Поверка и калибровка средств измерения массы. Часть 1. Начальные сведения об измерении массы. Учебное пособие

ответствии с государственной поверочной схемой, проводимые в процессе эксплуатации эталона единицы величины.

Обязательные требования к эталонам единиц величин устанавливаются Росстандартом при утверждении эталонов единиц величин по результатам первичной аттестации. Выделяются следующие группы обязательных требований к эталонам:

обязательные метрологические требования — характери-

стики (параметры) эталонов, влияющие на результат и показатели точности измерений, а также на условия, при которых эти характеристики (параметры) должны быть обеспечены;

обязательные технические требования — особенности конструкции эталонов, обеспечивающие сохранение их метрологических характеристик в процессе эксплуатации, достижение достоверности результатов измерений, недопущение несанкционированного вмешательства, безопасность, энергоэффективность и электромагнитную совместимость;

обязательные требования к содержанию и применению —

особенности содержания и применения эталонов, при которых выполняются обязательные метрологические и технические требования.

К государственным первичным эталонам единиц величин на этапе разработки применяются требования, заданные в технических заданиях на их разработку.

Как уже отмечалось выше, аттестация является формой оценки соответствия эталонов обязательным требованиям. Поэтому для средств измерений утвержденного типа, применяемых в качестве эталонов единиц величин, вместо процедуры поверки средств измерений применяются процедуры первичной и периодической аттестации.

Первичная аттестация государственных первичных эталонов осуществляется при проведении государственных испытаний межведомственной комиссией, создаваемой Росстандартом, других государственных эталонов — комиссией, создаваемой федеральным органом власти, по заказу которого разработан эталон.

Первичная аттестация негосударственных эталонов проводится на основе соответствующей государственной поверочной схемы юридическими лицами и индивидуальными предпринимателями, содержащими и применяющими эти эталоны.

61

Периодическая аттестация государственных первичных эталонов осуществляется государственными научными метрологическими институтами путем сличения с международными эталонами или эталонами других стран либо проведения специальных исследований, других эталонов — юридическими лицами и индивидуальными предпринимателями, содержащими и применяющими эти эталоны, путем передачи единиц величин эталонам в соответствии с государственными поверочными схемами и методиками периодической аттестации.

Результаты первичной аттестации государственных эталонов отражаются в актах государственных испытаний. Материалы первичной аттестации негосударственных эталонов должны содержать результаты исследований, а также правила содержания и применения эталона и предложения по межаттестационному интервалу.

Результаты периодической аттестации государственного первичного эталона вносятся в паспорт эталона. Росстандарт должен проверять результаты аттестации не реже 1 раза в 2 года.

Результаты периодической аттестации эталонов (исключая государственные первичные) отражаются владельцами эталонов в свидетельствах о периодической аттестации. Результаты первичной и периодической аттестации этих эталонов отражаются в эксплуатационной документации.

Материалы первичной аттестации эталона единицы величины направляются в Росстандарт для принятия решения об утверждении эталона. Владелец (заказчик) эталона должен отразить в направляемых материалах:

1)требования к помещениям и условиям содержания и применения эталона;

2)требования по установке, регулировке и подготовке к использованию эталона;

3)процедуры контроля технического состояния эталона и условий его использования;

4)процедуры технического обслуживания эталона;

5)методику периодической аттестации.

Для средств измерений утвержденного типа, применяемых в качестве эталонов, в направляемых материалах достаточно отразить только особенности их содержания и применения в качестве эталонов и указать разделы эксплуатационной документации, содержащие необходимые (см. п.п. 1–5) процедуры и требования.

62

При положительных результатах рассмотрения представленных материалов Росстандарт присваивает эталону номер и утверждает наименование эталона, его состав, обязательные требования, правила содержания и применения, а также межаттестационный интервал. Для государственных первичных эталонов дополнительно утверждаются государственная поверочная схема и ученый-хранитель государственного первичного эталона.

При проведении аттестации владелец эталона (за исключением государственных первичных эталонов) обязан представить его для получения соответствующей единицы величины от эталона, имеющего более высокие показатели точности, в соответствии с государственной поверочной схемой в срок, не превышающий межаттестационный интервал.

