Historie metrologie soustava měrových jednotek Galileo Galilei kvantifikace fyzikálních veličin přírodní konstanty celistvých mocnin deseti

Transkript

1 Historie metrologie Spolu s dávným rozvojem lidské společnosti nastávala dělba práce a nutnost směnného obchodu. Proto byly pro vyjádření velikosti nebo množství nepočitatelného zboží zavedeny váhy a míry, tedy metrologické prostředky, pokrývající lidskou potřebu. Měření se rozvíjelo již u starověkých kulturních národů. Měření jako určitá nadstavba společnosti bylo umožněno určitým rozvojem společnosti a ve zpětné vazbě potom zase rozvoj společnosti iniciovalo a umožňovalo. Nutno jmenovat zemědělské kultury Babyloňany a Egypťany. Zde byla potřeba měření délky a plochy pro výměru polí a staveb (zavodňovacích a chrámových), hmotnosti zboží pro směnu a času pro předpověď periodicity zemědělských prací a záplav, neboť tyto starověké kultury se pravidelně rozvíjely na březích velkých řek. Od Babyloňanů máme šedesátinné dělení, které nyní ještě používáme u času a úhlu. Babyloňané první používali etalonů, jak plyne z archeologických nálezů. Od Egypťanů převzali metrologické poznatky Řekové a Římané. Rozvíjelo se měření délek, objemu a vážení, tedy veličiny vázané na obchod. Některé tehdejší jednotky se dochovaly v angloamerické měrové soustavě (stopa, libra, unce). Ve středověku vládl v jednotkách a mírách chaos. Jejich definice byly nedokonalé, míry byly časově nestálé a regionálně nejednotné, lišily se dokonce i podle měřeného zboží. Měrové jednotky přicházely do užívání podle toho, jak postupovalo lidské poznání a potřeba. Jednotky byly voleny dosti nahodile, bez ohledu na vzájemné souvislosti s jinými jednotkami. Proto soubor jednotek neměl charakter soustavy s vnitřními vazbami. Ukázalo se, že některé veličiny jsou nezávislé na ostatních, mohou být tedy považovány za základní, jiné veličiny jsou naopak z nich odvozené. Protože vše probíhá v prostoru a v čase, považují se délky a čas za základní veličiny. Určitá nezávislost hmotnosti na rozměrech těles vedla k zavedení hmotnosti jako další základní veličiny. Místo hmotnosti bylo možno považovat za základní veličinu i sílu. Z těchto základních veličin se může vybudovat soustava měrových jednotek. Dalším stupněm zavedení metrologie je její aplikace v oborech rozšiřujících lidské poznání. Galileo Galilei (1610): Měřit vše co je měřitelné, a co není měřitelné měřitelným učinit. Toto je požadavek kvantifikace fyzikálních veličin, zavedení matematiky do jiných oborů, zde do fyziky a vyjádření vztahů mezi veličinami na matematickém (kvantitativním) základě. Tento princip vedl k rozvoji přírodních věd a později i techniky. Galilei studoval pád těles a matematicky formuloval pohybové zákony. Sestrojil první teploměr (spíše indikátor teploty). Zmatek v jednotkách a mírách brzdil rozvoj řemesel a obchodu. Proto se pravidelně objevovaly snahy o zavedení měrového pořádku. Tyto snahy se nejvíce prosadily ve Francii, která byly na vrcholu hospodářského a společenského rozvoje. Roku 1790 pověřilo francouzské Národní shromáždění francouzskou Akademii věd vypracováním návrhu jednotné měrové soustavy. Významným přínosem byly zásady na nichž bylo vybudování měrové soustavy založeno: opřít základní jednotky o přírodní veličiny, které se časem nemění, tedy o přírodní konstanty. Ostatní jednotky by se pak odvodily z těchto základních jednotek. Násobné a dílčí jednotky by se pak tvořily pomocí celistvých mocnin deseti. Tento návrh se nazýval desetinná metrická soustava. Za metr byla považována 10-7 část zemského kvadrantu. Byly přijaty předpony kilo-, hekto-, deka-, deci, centi- a mili-. Jednotka hmotnosti kilogram byla odvozena od hmotnosti 1 dm -3 vody při teplotě tání ledu a použitím redukce vážení na vakuum. Desetinná metrická soustava byla ve Francii legálně přijata v roce Podle provedených měření realizoval Lenor platinové ( a železné) etalony jako prototypy jednotek délky a hmotnosti. Etalonem metru byla tyč 4x25 mm, jejíž konce byly vzdáleny 1 m při 1

