Метрология: история, современность, перспективы

А.Г. Сергеев






                МЕТРОЛОГИЯ




            ИСТОРИЯ, СОВРЕМЕННОСТЬ, ПЕРСПЕКТИВЫ




Допущено Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по университетскому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Стандартизация, сертификация и метрология», специальности «Метрология и метрологическое обеспечение»













Москва
                                                           Логос 2020

УДК 006
ББК 30.10:65.2/4ц

С32

Серия основана в 2003 году


Издано при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям в рамках Федеральной целевой программы «Культура России»


Рецензенты
Киселев М.И., доктор физико-математических наук, профессор Зайцев С.А., кандидат технических наук, профессор






     Сергеев А.Г.
С32 Метрология: история, современность, перспективы: учеб. пособие / А.Г. Сергеев. — М.: Университетская книга; Логос, 2020. — 384 с.: ил. (Новая университетская библиотека)

        ISBN 978-5-98704-554-1


       Изложено основное содержание метрологии как науки. Показаны ее становление, роль в развитии науки, техники, производства и общества. Раскрыты основные понятия метрологии, положения Международной системы единиц, рассмотрены вопросы обеспечения единства измерений в стране, а также прогнозирования путей развития метрологии.
       Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Стандартизация, сертификация и метрология» и специальности «Метрология и метрологическое обеспечение». Может представлять интерес для специалистов, использующих в своей деятельности средства и результаты измерений.



УДК 006
ББК 30.10:65.2/4ц




ISBN 978-5-98704-554-1

                     © Сергеев А.Г., 2020
                     © Логос, оформление, 2020

        ОГЛАВЛЕНИЕ



Введение.....................................................7

Глава 1. Метрология мироздания и духа.......................12

Глава 2. Древнейшие вавилонская, египетская и другие системы естественных мер...........................31

Глава 3. Международное сотрудничество в области метрологии..52

Глава 4. Развитие русской метрологии........................75
   4.1. Общие сведения......................................75
   4.2. Меры длины..........................................81
   4.3. Меры площади........................................88
   4.4. Меры объема.........................................92
   4.5. Меры веса (массы).................................. 96
   4.6. Меры времени.......................................103
   4.7. Угловые меры...................................... 106
   4.8. Обеспечение единства измерений.................... 109
   4.9. Развитие метрологии в России в XIX в................ 116
   4.10. Метрология в СССР................................ 122
   4.11. Развитие метрологии в постсоветской России....... 130

Глава 5. От веса к деньгам, драгоценностям и фармацевтике...145

Глава 6. Международная система единиц (СИ).................163
   6.1. Системы, предшествовавшие СИ...................... 163
   6.2. Формирование системы базисных величин..............166
   6.3. Этапы внедрения Международной системы единиц........ 175
   6.4. Передача размеров единиц физических величин....... 178

Глава 7. Воспроизведение эталонной базы СИ.................186
   7.1. Эталон длины...................................... 186
   7.2. Эталон единицы массы.............................. 194
   7.3. Эталон единицы времени............................ 199
   7.4. Эталон единицы силы электрического тока............216
   7.5. Эталон единицы температуры.........................221
   7.6. Эталон единицы силы света..........................236
   7.7. Эталон количества вещества.........................241

5

Глава 8. Некоторые производные единицы СИ...................244
   8.1. Угловые единицы.....................................244
   8.2. Эталон напряжения...................................247
   8.3. Воспроизведение и хранение единиц электрической емкости и индуктивности....................251
   8.4. Воспроизведение единицы давления....................213
   8.5. Скорость: от улитки до луча света...................257

Глава 9. Шкалы измерений....................................264

Глава 10. Метрология вокруг нас.............................274
   10.1. Метрология, геодезия и астрономия..................274
   10.2. Метрология, экология и гидрометеорология...........281
   10.3. Метрология на службе сельского хозяйства, пищевой отрасли и правосудия............................ 287
   10.4. Метрология в биомедицине и спорте .................291
   10.5. Метрологическое обеспечение информационных, автоматизированных измерительных и игорных систем........305
   10.6. Метрологическое обеспечение транспорта.............310
   10.7. Метрология в строительстве ........................313
   10.8. Метрология и Апокалипсис ..........................324

Глава 11. Прогнозирование развития метрологии...............328
   11.1. Метрология, стандартизация и мировые тенденции.....328
   11.2. Метрология прогнозирования.........................335
   11.3. Основные направления модернизации метрологического обеспечения.............................339

Приложение I. Таблица мер и единиц Древнего мира............352
Приложение II. Эволюция основных русских единиц.............354
Приложение III. Сводная таблица английских мер и единиц.....358
Приложение IV. Единицы, имеющие ограниченное применение.....362
Приложение V. Таблицы соотношений между единицами...........366
Приложение VI. Государственные первичные эталоны производных единиц СИ.......................................370
Приложение VII. Меры длин, площади и вместимости различных стран мира........................................371

