Эталоны единиц физических величин

По определению, единство измерений – состояние измерений, характеризующееся тем, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам единиц, воспроизводимых первичными эталонами, а погрешности результатов измерений известны и с заданной вероятностью не выходят за установленные пределы. Единство измерений достигается путем точного воспроизведения и хранения установленных единиц величин и передачи их размеров применяемым средствам измерений.

Совокупность операций по материализации единицы физической величины с помощью государственного первичного эталона называют воспроизведением единицы физической величины. Различают воспроизведение основных и производных единиц. Воспроизведение основной единицы – воспроизведение единицы путем создания фиксированной по размеру физической величины в соответствии с определением единицы. Например, воспроизведение единицы длины - метра - в соответствии с его определением, принятым на XVII ГКМВ в 1983 г., заключается в создании при помощи первичного эталона в специальных условиях длины пути, проходимого светом в вакууме за промежуток времени, равный 1/299792458 с. При этом скорость света в вакууме принята за константу (299792458 м/с). 2 Единица массы – 1 кг (точно) – воспроизведена в виде платино-иридиевой гири, хранимой в МБМВ в качестве международного эталона килограмма. Розданные другим странам эталоны имеют номинальное значение 1 кг, их действительные значения получены по отношению к международному эталону. На основании последних международных сличений платино-иридиевая гиря, входящая в состав государственного эталона единицы массы, в России имела значение 1,000000087 кг (1979 г.). Воспроизведение производной единицы – определение значения физической величины в указанных единицах на основании измерений других величин, функционально связанных с измеряемой величиной. Например, воспроизведение единицы силы - ньютона - осуществляется на основании известного уравнения механики F = mg, где m – масса, g – ускорение свободного падения.

Передача размера единицы – приведение размера единицы физической величины, хранимой поверяемым средством измерений, к размеру единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном, осуществляемое при их поверке (калибровке). Нередко при поверке (калибровке) измеряют одну и ту же физическую величину поверяемым средством измерения и эталоном с целью установления разности в их показаниях и введения поправки (в показание поверяемого средства измерений). Размер единицы передается «сверху вниз» в соответствии с числом ступеней передачи, установленным поверочной схемой. Например, на основании сопоставления показаний высокоточного угломерного прибора с показаниями эталона вводят поправки в каждое оцифрованное деление поверяемого прибора. Передача размеров единиц от эталонов производят в соответствии с поверочными схемами, представляющими собой нормативные документы, устанавливающие соподчинение средств измерений, участвующих в передаче размера единицы от эталона рабочим средствам измерений (с указанием методов и погрешности при передаче). Различают государственные и локальные поверочные схемы. Государственная поверочная схема – поверочная схема, распространяющаяся на все средства измерений данной физической величины, имеющиеся в стране. Локальная поверочная схема – поверочная схема, распространяющаяся на средства измерений данной физической величины, применяемые в регионе, отрасли, ведомстве или на отдельном предприятии (в организации).

Хранение единицы – совокупность операций, обеспечивающих неизменность во времени размера единицы, присущего данному средству измерений.

Воспроизведение, хранение и передачу размеров единиц осуществляют с помощью эталонов [16[18] ]. Следовательно, высшим звеном в метрологической цепи передачи размеров единиц измерений являются эталоны.

Эталоном называется средство измерений (или комплекс средств измерений), предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке. Конструкция эталона, его свойства и способ воспроизведения единицы определяются природой данной физической величины и уровнем развития измерительной техники в данной области измерений. Эталон должен обладать, по крайней мере, тремя тесно связанными друг с другом существенными признаками (по М.Ф. Маликову):

· неизменность — свойство эталона удерживать неизменным размер воспроизводимой им единицы в течение длительного интервала времени, а все изменения, зависящие от внешних условий, должны быть строго определенными функциями величин, доступных точному измерению. Реализация этих требований привела к идее создания «естественных эталонов» различных величин, основанных на естественных физических постоянных;

· воспроизводимость — возможность воспроизведения единицы величины (на основе ее теоретического определения) с наименьшей погрешностью для данного уровня развитая измерительной техники. Это достигается путем постоянного исследования эталона в целях определения систематических погрешностей и их исключения введением соответствующих поправок;

· сличаемость — возможность обеспечения сличения с эталоном других средств измерения, нижестоящих по поверочной схеме, и в первую очередь вторичных эталонов с наивысшей точностью для данного уровня развитая техники измерения. Это свойство предполагает, что эталоны по своему устройству и действию не вносят каких-либо искажений в результаты сличений и сами не претерпевают изменений при проведении сличений.

Различают первичный и вторичный эталоны.

Первичный эталон – эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же единицы) точностью. В случае, когда одним первичным эталоном технически нецелесообразно обслуживать весь диапазон измеряемой величины, создают несколько первичных эталонов, охватывающих части этого диапазона с таким расчетом, чтобы был охвачен весь диапазон. В этом случае проводят согласование размеров единиц, воспроизводимых «соседними» первичными эталонами. Первичные эталоны, в зависимости от условий воспроизведения единицы могут иметь разновидность «специальные эталоны» [17[19] ], которые воспроизводят единицы в условиях, в которых прямая передача размера единицы от первичного эталона с требуемой точностью технически неосуществима (высокие и сверхвысокие частоты, малые и большие значения энергии, давления или температуры, особые состояния веществ и т.п.).