2 teplotě tání ledu, etalonem kilogramu byl válec o výšce a průměru 39 mm. Oba prototypy byly uloženy ve státním archivu. Archivováním prototypů a jejich uzákoněním byla opuštěna původní myšlenka využití přírodních konstant. Postupné zdokonalování měřicích přístrojů odkrylo chyby archivovaných prototypů vzhledem k původním definicím. Pokud by se měly zachovat původní definice, musely by být zhotoveny přesnější prototypy, opravit všechny míry a měřidla a přepočítat dosavadní měření, což bylo nemožné. Proto byly změněny definice metru a kilogramu ve prospěch prototypů a opustila se jinak pokroková zásada využití přírodních konstant. I jiné státy brzy shledaly výhody metrického systému spočívající v jednoduchosti a v logické výstavbě. Roku 1875 podepsalo 18 států Metrickou konvenci, tj. zavedení metrických jednotek do svých národních hospodářství. Mezi státy bylo i bývalé Rakousko-Uhersko i USA. V roce 1922 se stalo členem Metrické konvence i československo. Česká republika pak po svém vzniku v roce Vlastní text Metrické konvence (dohody o metru) se týkal kromě zavedení délkové míry a jejich dekadických násobků a dílů zejména: vytvoření Mezinárodního úřadu pro míry a váhy (BIPM) jako stálého společně dotovaného vědeckého pracoviště specializovaného na otázky měr (zde ve smyslu jednotek spolu s jejich realizacemi etalony), se sídlem v Paříži, poskytnutí vhodné budovy pro tento Úřad francouzskou vládou, otázky vedení, organizace a podřízenosti Úřadu a dohledu nad ním, organizačních zásad Konferencí a Výboru, hlavních úkolů Úřadu zejména uchovávání prototypů metru a kilogramu, porovnávání nových prototypů v mezinárodním měřítku, porovnávání s etalony starých měr apod., hospodářské zajištění orgánů Metrické konvence. Pro dostání svému závazku byly zřizovány v oblasti státní správy regionální laboratoře a ústavy, které plnily úkoly v oblasti výkonné a legální metrologie. Rostoucí nároky na metrologické zabezpečení si vyžádaly postupní zřizování centrálních úřadů a laboratoří. Spolu s Metrickou konvencí byly založeny její další organizační složky: Generální konference pro míry a váhy (CGPM), Mezinárodní výbor pro míry a váhy (CIPM) a Mezinárodní úřad pro míry a váhy (BIPM) jako stálá vědecká instituce. Tím bylo umožněno zahájení vědeckých prací na vypracování nových prototypů metru a kilogramu. Prototypy byly zhotoveny z materiálu, který se jevil jako nejstálejší, ze slitiny 2

3 90 % platiny a 10 % iridia. Mezinárodní prototyp kilogramu si zachoval stejný tvar jako archivní kilogram, tvar mezinárodního metru se změnil. Přešlo se na míru tvořenou ryskami a profil prototypu byl ve tvaru písmene X. Ze čtyřiceti vyrobených prototypů byl jeden vybrán jako mezinárodní prototyp. Další byly přiděleny členským zemím metrické konvence. Od konce 19. století se pozornost metrologických prací soustředila na další veličiny jako teplota a tlak. Úsilí o mezinárodní sjednocení a upřesnění se rozšířilo na veličiny v oblasti elektřiny, magnetismu a záření. Vývoj elektrických a magnetických jednotek byl složitý. Asi do poloviny 19. století se užívalo pro tyto veličiny řady různých jednotek. K vybudování jednotné soustavy přispěla komise jmenovaná britskou asociací pro rozvoj věd, kde pracovala