Лекция № 9. Государственное регулирование обеспечения единства измерений (гроеи)

9.1. Эталоны. Эталонная база рф

Средства измерений не вечны. Чтобы быть уверенным в их исправности, необходимо периодически проверять значения их метрологических характеристик при помощи более точных средств измерений. Такую операцию называют поверкой или калибровкой. Наиболее точные СИ носят название эталонов. Эталоны создают для воспроизведения, хранения и передачи участка шкалы измерений или размера единицы измерения другим средствам измерений.

Воспроизведением называют совокупность операций, имеющих целью воссоздание участке (или точки) шкалы, соответствующего ее определению (спецификации). Передача – это процедура приведения шкалы рабочего средства измерений (или поверяемого эталона) в соответствие со шкалой. Хранимой более точным эталоном.

Различают следующие виды эталонов.

Первичный (исходный) эталон – обеспечивает воспроизведение шкалы или единицы измерения с наивысшей в стране точностью в данной области измерений. Специальный эталон воспроизводит шкалу (единицу) в особых условиях и для этих условий служит первичным эталоном. Первичные эталоны – основа государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ). Государственный эталон – первичный (ГПЭ) или специальный (ГСЭ) утвержденный в качестве исходного для страны. При международных сличениях государственные эталоны принято называть «национальными».

Вторичный (подчиненный) эталон – хранит шкалу или единицу измерения, полученную путем сличения от первичного эталона, для последующей передачи рабочим эталонам. Вторичные эталоны свою очередь делятся на эталоны-копии (создаются при большом объеме поверочных работ), эталоны сравнения (применяются для сличения эталонов, которые не могут быть непосредственно сличаемы друг с другом) и рабочие эталоны (прежнее название – образцовые средства измерений), предназначены для передачи участка шкалы (размера единицы измерения) рабочим эталонам низших разрядов и рабочим СИ. К категории рабочих эталонов относят также установки высшей точности (УВТ), которые классифицируются как рабочие эталоны высшей точности, являются исходными для страны.

Воспроизводимое эталоном единицы измерения значение величины может отличаться как от единицы измерения, так и от ее кратного или дольного десятичного значения. Так, ГПЭ единицы электрической емкости имеет номинальное значение 0,2 пФ, ГПЭ единицы крутящего момента – диапазон от 20 до 2500 Н·м

Эталонная база России объединяет около 130 государственных эталонов (первичных и специальных) эталонов, более 70 установок высшей точности, примерно 250 вторичных эталонов. Все они занесены в Реестр эталонов и УВТ. Как правило, эталон является уникальным сложнейшим измерительным комплексом, в котором использованы новейшие достижения науки, техники и технологии. Например, Государственный первичный эталон единицы длины - метра - ГЭТ 2-85 реализуется при помощи метода, основанного на определении количества длин волн светового излучения, которое укладывается в измеряемый отрезок. В составе данного эталона: источники эталонного излучения - гелий-неоновые лазеры, стабилизированные по линии насыщенного поглощения в молекулярном йоде-127 (He-Ne/J₂ - лазеры); установка для измерения отношений длин волн источников излучения; интерференционный компаратор с лазерным интерференционным рефрактометром.

Эталонную базу РФ образуют государственные эталоны единиц величин. Государственные первичные эталоны единиц величин не подлежат приватизации. Сведения о государственных эталонах единиц величин вносятся в Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений.

Государственные первичные эталоны единиц величин содержатся и применяются в государственных научных метрологических институтах. Эти эталоны подлежат периодическим сличениям с эталонами величин Международного бюро мер и весов и национальными эталонами единиц иностранных государств. Применяемые в РФ эталоны (вторичные и рабочие) должны прослеживаться к государственным первичным эталонам соответствующих единиц величин.

Эталонами обеспечены почти все основные единицы Международной системы единиц (исключение составляет единица количества вещества – моль) и многие производные единицы. В связи с освоением метрологией новых областей измерений, увеличением числа допущенных к применению единиц величин (на сегодняшний день их более 2000) и, соответственно, числа эталонов все больше внимания уделяется совершенствованию эталонной базы, в первую очередь повышению точности эталонов.

Единица измерения массы – килограмм – оказалась последней основной единицей SI, воспроизводимой вещественным, рукотворным эталоном, никак не связанным с естественными явлениями природы.

Международный эталон килограмма ("килограмм Архива") представляет собой цилиндр из платино-иридиевого сплава диаметром и высотой 39 мм. Наличие международного эталона в единственном экземпляре не исключает возможности его утраты, вызывает необходимость периодических непосредственных сличений с ним национальных эталонов.

Наименьшая относительная погрешность измерения килограмма составляет 1·10^-9 (при абсолютной погрешности 1 мкг для верхнего предела измерения 1 кг).

Поэтому в некоторых научных метрологических центрах проводится большая работа по созданию эталона килограмма, связанного с естественными или фундаментальными константами. В первую очередь здесь стоит отметить метод, согласно которому килограмм может быть определен как 1/12 киломоля углерода при уточнении значения постоянной Авогадро (достигнутая погрешность метода 3·10^-7). Другой метод предусматривает выражение килограмма с помощью силы, развиваемой в электростатических весах. Этот метод опирается на эффект Джозефсона, значения скорости света в вакууме, ускорения свободного падения, постоянной Планка и имеет относительную погрешность 8·10^-8.

Исследования метрологов направлены на поиск и изучение высокостабильных процессов и явлений микромира, воспроизводимость которых обеспечивалась бы фундаментальными положениями физики и позволила решить проблему перехода эталонной базы на систему так называемых естественных эталонов, опирающихся на фундаментальные физические константы, глубокая связь метрологии с ФФК проявляется, в частности, в тенденции создания комплексных эталонов:

0. единого эталона времени-частоты-длины на основе общего физического процесса – распространения электромагнитных волн в вакууме;

1. единого эталона силы тока-напряжения-сопротивления, опирающегося на квантовые эффекты Джозефсона и Холла.