В России и многих других странах мира единство измерений обеспечивается функционированием централизованных систем воспроизведения единиц величин и передачи их размеров, которые представляют собой иерархические цепочки эталонов различной точности.

Эталон — СИ (или комплекс СИ), предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы и передачи ее размера другим СИ.

По месту в этой иерархической цепочке эталоны подразделяют на первичные, вторичные и рабочие .

Первичным эталоном называют эталон, который воспроизводит единицу и передает ее размер вторичным эталонам. Первичный эталон выполняет задачу воспроизведения единицы величины для ее использования при всех измерениях данной величины. Очевидно, что уровни точности наиболее ответственных метрологических и рабочих измерений определяются точностями первичных эталонов. Поэтому при создании первичных эталонов всегда стремятся обеспечить наиболее высокую точность, которую можно достигнуть на данном этапе развития науки и техники. После воспроизведения единицы ее размер по иерархической цепочке эталонов доводится до каждого эталона.

Рисунок 1 иллюстрирует этот процесс. Из рисунка видно, что передача размера единицы идет двояко: не только от более точных эталонов менее точным, но и путем расширения диапазонов величины и условий измерений. При этом, поскольку результат каждого измерения отягощен какой-то неопределенностью, в системе передачи размера единицы непрерывно возрастает неопределенность этой единицы. Первичный эталон передает размер единицы вторичным эталонам, которые функционируют в более широком диапазоне измерений, но являются менее точными. Вторичные эталоны передают размер единицы рабочим эталонам (образцовым СИ (далее ОСИ)), а те — менее точным рабочим эталонам (ОСИ).

Рис. 1. Схема воспроизведения единицы и передачи ее размера эталонам

Количество ступеней передачи определяется требованиями к точности рабочих СИ и поэтому не может быть очень большим. Во многих видах измерений увеличение диапазонов величины и условий измерений (частота, температура и т. д.) привело к невозможности обеспечить передачу размера единицы с требуемой точностью от действующего первичного эталона всем СИ этого вида. В этих случаях создают несколько первичных эталонов одной единицы, отличающихся диапазонами измерений или условий измерений.

Например, в России единицу давления воспроизводят семь различных первичных эталонов, шесть из которых хранятся во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева и один во ВНИИФТРИ.

Другой пример: единицу удельной теплоемкости воспроизводят четыре первичных эталона, хранящихся во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, УНИИМ, НПО «Дальстандарт» и ВНИИФТРИ. Такая группа первичных эталонов фактически является эталонным набором, предназначенным для воспроизведения единицы во всем диапазоне измерений. При этом в России один из этих эталонов получает наименование «первичный эталон». Остальные эталоны этого набора называют специальными первичными эталонами (краткая форма— специальные эталоны).

В приведенных примерах первичными эталонами называются государственные эталоны, хранящиеся во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, единиц давления в диапазоне 0,05-10 МПа и удельной теплоемкости в диапазоне температур 273,15-700 К. Для обеспечения единства измерений размеры единицы, воспроизводимые этими эталонами, согласуются в граничных областях значений.

Все остальные эталоны не участвуют в воспроизведении единиц. Они хранят размеры единиц, полученные от более точных эталонов, и (или) передают их менее точным эталонам и рабочим СИ.

Вторичные эталоны получают размеры единиц от первичных эталонов и передают его рабочим эталонам.

Рабочие эталоны предназначены для поверки и калибровки рабочих СИ. При необходимости их подразделяют на разряды: 1-й, 2-й, 3-й и т. д. В этом случае рабочие эталоны 1-го разряда также передают размер единицы рабочим эталонам 2-го разряда, рабочие эталоны 2-го разряда — рабочим эталонам 3-го разряда и т. д.