В свидетельстве об аттестации эталона подтверждается его соответствие государственной поверочной схеме. В случае признания эталона (за исключением государственного первичного) не соответствующим обязательным требованиям оформляется извещение о его непригодности к применению, которое выдается владельцу, а копия направляется в Росстандарт.

4.2. Поверочные схемы

Конечной целью воспроизведения единиц (шкал) является их передача рабочим средствам измерений (РСИ). РСИ получают единицу (шкалу) от эталонов, которые называются рабочими. Рабочие эталоны подразделяются на разряды, и передача единицы осуществляется через цепочку соподчиненных по разрядам рабочих эталонов. Таким образом, единица фактически спускается вниз от исходного эталона к РСИ. При этом передача осуществляется ступенчато: исходный эталон — рабочий эталон 1-го разряда — рабочий эталон 2-го разряда — … — РСИ. Порядок передачи и количество ступеней определяются поверочной схемой. Поверочная схема для средств измерений — это нормативный документ, устанавливающий соподчинение средств измерений, участвующих в передаче размера единицы от эталона рабочим средствам измерений (с указанием методов и погрешности при передаче). Различают государственные и локальные поверочные схемы (в зависимости от того, для какого исходного эталона они разработаны: государственного или исходного в рамках предприятия, региона и т.п.). Государственная поверочная схема распро-

63

страняется на все средства измерений данной физической величины, имеющиеся в стране. Локальная поверочная схема распространяется на средства измерения данной физической величины, применяемые в регионе, на предприятии. Государственная поверочная схема возглавляется национальным эталоном, локальная — исходным, в качестве которого может быть использован рабочий эталон, УВТ, специальный эталон. Исходя из технических возможностей, практической потребности, экономической целесообразности поверочные схемы содержат различное число ступеней.

Государственная поверочная схема может быть представлена в виде пирамиды, в вершине которой находится государственный эталон единицы физической величины. Далее ниже по уровню находятся вторичные эталоны и рабочие эталоны (ранее они назывались образцовые средства измерений) 1-го, 2-го, 3-го разрядов и т.д. и РСИ. На каждом уровне (ступени) поверочной схемы регламентируется метод передачи размера единицы.

Государственные поверочные схемы оформляются согласно требованиям ГОСТ 8.061 «ГСИ. Поверочные схемы. Содержание и построение». Наименования эталонов и РСИ вместе с указанием диапазона измерений и метрологических характеристик средств измерений заносятся в прямоугольники. Наименование метода передачи размера заключается в горизонтально расположенные овалы, в которых указывается допускаемая погрешность метода (рис. 19).

Существенно важным показателем достоверности передачи размера единицы величины является соотношение погрешностей средств измерений между соседними уровнями (ступенями) поверочной схемы. Это соотношение иногда именуют метрологическим порядком. Установление этого соотношения определяется целым рядом факторов, одними из наиболее важных среди которых являются технические возможности и экономическая целесообразность. Достаточными считаются соотношения 1:3; 1:4; 1:5. Однако, например, государственная поверочная схема для средств измерения массы допускает прямую связь РСИ непосредственно с рабочим эталоном, что связано как с высокой достигнутой точностью эталонных средств измерений, так и с высокими метрологическими требованиями к РСИ. Государственная поверочная схема для средств измерения силы устанавливает это соотношение равным 1:2, что определяется сложностью реализации

64

тяжелых и габаритных эталонов и рабочих средств измерения силы, а также экспериментально подтвержденной технической целесообразностью.

Первичный

эталон

Рис. 19. Структура поверочной схемы:

1 — исходный эталон; 2 — метод поверки; 3 — вторичный эталон; 4 — эталон сравнения; 5, 6, 7 — рабочие эталоны соответствующих

разрядов; 8 — рабочий эталон, заимствованный из другой поверочной схемы; 9 — рабочие средства измерений

Во главе локальной поверочной схемы, в зависимости от ее значимости, должен находиться эталон, обладающий наивысшими метрологическими свойствами в данном регионе, организации, лаборатории и т.д. Локальные поверочные схемы должны соответствовать государственной поверочной схеме, вписываться

внее и оформляться по аналогичной структуре.

