МОДУЛЬ 14. ЭТАЛОНЫ ЕДИНИЦ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН И ПЕРЕДАЧА ЕДИНИЦ ОТ ЭТАЛОНОВ

 

Размеры единиц воспроизводятся, хранятся и передаются с помощью эталонов. Эталон представляет собой средство измерений (или комплекс средств измерений) и предназначен для хранения и воспроизведения единицы физической величины. Определение эталона из РМГ 29 – 99: 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.

Противопоставление двух функций эталона в определении (воспроизведение или хранение единицы) некорректно. Очевидно, что все эталоны должны обеспечивать хранение единицы физической величины, поскольку без этого невозможно ее воспроизведение в течение длительного отрезка времени.

Воспроизведением единицы физической величины РМГ 29 – 99 называет совокупность операций по материализации единицы физической величины с помощью государственного первичного эталона. Различают воспроизведение основных и производных единиц. Воспроизведение основной единицы осуществляют путем создания фиксированной по размеру физической величины в соответствии с определением единицы.

Воспроизведение единицы длины (метра) в соответствии с его определением, принятым на XVII ГКМВ в 1983 г, заключается в создании при помощи первичного эталона длины пути, проходимого светом в вакууме за промежуток времени, равный 1/299792458 с. Скорость света в вакууме принята за константу (299 792 458 м/с).

Единица массы (1 кг точно) воспроизведена в виде платино-иридиевой гири, хранимой в Международном бюро мер и весов (МБMB) в качестве международного эталона килограмма. Розданные другим странам эталоны имеют номинальное значение 1 кг, их действительные значения оценивались по отношению к международному эталону. На основании последних для СССР международных сличений (1979 г.) платино-иридиевая гиря, входящая в состав Государственного эталона единицы массы имела значение 1,000000087 кг

Под воспроизведением производной единицы часто понимают определение значения физической величины в выбранных единицах на основании измерений других величин, функционально связанных с измеряемой величиной. Например, воспроизведение единицы силы (ньютона) осуществляют с использованием известного уравнения механики F = mg, где m – масса, g – ускорение свободного падения

В соответствии с РМГ 29–99 эталон должен обладать «неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью». Фактическими требованиями к эталону являются:

- особо высокая точность воспроизведения единицы;

- воспроизведение единицы в форме, удобной для передачи другому средству измерений и для сопоставления с другим эталоном;

- стабильность хранения единицы в течение длительного времени;

- «неуничтожимость».

Последнее требование не имеет столь абсолютного характера как предыдущие, что подтверждает пример международного эталона единицы массы – килограмма.

Требование высокой точности воспроизведения единицы эталоном определяется его назначением и обеспечивается использованием для его создания высших научно-технических достижений в данной области измерений.

В зависимости от точности и системы передачи единицы эталоны делят на первичные и вторичные.

Первичный эталон – эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же единицы) точностью.

К первичным относят исходный эталон – эталон, обладающий наивысшими метрологическими свойствами (в системе субъекта хозяйствования, объединения, в стране), от которого передают размер единицы подчиненным эталонам и другим средствам измерений. Исходным эталоном для субъекта хозяйствования или объединения субъектов может быть вторичный или рабочий эталон, а также иное эталонное средство измерений.

Исходным эталоном в стране, как правило, является первичный эталон. Эталон, признанный в установленном порядке исходным для страны, называют национальным или государственным первичным эталоном (государственным эталоном). Термин «национальный эталон» обычно применяют при сличении эталонов разных стран, или эталона некоторого государства с международным эталоном. Государственные эталоны обычно хранятся в организациях Госстандарта (например, в метрологических научно-исследовательских институтах).

Международный эталон – эталон, принятый по международному соглашению в качестве международной основы для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами. Пример самого «долгоживущего» международного эталона – Международный прототип килограмма, который был утвержден 1-й Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ) в 1889 году. Международные эталоны единиц физических величин хранятся в Международном бюро мер и весов (МБМВ).

