Исторические этапы развития метрологии

Весь путь метрологии зависел от развития и становления естественных наук, главным образом, физики, химии, астрономии, геологии. Как и любая наука, метрология возникла в период Эпохи Просвещения (XVII-XVIII в. в.), а точнее, датой рождения метрологии можно считать 26 марта 1791 г., когда Учредительное собрание Франции утвердило предложения Парижской академии наук по унификации единиц ФВ для создания метрической системы мер. Эта система строилась на основе естественной единицы – метра, равного одной сорокамиллионной части меридиана, проходящего через Париж. За единицу массы принимался килограмм – масса кубического дециметра чистой воды при температуре +4 ˚С.

После введения метрической системы мер появилась производная единица удельного веса (плотности) – килограмм на кубический дециметр – единица, совпадающая с относительным удельным весом или относительной плотностью (по отношению к удельному весу или к удельной плотности воды).

Следующим шагом можно считать введение в теории теплопроводности Ж. Фурье (1820 г.) системы тепловых единиц. В этой в качестве основных единиц были приняты единицы длины, времени и температуры, а в качестве производных – объемная теплоемкость и внутренняя и внешняя теплопроводности.

Более обобщенная система единиц была создана К. Ф. Гауссом (1832 г.). Приняв в качестве основных единиц длины (миллиметр), массы (миллиграмм) и времени (секунда), Гаусс создал «абсолютную систему единиц», в которую наряду с единицами механических величин входили единицы всех электрических и магнитных величин, которые в то время фигурировали в физике.

Позднее название «абсолютная система единиц» потеряло однозначность. Иногда его применяли по отношению к системам, построенным на вполне определенных единицах длины, массы и времени (сантиметр, грамм, секунда), иногда, наоборот, придавали ему более широкий смысл, считая абсолютной любу. систему, имеющую некоторое ограниченное число основных единиц и включающую в себя в качестве производных все остальные единицы из области геометрии, механики, электричества и электромагнетизма. В настоящее время уже совсем не пользуются понятием «абсолютная система», тем более, что нет никакого критерия, который позволил бы, исходя из принципиальных соображений, отдать предпочтение какой-либо определенной системе и присвоить ей столь обязывающее название.

Предложение Гаусса построить систему единиц, используя три основные единицы – длины, массы и времени, было принято в физике с той лишь разницей, что основной единицей длины вместо миллиметра был взят сантиметр, а вместо миллиграмма – грамм. На этих трех единицах была построена система, обозначаемая СГС (CGS). В то же время, также на трех основных единицах, была построена техническая система (МКГСС), в которой в качестве единицы длины был принят метр, а вместо единицы массы была принята единица силы – килограмм-сила (кгс). За единицу времени, как и в СГС, была принята секунда.

Система СГС охватывала механические, электрические и магнитные измерения, причем произошло ее разделение на электростатическую (СГСЭ) и электромагнитную (СГСМ) системы. В первой за основу принималось взаимодействие электрических зарядов, а во второй – взаимодействие «магнитных масс». Впоследствии оказалось целесообразным принять такой вариант системы, в которой величины, относящиеся к электростатическим явлениям, и величины, связанные с происхождением тока (сила тока, сопротивление), измеряются электростатическими единицами, а относящиеся к магнитным явлениям – электромагнитными. Эта система получила название симметричной, или гауссовой, системы и обозначает СГС.

В МКГСС входили единицы только геометрических и механических величин, причем единица такой важной величины, как масса, не имела специального названия. Обычно эту единицу обозначали т.е.м. (техническая единица массы). В настоящее время в связи с ликвидацией МКГСС, этот вопрос отпал.

В то же время в России в 1835 г. был издан указ «О системе Российских мер и весов», в котором были утверждены эталоны длины (платиновая сажень) и массы (платиновый фунт). В 1842 г. на территории Петропавловской крепости в Санкт-Петербурге, в специально построенном здании открылось первое метрологическое учреждение России – Депо образцовых мер и весов, где хранились эталоны и их копии, изготавливались образцовые меры для передачи в другие города, проводились сличения российских мер с иностранными. Депо регламентировалось «Положением о мерах и весах». Таким образом, появился государственный подход к обеспечению единства измерений в стране. В 1848 г. вышла первая книга по метрологии – «Общая метрология», написанная Ф. И. Петрушевским, в которой были описаны меры и денежные знаки различных стран. Позднее, в 1893 г. на базе Депо образования мер и весов была утверждена Главная палата мер и весов, управляющим которой до последних дней жизни был Д. И. Менделеев. Она стала одним из первых в мире научно-исследовательских учреждений метрологического профиля. В настоящее время это Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д. И. Менделеева (ВНИИМ).

В 1875 г. семнадцать государств, в том числе и Россия, на дипломатической конференции подписали Метрическую конвенцию, к которой в настоящее время примкнуло 41 государство. Согласно данному документу устанавливается международное сотрудничество подписавших ее стран. Для этого было создано Международное бюро мер и весов (МБМВ), находящееся в г. Севре близ Парижа. В нем хранятся международные прототипы ряда мер и эталоны единиц некоторых ФВ. Для руководства деятельностью МБМВ был учрежден Международный комитет мер и весов (МКМВ), в который вошли ученые из различный стран. Сейчас при МКМВ действуют семь консультативных комитетов: по единицам, определению метра, секунды, термометрии, электричеству, фотометрии и по эталонам для измерения ионизирующих излучений.