4.3.Методы передачи размера единиц величин

Вповерочных схемах используются следующие методы передачи размера единицы величины (методы поверки или калибровки).

65

Метод непосредственного сличения предусматривает одно-

временное измерение одного и того же значения физической величины поверяемым средством измерений и эталоном соответствующего разряда. При сличении устанавливается некоторое значение измеряемой величины и сравниваются показания поверяемого средства и эталонного. За действительное значение принимается показание эталона. При этом отсчет показаний можно производить двумя способами. В одном случае значение величины устанавливается по поверяемому средству измерений, а отсчет производится по эталону. В другом случае значение измеряемой величины устанавливается по эталону, а отсчет производится по показаниям поверяемого средства. Предпочтение следует отдать первому способу, поскольку цена деления шкалы эталона, как более точного средства измерений, дает возможность произвести более точный отсчет.

Метод сличения поверяемого средства измерений с эталон-

ным с помощью компаратора (средство измерений, предназначенное для сличения мер однородных величин) реализуется методом замещения, при котором измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины (например, метод Борда при точном взвешивании), или методом противопоставления, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (например, взвешивание на равноплечих весах). При этом в зависимости от способа отсчета может использоваться нулевой метод, когда результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля, или дифференциальный метод, когда измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, и когда имеется возможность измерять разность между этими двумя величинами.

Метод прямых измерений применяется, когда имеется возможность с помощью многозначной меры провести сличение и определить погрешность поверяемого средства измерений (например, при поверке динамометров 3-го разряда непосредственно на эталонной (образцовой) силоизмерительной машине 2-го разряда).

Метод косвенных измерений применяется, когда действи-

тельный размер меры находят с помощью поверяемого средства

66

измерений прямыми измерениями нескольких эталонных величин, связанных с искомой величиной определенными зависимостями. Примером может служить определение вместимости стеклянных мер весовым методом.

Необходимо обратить внимание на различие в наименованиях стандартов, регламентирующих порядок передачи размера единиц измерений для разных физических величин. Так, стандарты на поверочные схемы для средств измерения массы, силы, плотности жидкости и некоторых других величин именуются как «Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений ...». Стандарты для средств измерения твердости, скорости воздушного потока, параметров шероховатости и других именуются как «Государственный специальный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений ...». И третья группа стандартов, например, для средств измерения деформации, объема жидкости, уровня жидкости и других, именуются как «Государственная поверочная схема для средств измерений ...». Такое различие объясняется наличием для первой группы стандартов реального эталона (килограмм или метр) или физически независимой константы, принятой за эталон. Для второй группы эталоном может являться специальный комплекс средств измерений (например, для средств измерения твердости). Третья группа предполагает использование нескольких эталонов из разных поверочных схем.

Кроме того, следует различать понятия «принцип измерений», «метод измерений» и «методика выполнения измерений».

Принцип измерений определяется как физическое явление или эффект, положенный в основу измерений. Это, например, может быть принцип гравитации, положенный в основу измерения массы взвешиванием.

Метод измерений обычно обуславливает конструкцию средства измерений (или ею обуславливается) и определяется как прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Примером могут служить методы точного взвешивания Гаусса (двойного взвешивания) и Борда (на одном плече).

Методика выполнения измерений, например, при проведении поверки или калибровки, является установленной совокупностью операций и правил при измерении, выполнение которых обеспе-

67

чивает получение результатов измерений с гарантированной точностью в соответствии с принятым методом. Обычно методика регламентируется соответствующим нормативным документом и определяет конкретные действия при проведении измерений.

Государственная поверочная схема позволяет обеспечить такую важную характеристику результатов измерений, как их «прослеживаемость». Одной из основ единства измерений является то, что все средства измерения одной и той же физической величины должны хранить один и тот же размер единицы. Это положение обеспечивается наличием одного исходного эталона и передачей от него размера единицы всем остальным средствам измерения данной величины. При таком положении любой результат измерения будет привязан («прослеживаться») до исходного эталона. Это означает, что все измерения как бы выполнены одним средством измерений — исходным эталоном.

