6.2 Эталоны

6.2.1 Единство измерений обеспечивается тождественностью единиц, в которых проградуированы все СИ, что достигается точным воспроизведением и хранением установленных единиц физических величин (эталоны и образцовые СИ) и передачи их размеров применяемым СИ [9].

Для измерений в области естественных и технических наук ключевым являются два положения []:

1) принятие метрической системы как основной шкалы для формирования образов действительности;

2)установление эталонов единиц меры, воспроизводящих выделенные состояния для образов действительности. Каждый результат измерения посредством системы поверок СИ и через иерархию эталоновотражает выделенные для сравнения эталонные состояния.

Эталон – первичный носитель меры, который подтверждается экспериментально и теоретически, и утверждён в установленном порядке (государственный эталон). Если эталон воспроизводит единицу с наивысшей в стране точностью, он называется первичным. Кроме национальных существуют международные эталоны.

Специальный эталон воспроизводит единицу в особых условиях.

Вторичный эталон – значение которого устанавливается по первичному (эталон-копия, эталон сравнения, эталон-свидетель, рабочий эталон).

Одиночный эталон состоит из одной меры, одного СИ, и обеспечивает воспроизведение и хранение единицы без участия других средств. Групповой эталон – совокупность отобранных эталонов, в которой с течением времени новые, более точные экземпляры заменяют экземпляры с наибольшим отклонением от среднего.

ПРИМЕР.

За основную единицу измерения электрических величин в 1881 г. принят 1 ампер, определяемый:

1. с помощью 1 вольта и 1 Ома;

2. по величине массы серебра, выделяемого при электролизе нитрата серебра (по закону Фарадея);

3. по силе, воздействующей на проводники с протекающим током (применяется и в настоящее время с помощью токовых весов с погрешностью 610 ^–6).

Наиболее точный воспроизводимый эталон напряжения – нормальный элемент Уэстона с погрешностью ниже 10 ^{– 6}. В настоящее время достигнута точность 10 ^{– 9}.

ПРИМЕР.

Эталон электрической ёмкости с погрешностью 10 ^-7 – расчётная, устанавливается по математической модели с заданными геометрическими размерами (рисунок 52).

Экран Электроды

Рисунок 52 - Расчётный эталон ёмкости.

Централизовано воспроизводятся важнейшие единицы (ньютон, джоуль, паскаль, ом, вольт,…), децентрализовано – производные единицы.

6.2.2 Воспроизведение эталонов – процедура сравнения двух эталонов, один из которых первичный, другой – вторичный. Мера переносится с неизбежной ошибкой сравнения, которая приписывается вторичному эталону. Передача меры эталонам сверху вниз называется эталонированием, передача на всё более низкий уровень – пропагация эталонов [1].

Образованная для переноса эталона иерархия представлена на рисунке 53.

Первичный эталон

Вторичный эталон

Образцовые СИ

1-й уровень

2-й уровень

3-й уровень

4-й уровень

Наивысшая точность Высокая Низшая Средняя Высшая

Рабочие СИ

Рисунок 53 – Иерархия переноса эталона.

6.2.3 Первичный эталон W₁ обладает номинальной мерой W₁₀, установленной в момент времени эксплуатации Т₁₀. Неточность меры первичного эталона, состоящая из систематической и случайной составляющих:

₁(T) = w₁ – w₁₀ = g₁ (T) + h₁(T) (201)

Систематическая составляющая h₁(T) может изменяться по известному закону и быть прогнозируема. Случайная составляющая g₁ (T) определяется внутренними свойствами эталона и имеет известное распределение.

Аналогично описывается неточность меры второго эталона:

₂(T) = w₂ – w₂₀ = g₂ (T) + h₂(T) (202)

Сравнение эталонов производится в момент времени Т, различный на шкале времени эксплуатации каждого из них, и осуществляется с помощью компаратора (рисунок 16) , показание которого Х отличается от истинного значения Х*:

_К = Х – Х* = Х – (w₂ – w₁) = g_K + h_K (203)

При одноразовом сравнении возникает погрешность:

w₂₀ = w₁₀ + X = w₁₀ + X* + g_K + h_K (204)

То есть мера вторичного эталона отягощена погрешностью компаратора.

Уравнение погрешностей:

g₂ + h₂ = g₁ (T) + h₁(T) + g_K + h_K (205)

w₁ g_K

Х* Х

w₂ h_K

Рисунок 54 – Схема сравнения двух эталонов.

Многократное сравнение с одним эталоном и сравнение с различными эталонами уменьшает погрешность в соответствии с закономерностями аналогичных измерений.