1.4.10. Эталоны единиц физических величин

Одной из основных задач метрологии является необходимость обеспечения единства измерений.

Под единством измерений понимается такое состояние измерений, которое характеризуется тем, что их результаты выражаются в узаконенных единицах величин, а погрешности результатов измерений известны и с заданной вероятностью не выходят за установленные границы.

Обеспечением единства измерений занимаются метрологические службы, одной из задач которых является деятельность, направленная на достижение и поддержание единства измерений в соответствии с законодательными актами, а также правилами и нормами, установленными национальными стандартами и другими нормативными документами по обеспечению единства измерений.

Чтобы обеспечить единство измерений некоторой величины, нужно добиться тождественности единиц, в которых эта величина измеряется и в которых проградуированы все приборы для ее измерения.

Единицу измерения при этом необходимо точно воспроизводить, хранить и передавать ее величину средствам измерения.

Воспроизведение и хранение единиц величин реализуются посредством эталонов.

Эталоны являются технической основой обеспечения единства измерений в стране.

Под эталоном единицы величины понимается средство измерений или комплекс средств измерений, обеспечивающий воспроизведение, хранение и передачу ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений и утвержденный в качестве эталона в установленном порядке.

Конструкция эталона, его свойства и способ воспроизведения единицы определяются природой данной величины и уровнем развития измерительной техники в данной области измерений.

Эталон должен обладать, по крайней мере, тремя тесно связанными друг с другом существенными признаками - неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью.

Неизменность - свойство эталона удерживать неизменным размер воспроизводимой им единицы в течение длительного интервала времени.

При этом все изменения, зависящие от внешних условий, должны быть строго определенными функциями величин, доступных точному измерению.

Воспроизводимость - возможность воспроизведения единицы величины с наименьшей погрешностью для достигнутого уровня развития техники измерений.

Сличаемость - возможность обеспечения сопоставления с эталоном других средств измерений, нижестоящих по поверочной схеме, с наибольшей точностью для достигнутого уровня развития техники измерений.

Дадим основные понятия, которые входят в определение эталона, - воспроизведение, хранение и передача.

Воспроизведение единицы величины - совокупность операций по материализации этой единицы величины с помощью государственного первичного эталона.

Различают воспроизведение основных и производных единиц.

Например, воспроизведение единицы длины (основной единицы) - метра - в соответствии с его определением, принятым на XVII Генеральной конференции по мерам и весам, заключается в создании при помощи первичного эталона в специальных условиях длины пути, проходимого светом в вакууме за промежуток времени, равный 1/299792458 с.

То есть воспроизведение основной единицы осуществляется созданием фиксированной по размеру величины.

Воспроизведение производной единицы осуществляется на основании измерений другой величины, функционально связанной с измеряемой величиной.

Например, воспроизведение единицы силы - ньютона - осуществляется на основании известного уравнения механики F = mg, где т - масса; g - ускорение свободного падения.

Передача размера единицы величины - это приведение размера единицы величины, хранимой средством измерений, к размеру единицы величины, воспроизводимой эталоном данной единицы величины или стандартным образцом.

Размер единицы величины передается от более точных средств измерений к менее точным.

Хранение единицы величины - это совокупность операций, обеспечивающих неизменность во времени размера единицы, присущего данному средству измерений.

Различают следующие виды эталонов:

Первичный - обеспечивает воспроизведение единицы величины с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же единицы) точностью; первичный эталон, утвержденный в этом качестве в установленном порядке и применяемый как исходный на территории Российской Федерации, называется государственным.

Примером первичного государственного эталона является комплекс средств измерений для воспроизведения килограмма с помощью платиноиридиевой гири и эталонных весов.

Специальный - воспроизводит единицу величины в особых условиях, когда прямая передача размера единицы от существующих эталонов технически неосуществима с требуемой точностью (высокие и сверхвысокие частоты, энергии, давления и т.д.) и заменяет в этих условиях первичный эталон.

Вторичный - эталон, получающий размер единицы непосредственно от первичного эталона данной единицы.

Вторичные эталоны широко используются в метрологической практике, создаются и утверждаются в тех случаях, когда это необходимо для организации поверочных работ, а также для обеспечения сохранности и наименьшего износа государственных эталонов.

Эталон сравнения - эталон, применяемый для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличены друг с другом.

Рабочий эталон - предназначен для передачи размера единицы рабочим средствам измерений.

Рабочее средство измерений - предназначенное для измерений техническое средство, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящие или хранящие единицу величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение определенного интервала времени.

При необходимости рабочие эталоны подразделяются на разряды - 1-й, 2-й... n-й.

Исходный - эталон, обладающий наивысшими метрологическими свойствами в данной лаборатории, организации, на предприятии, от которого передают размер единицы подчиненным эталонам и имеющимся средствам измерений.

Исходным эталоном в стране служит первичный эталон; исходным эталоном для республики, региона, министерства или предприятия может быть вторичный или рабочий эталон.

Государственные первичные эталоны единиц величин содержатся и применяются в государственных научных метрологических институтах.

Кроме национальных эталонов, признанных официальным решением в качестве исходных для одной страны, существуют международные эталоны, которые принимаются по международному соглашению в качестве международной основы для согласования с ними размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами.

В качестве примера международного эталона можно привести эталон единицы массы - 1 килограмм, воспроизведенный в виде платиноиридиевой гири, хранящейся в Международном бюро мер и весов.

Государственные первичные эталоны единиц величин подлежат сличению с эталонами единиц величин Международного бюро мер и весов и национальными эталонами единиц величин иностранных государств.

Размер единицы передается "сверху вниз", от более точных средств измерений к менее точным в соответствии с установленным поверочной схемой числом ступеней передачи: первичный эталон - вторичный эталон - рабочий эталон 1-го разряда - рабочий эталон 2-го разряда ... - рабочее средство измерений (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Передача размера единицы

Государственные эталоны единиц величин являются национальным достоянием, они образуют эталонную базу Российской Федерации, по их характеристикам определяют уровень научного, технического и культурного развития страны.

Совокупность государственных первичных и вторичных эталонов, а также установок высшей точности для воспроизведения единиц величин является технической основой обеспечения единства измерений в стране.

Основу эталонной базы России составляют государственные первичные эталоны основных единиц величин - метра, килограмма, секунды, ампера, кельвина, канделы.

Современная эталонная база России в своем составе имеет 124 государственных первичных эталона, 76 установок высшей точности, более 300 вторичных эталонов и более 60 тыс. рабочих эталонов, обеспечивающих единство и требуемую точность измерений.

Результаты сличения государственных эталонов России с лучшими зарубежными эталонами подтверждают их высокую точность и правильность воспроизведения единиц.