Вторичный эталон – эталон, получающий размер единицы непосредственно от первичного эталона данной единицы. Вторичные эталоны нашли широкое распространение в метрологической практике. Они создаются (при необходимости) для обеспечения сохранности и наименьшего износа государственного эталона, в том числе и при сопоставлении с международными и другими национальными эталонами, и для лучшей организации поверочных работ.

По метрологическому назначению вторичные эталоны делятся на эталоны сравнения и рабочие эталоны. Кроме того, в метрологической литературе встречаются такие понятия, как эталон-свидетель, эталон-копия и специальный эталон.

Эталон-свидетель предназначен для проверки сохранности государственного эталона и для замены его в случае порчи или утраты. Эталон-копия представляет собой вторичный эталон, предназначенный для передачи размеров единиц от государственного эталона рабочим эталонам. Он часто не является физической копией первичного эталона, поскольку передачу размера единицы, например, от меры к мере удобнее осуществлять с помощью прибора сравнения (компаратора).

Специальный эталон разрабатывается в случае необходимости воспроизведения единицы в особых условиях. В метрологической литературе специальные эталоны относят к первичным эталонам.

Эталон сравнения применяют для сличения эталонов, которые не могут быть сличены непосредственно друг с другом, например, из-за нетранспортабельности эталонной установки (первичного эталона).

Рабочий эталон – вторичный эталон, применяемый для передачи размера единицы эталонным (образцовым) средствам измерений высшей точности и при необходимости наиболее точным рабочим средствам измерений.

Термин «рабочий эталон» с введением РМГ 29-99 распространяется не только на собственно вторичный эталон, он должен также заменить ранее использовавшийся термин «образцовое средство измерений». Цель замены – упорядочение терминологии для сближения ее с международной. В соответствии с классификацией образцовых средств измерений рабочие эталоны (эталонные средства измерений) подразделяют на разряды (первый, второй и т.д.). Передачу размера единицы эталонным (образцовым) и рабочим средствам измерений осуществляют через цепочку соподчиненных по разрядам рабочих эталонов.

Соподчиненность эталонов можно представить в виде схемы (рисунок 14.1).

 

 

Теоретически для воспроизведения всех единиц некоторой системы единиц физических величин достаточно воспроизвести с помощью эталонов только основные единицы этой системы. Однако фактически широко используют как эталоны для воспроизведения основных единиц физических величин системы, так и эталоны для воспроизведения ряда производных единиц, например, эталоны единиц электрических величин: ЭДС, сопротивления, емкости, индуктивности и др. При создании эталонов производных единиц обеспечивается их связь с эталонами основных единиц. Эталоны производных единиц в ряде случаев обеспечивают повышение точности, с которой размеры этих единиц воспроизводятся и передаются нижестоящим средствам измерений.

Совокупность государственных первичных и вторичных эталонов, являющаяся основой обеспечения единства измерений в стране, составляют эталонную базу страны. Число эталонов, входящих в эталонную базу, изменяется в зависимости от потребностей промышленности, научных и технологических возможностей. Обычно число эталонов со временем увеличивается, что связано с постоянным развитием средств измерений. Воспроизведение основных единиц Международной системы (SI) должно осуществляться с помощью государственных эталонов, т.е. в централизованном порядке.

Воспроизведение производных, а в случае необходимости и внесистемных единиц осуществляется одним из двух способов, определяемых, исходя из соображений технико-экономической целесообразности:

1) централизовано – с помощью единого для всей страны Государственного эталона;

2) децентрализовано – посредством косвенных измерений, выполняемых в органах метрологической службы с помощью эталонов первого и более низких разрядов (образцовых средств измерений).

Способ централизованного воспроизведения применяется для большинства важнейших производных единиц СИ (ньютона, джоуля, паскаля, ома, вольта, генри, вебера и др.).

Способ децентрализованного воспроизведения применяется для производных единиц, размер которых не может передаваться прямым сравнением с эталоном, например, для единицы площади (квадратного метра) или в тех случаях, когда поверка средств измерений посредством косвенных измерений проще, чем процесс сравнения с эталоном, или когда такая поверка обеспечивает необходимую точность.

