4. Система воспроизведения единиц величин

Система воспроизведения единиц величин и передачи информации об их размерах всем без исключения СИ в стране составляет техническую базу обеспечения единства измерений.

Воспроизведение единиц величин. В соответствии с основным уравнением измерения (см. подразд. 2.1 данной главы) измерительная процедура сводится к сравнению неизвестного размера с известным, в качестве которого выступает размер соответствующей единицы Международной системы. Воспроизведение единицы представляет собой совокупность операций по материализации единицы величины с наивысшей в стране точностью с помощью государственного эталона или исходного рабочего эталона. Различают воспроизведение основных и производных единиц. Размеры единиц могут воспроизводиться там же, где выполняются измерения (децентрализованный способ), либо информация о них должна передаваться с централизованного места их хранения или воспроизведения (централизованный способ). Децентрализованно воспроизводятся единицы многих производных физических величин.

Основные единицы сейчас воспроизводятся только централизованно.

Централизованное воспроизведение единиц осуществляется с помощью специальных технических средств, называемых эталонами. Эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же единицы) точностью, называется первичным эталоном. Первичные эталоны — это уникальные средства измерений, часто представляющие собой сложнейшие измерительные комплексы, созданные с учетом новейших достижений науки и техники на данный период. Эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы в особых условиях и служащий для этих условий, называется специальным эталоном. Официально утвержденные в качестве исходного для страны первичный или специальный эталоны называются государственными.

Эталон, получающий размер единицы путем сличения с первичным эталоном рассматриваемой единицы, называется вторичным эталоном.

Эталон должен отвечать трем основным требованиям: неизменность (способность удерживать неизменным размер воспроизводимой им единицы в течение длительного интервала времени); воспроизводимость (воспроизведение единицы с наименьшей погрешностью для данного уровня развития измерительной техники); сличаемость (способность не претерпевать изменений и не вносить каких-либо искажений при про- ведении сличений).

Государственные эталоны представляют собой национальное достояние и поэтому должны храниться в метрологических институтах страны в специальных эталонных помещениях, где поддерживается строгий режим по влажности, температуре, вибрациям и другим параметрам. Для обеспечения единства измерений величин в международном масштабе большое значение имеют международные сличения национальных государственных эталонов. Эти сличения помогают выявить систематические погрешности воспроизведения единицы национальными эталонами, установить, насколько национальные эталоны соответствуют международному уровню, и наметить пути совершенствования национальных (государственных) эталонов.

В 2003 г. эталонная база России была представлена 122 государственными эталонами, 250 вторичными эталонами, 80 установками высшей точности и государственными стандартными образцами в количестве более 8000.

В эталонной базе России, являющейся ее национальным богатством, концентрируется научно-технический потенциал страны. Уровень эталонной базы в конечном счете определяет уровень всех технических измерений, так как именно государственные эталоны и комплексы установок высшей точности создают объективную основу для получения достоверной и точной информации о количестве и качестве используемых в народном хозяйстве продукции, сырья, материалов, энергоресурсов и пр.

Экономическая эффективность от внедрения и функционирования эталонной базы составляет 10 руб. эффекта на 1 руб. затрат.

К числу эффективных направлений развития эталонной базы относит- ся сокращение числа ступеней систем передачи размера единиц величин.

Передача размера единицы величины представляет собой приведение размера единицы, хранимой поверяемым СИ, к размеру единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном. Передача размера осуществляется при сличении этих единиц. При передаче информации о размере единиц обширному парку СИ приходится прибегать к многоступенчатой процедуре.

По размеру единицы, воспроизводимому государственным эталоном, устанавливаются значения величин, воспроизводимые вторичными эталонами.

Среди вторичных эталонов различают: эталоны-сравнения, применяемые для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут непосредственно сличаться друг с другом; эталоны-свидетели*, предназначенные для поверки сохранности и неизменности государственного эталона и для замены его в случае порчи или утраты; эталоны-копии, используемые для передачи информации о размере единицы рабочим эталонам.

Самыми распространенными по численности парка вторичными эталонами являются рабочие эталоны различных разрядов — 1,2, 3-го (иногда 4-го). От рабочих эталонов низшего разряда размер передается рабочим средствам измерения (РСИ). Число РСИ по каждому из видов измерений достигает сотен тысяч и даже миллионов экземпляров (например, термометры, манометры).