Далее, в 1881 г. Первый международный конгресс электриков установил «абсолютную практическую систему электрических единиц». Эта система была построена на основе принятой конгрессом системы СГСМ умножением единиц последней на различные степени числа 10. Таким образом, были установлены единицы следующих величин: электродвижущей силы – 10 ⁸ единиц СГСМ, силы тока – 0,1 единицы СГСМ, сопротивления – 10 ⁹ единиц СГСМ и электроемкости – 10 ^-9 единицы СГСМ. Этим единицам были присвоены названия: вольт (В), ампер (А), Ом (Ом), фарада (Ф). В 1889 г. к ним были добавлены: единица мощности ватт (Вт) – 10 ⁷ единиц СГС (эргов в секунду) и единица работы джоуль (Дж) – 10⁷ единиц СГС (эргов). Ватт определялся как мощность, соответствующая току силой один ампер при напряжении один вольт, а джоуль – как работа в течение одной секунды при мощности один ватт. Так как ватт и джоуль применялись исключительно в электротехнике, то их часто называли «единица электрической мощности» и «единица электрической работы».

Практическая система быстро получила всеобщее распространение, и все электротехнические измерения и расчеты производились в этой системе. Однако система имела существенный недостаток, заключавшийся в том, что в ней отсутствовала единица силы, вследствие чего не было возможности использовать ее для вычисления механических сил при взаимодействии зарядов и токов.

В 1901 г. итальянский инженер Джорджи предложил сделать практическую систему ФВ универсальной, т.е. охватить все измерения в механике, электричестве и электромагнетизме. Поскольку в систему следовало включить уже распространенные практические единицы, следовало одну из них сделать основной. По вопросу о выборе единицы, которая должна была стать основной, на протяжении многих лет шли дискуссии. Предлагались единицы следующих величин: силы тока, разности потенциалов, сопротивления, электрической емкости, индуктивности, магнитного потока, магнитной проницаемости.

После ряда дискуссий, исходя из метрологических соображений, за основную единицу была выбрана единица силы тока ампер. На IX Генеральной конференции по мерам и весам (1948 г.) единица силы тока получила следующее определение: ампер равен силе неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 метра один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 метр силу взаимодействия, равную 2∙10 ^-7 ньютонов.

Вначале система, построенная на основных единицах метре, килограмме, секунде и ампере, ограничивалась, подобно СГС, только геометрическими, механическими, электрическими и электромагнитными измерениями. Для обозначения этой системы в разное время применялись символы МКСМ и МКСА.

В России до 1918 года метрическая система мер и весов внедрялась факультативно, наряду со старой русской и английской (дюймовой) системами. Полностью на метрическую систему в России перешли к 1927 г. После 1945 г. и до настоящего времени метрологическая работа в нашей стране проводится под руководством Государственного комитета по стандартам (Госстандарт).

Важный шаг в развитии систем единиц был сделан созданием в 1960 г. Международной системы единиц, обозначаемой SI или СИ. Решениями XIII и XVI Генеральных конференций по мерам и весам (1967 и 1979 г. г.) в систему были включены единицы температуры и сила света. В качестве первой был установлен кельвин, единица силы света – кандела.

Решением XIV Генеральной конференции по мерам и весам (1971 г.) в число основных единиц Международной системы была включена еще одна основная единица. Ею стала единица количества вещества – моль.

В 1961 г. Международная система единиц была определена в СССР «как предпочтительная во всех областях науки, техники и народного хозяйства, а также при преподавании» (ГОСТ 9867-61). В 1978 г. был введен стандарт Совета Экономической Взаимопомощи, который в 1981 г. был принят за основу стандарта СССР (ГОСТ 8.417 – 81). Этим стандартом определены основные и наиболее употребительные производные единицы Международной системы, единицы, допускаемые к применению наравне с единицами СИ, единицы, временно допускаемые, и единицы, подлежащие изъятию в сроки, устанавливаемые специальными соглашениями. В этом же стандарте определяются области, на которые стандарт не распространяется. К ним в первую очередь относятся единицы, применяемые при научных исследованиях теоретического характера.

Применение метрической системы мер сыграло выдающуюся роль не только в установлении единства измерений между странами, но и способствовало становлению и развитию национальных метрологических центров и метрологии в целом как науки.

Целью функционирования Международной организации мер и весов в настоящее время является обеспечение единства измерений на основе применения, распространения и совершенствования Международной системы единиц (СИ).

Кроме данной организации к международным метрологическим организациям относится и Международная организация законодательной метрологии (МОЗМ), образованная в 1956 г. При МОЗМ в Париже работает Международное бюро законодательной метрологии. Его деятельностью руководит Международный комитет законодательной метрологии. Законодательная метрология способствует развитию международных экономических и торговых связей и содействует взаимопониманию в международном метрологическом сотрудничестве.

Некоторые вопросы метрологии решает Международная организация по стандартизации (ИСО), целью которой является достижение оптимального упорядочения в определенной области стандартизации и внедрение этого решения для большинства предприятий.