Конструкция эталона, его свойства и способ воспроизведения единицы определяются природой данной физической величины и уровнем развития измерительной техники в данной области измерений. Для воспроизведения эталонных значений физической величины изготавливают и применяют одиночные и групповые эталоны, а также эталонные наборы. Если воспроизведение величины для всего необходимого диапазона одним первичным эталоном технически нецелесообразно, создают несколько первичных эталонов, охватывающих части диапазона с тем, чтобы в итоге был охвачен весь диапазон.

Очевидно, что комплекс таких средств измерений воспроизводит не одну единицу, а ряд единиц (дольных или кратных базовой) в некотором выбранном диапазоне. В этом случае возникает дополнительная задача – согласование размеров единиц, воспроизводимых разными первичными эталонами.

При необходимости создают также эталонные установки – измерительные установки, входящие в состав эталона, который может включать несколько эталонных установок. Например, в состав российского государственного первичного эталона единицы активности радионуклидов входит шесть эталонных установок. Принято различать 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.

Примечания:

1 Групповые эталоны подразделяют на групповые эталоны постоянного или переменного составов.

2 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.

Примечание — Эталонные наборы создаются в тех случаях, когда необходимо охватить определенную область значений физической величины.

Пример — Эталонные разновесы (наборы эталонных гирь) и эталонные наборы ареометров.

Эталоны используют для хранения единицы физической величины, причем под хранением единицы понимают совокупность операций, обеспечивающих неизменность во времени размера единицы, присущего данному средству измерений. Хранение единицы физической величины, очевидно, подразумевает хранение эталона – выполнение совокупности операций, необходимых для поддержания метрологических характеристик эталона в установленных пределах.

При хранении первичного эталона выполняют исследования, включая его сличения с национальными эталонами других стран с целью повышения точности воспроизведения единицы и совершенствования методов передачи ее размера. Для хранения государственных эталонов устанавливают специальную категорию должностных лиц – ученых хранителей государственных эталонов, назначаемых из числа ведущих в данной области специалистов-метрологов. Ученый хранитель государственного эталона – должностное лицо государственного научного метрологического центра, несущее ответственность за правильное хранение и применение государственного эталона и его совершенствование.

Единицу физической величины, воспроизведенную эталоном, необходимо передать всем рабочим средствам измерений данной физической величины. Эталон единицы физической величины утверждают в установленном порядке и после реализации его в виде технического устройства передают размер единицы от эталона средствам измерений, имеющим более низкую точность. Передачу единицы другим средствам измерений осуществляют в ходе поверки или калибровки. Порядок передачи размера единицы в ходе поверки устанавливает специальный документ – поверочная схема, а процедуру фиксируют в методике поверки. В соответствии с поверочной схемой единицу от «вышестоящих» эталонных средств измерений передают расположенным в поверочной схеме на ступень ниже эталонным средствам измерений или рабочим средствам измерений.

Передача размера единицы – приведение размера единицы физической величины, хранимой поверяемым средством измерений, к размеру единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном, осуществляемое при их поверке (калибровке).

При поверке (калибровке) часто одну и ту же физическую величину измеряют поверяемым средством измерения и эталоном. Если при этом установят стабильно воспроизводимые разности в их показаниях, то становится возможным введение соответствующих поправок в показания поверенного средства измерений при его использовании. Например, по результатам сопоставления показаний прибора с показаниями эталона (эталонного средства измерений) определяют поправки для каждого оцифрованного деления поверяемого прибора.

Для обеспечения правильной передачи размеров единиц должен быть установлен определенный порядок этой передачи. Поэтому составляют и утверждают поверочные схемы, устанавливающие соподчинение эталонов и рабочих средств измерений, а также порядок и точность передачи единиц физических величин от первичных эталонов остальным, а от них – рабочим средствам измерений. В поверочных схемах указывают применяемые средства измерений (меры и приборы, включая компарирующие или сравнивающие устройства) и метод поверки.

