Воспроизведение и передача размера единиц физических величин. Эталоны и образцовые средства измерения

 

После выбора основных единиц системы единиц и выбора производных единиц возникает проблема создания эталонов единиц физической величины и специальной измерительной аппаратуры для поверки рабочих средств измерений, получивших название образцовых средств измерений. Эталоны, как правило, предназначены для воспроизведения размера единицы физической величины. Кроме эталонов в отечественной метрологии единицы физических величин воспроизводятся на установках высшей точности (УВТ) и на исходных образцовых средствах измерений (ИОСИ).

Однозначного толкования разграничений между этими тремя понятиями до сих пор не существует. Возможные версии неоднозначны. Например, одна из точек зрения состоит в том, что если средство измерения высшей точности создано в Госстандарте РФ, то это эталон. Если в каком-либо министерстве или ведомстве, то УВТ или ИОСИ. Другая точка зрения состоит в том, что если точность измерения на средстве высшей точности сопоставима с точностью других эталонов, то его можно считать эталоном. И, наконец, третья точка зрения - считать все, что создается в столице эталоном, а все, что создается в регионах - УВТ или ИОСИ. Последнее, несмотря на разумность основного посыла, все-таки смысла лишено, т. к. Главная палата мер и весов России традиционно находится в Санкт-Петербурге и именно там находится большинство эталонов РФ. На самом деле статус средства высшей точности определяется каждый раз индивидуально. Во внимание принимается престижность. Эталон - более престижное образование, чем УВТ или ИОСИ. Кроме того, учитываются массовость вида измерений, распространенность рабочих приборов по территории страны или по различным ведомствам. Приборы узкого круга использования, например озонометры, вполне можно метрологически обеспечить установкой высшей точности. Напротив, приборы массового использования, например термометры, желательно обеспечивать используя эталон. С этим же фактором связана простота или сложность утверждения средства измерения высшей точности. Сложнее всего по процедурным соображениям создать и утвердить эталон. Проще всего - установку высшей точности.

Образцовые средства измерений представляют собой меры и измерительные приборы, предназначенные для поверки и градуировки других средств измерений. На такие приборы выдаются свидетельства на право проведения поверки. Образцовые средства измерений особенно необходимы в массовых видах измерений. Метрологические правила предписывают поверять средство измерения другим средством, погрешность показаний которого в 2-3 раза ниже, чем у поверяемого прибора.

Метрологическая цепь передачи размера единицы от эталона к рабочим средствам измерения, принятая сначала в СССР, а теперь в России, получила название поверочной схемы. Обобщенный вида поверочной схемы приведен на рис. 1.1 .

Рис. 01.01. Обобщенный вид поверочной схемы

 

 

Несколько лет назад поверочная схема на средства измерений имела законодательный характер. В настоящее время многие поверочные схемы составляются как документ рекомендательный.

Структура поверочной схемы состоит из нескольких полей, соответствующих ступеням передачи размера единиц. В верхнем поле указывают название эталона. В этом же поле помещают название вторичных эталонов, специальных эталонов, рабочих эталонов. Подполем эталонов располагают поле образцовых средств измерений различных разрядов. Под полем образцовых средств располагается поле рабочих средств измерений. Наименование средств измерений и эталонов указывают на поверочной схеме в прямоугольниках. Метод передачи размера единицы от эталона через образцовые средства к рабочим приборам указывают на поверочной схеме между полями в овалах или кружках.

В период существования СССР в нашей стране поверочные схемы имели статус государственного стандарта, т. е. были обязательными к исполнению по всей территории. В отсутствие рыночного регулирования качества продукции, в том числе и измерительной техники, такая мера были и оправдана и необходима. На самом деле такая практика обладала целым рядом недостатков. Самый главный из них - это создание препятствий на пути внедрения новой техники. Если создавался какой-либо измерительный прибор высокого класса точности, то применение его затруднялось до внесения его в поверочную схему. Поскольку эта процедура непростая и занимает много времени, часто хорошие приборы долгое время оказывались как бы вне закона, т. е. их использование и поверка были затруднены.