Приведенные выше наименования соответствуют международной классификации эталонов, признанной во всем мире, в том числе и в России. В то же время классификация, принятая в России, несколько отличается от международной. Рабочие эталоны по международной классификации до последнего десятилетия в нашей стране назывались образцовыми СИ (ОСИ). Эти термины фактически являются синонимами: в свое время так перевели на русский язык французское слово «эталон». Но в России всегда имелись существенные различия в статусе первичных и вторичных эталонов (совокупность которых называют эталонной базой страны) и ОСИ и обусловленные ими различия в финансировании и системе метрологического обслуживания.

После перехода на международную классификацию статус ОСИ (в том числе серийно выпускаемых ОСИ низших разрядов) как бы сравнялся со статусом первичных и вторичных эталонов, со всеми вытекающими последствиями негативного характера для последних. Чтобы восстановить прежнее положение и в то же время не противоречить международной классификации эталонов, в настоящее время принято решение оба термина (и рабочий эталон, и ОСИ) применять в России как равноправные.

В состав эталонов включают:

1. средства воспроизведения единицы (первичные измерительные преобразователи, измерительные установки);
2. средства хранения размеров единицы (меры);
3. средства передачи размеров единицы (компараторы, эталоны сравнения);
4. средства хранения и передачи размеров единицы (измерительные приборы);
5. другие СИ и технические средства (средства контроля условий измерений, вычислительные средства, системы питания, измерительные принадлежности и др.).

Конструктивно эталоны и ОСИ могут быть оформлены в виде измерительных установок, называемых в этом случае поверочными установками .

Основные метрологические требования к эталонам и ОСИ должны обеспечивать высокую точность результатов измерений при воспроизведении единицы, хранении и (или) передаче ее размера.

Важнейшим требованием является высокая стабильность, позволяющая обеспечить неизменность размера единицы. Именно этим объясняется осуществленный на рубеже XX и XXI веков переход на воспроизведение основных и многих производных единиц путем реализации высокостабильных квантовых физических эффектов. Необходимыми также являются высокая чувствительность и малая случайная погрешность эталона, а также его низкая чувствительность к изменению условий измерений.

Средством повышения точности измерений на эталоне и уменьшения личных погрешностей оператора является автоматизация измерительных и вычислительных операций. В то же время размер диапазона условий измерений не является существенной характеристикой, т. к. в целях повышения точности эталонных измерений эталоны, как правило, применяются при фиксированных (чаще всего нормальных) условиях измерений.

По числу одноименных СИ, входящих в эталон, различают одиночные эталоны, эталонные наборы и групповые эталоны.

Одиночный эталон состоит из одного СИ.

Другая разновидность эталонов — эталонный набор — представляет собой объединение одиночных эталонов с различными номинальными значениями, которое позволяет расширить диапазон воспроизводимых, хранимых как стандартное отклонение среднего арифметического значения.

Централизованную систему обеспечения единства измерени можно организовывать в метрологических службах различного уровня: на отдельном предприятии, в ведомстве, в стране в целом.

При этом иерархическую цепочку передачи размера единицы всем СИ этого вида измерений, применяемым в данной метрологической ской службе, будет возглавлять один, наиболее точный эталон. Этот эталон называется исходным эталоном (предприятия, ведомства, страны). Таким способом обеспечивается прослеживаемость всех измерений, выполняемых на предприятии или в ведомстве к своим исходным эталонам, а через них — к исходным эталонам страны.

Исходные эталоны страны в международной метрологической практике называются национальными эталонами, в нашей стране их называют государственными эталонами .

Эталон

- неизменность

- воспроизводимость

- сличаемость

Эталон классифицируется на следующие:

Первичный эталон - эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же единицы) точностью.

Вторичный эталон - эталон, значение которого устанавливают по первичному эталону.

Специальный эталон - эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы в особых условиях и заменяющий для этих условий первичный эталон.

Государственный эталон - первичный или специальный эталон, официально утвержденный в качестве исходного для страны.

Эталон-свидетель - вторичный эталон, предназначенный для проверки сохранности государственного эталона и для замены его в случае порчи или утраты.

