Эталоны и их классификация

Эталон единицы физической величины представляет собой сред­ство измерений (высокоточная мера) или комплекс средств измерений, предназначенных для воспроизведения и (или) хранения единицы ве­личины с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной схе­ме средствам измерений и утвержденных в качестве эталона в установ­ленном порядке. От эталона единица величины, как правило, передает­ся разрядным эталонам, а от них — рабочим средствам измерений

Конструкция эталона, его свойства и способы 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 — не < i менностью, воспроизводимостью и сличаемостыо

Глава 3 2 Средства измерении 177

Эталоны классифицируются на первичные, вторичные и рабочие.

Первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы физической величины с наивысшей точностью, возможной в дан­ной области измерений на современном уровне научно-техничес­ких достижений. Такой эталон может быть национальным (госу­дарственным) и международным.

Государственный (национальный) первичный эталон призна­ется решением уполномоченного государственного органа в ка­честве исходного на территории страны. Например, на территории Российской Федерации национальным органом по метрологии ут­верждены государственные эталоны метра, килограмма, секунды, ампера, кельвина, канделы, ньютона, паскаля, вольта, беккереля.

Международный эталон принимается по международному сог­лашению в качестве международной основы для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых националь­ными эталонами.

Международные эталоны хранит и поддерживает Междуна­родное бюро мер и весов (МБМВ). Важнейшая функция МБМВ состоит в систематических сличениях национальных эталонов крупнейших метрологических лабораторий разных стран с между­народными эталонами, а также между собой, что необходимо для обеспечения достоверности, точности и единства измерений как одного из условий внешнеэкономических связей. Сличению под­лежат эталоны как основных, так и производных величин системы СИ. Установлены определенные периоды сличения. Например, эталоны метра и килограмма сличают каждые 25 лет, а электричес­кие и световые эталоны — раз в 3 года.

Первичному эталону соподчинены вторичные и рабочие (раз­рядные) эталоны.

Вторичный эталон получает размер единицы непосредствен­но от первичного эталона данной единицы. Такие эталоны могут утверждаться либо Госстандартом, либо государственными науч­ными метрологическими центрами, что связано с особенностями их использования.

Рабочий эталон предназначен для передачи размера единицы рабочим средствам измерений. Такие эталоны воспринимают раз-

178 Раздел 3. Организационно-методические основы метрологии

мер единицы от вторичных эталонов. При необходимости рабочие эталоны подразделяются на разряды (1-й, 2-й и т.д.), как это было принято для ОСИ (образцовых средств измерений). В таком слу­чае передача размера единицы осуществляется через цепочку со­подчиненных по разрядам рабочих эталонов. При этом размер еди­ницы последнего в этой цепочке рабочего эталона передается ра­бочему средству измерений.

Кроме того, различают следующие виды эталонов:

1) эталоны сравнения, которые по тем или иным причинам не
могут быть непосредственно сличены друг с другом;

2) исходные эталоны, обладающие наивысшими метрологи­
ческими свойствами из имеющихся (в данной лаборатории, орга­
низации, на предприятии) эталонов, от которых получают размеры
единиц соответствующих средств измерений;

3) одиночные эталоны, в составе которых имеется одно сред­
ство измерений (мера, измерительный прибор, эталонная установ­
ка) для воспроизведения и (или) хранения единицы;

4) групповые эталоны, в состав которых входят совокупности
средств измерений одного типа, номинального значения или диа­
пазона измерений, применяемых совместно для повышения точ­
ности воспроизведения единицы или ее хранения;

5) эталонные наборы, состоящие из совокупности средств из­
мерений, которые позволяют воспроизводить и (или) хранить еди­
ницу в диапазоне, представляющем объединение диапазонов ука­
занных средств;

6) транспортируемые эталоны, предназначенные для их тран­
спортировки к месту поверки (калибровки) средств измерений или
сличений эталонов данной единицы;

7) эталонные установки — измерительные установки, входя­
щие в состав эталонов. Например, в состав государственного пер­
вичного эталона единицы активности радионуклидов входит
шесть эталонных установок;

8) поверочные установки — измерительные установки, уком­
плектованные рабочими эталонами и предназначенные для повер­
ки рабочих средств измерений и подчиненных рабочих эталонов

Глава 3 2 Средства измерений 179

Самыми первыми официально утвержденными эталонами были прототипы метра и килограмма, изготовленные во Франции. В 1799 году их передали на хранение в Национальный архив. Поэтому эти стороны стали называть «метр Архива» и «килограмм Архива». С 1872 года ки­лограмм стал определяться как равный массе «килограмма Архива».