řada odborníků. Na doporučení této komise byla přijata soustava typu LMT (tj. délka, hmotnost, čas). První elektrotechnický kongres v Paříži roku 1881 rozhodl zavést soustavu CGS (cm, g, s), zvanou též absolutní. Tato soustava se v oblasti elektřiny rozšířila do tří variant. Brzy se však ukázalo, že většina elektrických a magnetických jednotek měla nevhodnou velikost. Proto byly postupně zaváděny tzv. praktické jednotky s názvy vycházejícími ze jmen význačných badatelů, jako ohm, volt, ampér, coulomb, farad, henry, joule, watt, gauss, oersted, tesla, maxwell a weber. Tyto praktické jednotky byly definovány jako vhodné dekadické násobky nebo díly jednotek CGS. Realizace těchto praktických jednotek elektrických a magnetických veličin na základě definičního vztahu k jednotkám CGS byla obtížná a nepřesná. Proto byly čtvrtým mezinárodním kongresem roku 1893 v Chicagu stanoveny experimentální způsoby realizace ohmu, ampéru a voltu. Těmito primárními etalony definované jednotky dostaly název internacionální, stejně jako jednotky z nich odvozené. Internacionální ohm byl realizován jako odpor rtuťového sloupce, internacionální ampér byl realizován jako proud, který za sekundu vyloučí určité množství stříbra z roztoku dusičnanu stříbrného a internacionální volt byl posléze realizován Šestinovým článkem. Důvodem pro zavedení internacionálních jednotek byla předpokládaná možnost realizace primárních etalonů v každé dobře vybavené laboratoři, což s absolutními jednotkami nebylo možné. Později se ukázalo, že zavedené definice internacionálních jednotek nezaručují dostatečnou přesnost a stálost, zatímco přesnost absolutních jednotek se neustále zvyšovala. V roce 1933 bylo dohodnuto, že se přejde od internacionálních jednotek zpět k absolutním jednotkám, což vyžadovalo rozsáhlé experimentální práce, pro stanovení převodních součinitelů mezi těmito jednotkami. Tyto práce a příslušná jednání byly přerušeny válkou, takže byly ukončeny teprve v roce V roce 1933 bylo také dohodnuto přejít od soustavy CGS k soustavě MKS (m, kg, s). Rozhodnutím z roku 1954 byla přidána čtvrtá základní jednotka ampér, tato soustava dostala název MKSA. Po doplnění dalšími základními jednotkami (kelvinem pro teplotní rozdíl, kandelou pro svítivost) byla tato měrová soustava označena Mezinárodní měrová soustava SI. V roce 1960 byla doporučena jako celosvětová měrová soustava. V ČSSR byla uzákoněna zákonem č. 35/1962 Sb. A byla rozpracována v normě ČSN a dalších. V roce 1974 byla přidána do soustavy SI poslední, sedmá základní jednotka pro látkové množství, mol. Tato měrová soustava platí dodnes. V soustavě SI byla provedena racionalizace, výhodná pro elektrotechniku. V některých obecných rovnicích se vyskytují činitelé 4π a 2π. Bylo dosaženo, že tito činitelé se vyskytují jen v malém počtu vztahů a to v těch, kde je jejich existence oprávněna teoreticky. Činitel 4π je oprávněn ve vztazích, které vyjadřují veličiny s kulovou symetrií, činitel 2π je obdobně oprávněn ve vztazích vyjadřujících veličiny s kruhovou symetrií. V roce 2008 bylo v Metrické konvenci 78 států buď v řádném nebo přidruženém členství. Velká Británie přistoupila v této konvenci asi před 15 lety, Spojené státy sice 3