Эталон-копия - вторичный эталон, предназначенный для передачи размеров единиц рабочим эталонам.

Эталон сравнения - вторичный эталон, применяемый для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличаемы друг с другом.

Рабочий эталон - эталон, применяемый для передачи размера единицы образцовым средствам измерения высшей точности и в) отдельных случаях - наиболее точным рабочим средствам измерений.

11. Эталон. Поверочные схемы.

Эталон - средство измерения (или комплекс средств измерении), обеспечивающее воспроизведение и (или) хранение единицы с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений, выполненное по особой спецификации и официально утвержденное в установленном порядке в качестве эталона.

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 проведении сличений).

Поверочная схема представляет собой исходный документ, устанавливающий метрологическое соподчинение эталонов, образцовых средств измерений и порядок передачи размера единицы образцовым и рабочим средствам измерений.

Поверочные схемы подразделяются на государственные и локальные (отдельных органов государственной метрологической службы или ведомственных метрологических служб)

Методы поверки, указываемые на поверочной схеме, должны отражать специфику поверки данного вида средств измерений. Они соответствуют одному из следующих общих методов:

Непосредственному (без компараторов) сличению поверяемого средства измерений с образцовым средством измерений того же вида;

Сличению поверяемого средства измерений с образцовым средством измерений того же вида при помощи компаратора;

Прямому измерению поверяемым измерительным прибором величины, воспроизведенной образцовой мерой;

Прямому измерению образцовым измерительным прибором величины, воспроизведенной подвергаемой поверке мерой;

Косвенным измерениям величины, воспроизведенной мерой или измеряемой прибором, подвергаемым поверке;

Независимой поверке, т.е. поверке средств измерений относительных (безразмерных) величин, не требующих передачи размеров единиц от эталонов или образцовых средств измерений, проградуированных в единицах размерных величин.

«Золотые руки», «стальные нервы», «платиновая седина», «полет мысли» - эти выражения носят фигуральный характер, используются для усиления выразительности речи. Они вовсе не означают, что воображение на самом деле летит по небу, подобно птице, а из конечностей или волос можно наделать ювелирных украшений. Есть и другие примеры употребления научно-технических терминов для характеристики личностных качеств. Например, «эталон». Это понятие означает и чем ближе к нему приблизится оцениваемый объект, тем лучше. Всегда ли это справедливо? Попробуем разобраться.

Научный эталон как прообраз понятия

Для того чтобы верно и к месту употребить любой термин, пусть даже и в переносном смысле, его нужно правильно понимать. Изначальное значение слова «эталон» можно определить как некий предмет, максимально точно соответствующий установленному весовому, объемному или геометрическому параметру.

До введения метрической системы во всем мире пользовались (а кое-где это имеет место и сейчас) различными другими единицами измерения. Русские аршины, версты, сажени были привычны для наших предков; британцев вполне устраивали пинты, дюймы и ярды; а в экзотических странах и вовсе царила неразбериха. Известен случай, когда англичанка объясняла ребенку значения слова «литр». По ее словам выходило, что это то же самое, что килограмм, только в мокром виде. И вот человечество решилось на унификацию весов и мер. Решили, что если поделить экватор на 40 тысяч частей, то это будет метр, а вес квадратного дециметра воды назовут килограммом. Правда, потом выяснилось, что в начале девятнадцатого века, когда в основном происходил исторический переход, измерительная техника была не совсем совершенной, поэтому первоначальные посылки тоже не идеальны. Но к этому времени стандарты устоялись, и решили все оставить, как есть. К тому же на каждую из единиц уже был свой эталон. Это обстоятельство и повлияло на окончание дальнейших изысканий и измерений.

