являются абсолютными, а соответствуют решаемым в эконо­мике задачам и достигнутому техническому уровню. Затраты на достижение необходимого уровня велики. Так, еще в 1960-е годы в США общая стоимость используемых средств измерений в ценах того времени составляла около 50 млрд долл., а на их со­вершенствование ежегодно расходовалось до 8 млрд долл. [3].

Расширение сферы применения измерений требует созда­ния все новых и новых средств измерения, базирующихся на использовании открытий и достижений науки. В свою очередь, применение средств измерений в последующих физических, химических и других исследованиях приводит к новым науч­ным успехам. Взаимопроникновение науки и измерительной техники — основа научно-технического прогресса. Именно этим объясняется то бурное развитие работ в области измери­тельной техники, которое наблюдается во всем мире.

Таким образом, измерения в современном мире стали соци­ально значимой сферой деятельности и во многом определяют уровень развития производительных сил и научно-технического прогресса. Если рассмотреть основные, магистральные направ­ления применения средств измерений, то можно выделить сфе­ру учета количественных показателей, сферу контроля техноло­гических параметров, сферу определения показателей свойств и качества продукции и сферу измерения характеристик и показа­телей новых веществ, материалов и изделий или характеристик и показателей, определяемых на новых уровнях точности.

Как уже отмечалось выше, современный мир отличает нали­чие и постоянное расширение измерительной сети, т.е. огром­ной совокупности средств измерений, вырабатывающей и по­требляющей измерительную информацию. Чтобы представить такую сеть, необходимо прежде всего ответить на вопрос: что такое средство измерения.

♦ Средство измерения — техническое средство (или комплекс техни­ческих средств), предназначенное для измерений, имеющее нормиро­ванные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимает­ся неизменным в течение известного интервала времени. ♦

Характерными особенностями средства измерения являют­ся, таким образом, его искусственное, рукотворное происхожде­ние, специальное предназначение, наличие установленных спе­циальных, метрологических характеристик, ограниченных (нор­мированных) по величине и остающихся в рамках допустимых значений неизменными в течение некоторого интервала време­ни. Так как в настоящее время известно достаточно большое количество физических величин, то соответственно в эксплуата­ции находится, как уже отмечалось выше, огромное количество средств измерений. Их совокупность получила название техни­ческой базы измерений.

Средства измерений, находящиеся в эксплуатации, образу­ют основу измерительной мировой сети. Однако любая сеть безжизненна, если отсутствуют регламенты, определяющие ее функционирование. Учитывая разнородный состав системы измерений, необходим весьма обширный свод регламентов раз­личного уровня. Действительно, как и в любой системе, долж­ны быть регламентированы вопросы, имеющие общий харак­тер, и вопросы локальные, их взаимосвязь и взаимоподчинен­ность и т.д. Иначе говоря, учитывая специфику системы изме­рений, ее нормальное функционирование в международном масштабе должно обеспечиваться сводом унифицированных правил различного уровня (от законов до рекомендаций), или нормативно-правовой базой.

Нормативно-правовая база необходима для регулирования взаимоотношений между субъектами права. В данном случае субъектами права выступают собственники средств измерений и потребители измерительной информации, т.е. государство, предприятия различных форм собственности и физические ли­ца. Реализация нормативно-правовой базы системы измерений невозможна без установления субъектов этой системы, их прав и обязанностей. Субъекты нормативно-правового регулирования в области выработки и потребления измерительной информации представляют собой организационную базу, «узлы» мировой изме­рительной сети.

Итак, имеется система, основанная на организационной, правовой и технической базах, задачи которой лежат в сфере учета продукции, контроля и регулирования технологических процессов, получения информации о новых веществах и мате­риалах, повышения качества информации, расширения ее но­менклатуры и т.п. Естественно, что объединяющая эту систему деятельность должна иметь общую цель — получение достовер­ной, т.е. не вызывающей сомнения измерительной информации.