4 podepsaly Metrickou konvenci v době jejího vzniku, ale zavedení této konvence se předpokládá teprve v budoucnosti. Od začátku druhé poloviny minulého století se začíná prosazovat v metrologii nový směr, spojování atomistiky, elektroniky, optiky a mechaniky s cílem dosáhnout přesnější definice a realizace jednotek základních veličin. Na kvantový základ tak byly převedeny jednotky délky a času, také jednotky elektrického napětí a odporu. Převedení dalších fyzikálních veličin na kvantový základ je předmětem intenzivního mezinárodního výzkumu. Vývoj metrologie na území České republiky Z historie vyplývá, že vždy, kdy na území Čech, Moravy a Slezska docházelo k hospodářskému rozkvětu, byla otázce měr a vah věnována vždy patřičná pozornost. Měřených veličin bylo ovšem velmi málo a zvláště sledovanou aplikační sférou byl obchod, pozemkové vlastnictví a zemědělství. Dohled nad mírou a váhou byl decentralizovaný, základním normativem byl panovníkův výnos. V obcích se o to starali rychtáři, kteří pro vyměřování pozemků využívali služeb tzv. měřičů (dnešních geodetů), často povolávaných ze zahraničí. První historicky známý výnos o metrologii na našem území je z roku 1268 a pochází od Přemysla Otakara II. Zavedl délkovou jednotku pražský loket a vydal nařízení o mírách a váhách, nařídil obnovit míry a váhy a označit je svým znakem. Císař Karel IV se také zabýval úpravou měrového pořádku a snahou rozšířit pražské míry do celého království. V 17. i v 18. století byly vydávány knihy o měření, týkaly se převážně měření ploch pozemků. Později byla vydávána celá řada usnesení zemských sněmů s cílem sjednocení regionálně a komoditně roztříštěných jednotek. Tyto snahy a činnosti pokračovaly se střídavými úspěchy s císařskými patenty za vlády Habsburků. Teprve v 19. století je při postupném prosazování metrické soustavy věnována organizaci metrologie soustavnější pozornost. Protože společenský význam měření s projevoval především v obchodě, staralo se o tyto záležitosti v bývalém Rakousko-Uhersku ministerstvo obchodu, jak je tomu dosud v řadě západních zemí. Metrická soustava byla zavedena již v roce 1871 (RGB), tedy před Metrickou konvencí, kdy byly zavedeny dvě základní jednotky, metr a kilogram. Ministerstvo obchodu vydalo v roce 1872 cejchovní řád a v roce 1875 zřídilo Normální cejchovní komisi a vydalo zákon zabývající se měřením. Tehdy vzniklé normativy zůstaly v platnosti velmi dlouho, obsahem se nezměnily ani po vzniku čsl. Státu a některé byly zrušeny až při vydání zákona o měrové službě č. 35/1962 Sb. Po vzniku samostatného čsl. státu byl nově vytvořen Ústřední inspektorát pro službu cejchovní se sídlem v Praze, vládním nařízením byly v roce 1919 zřízeny tři cejchovní inspektoráty a vlastní cejchovní úřady zůstaly v sídlech okresních politických správ. Do vytvoření krajského zřízení na počátku padesátých let bylo těchto okresních úřadů 107, vybavení a počet pracovníků byly většinou velmi skromné. Krajská metrologická pracoviště, ustavená po vytvoření krajského zřízení, přežívají dodnes, jen jejich názvy se časem změnily. Až do roku 1981 byly tato pracoviště součástí ÚNM. Potom byla přičleněna k Československému metrologickému ústavu (ČSMÚ), protože tehdejší SKVT (Státní komise pro vědu a techniku) nesouhlasila s vytvořením samostatného pracoviště pro výkonnou metrologii. Při tomto zásahu bylo přeneseno vedení odboru výkonné metrologie do Brna. V padesátých letech byl vytvořen Úřad pro míry, váhy a drahé kovy řízený ministerstvem financí. Ten řídil cejchovní službu a vydával potřebné normativy. V roce 1959 byl tento úřad zrušen a přidělen k Úřadu pro normalizaci a problematika drahých kovů přešla k ministerstvu hutnictví. Protože měrové laboratoře u ústředí Úřadu již v roce 1962 kapacitně nestačily, bylo rozhodnuto vytvořit rozšíření pracoviště jako novou samostatnou organizaci. 4

