4.5. Система воспроизведения единиц физических величин и передачи размера средствам измерений

Система воспроизведения единиц физических величин и передачи размера всем средствам измерений в стране составляет техническую базу обеспечения единства измерений Российской Федерации.

В соответствии с основным уравнением измерения измерительная процедура сводится к сравнению неизвестного размера физической величины с известным, в качестве которого выступает размер соответствующей единицы Международной системы. Воспроизведение единицы представляет собой совокупность операций по материализации единицы физической 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). Основные единицы воспроизводятся только централизованно. Децентрализованно воспроизводятся единицы многих производных физических величин.

Централизованное воспроизведение единиц осуществляется с помощью специальных технических средств, называемых эталонами. Средства измерений, предназначенные для воспроизведения и хранения единиц измерений, поверки и градуировки приборов, делятся на эталоны и рабочие эталоны.

Эталон физической величины (Measurement standard) – средство измерений или комплекс средств измерений, предназначенных для воспроизведения и хранения единицы и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений, и утвержденных в качестве эталона в установленном порядке. Эталон должен обладать тремя взаимосвязанными свойствами: неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью.

Неизменность – свойство эталона удерживать неизменным размер воспроизводимой им единицы физической величины в течение длительного интервала времени.

Воспроизводимость – возможность воспроизведения единицы физической величины с наименьшей погрешностью для существующего уровня развития измерительной техники.

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

В зависимости от назначения эталоны классифицируют на следующие виды: первичные, специальные, государственные, национальные, международные и вторичные.

Первичный эталон (Primary standard) обеспечивают воспроизведение единицы физической величины с наивысшей в стране точностью. Они являются технической основой ГСИ и бывают специальными, национальными (ранее – государственными) и международными.

Специальный эталон обеспечивает воспроизведение единицы в особых условиях и может заменять первичный эталон. Он служит для воспроизведения физической величины в условиях, когда первичный эталон нельзя использовать, и прямая передача размера единицы от первичного эталона с требуемой точностью технически неосуществима (например, на сверхвысоких частотах).

Первичные и специальные эталоны являются исходными для страны, их утверждают в качестве национальных.

Государственный – первичный (или специальный) эталон, признанный решением уполномоченного государственного органа в качестве исходного на территории государства. Государственные эталоны создают, хранят и применяют центральные метрологические научные институты страны.

Национальный (National standard) – эталон, признанный официальным решением в качестве исходного для государства. В России национальным эталоном является государственный эталон.

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

Вторичный эталон (Secondary standard) – эталон, значение которого устанавливают по первичному эталону. Предназначены для поверочной работы и для обеспечения сохранности и наименьшего износа государственного эталона. По назначению вторичные эталоны делят на эталоны-свидетели, эталоны-копии, эталоны сравнения и рабочие эталоны.

Эталон-свидетель (Dublicate standard) служит для проверки сохранности и неизменности государственного эталона и замены его в случае порчи или утраты. В настоящее время только эталон килограмма имеет эталон-свидетель.

Эталон-копия предназначен для передачи размера единицы рабочим эталонам. Его создают в случае необходимости проведения большого числа поверочных работ с целью предохранения первичного (специального) эталона от преждевременного износа.

Эталон сравнения (Transfer standard) служит для взаимного сличения эталонов, которые нельзя непосредственно сравнивать друг с другом (например, международные сличения эталонов).

Передача размера единицы – приведение размера единицы физической величины, хранимой поверяемым средством измерения, к размеру единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном.

Передача размера осуществляется путем сличения этих единиц. Сличение может быть непосредственным, т.е. сличением меры с мерой или показаний двух приборов, или с помощью компаратора.

Непосредственное сличение применяют для менее точных мер, например, для штриховых мер длины (линейка, брусковые метры, рулетки), меры вместимости (измерительные цилиндры, пипетки, колбы и пр.).

Компараторы (приборы сравнения) применяют для более точной поверки. К компараторам относятся образцовые весы различных порядков (при поверке гирь), мосты постоянного и переменного тока (при сличении мер сопротивления и ЭДС нормальных элементов).

Передача размеров единиц физических величин от эталонов рабочим мерам и измерительным приборам производится с помощью рабочих эталонов.

Рабочий эталон (ранее в РФ - «образцовые средства измерений») – мера, измерительный прибор или преобразователь, утвержденные в качестве образцовых и служащие для поверки по ним других (рабочих) средств измерений. Рабочие эталоны предназначены для поверки наиболее точных рабочих средств измерений и находятся в территориальных метрологических центрах.

При необходимости рабочие эталоны делят на 1-й, 2-й и далее разряды, определяющие порядок их соподчинения в соответствии с поверочной схемой. Различным видам измерений устанавливают разное число разрядов рабочих эталонов в соответствии со стандартами на поверочные схемы для данного вида измерений.

На каждой ступени передачи информации о размере единицы точность теряется в 3-5 раз (иногда в 1,25-10 раз). Поэтому при многоступенчатой передаче эталонная точность не доходит до потребителя. Для высокоточных средств измерений число ступеней сокращают вплоть до передачи им информации непосредственно от рабочих эталонов 1-го разряда.

Поверочная схема – утвержденный в установленном порядке документ, устанавливающий средства, методы и точность передачи размеров единиц от государственного эталона рабочим средствам измерений. Поверочные схемы делят на государственные и локальные.

Государственные поверочные схемы регламентируются национальными стандартами и распространяются на все средства измерений данного вида. Во главе этой схемы находится государственный эталон. Государственные поверочные схемы закладываются в основу национальных стандартов.

Локальные поверочные схемы предназначены для метрологических служб Государственных органов управления и юридических лиц. Все локальные схемы должны соответствовать требованиям соподчиненности, определяемой государственной поверочной схемой. Локальные поверочные схемы распространяются на средства измерений, подлежащие поверке соответствующей метрологической службой.

Поверочные схемы состоят из чертежа и текстовой части. На чертеже указывают: наименование средств измерений, диапазоны значений физических величин, обозначения и значения погрешностей, наименования методов поверки. Текстовая часть состоит из вводной части и пояснений к элементам поверочной схемы.

Структуру системы передачи размера единицы величины образно можно представить в виде пирамиды (рис. 4.4): в основании находятся рабочие средства измерений, вершину занимает государственный эталон. От основания к вершине уменьшается погрешность средств измерений, растет их стоимость, уменьшается количество экземпляров.

Рис. 4.4. Структура системы передачи размера единицы величины

Процесс передачи размера единиц происходит при поверке и калибровке средства измерений.

Поверка и калибровка – набор операций по определению и подтверждению метрологической службой соответствия данного средства измерений установленным техническим требованиям.