Вопросы для закрепления знаний по теме 4

1.Какие виды поверочных схем Вы знаете? Каково их назначение?

2.Что является высшей ступенью государственной поверочной схемы?

3.Каким образом размер единицы физической величины передается от государственного первичного эталона рабочим средствам измерений?

4.Классифицируйте на основе поверочной схемы средства измерения массы.

5.Перечислите методы передачи размера единицы, реализуемые в поверочных схемах.

68

Те м а 5. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕРВИЧНЫЙ ЭТАЛОН

ИГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОВЕРОЧНАЯ СХЕМА ДЛЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ МАССЫ

5.1. Государственный первичный эталон единицы массы России

Высшим международным эталоном единицы массы (килограмма) является гиря из платино-иридиевого сплава, хранящаяся глубоко под землей в специальном сейфе Международного бюро мер и весов (Франция, г. Севр).

Основу государственного первичного эталона единицы массы России составляют копии № 12 и № 26 международного прототипа килограмма, который хранится в Международном бюро мер и весов (МБМВ). Этим копиям более 120 лет — случай для эталона уникальный. Обе копии килограмма снабжены подробными сертификатами МБМВ.

Эталоны килограмма имеют форму прямого цилиндра с закругленными ребрами, высотой и диаметром 39 мм. Металл, из которого изготовлены гири, представляет собой платиноиридиевый сплав, содержащий 10 % иридия и 90 % платины.

В 1889 г. английской фирмой «Джонсон и Мэтью» было изготовлено всего 43 практически идентичных прототипа эталона. После изготовления было проведено определение массы полученных гирь. Измерению подверглась масса каждого из 42 прототипов, изготовленных из одной плавки и одного слитка. Так как определялась масса эталонов, то прямые измерения были невозможны. Измерения проводились методом сравнения масс гирь во всех возможных сочетаниях. Всего было проведено 1092 взвешивания. Для прототипа № 12 результат был определен в такой форме: 1 кг + 0,068 мг ± 0,002 мг. Этот прототип и был принят в качестве государственного первичного для России.

Так как эталон массы — физический предмет, то со временем его характеристики меняются. Результаты сличений прототипа № 12 с международным прототипом приведены на рис. 20.

Отличие от номинала (1 кг), равное + 0,068 мг и полученное при первом сличении (1889 г.), при последующих сличениях в течение более 100 лет не изменялось более чем на 30 мкг, что свидетельствует о высоком качестве прототипа и уровне его метрологического обслуживания. Среднее квадратическое отклоне-

69

ние (СКО) суммарной погрешности результата измерений при сличении государственного первичного эталона с международным прототипом килограмма и стандартная неопределенность воспроизведения единицы массы прототипом № 12 не превышают 2,3·10–9 кг.

Рис. 20. Результаты международных сличений эталона массы РФ

Национальный (государственный) эталон массы хранится в НПО «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» (г. Санкт-Петербург) на подставке из горного хрусталя под двумя стеклянными колпаками, из-под которых откачан воздух, в стальном сейфе при температуре (20 ± 3) °С и относительной влажности 65 %.

Современный государственный первичный эталон единицы массы России (ГЭТ 3–2008) создан на базе копий № 12 и № 26 и представляет собой эталонный комплекс средств измерений — совокупность неоднотипных технических средств, необходимых для воспроизведения и хранения единицы массы — килограмма.

ГЭТ 3–2008 включает в себя комплекс следующих средств измерений:

национальный прототип килограмма — копия № 12 международного прототипа килограмма, предназначенная для передачи размера единицы массы гире R1;

национальный прототип килограмма — копия № 26 международного прототипа килограмма, предназначенная для проверки неизменности размера единицы массы, воспроизводимой национальным прототипом килограмма № 12, и для замены его в период сличений в МБМВ;

эталонная гиря R1 массой 1 кг и набор эталонных гирь массой от 1 мг до 500 г, изготовленные из платино-иридиевого сплава и предназначенные для передачи размера единицы массы эта- лонам-копиям;

пять эталонных компараторов массы (табл. 1).

70