Еще один недостаток жесткой системы соблюдения предписаний поверочной схемы - это необходимость иметь во всех центрах поверки большое количество образцовых приборов. Нельзя, например, было поверять рабочие приборы непосредственно по рабочим эталонам.

С другой стороны, практика использования поверочных схем у нас в стране и в странах СЭВ сыграла и большую положительную роль в метрологии. При составлении поверочных схем тщательно анализировались различные методы и средства измерения какой-либо физической величины, а результат представлялся в лаконичной доступной форме.

Средства измерения высшей точности - эталоны - подразделяются на несколько категорий. Эталон, воспроизводящий единицу с наивысшей в стране точностью, называется государственным первичным эталоном. Для воспроизведения единицы в особых условиях, в которых прямая передача размера единицы от существующих эталонов технически неосуществима с требуемой точностью, создаются специальные эталоны. Это могут быть измерения в условиях повышенного или пониженного давления, высокой влажности, измерения в крайних областях диапазона, например оптические измерения в инфракрасной и ультрафиолетовой областях, и т.д.

В метрологической практике широко используются вторичные эталоны, рабочие эталоны и эталоны-копии. Эти эталоны создаются и утверждаются в тех случаях, когда это необходимо для организации поверочных работ, а также для обеспечения сохранности и наименьшего износа государственного первичного эталона. Существуют также следующие категории эталонов:

эталон сравнения - вторичный эталон, применяемый для сличения эталонов, которые по каким-либо причинам не могут быть сличаемыми друге другом;

эталон-свидетель - вторичный эталон, применяемый для проверки сохранности государственного эталона или для его замены в случае порчи или утраты.

Эталон-копия представляет собой вторичный эталон, предназначенный для передачи размера рабочим эталонам. Он не всегда может быть точной физической копией государственного эталона. Рабочий эталон - это вторичный эталон, применяемый для хранения единицы и передачи ее размера образцовым средствам или наиболее точным рабочим средствам измерений.

Рабочие эталоны могут быть реализованы в виде одиночного эталона (или одиночной меры), в виде группового эталона, в виде комплекса средств измерений и в виде эталонного набора. Пример одиночного эталона - эталон массы в виде платино-иридиевой гири. Пример группового эталона - эталон-копия вольта, состоящая из 20 нормальных элементов.

Пример комплекса средств измерений - эталон единицы молярной доли концентрации компонентов в газовых смесях. В этом виде измерений различные компоненты, различные диапазоны концентраций, различные газы-разбавители создают огромное количество измерительных задач с одной общей идеологией. По этой причине один эталон состоит из нескольких десятков измерительных установок. И, наконец, пример эталонного набора - набор средств измерения плотности жидкостей для различных участков диапазона.

По мере рассмотрения различных видов измерений мы не раз будем сталкиваться с той или иной разновидностью общего определения категорий и понятий, так как метрологический терминологический набор достаточно жестко определен, а в технике иногда пренебрегают требованиями к терминам.

В международной метрологической практике такого широкого набора разновидностей эталонов не обозначено. Международные эталоны, хранящиеся в Международном бюро по мерам и весам, воспроизводят ограниченное число единиц физических величин. Обычно это либо основные единицы системы СИ, либо единицы, которые могут быть воспроизведены на уровне точности, равной или даже превосходящей точность эталона основной единицы. Пример такого эталона - эталон Вольта на эффекте Джозефсона. Меньшее в сравнении с отечественным число международных эталонов объясняется тем, что во многих странах понятие эталон и образцовое средство измерения не имеют четкого разграничения. Существует емкое понятие - стандарт (standart) - что по смыслу может быть переведено как вторичный стандарт (образцовое средство измерения) или как эталон (исходное образцовое средство измерения).