Метрология. Эталоны и поверочные схемы

1 Эталоны

Эталоны – это особый вид СИ наивысшей точности, с помощью  которых воспроизводится и хранится единица физической величины с целью  передачи ее размера рабочим СИ.

Попытка ввести эталоны предпринята  ещё в 1136 г. в Великом Новгороде. Там был утверждён устав «О церковных судах, и о людях, и о мерах торговли». «Мерила торговли» включали в себя: «пуд медовый, гривенку рублевую, локоть еваньский». Всем торговым людям предписывалось «торговые все весы и мерила блюсти без пакости, ни умаливати, ни умноживати, а на всякий год извещати…», то есть соблюдать эталоны длины и веса, а также ежегодно сверять с ними свои гири и мерила. Сами же эталоны хранились в церкви Евань (Ивана) на Опоках. Нарушителям закона эталонов устав грозил карами вплоть до «предания казни смертию». Однако плутоватые купцы зачастую мошенничали, надеясь на ловкость рук и на «искупительное покаяние вкупе со мздой Ивану на Опоках». Поговорка «всяк купец на свой аршин мерит» была верна буквально до начала XIX века, когда появился государственный эталон длины. В царской России всерьёз заинтересовались эталонами только в конце XIX века. Была создана Главная палата мер и весов и заказаны в Англии государственные эталоны длины и массы, согласованные с международными.

Самыми первыми официально утвержденными эталонами были прототипы  метра и килограмма, изготовленные  во Франции, которые в 1799 г. были переданы на хранение в Национальный архив Франции, поэтому их стали называть "метр Архива" и "килограмм Архива". С 1872 г. килограмм стал определяться как равный массе "килограмма Архива". Каждый эталон основной или производной единицы Международной системы СИ имеет свою интересную историю и связан с тонкими научными исследованиями и экспериментами.

Например, принятый в 1791 г. Национальным собранием Франции эталон метра, равный одной десятимиллнонной части четверти дуги парижского меридиана, в 1837 г. пришлось пересмотреть. Французские ученые установили, что в четверти меридиана содержится не 10 млн., а 10 млн. 856 метров. К тому же известно, что происходят, хотя и незначительные, но все же постоянные изменения формы и размера Земли. В этой связи ученые Петербургской академии наук в 1872 г. предложили создать международную комиссию для решения вопроса о целесообразности внесения изменений в эталон метра. Комиссия решила не создавать новый эталон, а принять в качестве исходной единицы длины "метр Архива", хранящийся во Франции. В 1875 г. была принята Международная метрическая конвенция, которую подписала и Россия. Этот год метрологи считают вторым рождением метра как основной международной единицы длины.

Уже в XX в. (1967 г.) были опубликованы исследования более точного измерения  парижского меридиана, которые показали, что четверть меридиана равна

10 млн. 1954,4 метра. Таким  образом, "метр Архива" всего  на 0,2 мм короче меридионального  метра.

В 1889 г. был изготовлен 31 экземпляр  эталона метра из платино-иридиевого сплава. Оказалось, что эталон № 6 при температуре 0°С точно соответствует длине "метра Архива", и именно этот экземпляр эталона по решению I Генеральной конференции по мерам и весам был утвержден как международный эталон метра, который хранится в г. 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^-7 м уже в начале XX в, оценивалась как неудовлетворительная, и в 1960 г. XI Генеральная конференция по мерам и весам выработала другое определение метра — в длинах световых волн, что основано на постоянстве длины волны спектральных линий излучения атомов. Это основа криптонового эталона метра. Погрешность криптонового эталона намного меньше, чем платино-иридиевого, и равна 50-1*10^-9.

Однако в космический  век и эта точность оказалась  недостаточной, а новейшие достижения науки позволили в 1983 г. на XVII Генеральной  конференции мер и весов принять новое определение метра как длины пути, проходимого светом за 1/299792458 доли секунды в условиях вакуума. Следует отметить, что на этой же конференции было объявлено точно определяемое современной наукой значение скорости света.