Литература..................................................381

6

                               Знание истории предмета необходимо для правильного движения вперед. Д.И.Менделеев Измерять, что измеримо, делать измеримым то, что еще не измеримо. Галилей Мера и вес суть главные орудия познания.
Д.И.Менделеев
                                   Скажите, с какой точностью вы измеряете, и я назову время, в котором вы живете. Неизвестный автор



        ВВЕДЕНИЕ

    Развитие материальной культуры человечества привело к необходимости иметь количественные оценки, позволяющие раскрыть определенные закономерности природы, учесть материальные ресурсы, оценить качество используемой и выпускаемой продукции. Простой счет (голов скота, убитой дичи, числа рабов или воинов и т.п.) не требовал введения понятия физической величины, установления условных единиц измерения. Счет такого рода еще нельзя назвать измерением, под которым понимается нахождение значения физической величины опытным путем с помощью технических средств. Долгое время измерения проводились лишь в повседневной жизни и для целей торговли. Но развитие науки и техники вызвало желание и необходимость проникнуть в природу физических явлений.
    Метрология как наука об измерениях и средствах измерения вместе со многими другими научными дисциплинами родилась в древности. Деятельность по обеспечению единства измерений началась с появления первых государств, с началом строительства крупных сооружений — храмов, гробниц, плотин, каналов и других объектов.
    Возникновение метрологии как научной дисциплины трудно представить себе в отрыве от зарождения других наук. Наука древности была единой. Энциклопедистами были и великие ученые того

7

Введение

времени. Из единого знания рождались будущие конкретные науки с целью удовлетворять насущные, практические потребности развивающегося человеческого общества.
    Говоря о месте метрологии, Л.Н.Брянский отмечает: «Метрология является такой научной дисциплиной, на достижения, методы и средства которой опираются в своем развитии как фундаментальные, так и прикладные научные направления. Измерения распространены в различных областях деятельности так же широко, как и математические методы и вычисления. Более того, математика и метрология рождались, формировались и развивались в тесной взаимосвязи. Однако метрологическая методология имеет свои, не встречающиеся в других научных дисциплинах особенности» [5].
    В настоящее время стремительно растут требования к точности измерений, быстроте получения измерительной информации, качеству измерений физических величин, возникает необходимость автоматизации измерительных и контрольных процессов. Это выдвигает повышенные требования к квалификации операторов, специалистов в области точных измерений, а значит, к более высокой их подготовке в области метрологии.
    Немаловажным фактором является оптимизация точности измерений, поскольку снижение требований к точности измерений ведет к браку продукции, а повышение этих требований — к существенному удорожанию стоимости измерений. Надо иметь в виду, что при стремлении свести погрешность измерений к нулю стоимость измерений устремляется к бесконечности. При этом выдвигаются три главные функции метрологии:
    • учет продукции народного хозяйства по массе, длине, объему, расходу и др.;
    • измерения физических величин, параметров состава и свойств веществ, а также измерения при испытаниях и оценке качества продукции;
    • измерения, связанные с контролем и регулированием технологических процессов, операций на транспорте и связи.
    Сегодня доля измерительной техники составляет более 30% затрат в общем объеме капитальных вложений. Главная цель измерений — получение достоверной информации. Однако она не может быть общественно полезной, пока не обеспечены ее достоверность

8

Введение

и сопоставимость. Отсюда вытекает основная задача метрологии — обеспечение единства и достоверности измерений.
    В России ежедневно осуществляется не менее 200 млрд измерений, а до 4 млн человек считают измерения своей профессией. Подсчитано, что число средств измерений (СИ) растет прямо пропорционально квадрату прироста промышленной продукции. Например, при увеличении выпуска промышленной продукции в 2 раза число СИ возрастает в 4 раза, а объем измерительной информации — в 4! = 1-2-3-4 = 24 раза.
    Любые вычисления могут привести к значимому и понятному результату только в том случае, если при их выполнении пользовались общепринятыми единицами измерений, материальным воплощением которых служили меры. Поэтому первая, наиболее явная роль метрологии в зарождении точных наук и заключалась в создании их фундамента в виде мер и единиц измерений. То, что метрология начиналась именно с мер, подтверждается всеми историческими памятниками, как письменными (включая Библию), так и вещественными. Тутанхамону в его гробницу не забыли положить экземпляр меры длины — «священный локоть». Меры массы (в прошлом — меры веса) — гири и, конечно, весы известны уже более пяти тысячелетий. Долгое время в ходу совершенно заслуженно был термин «система мер». Единицы, абстрагированные от мер, появились позднее, хотя подразумевались и в системах мер. Например, в российской системе мер не было меры десятины, а соответствующая единица была. Системами мер (еще не единиц) были метрические системы 1791 и 1875 гг. Лишь позднее на первое место вышли системы единиц, а в наши дни — и системы шкал и единиц измерений. Уже этого было бы достаточно, чтобы высоко оценить роль метрологии в развитии наук, но ее заслуги этим не исчерпываются.
    Связи метрологии с другими научными дисциплинами и областями практической деятельности, конечно, не ограничиваются математикой, астрономией (и даже астрологией). Буквально на поверхности ее связи с архитектурой, ирригацией, геодезией, торговлей, ремеслами, металлургией, теплотехникой, стандартизацией, военной техникой. Всего не перечесть.
    Не осталась в стороне и церковь. В течение тысячелетий государственные и рабочие эталоны хранились в храмах. Функции го