Поверочная схема для средств измерений (поверочная схема) – нормативный документ, устанавливающий соподчинение средств измерений, участвующих в передаче размера единицы от эталона рабочим средствам измерений (с указанием методов и погрешности при передаче).

В соответствии с поверочной схемой единицу передают «сверху вниз» от исходного (в рамках государства – первичного) эталона другим эталонам, эталонным или рабочим средствам измерений, расположенным в поверочной схеме на ступень ниже. Поверочная схема может включать графическую и текстовую части. Если нет необходимости в больших по объему пояснениях, эти две части могут быть объединены (текст представляют на графической части). Структура графической части поверочной схемы представлена на рисунке 14.2. Выполненная как схема алгоритмической инструкции она содержит средства измерений (в прямоугольных рамках) и методы передачи единицы сверху вниз (в овализованных как на рисунке или в круглых рамках). Число иерархических ступеней поверочной схемы определяют в соответствии с уровнями точности применяемых рабочих средств измерений – чем более разнообразны требования к их точности, тем больше необходимо разрядов эталонных средств измерений.

Так как рабочие средства измерений (СИ) выпускают различных уровней точности, то для их поверки применяются вторичные эталоны, в том числе рабочие эталоны первого и более низких разрядов (эталонные средства измерений). Таким образом, прецизионные рабочие средства измерений по точности могут превосходить эталонные средства измерений высоких разрядов, предназначенные для поверки менее точных средств измерений.

 

 

Принципиальные различия между эталонными и рабочими средствами измерений заключаются не в точности, а в том, что эталоны официально утверждены в качестве таковых и должны использоваться только для поверки, в то время как рабочие средства измерений предназначены только для измерений, не связанных с передачей единицы другим СИ.

Поскольку ранее эталонные средства измерений (рабочие эталоны первого и более низких разрядов) называли «образцовыми средствами измерений», это наименование и сейчас содержится в значительной части стандартов на поверочные схемы и поверку.

Содержание поверочных схем и требования к их построению определены в стандарте ГОСТ 8.061 – 80. Согласно этому стандарту поверочные схемы подразделяются на государственные, ведомственные и локальные.

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).

Понятие «ведомственная поверочная схема» подразумевает нормативный документ ведомства и в РМГ 29 – 99 отсутствует, но в литературе встречается довольно часто. Термин «локальная поверочная схема», как следует из определения, вполне успешно заменил «ведомственные поверочные схемы» – термин, который представляется избыточным и приводит к неоправданному дроблению понятий.

Государственные поверочные схемы служат основанием для составления локальных поверочных схем и для разработки государственных стандартов и методик поверки эталонных и рабочих средств измерений. Эти поверочные схемы обычно утверждаются в качестве государственных стандартов.

Государственная поверочная схема в общем случае включает государственные эталоны, вторичные эталоны, эталонные и рабочие средства измерений, а также методы передачи размера единиц (методы поверки).

Локальные поверочные схемы охватывают только рабочие средства измерений субъекта хозяйствования (или объединения группы субъектов хозяйствования) и необходимые для их поверки эталонные средства измерений и включают необходимые методы поверки. Как правило, в качестве исходного эталона в такой схеме используют не государственный или вторичный эталон, а эталонное средство измерений настолько высокого разряда, чтобы обеспечить поверку входящих в схему наиболее точных рабочих средств измерений. Допускается включать в поверочную схему такого вида рабочие эталоны, если это необходимо для обеспечения поверки особо точных рабочих средств измерений. Локальные поверочные схемы не должны противоречить государственным поверочным схемам для средств измерений данного вида. В локальные поверочные схемы кроме стандартных средств измерений часто включают нестандартизованные средства измерений, разработанные для решения конкретных задач измерений субъекта хозяйствования. Если стандартизация таких средств измерений нерациональна из-за их ограниченного распространения, то проводят их метрологическую аттестацию и включают их в поверочную схему, чем обеспечивают согласование их с эталоном.