Не менее интересна  история эталона единицы массы. "Килограмм Архива", который  был принят за эталон массы в 1872 г., представляет собой платиновую цилиндрическую гирю, высота и диаметр которой  равны по 39 мм. Прототипы (вторичные  эталоны) для практического применения были сделаны из платино-иридиевого сплава, За международный прототип килограмма была принята пла-тино-иридиевая гиря, по точности в наибольшей степени соответствующая массе "килограмма Архива".

По решению I Генеральной  конференции по мерам и весам России из 42 экземпляров прототипов килограмма были переданы № 12 и № 26, причем № 12 утвержден в качестве государственного эталона массы (см. рис. 28.1). Прототип № 26 использовался как вторичный эталон.

Национальный (государственный) эталон массы хранится в НПО "ВНИИМ  им. Д.И. Менделеева" (г. Санкт-Петербург) на   кварцевой подставке под двумя стеклянными колпаками в стальном сейфе, температура воздуха поддерживается в пределах 20 +/- 3°С, относительная влажность 65%. Один раз в 10 лет с ним сличаются два вторичных эталона.

При сличении с международным  эталоном наш национальный эталон массы  получил значение 1,0000000877 кг. Для  передачи размера единицы массы  от прототипа № 12 вторичным эталонам используются специальные весы № 1 и № 2 с дистанционным управлением на 1 кг; весы № 1 изготовлены фирмой "Рупрехт", a № 2 - НПО "ВНИИМ им Д.И. Менделеева". Погрешность воспроизведения килограмма составляет 2*10^-9.

За 100 с лишним лет существования  описанного прототипа килограмма, конечно, были попытки создать более современный  эталон на основе фундаментальных физических констант масс различных атомных частиц (протона, электрона и т.д.). Однако на современном уровне научно-технического прогресса пока не удалось воспроизвести этим новейшим методом массу килограмма с меньшей погрешностью, чем существующая.

Отклонения массы эталонов, определяемые при международных сличениях, показывают достаточную степень ее стабильности. В табл. 28.1 приведены результаты двух сличений.

 

 

 

 

 

 

 

По мере развития науки  и техники появилась нужда  в большом количестве других эталонов. Например, эталон частоты, времени, температуры, напряжения и т. д. Прогресс не только вводил новые эталоны, но и повышал точность старых. Длина одного метра в настоящий момент установлена равной пути, проходимому светом в вакууме за (1 / 299 792 458) секунды.

 

1.1  Эталоны единиц физических величин

Эталон единицы физической величины (англ. measurement standard) – 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.

Примечания:

   * 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 - неизменностью,  воспроизводимостью и сличаемостью.

СТБ 8002–93 «Эталоны единиц физических величин. Порядок разработки, утверждения, хранения и применения» дает следующее  определение эталона.

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

Примечание. Метрологические  свойства первичных эталонов единиц величин устанавливают независимо от других эталонов единиц этих же величин.

Первичный специальный  эталон – первичный эталон, воспроизводящий единицу в специфических условиях (высокие и сверхвысокие частоты, малые и большие энергии, давления, температуры, особые состояния вещества и т.п.).

Вторичный эталон (англ. secondary standard) – эталон, получающий размер единицы непосредственно от первичного эталона данной единицы.

Примечание. К вторичным  эталонам относят эталоны-копии, рабочие  эталоны и эталоны сравнения.

 

 

 

Вторичные эталоны реализуются  в виде:

– комплекса СИ;

– одиночных эталонов;

– групповых эталонов;

– эталонных наборов.

Эталон сравнения (англ. transfer standard) – вторичный эталон, применяемый для сличений эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличены друг с другом.

Исходный эталон (англ. reference standard) – эталон, обладающий наивысшими метрологическими свойствами из имеющихся в данном виде измерений (в стране или группе стран, в регионе, министерстве (ведомстве), организации, предприятии или лаборатории), от которого получают размер единицы подчиненные ему средства измерений.