9

Введение

сударственных инспекторов и поверителей выполняли жрецы и гражданские чиновники — писцы. В Египте существовало даже божество, «курировавшее» всю эту деятельность, — Тот (бог Луны, счета, письма и мудрости).
    С расширением сферы человеческой деятельности измерения охватывают все новые и новые физические величины, существенно расширяются диапазоны измерений. Так, диапазон измерения длины составляет от 10—⁹ м до десятков миллионов километров (астрономия), силы электрического тока — от 10—¹⁶ Адо сотен ампер, электрического сопротивления — от 10—⁶ до 10¹⁷ Ом и т.д. Если в 60-е годы XX в. практическая потребность измерения температуры ограничивалась 10 000 К, а давления — от 10—³ до 10⁹ Па, то сегодня необходимо измерять температуру до нескольких миллионов градусов, а давление — от 10—¹⁴ до 10¹² Па и выше. Погрешность измерения времени не должна превышать сотых долей наносекунды (10—⁹ с).
    Для воспроизведения размеров единиц все более и более широко используются фундаментальные физические константы (ФФК) и внутриатомные процессы, включая СКВИДы (от начальных букв английских слов «Superconducting Quantum Interference Device» — сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство), используемые для измерений слабых магнитных полей токов и напряжений на основе эффекта Джозефсона и явления квантования магнитного потока. Эта тенденция прогрессивна. Ее необходимо всячески развивать и поддерживать. Установлены практически не имеющие погрешности значения ряда ФФК, такие, как скорость света в вакууме, константы Джозефсона и Клитцинга. Такую же роль точной метрологической константы играет установление по соглашению значения максимальной спектральной световой эффективности монохроматического излучения. Нуждается в уточнении и осмыслении место метрологии в ряду информационных технологий.
    Двадцать первый век не без оснований называют веком информационных технологий, которые не могут работать без достоверной измерительной информации. Получение последней возможно лишь путем привлечения обширного арсенала метрологии, начиная от рабочих средств измерений, их прослеживаемости до государственных эталонов и кончая методическими приемами выполнения измерений, обработки результатов, оценки их достоверности.

10

Введение

    Метрологию понимают как научную дисциплину, представляющую собой обособившуюся ветвь физики, объединяющую в научную систему знания об измерениях и средствах их единообразного выполнения с требуемой точностью. Это определение метрологии характеризует только одну сторону метрологической деятельности — ее научно-техническое содержание, совершенно не затрагивая таких важных сторон, как юридическая и экономическая. Вне всякого сомнения, новые задачи встают перед метрологией с принятием Федерального закона «О техническом регулировании» №184-ФЗ, введенного с 1 июля 2003 г.
    В октябре 1999 г. на 88-м заседании Международного комитета мер и весов (МКМВ) в ознаменование 125-й годовщины подписания Метрической конвенции (20 мая 1875 г.) принято решение об учреждении 20 мая Всемирного дня метролога.

11

Глава 1



            МЕТРОЛОГИЯ МИРОЗДАНИЯ И ДУХА


^


   К словам об измерениях, вынесенных в эпиграф введения, следует добавить высказывания великих ученых об измерениях: «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять» (Д.И. Менделеев), «Каждая вещь известна лишь в той степени, в какой ее можно измерить» (Д. Томсон).
   Метрология — это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. В переводе с древнегреческого слово «метрология» означает «учение о мерах» (метр — мера, логос — слово, учение, наука). Симптоматично, что в книге книг — Библии «Логос» означает проявление жизни, которому подчинены и за которым следуют дела. Апостолы, ученики Иисуса Христа, называют себя служителями Слова, т.е. Логоса. Вся Библия пронизана метрологическими понятиями. В Ветхом Завете сказано: «Ты, Господи, все в меру и число и превес устроил». Конечно, это устроение для каждого человека разное и зависит от самого субъекта.
   Как сказано в Библии, «нечестивые могли бы погибнуть от одного дуновения, но Бог все расположил мерою, числом и весом». В этом и состоит библейская метрология духа: каждому будет отмерено его (т.е. получит свое) по заслугам, но не все сразу, заблудшим есть возможность и одуматься, исправиться.
   Обращение Библии к мере и числу не случайно. Числа — символ гармонии и порядка, в противовес хаосу. Числа в Библии — элементы особого числового кода, с помощью которого описываются Вселенная, человек и система мироздания. Понятие числа в древности было неотделимо от понятия измерения.
   Библейская наука о числах есть таинственный код, с помощью которого великие пророки хотели скрыть Высший смысл мироздания от непосвященных. Числовая символика Библии таит в себе


12