РСИ обладает различной точностью измерений: наиболее точные РСИ при поверке (калибровке) получают размер от вторичных эталонов или рабочих эталонов 1-го разряда; наименее точные — от эталонов низшего разряда (3-го или 4-го).

В качестве методов передачи информации о размере единиц используют методы непосредственного сличения (т.е. сличения меры с мерой или показаний двух приборов), а также сличение с помощью компаратора.

Непосредственное сличение применяют, как правило, для менее точных мер. Непосредственно сличать можно только штриховые меры длины (линейки, брусковые метры, рулетки), меры вместимости (измерительные цилиндры, бюретки, пипетки, мерные колбы и т.п.)- Для более точной поверки используют приборы-сравнения — компарирующие устройства. Наиболее часто применяют следующие компараторы: образцовые весы различных разрядов (при поверке гирь), мосты постоянного и переменного тока (при сличении мер сопротивления и ЭДС нормальных элементов).

На каждой ступени передачи информации о размере единицы точность теряется в три — пять раз (иногда — в 1,25—10 раз). Значит, при многоступенчатой передаче эталонная точность не доходит до потребителя. Поэтому для высокоточных СИ число ступеней может быть сокращено вплоть до передачи им информации непосредственно от рабочих эталонов 1 -го разряда.

Определенные проблемы при передаче размера единицы величины начинаются при передаче размера единицы величины от первичных эталонов и ниже. Центральной проблемой является обеспечение прослеживаемости [28]. Под прослеживаемостью понимается возможность проследить всю цепочку передачи величины от государственного первичного эталона (или национального эталона другой страны) до рабочего средства измерений. Положение о прослеживаемости является международно признанным требованием. Вот почему в новую редакцию

Закона об обеспечении единства измерений вводится раздел «Система обеспечения прослеживаемости передачи размера единиц от государственных эталонов к рабочим средствам измерений», что позволит, с одной стороны, поднять значимость первичных эталонов, с другой, навести четкий порядок в части развития рабочих эталонов, разработать обоснованную и эффективную программу развития эталонной базы РФ.

Методы обеспечения прослеживаемости к настоящему времени не отработаны, и каждый пользователь СИ вынужден решать эту задачу самостоятельно [28]. Чтобы обеспечить централизованное решение вопросов прослеживаемости, необходимо, во-первых, зафиксировать сами эталоны, во-вторых, выяснить, от какого вышестоящего эталона осуществлена передача размера величины к данному эталону, т.е. зарегистрировать событие поверки. Для реализации этих требований предлагается следующее:

— все эталоны единиц величин должны регистрироваться в порядке, установленном Правительством РФ;

— эталоны должны поверяться исключительно органами и организациями федеральной службы, в ведении которой находятся вопросы метрологии;

— документальное удостоверение их пригодности должно регистрироваться в порядке, установленном Правительством РФ;

— на метрологические институты возлагается ответственность за обеспечение прослеживаемости передачи размеров единиц величин.

Поверочные схемы СИ представляют собой документ, который устанавливает соподчинение СИ, участвующих в передаче размера единицы от эталона к рабочим СИ, с указанием методов и погрешности при передаче. Различают государственные и локальные поверочные схемы.

Государственные схемы регламентируют передачу информации о размере единицы всему парку СИ в стране. Во главе этой схемы находится государственный эталон.

Государственные поверочные схемы закладываются в основу государственных стандартов. Локальные поверочные схемы распространяются на СИ, подлежащие поверке, организуемой МС министерства (ведомства) или МС юридического лица.

Систему передачи образно предсташшют [25] в виде пирамиды (рис. 10): в основании находится совокупность РСИ; вершину занимает государственный эталон; на промежуточных плоскостях —рабочие эталоны различных разрядов. От основания к вершине уменьшается погрешность СИ, растет их стоимость, снижается «тираж» изготовления.

В табл. 4 даются сведения о СИ, участвующих в поверочной схеме в соответствии с ГОСТ 8.021-—84 «ГСИ. Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений массы».

Процесс передачи размера единиц происходит при поверке и калибровке СИ. Поверка и калибровка представляют собой набор операций, выполняемых с целью определения и подтверждения соответствия СИ установленным техническим требованиям.

Поверка и калибровка подробно рассмотрены в подразд. 6.2 данной главы.