Примечания:

   * В некоторых странах  СНГ в качестве исходного эталона  единицы той или иной величины  служит вторичный эталон, который  получает размер единицы от  первичного эталона страны - хранителя  этого эталона.

   * Эталоны, стоящие  в поверочной схеме ниже исходного  эталона, обычно называют подчиненными  эталонами.

Эталон-копия – вторичный эталон, предназначенный для передачи размера единицы рабочим эталонам и заменяющий в обоснованных случаях первичный эталон.

Примечание. Эталон-копия  не всегда является физической копией первичного эталона.

Рабочий эталон (англ. working standard) – вторичный эталон, предназначенный для передачи размера единицы образцовым и наиболее точным рабочим средствам измерений.

Государственный первичный эталон – первичный эталон, признанный решением уполномоченного на то государственного органа в качестве исходного на территории государства.

Пример. Государственные  эталоны метра, килограмма, секунды, ампера, кельвина, канделы, ньютона, паскаля, вольта, беккереля.

Международный эталон (англ. international standard) – эталон, принятый по международному соглашению в качестве международной основы для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами.

Пример. Международный прототип килограмма, хранимый в МБМВ (Международное  бюро мер и весов), утвержден 1-й  Генеральной конференцией по мерам  и весам (ГКМВ).

Одиночный эталон – эталон, в составе которого имеется одно средство измерений (мера, измерительный прибор, эталонная установка) для воспроизведения и (или) хранения единицы.

Одиночный эталон состоит  из одной меры, одного измерительного прибора или одной измерительной  установки, обеспечивающих воспроизведение  или хранение единицы самостоятельно без участия других СИ того же типа.

Групповой эталон (англ. collective standard) – 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:

*Групповой эталон состоит  из совокупности однотипных мер,  измерительных приборов или других  СИ, применяемых как одно целое  для повышения надежности хранения  единицы.

*Размер единицы, хранимой  групповыми эталонами, определяется  как среднее арифметическое из  значений, воспроизводимых отдельными  мерами или приборами, входящими  в состав группового эталона.  Отдельные меры или приборы  из его состава могут применяться  в качестве одиночных рабочих  эталонов, если это допустимо  по условиям хранения единиц.

Групповые эталоны могут  быть:

– переменного состава;

– постоянного состава.

*За результат измерений  принимают обычно среднее арифметическое  значение результатов измерений  однотипными средствами измерений  или эталонными установками.

 

Эталонный набор (англ. group standard) – эталон, состоящий из совокупности средств измерений, позволяющих воспроизводить и (или) хранить единицу в диапазоне, представляющем объединение диапазонов указанных средств.

Эталонный набор представляет собой набор мер или измерительных  приборов, позволяющих хранить единицу  или измерять величину в определенных пределах. Эти меры или приборы  предназначены для различных  значений или различных областей значений измеряемой величины

 

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

 

Транспортируемый  эталон (англ. travelling standard) – эталон (иногда специальной конструкции), предназначенный для его транспортирования к местам поверки (калибровки) средств измерений или сличений эталонов данной единицы.

Хранение эталона (англ. conservation of a measurement standard) – совокупность операций, необходимых для поддержания метрологических характеристик эталона в установленных пределах.

Примечания:

   * При хранении  первичного эталона выполняют  регулярные его исследования, включая  сличения с национальными эталонами  других стран с целью повышения  точности воспроизведения единицы  и совершенствования методов  передачи ее размера.

   * Для руководства  работ по хранению государственных  эталонов устанавливают специальную  категорию должностных лиц - ученых  хранителей государственных эталонов, назначаемых из числа ведущих  в данной области специалистов-метрологов.

Эталонная база страны – совокупность государственных первичных и вторичных эталонов, являющаяся основой обеспечения единства измерений в стране.

Примечание. Число эталонов не является постоянным, а изменяется в зависимости от потребностей экономики  страны. Обычно прослеживается увеличение их числа во времени, что обусловлено  постоянным развитием рабочих средств  измерений.