В 1889 году изготовили 31 экземпляр эталона метра из плати-но-иридиевого сплава (эталон метра равен одной десятимиллионной части четверти дуги парижского меридиана. Четверть меридиана рав­на 10 млн. 1954, 4 метра). Оказалось, что эталон № 6 при температуре 0°С точно соответствует длине «метра Архива». Именно этот экземпляр эталона по решению ГКВМ был утвержден как международный эталон метра, который хранится в Севре (Франция). Остальные 30 эталонов бы­ли переданы разным государствам. Россия получила № 28 и № 11, при­чем в качестве государственного был принят эталон № 28.

Погрешность платино-иридиевых эталонов метра, равная ±1, 1 • 10^-7м, уже в начале XX в. оценивалась как неудовлетворитель­ная. В 1960 году ГКВМ выработала другое определение метра — в длинах световых волн, основанное на постоянстве длины волны спектральных линий излучения атомов. Такова основа криптоново­го эталона метра. Его погрешность намного меньше, чем платино-иридиевого, и составляет 5-10^-9 м.

Однако в космический век даже такая точность оказалась не­достаточной. Новейшие достижения науки позволили ГКВМ в 1983 году принять новое определение метра как длины пути, про­ходимого светом за 1/299792458 доли секунды в условиях вакуу­ма. Погрешность эталона снизилась более чем на порядок.

Не менее интересна история эталона единицы массы. «Кило­грамм Архива», который был принят за эталон массы в 1872 году, представляет собой платиновую цилиндрическую гирю, высота и диаметр которой равны 39 мм. Прототипы (вторичные эталоны) для практического применения были выполнены из платино-ири-диевого сплава. За международный прототип килограмма тогда приняли платино-иридиевую гирю, по точности в наибольшей сте­пени соответствующую массе «килограмма Архива».

По решению ГКВМ из 42 экземпляров прототипов килограмма России были переданы № 12 и № 26. Причем № 12 утвержден в ка-

180 Раздел 3. Организационно-методические основы метрологии

честве государственного эталона массы. Прототип № 26 использо­вался как вторичный эталон.

Национальный (государственный) эталон массы в настоящее время хранится в НПО «ВНИИМ им. Д.И.Менделеева» (Санкт-Пе­тербург) на кварцевой подставке под двумя стеклянными колпака­ми в стальном сейфе, температура воздуха в котором поддержива­ется в пределах 20±3°С, а относительная влажность — 65%. Один раз в 10 лет с ним сличают два вторичных эталона.

При сличении с международным эталоном российский нацио­нальный эталон массы получил значение 1, 0000000877 кг. Для пе­редачи размера единицы массы от прототийа № 12 вторичным эта­лонам используются специальные весы № 1 и № 2 на 1 кг с дистан­ционным управлением. Весы № 1 изготовлены фирмой «Рупрехт», а № 2 — НПО «ВНИИМ им Д.И.Менделеева». Погрешность вос­произведения килограмма составляет 2-10" кг.

За последующие годы получены более высокие точность и на­дежность эталонов, создаваемых на основе использования кванто­вых эффектов. Это позволяет предположить возможность созда­ния в ближайшем будущем новых эталонов.

С использованием квантовых эффектов был создан современ­ный эталон ампера и ома. Квантовые эталоны характеризуются высокой степенью стабильности значений погрешности воспроиз­ведения единиц величин. С помощью новых методов и средств из­мерений уточняются функциональные физические константы, по­этому точность квантовых эталонов будет возрастать.

Ученые полагают, что квантовые эталоны можно будет считать «вечными мерами», так как способность воспроизведения единиц физических величин у таких эталонов не подвержена влиянию внешних условий, географического местонахождения и времени.

Если будет создан эталон массы на основе новых открытий в области ядерной физики, многие существующие эталоны пе­рейдут, в разряд «вечных», поскольку размерности их величин так или иначе связаны с массой. В таких условиях изменится и система поверки и калибровки, которая привязана к государственнымхэта-лонам, произойдет ее децентрализация, что обеспечит значитель­ный экономический эффект.

Глава 3.3. Организационно-правовые основы метрологии 181