Для каждого учреждения (предприятие, организация, лаборатория и т.п.) имеется эталон, обладающий наивысшими метрологическими свойствами (в данной лаборатории, организации, на предприятии), от которого передают размер единицы подчиненным эталонам и имеющимся средствам измерений – исходный эталон. Исходным эталоном в стране служит первичный эталон, исходным эталоном для республики, региона, министерства (ведомства) или предприятия может быть вторичный или рабочий эталон. Вторичный или рабочий эталон, являющийся исходным эталоном для министерства (ведомства) нередко называют ведомственным эталоном. Эталоны, стоящие в поверочной схеме ниже исходного эталона, обычно называют подчиненными эталонами. Подчиненные эталоны используются для предохранения исходного эталона от преждевременного износа, обеспечения сличений эталонов, а также для контроля за неизменностью единицы, воспроизводимой исходным эталоном.

Первичные и специальные эталоны являются исходными для страны и их утверждают в качестве государственных эталонов. Государственный первичный эталон – первичный эталон, признанный решением уполномоченного на то государственного органа в качестве исходного на территории государства. Например, государственные эталоны метра, килограмма, секунды, ампера, кельвина, канделы, ньютона, паскаля, вольта, беккереля.

Вторичный эталон – эталон, получающий размер единицы непосредственно от первичного эталона данной единицы. Вторичные эталоны создают и утверждают в случае необходимости организации поверочных работ и предохранения государственного эталона от излишнего износа. Действительное значение величины, воспроизводимой вторичным эталоном (действительное значение эталона), устанавливается по результатам его сличения с соответствующим государственным эталоном. По метрологическому назначению вторичные эталоны делятся на эталоны-копии и эталоны сравнения.

Эталон-копию применяют вместо государственного эталона для хранения единицы и передачи ее размера рабочим эталонам. Он не всегда является физической копией государственного эталона, а применяется в качестве копии по метрологическому назначению. В качестве примера вторичного эталона можно привести эталон-копию единицы массы (килограмма) в виде платиновой гири № 26 и рабочий эталон килограмма, изготовленный из коррозионно-стойкой стали. Эталон сравнения – эталон, применяемый для сличений эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличены друг с другом. Рабочий эталон – эталон, предназначенный для передачи размера единицы рабочим средствам измерений. Термин рабочий эталон заменил собой термин образцовое средство измерений (ОСИ), что сделано в целях упорядочения терминологии и приближения ее к международной. При необходимости рабочие эталоны подразделяют на разряды (1-й, 2-й,..., n-й), как это было принято для ОСИ. В этом случае передачу размера единицы осуществляют через цепочку соподчиненных по разрядам рабочих эталонов. При этом от последнего рабочего эталона в этой цепочке размер единицы передают рабочему средству измерений. Вторичные эталоны по метрологическим характеристикам должны удовлетворять требованиям государственных поверочных схем. Эталон может воспроизводить любое значение величины (любую точку или часть шкалы), лишь бы эти значения были известны с требуемой точностью и стабильно воспроизводились раз от раза. В то же время утверждение, что государственный эталон воспроизводит значение единицы или шкалу с наивысшей при современном развитии науки и техники точностью, не бесспорно. Оно достаточно верно по отношению к международным эталонам основных единиц СИ и таким же национальным эталонам тех основных единиц, для которых отсутствуют международные эталоны. Однако в отношении эталонов производных единиц это не совсем так. Точность эталона должна быть достаточной для поверки (калибровки) основного парка эксплуатируемых в государстве средств измерений.

Следовательно, достижение точности — очень дорогое мероприятие, и создавать суперточный эталон при отсутствии потребности в такой точности измерений весьма нерационально. Оценивание точности и погрешностей первичных и вторичных эталонов осуществляется согласно ГОСТ 8.381-2009 «Государственная система обеспечения единства измерений. Эталоны. Способы выражения точности».

Воспроизведение и (или) хранение единицы может осуществляться одиночными средствами измерений, входящими в состав эталонов, их группой или набором. По этому признаку эталоны подразделяют на одиночные и групповые эталоны, а также эталонные наборы. Одиночный эталон – эталон, в составе которого имеется одно средство измерений (мера, измерительный прибор, эталонная установка) для воспроизведения и (или) хранения единицы. Групповой эталон – эталон, в состав которого входит совокупность средств измерений одного типа, номинального значения или диапазона измерений, применяемых совместно для повышения точности воспроизведения единицы или ее хранения. Групповые эталоны подразделяют на групповые эталоны постоянного или переменного составов. За результат измерений принимают обычно среднее арифметическое значение результатов измерений однотипными средствами измерений или эталонными установками. Эталонный набор – эталон, состоящий из совокупности средств измерений, позволяющих воспроизводить и (или) хранить единицу в диапазоне, представляющем объединение диапазонов указанных средств. Эталонные наборы создаются в тех случаях, когда необходимо охватить определенную область значений физической величины. Например, эталонные разновесы (наборы эталонных гирь) и эталонные наборы ареометров.