Эталоны единиц физических величин Классификация эталонов

Технической основой обеспечения единства измерений является эталонная база. Слово «эталон» (etalon) французского происхождения, означает идеальный образец чего-нибудь.

Эталон – средство измерений (или их комплекс), предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме СИ и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке [РМГ 29-99].

Эталон единицы величины - техническое средство, предназначенное для воспроизведения, хранения и передачи единицы величины [ФЗ «Об ОЕИ»].

Эталон должен обладать, по крайней мере, тремя тесно связанными друг с другом признаками:

– неизменностью,

– воспроизводимостью,

– сличаемостью.

Неизменность – свойство эталона удерживать неизменным размер воспроизводимой им единицы в течение длительного интервала времени, а все изменения, зависящие от внешних условий, должны быть строго определенными функциями величин, доступных точному измерению.

Реализация этих требований привела к идее создания «естественных эталонов» различных величин, основанных на естественных физических постоянных.

Воспроизводимость – возможность воспроизведения единицы ФВ (на основе ее теоретического определения) с наименьшей погрешностью для данного уровня развития измерительной техники.

Это достигается путем постоянного исследования эталона в целях определения систематических погрешностей и их исключения введением соответствующих поправок.

Сличаемость – возможность обеспечения сличения с эталоном других средств измерения, нижестоящих по поверочной схеме, и в первую очередь вторичных эталонов с наивысшей точностью для данного уровня развития техники измерения.

Это свойство предполагает, что эталоны по своему устройству и действию не вносят каких-либо искажений в результаты сличений и сами не претерпевают изменений при проведении сличений.

Классификация, назначение и общие требования к созданию, хранению и применению устанавливают ГОСТ 8.057-80 «ГСИ. Эталоны единиц физических величин. Основные положения» и ГОСТ 3.372-80 «ГСИ. Эталоны единиц физических величин. Порядок разработки, утверждения, регистрации, хранения и применения».

Перечень эталонов не повторяет перечня принятых ФВ. Для ряда единиц эталоны не создаются. Это происходит в том случае, когда нет возможности непосредственно сравнивать соответствующие ФВ.

Различают следующие виды эталонов:

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

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

Вторичный эталон – эталон, получающий размер единицы непосредственно от первичного эталона данной единицы. Различают эталоны-копии и эталоны сравнения.

Национальный эталон — эталон, признанный официальным решением служить в качестве исходного для страны.

Государственный эталон единицы величины - эталон единицы величины, находящийся в федеральной собственности. Существуют две разновидности государственных эталонов – первичные и специальные.

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

Специальный эталон — эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы в особых условиях и заменяющий для этих условий первичный эталон. (Для этих особых условий специальный эталон служит первичным). Единица, воспроизводимая с помощью специального эталона, по размеру должна быть согласована с единицей, воспроизводимой с помощью соответствующего первичного эталона [11].

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

Эталон-копия — вторичный эталон, предназначенный для передачи размеров единиц рабочим эталонам. Эталон-копия не всегда является физической копией государственного эталона, он копирует лишь метрологические свойства государственного эталона.

Рабочий эталон – воспринимает размер единицы от вторичных эталонов и, в свою очередь, служит для передачи размера менее точному рабочему эталону (низшего разряда) или рабочим средствам измерений.

Рабочее средство измерений – средство измерений, предназначенное для измерений, не связанных с передачей размера единицы другим средствам измерений.

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

Классификация эталонов

В международной практике государственные эталоны обычно называются национальными, а эталоны, хранимые в Международном бюро мер и весов, международными.

К первичным эталонам относят соответствующие эталоны основных и производных единиц СИ.

Размер единицы, воспроизводимой вторичными эталонами, «поддерживается» с помощью первичных (государственных).

Вторичные эталоны утверждаются в зависимости от особенностей их применения

– Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии

– или государственными научными метрологическими центрами.

Рабочие эталоны получают размер единицы, как правило, от вторичного эталона и служат для передачи размера единиц другим рабочим эталонам (меньшей точности) и рабочим средствам измерений.

Рис. Структура передачи единицы физической величины рабочим средствам измерений различной точности

До 1994 года в нашей стране применялся термин «образцовое средство измерений», которое служило промежуточным метрологическим звеном, расположенным между эталоном и рабочим средством измерений. С целью приближения российской терминологии к международной, было принято решение именовать «образцовые средства измерений» рабочими эталонами.

Поскольку образцовые средства измерений в зависимости от точности подразделялись на разряды от 1-го (более высокой точности) до 4-го разряда (наименьшей точности), то такие же разряды были приняты и для рабочих эталонов.

В СССР имелось 145 государственных первичных эталонов, а сама эталонная база была признана в мире одной из самых полных систем эталонов с уникальными возможностями по условиям применения, широкими диапазонами измерений и высокими точностями.

В настоящее время в Российской Федерации 127 государственных эталонов (57 – государственные первичные эталоны; 70 – государственные специальные эталоны), из них 6 эталонов основных единиц (по данным www.gost.ru).

Основные единицы величин	Институты-хранители государственных первичных эталонов
Килограмм	Всероссийский НИИ метрологии (ВНИИМ) им. Д.И.Менделеева
Метр
Ампер
Кельвин
Секунда	Всероссийский НИИ физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ)
Кандела	Всероссийский НИИ оптико-физических измерений (ВНИИОФИ)

Определения основных единиц ФВ системы СИ

Метр – длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299 792 458 доли секунды (точно).

Килограмм – масса, равная массе международного прототипа килограмма, хранящегося в международном бюро мер и весов. Представляет собой цилиндр из сплава платины (90%) и иридия (10%), у которого диаметр и высота примерно одинаковы (около 39 мм).

Секунда – интервала времени, равный 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 в отсутствии внешних полей.

Ампер – сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового сечения, расположенных на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызвал бы между этими проводниками силу взаимодействия равную 2·10⁻⁷ Н на каждый метр длины.

Кельвин – интервал температуры, равный 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды.

Кандела – представляет собой силу света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·10¹² Гц, энергетическая сила излучения которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Моль – количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в углероде-12 массой 0,012 кг.

К настоящему времени ни в одной метрологической лаборатории мира эталон моля не создан. На пути создания такого эталона встали большие теоретические проблемы, одной из которых является недостаточная четкость определения этой единицы. В настоящее время проводятся теоретические и экспериментальные исследования на основе квантовой теории с целью создания эталона единицы количества вещества на базе фундаментальных физических констант.

Общее число государственных эталонов основных единиц (18) значительно (в 3 раза) превышает число воспроизводимых ими основных единиц (6), так как и для основных единиц потребовалось создание не только первичных, но и специальных эталонов. Так, для основной единицы длины (метра) функционируют 5 государственных эталонов:

– первичный эталон метра

специальные эталоны для

– измерения длин волн оптического излучения в спектроскопии

– измерения параметров шероховатости

– измерения параметров эвольвентных поверхностей для зубчатых зацеплений

– измерения амплитуды перемещений при колебательном движении твердых тел.

Для основной единицы температуры — кельвина — функционируют 7 государственных эталонов; для единицы силы тока — ампера — 3 государственных эталона; для остальных основных единиц (килограмма, секунды и канделы) в настоящее время имеется только по одному (первичному) государственному эталону.