Замыкающими элементами цепочек передачи единицы в поверочных схемах всех видов являются рабочие средства измерений. В Государственную поверочную схему, как правило, включают стандартизованные средства измерений. Стандартизованное средство измерений – средство измерений, изготовленное и применяемое в соответствии с требованиями государственного или отраслевого стандарта. Обычно стандартизованные средства измерений подвергают испытаниям и вносят в Государственный реестр средств измерений. Технические характеристики средства измерений, внесенного в Реестр, соответствуют техническим характеристикам установленного типа средства измерений, полученным на основании результатов государственных испытаний.

В практике измерений наряду со стандартизованными средствами измерений широко используются также и нестандартизованные. Нестандартизованное средство измерений (НСИ) – средство измерений, стандартизация требований к которому признана нецелесообразной. Нестандартизованное средство измерений – это, как правило, специальное средство измерений, предназначенное для решения конкретной измерительной задачи. Такие средства измерений выпускаются единичными экземплярами или серией в несколько экземпляров, и поэтому нет необходимости в стандартизации требований к ним. Нестандартизованные средства измерений не подвергаются государственным испытаниям, а подлежат метрологической аттестации. Эти средства измерений включают в локальные поверочные схемы наряду со стандартизованными.

На основании метрологической аттестации нестандартизованного средства измерений выдают свидетельство (аттестат), в котором, наряду с признанием средства измерений законным, указывают его назначение и метрологические характеристики. Метрологическое обеспечение разработки, изготовления и эксплуатации нестандартизованных средств измерений регламентировано ГОСТ 8.326-78.

Номенклатура нормируемых метрологических характеристик как стандартизованных, так и нестандартизованных средств измерений должна соответствовать ГОСТ 8.009-84.

Поверка прибора по мерам или поверка мер по приборам не требуют какого-либо дополнительного оборудования. В более сложных случаях для поверочных работ приходится разрабатывать специальные установки. Поверочная установка – измерительная установка, укомплектованная рабочими эталонами и предназначенная для поверки рабочих средств измерений и подчиненных рабочих эталонов.

Методы поверки зависят от вида поверяемого средства измерений. Так меры иногда можно поверять непосредственно по эталонным мерам (метод непосредственного сличения), например, так можно поверять рабочие меры объема по эталонным измерительным сосудам или линейки измерительные по образцовому штриховому метру. В более сложных ситуациях меры поверяют по эталонным мерам с использованием прибора сравнения (компаратора), например, так поверяют концевые меры длины, сравнивая их с помощью интерферометра с эталонными мерами, или сравнивают рабочие меры массы с эталонными, взвешивая их на эталонных весах. При наличии широкодиапазонного эталонного прибора с его помощью рабочие меры можно поверять методом прямых измерений, если их номинальные значения входят в диапазон измерений прибора.

Поверку прибора можно осуществлять по эталонным мерам, по эталонному прибору (если он имеет достаточно широкий диапазон измерений) или по эталонному прибору и эталонным мерам (если прибор имеет недостаточно широкий диапазон измерений).

Отдельную задачу представляет поверка измерительных преобразователей, поскольку они не дают возможности оператору непосредственно воспринимать сигнал измерительной информации. Для поверки измерительного преобразователя необходимо не только подать на его вход нормированный сигнал измерительной информации, но и отследить преобразованный сигнал, а это возможно только при «достраивании» измерительного преобразователя до прибора путем добавления к нему устройства отображения измерительной информации. Главное требование к добавленной части – пренебрежимо малая собственная погрешность (по отношению к погрешности поверяемого преобразователя). Таким образом, фактически поверка измерительного преобразователя сводится к поверке измерительного прибора, составной частью которого и является поверяемый преобразователь.

Модели поверки более подробно описаны в соответствующем модуле.

Поверку обычно осуществляют в специально оборудованных помещениях, где и содержатся рабочие эталоны и поверочные установки. Однако, возможны и противоположные ситуации, когда для поверки рабочих и/или эталонных средств измерений или для сличения эталонов к их местонахождению доставляют транспортируемый эталон – эталон (иногда специальной конструкции), предназначенный для его транспортирования к местам поверки (калибровки) средств измерений или сличений эталонов данной единицы.