6.5. Эталоны

Средства измерений не вечны. Чтобы быть уверенным в их ис­правности, необходимо их поверять, т.е. периодически проверять значе­ния их метрологических характеристик при помощи более точных средств измерений, называемых рабочими эталонами. Эталоны создают для воспроизведения, хранения и передачи участка шкалы измерений или размера единицы измерения другим средствам измерений.

Воспроизведением называют совокупность операций, имеющих це­лью воссоздание участка (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 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 (национальный) эталон - первичный (ГПЭ) или специальный (ГСЭ), утвержденный в качестве исходного для страны. Эталон, который в конкретном органе метроло­гической службы является наиболее точным, называется исходным для этого органа.

Вторичный (подчиненный) эталон хранит шкалу или единицу измерения, полученную путем сличения с первичным эталоном, для по­следующей передачи рабочим эталонам. Среди вторичных эталонов выделяют 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), предна­значенные 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 и явля­ются исходными для страны.

Воспроизводимое эталоном единицы измерения значение величи­ны может отличаться как от самой 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 118 государственных (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 измерительным комплексом, в котором использованы новейшие достижения науки, техники и технологии. Например, в Государственном первичном эталоне единицы длины - метра - ГЭТ 2-85 используется интерферен­циометрический метод, основанный на определении числа длин волн светового излучения, которые укладываются в измеряемый отрезок. В составе эталона: источники эталонного излучения - гелий-неоновые лазеры, стабилизированные по линии насыщенного поглощения в молекулярном йоде-127 ( - лазеры); установка для измерения отношении длин волн источников излучения; интерференционный компаратор с лазерным интерференционным рефрактометром.

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 представляет собой цилиндр из платимо-иридиевого сплава диаметром и высотой 39 мм. Наименьшая относительная погрешность измерения килограмма составляет (при абсолютной погрешности 1 мкг для верхнего предела измерения 1 кг). Наличие международного эталона в единственном экземпляре не исключает возможности его утраты, вызывает необходимость периодических непосредственных сличений с ним национальных эталонов. Неизбежный износ эталонов килограмма при их сличениях обнаружить невозможно.

Поэтому в некоторых научных метрологических центрах мира ве­дется активная работа по созданию эталона килограмма, связанного с естественными или фундаментальными константами. В первую очередь стоит отметить метод, согласно которому килограмм может быть опре­делен как 1/12 киломоля углерода при уточнении значения постоянной Авогадро (достигнутая погрешность метода ). 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 .

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 (ФФК). Глубокая связь метрологии с ФФК про­является, в частности, в стремлении создавать комплексные эталоны:

• единый эталон времени - частоты - длины на основе общего физического процесса - распространения электромагнитных волн в вакууме;

• единый эталон силы тока - напряжения - сопротивления, опирающийся на квантовые эффекты Джозефсона и Холла.

При отсутствии необходимого эталона в метрологической практике используется концепция опорных значений. Принятое опорное значение - это значение величины, которое служит в качестве согласованного для оценки точности результатов измерений. Примером опорного значения может служить реперная точка на шкале измерений.