Основным показателем достоверности измерительной инфор­мации является ее точность. Но точность не может быть абсо­лютной: различают точность, достаточную для решения конкрет­ной задачи, и максимально достижимую точность. В этом отношении достоверность можно понимать только в привязке к кон­кретной задаче. Для решения одних задач достаточной является точность невысокого уровня, в то время как для других требуется получение более точной информации. Кроме показателя точно­сти достоверность информации определяется возможностью и результатами ее проверки в других условиях другими людьми и на другом оборудовании. Другими словами, речь идет о воспроиз­водимости результатов измерений и возможности их сопостав­ления и использования в различных сферах, что невозможно без унификации структуры измерительной информации и ме­тодов ее получения или, как принято говорить, обеспечения единства измерений.

Все перечисленные задачи решает отрасль науки, получившая исторически название «метрология». Самое' короткое историче­ское определение метрологии как науки об измерениях представ­ляет собой практически дословный перевод с греческого. С точки зрения задач, стоящих перед метрологией на современном этапе, такое определение не может быть признано полным.

♦ Поэтому в современном понимании метрология — не только наука об измерениях, но и наука, которая определяет методы их унификации, обеспечения единства в национальном и междуна­родном масштабах. ♦

Задача обеспечения единства измерений не нова. Она стоит на повестке дня с того момента, когда, собственно, и начались измерения. При этом единство измерений на ранних этапах по­нималось как единообразие используемых мер. В России одним из первых упоминаний о попытке ввести единую систему мер является Устав князя Владимира (996) о десятинах, судах и лю­дях церковных, в соответствии с которым вводился надзор за мерами и весами. Надзор поручался церковной власти (еписко­пам), и устанавливалась ответственность за нарушения установ­ленных мер. Эта система постоянно расширялась и совершенст­вовалась. Известны документы от 1134—1135, 1406, 1550 гг. и т.д. Интересно то обстоятельство, что установление единой сис­темы мер поручалось церкви, проводилось параллельно с уста­новлением единой религии, укреплением и централизацией го­сударственной власти, развитием экономики и преодолением раздробленности страны. Характерно в этом смысле высказыва­ние опричника Генриха Штадена о результатах правления Ивана Грозного, при котором был сделан один из решающих шагов к объединению Руси: «Нынешний великий князь достиг того, что по всей Русской земле, по всей державе — одна вера, один вес, одна мера». Функция создания и поддержания единой системы мер, весов или, говоря современным языком, обеспечения един­ства измерений в стране — одна из важнейших функций любого государства. В сложные моменты развития экономики, когда необходимо осуществлять ускоренную перестройку промышлен­ности, эта функция приобретает особое значение, так как от состояния системы измерений во многом зависит решение про­блемы качества продукции и интенсификации производства. Так, в СССР в период ускоренной индустриализации вопросы обеспечения единства измерений для их успешного решения были переданы в ведение Народного комиссариата внутренних дел (1936). Сегодня столь крутые меры по поддержанию единст­ва измерений не требуются, но все же единство измерений — сфера, базирующаяся на четком установлении и соблюдении специальных метрологических норм и правил. Для решения за­дач по обеспечению единства измерений в России действует Го­сударственная система обеспечения единства измерений (ГСИ).

Итак, предмет метрологии — измерения, цель метрологии — обеспечение единства измерений и получение количественной измерительной информации об окружающем нас мире с требуе­мой точностью. Задачи, стоящие перед метрологией, можно раз­делить на две большие группы:

(1) задачи, вытекающие из необходимости совершенствова­ния процедуры измерений;

(2) задачи, определяемые необходимостью их практического повседневного проведения на достаточном и общеприня­том уровне.

В соответствии с этим метрологию принято подразделять на теоретическую и практическую. В задачи теоретической метроло­гии входят вопросы совершенствования общей и прикладной тео­рии измерений, теории построения систем единиц и шкал, их воспроизведения и передачи средствам измерений, теории по­грешностей, принципов оптимизации системы обеспечения един­ства измерений и систем показателей качества продукции и т.п.

Задачи практической метрологии достаточно полно и ясно сформулированы в документах ГСИ. Эта система установила также методы и технологию решения задач практической метро­логии. В этом разделе рассматриваются вопросы практической метрологии, имеющие общепрофессиональное значение.