5 Tak od roku 1966 počal pracovat Státní metrologický ústav v Praze, jehož vy\tvoření bylo podmíněno přenesením jeho centra do Bratislavy od roku Přitom měla zůstat v Praze pobočka s delimitovanou náplní. Pobočka byla v roce 1969 zrušena, v roce 1989 nebyla obnovena a dokonce byl záměr i po této pobočce zbylá pracoviště zlikvidovat. Po přenesení sídla metrologického ústavu do Bratislavy musela být předána většina technického vybavení včetně státních prototypů metru a kilogramu. V roce 1990 byl z Československého metrologického ústavu Bratislava vyčleněn úsek výkonné metrologie a zřízen Státní metrologický inspektorát s ředitelstvím v Brně a jednotlivými územními pracovišti v Praze, Českých Budějovicích, Plzni, Liberci, Pardubicích, Brně a Opavě. Již od vzniku Československého metrologického ústavu v Bratislavě se charakter jeho prací postupně přesouval od prací vývojových směrem k základnímu výzkumu. Tento ústav byl podřízen Federálnímu úřadu pro normalizaci a měření, který plnil celostátně funkci na úseku legální metrologie. Dnes tuto funkci plní Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví v Praze, který je podřízen Ministerstvu průmyslu a obchodu. Československý metrologický ústav spolupracoval s pracovišti ČSAV, SAV, vysokými školami, ústavy a podniky při plnění úloh státní metrologie. Spolu výkonnou metrologií odpovídal za jednotnost a správnost měření v celém státě. Ústav spolupracoval na úkolech OIML. Dnes jeho funkci v České republice plní Český metrologický institut se sídlem v Brně. Literatura: Šindelář V.: Od pravěku k metrické soustavě, Metrologie (1995), s. 5. Z HISTORIE METROLOGIE V ČESKÉM STÁTĚ ~1100 nejstarší zmínky o měření pocházejí už z Kosmovy Kroniky České 1268 nařízení krále Přemysla Otakara II. o tzv. obnovení měr a vah, tzv. královské míry 1358 Karel IV. - úprava měr, praktické rozšíření měr pražských 1549 usnesení sněmu, sjednocení délkových, objemových měr a vah - cejchování, zavedení sankcí 1554 odvolání usnesení z r pro obtíže s jeho prosazením, obvyklé při středověkém roztříštěnosti správy a hospodářství 1607 další sněmovní usnesení 1614 opakovaně další usnesení sněmu o sjednocení jednotek 1617 "Knížka o měrách zemských" Šimona Podolského z Podolí 1644 císařský patent, shrnující a opakující dřívější nařízení 1705 měřičský spis Ondřeje Bernarda Klausera, definice jednotek 1765 císařským patentem zavedeny dolnorakouské míry a váhy 1787 znovu formálně dovoleno používat i staré jednotky 1872 zákon č. 16/1872 ř.z., jímž se vydával nový řád měr a vah (novelizován 1876, 1884, 1893) 1872 cejchovní řád č. 171/1872 ř.z. (novelizován 1919, 1940) 1875 Rakousko přistoupilo k Metrické konvenci 1918 Československý ústřední inspektorát pro službu cejchovní 1922 Československo přistoupilo k Metrické konvenci 1955 zřízen Státní úřad pro míry, váhy a drahé kovy 1959 zřízen Úřad pro normalizaci 1962 zřízen Úřad pro normalizaci a měření 1962 Zákon č. 35/1962 Sb. o měrové službě 5

6 1963 ČSN Zákonné měrové jednotky /1963 Sb. Vyhláška Úřadu pro normalizaci a měření o zajišťování správnosti měřidel a měření 1966 zřízen Metrologický ústav v Praze 1967 Vyhláška ÚNM č. 102/1967 Sb., kterou se mění a doplňuje vyhláška č. 61/1963 Sb. o zajišťování správnosti měřidel a měření 1968 zřízen Československý metrologický ústav v Bratislavě s pobočkou v Praze (delimitace MÚ) 1975 novelizace Zákona o měrové službě č. 57/1975 Sb Vyhláška o stanovených měřidlech č. 59/1979 Sb od 1. ledna zavedena soustava jednotek SI 1990 Zákon o metrologii č. 505/1990 Sb zřízení Státního metrologického inspektorátu 1993 zákon č. 20/1993 Sb. o zabezpečení výkonu státní správy v oblasti technické normalizace, metrologie a zkušebnictví 1993 zřízení Úřadu pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví 1993 zřízení Českého metrologického institutu 6