Вперед к унификации

Все это верно, но какое отношение имеют металлические бруски и цилиндрики, хранящиеся под стеклянными колпаками в разных лабораториях уважаемых научных учреждений всего мира, к оценке личности человека? «Ведь их же нельзя измерить в цифрах», - считают одни. «Можно», - возражают другие. Дело в том, что у людей на основе многотысячелетнего цивилизационно-культурологического опыта сформировались представления о том, что такое эталон внешности, поведения и даже образа мышления. Конечно же, стандарты у разных народов, рас и социальных слоев отличаются. Кроме того, они меняются со временем. И к тому же у каждого свое представление о том, что красиво, умно и честно. Но общие черты все же просматриваются.

Эталон мужа

Женщины в своем большинстве считают, что внешность их будущего избранника должна быть мужественной. Под этим понимают широкие плечи, выражающие некоторую (но умеренную) брутальность, и рост выше среднего. Воспитанные на зримых телевизионных образах представительницы прекрасной половины населения планеты уверены, что если кто-то выглядит отважным, то, скорее всего, таким и является. Скольким разбитым судьбам стал виной внушенный массовой культурой эталон! Это может стать жестоким уроком всем, кто судит о книге по обложке. Впрочем, и соответствия тоже случаются.

Образцовая супруга

Мужчины тоже не отличаются в своем большинстве стремлением к глубокому познанию своей будущей избранницы. Существуют стандарты, к которым стремится большинство, и они выражаются распространенной формулой 90-60-90 (опять цифры - своеобразный эталон). Это тоже не всегда справедливо по отношению к другим, менее «форматным» женщинам, обладающим порой куда более содержательным внутренним миром. Причина в том, что оценить душу методом прямого прикладывания нельзя, а другие способы не всем доступны. Это куда сложнее, чем измерить экватор.

Культурные эталоны

Стремление к форматам - одна из причин того, что современная культура сильно сдает свои позиции. У каждого времени свой эталон. Это может быть Венера Милосская или Мэрилин Монро, Ален Делон или Элвис Пресли, Майкл Джексон или Мадонна, Бритни Спирс или Леди Гага. Определяя для себя образец, к которому хочется стремиться, поклонник часто обращает внимание на внешность кумира больше, чем на его достижения в главном деле его жизни. Истинным же ценителям творчества более интересны произведения, которые успел создать за свою жизнь выдающийся артист. Стремление стать похожим вызывает чаще иронию, а порой и смех. Ведь каждый живет свою жизнь сам, и как ни пытайся приблизиться к эталону, им стать невозможно.

Эталон - средство измерений (или комплекс средств измерений), обеспечивающее воспроизведение и (или) хранение единицы, а так же передачу её размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке.

В Федеральном законе N 102-ФЗ от 26.06.2008 г. "Об обеспечении единства измерений" эталону дано следующее определение: эталон единицы величины - техническое средство, предназначенное для воспроизведения, хранения и передачи единицы величины.

Основным назначением эталонов является хранение и воспроизведения единицы физической величины для передачи ее размера другим эталонам и рабочим средствам измерений. Под передачей размера единицы величины понимается приведение размера величины, хранимой средством измерений, к размеру единицы, воспроизводимой эталоном. Эта процедура осуществляется при поверке средств измерений.

Виды эталонов:

• Первичный эталон - это эталон, воспроизводящий единицу физической величины с наивысшей точностью, возможной в данной области измерений на современном уровне научно-технических достижений. Первичный эталон может быть национальным (государственным) и международным.
• Государственный первичный эталон - первичный эталон, признанный решением уполномоченного на то государственного органа в качестве исходного на территории государства.
• Национальный эталон - эталон, признанный официальным решением служить в качестве исходного для страны.
• Специальный эталон - эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы в особых условиях (смена характера объекта измерений) и заменяющий для этих условий первичный эталон. Единица, воспроизводимая с помощью специального эталона, по размеру согласована с единицей, воспроизводимой с помощью соответсвующего первичного эталона.
• Международный эталон - эталон, принятый по международному соглашению в качестве международной основы для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами.
• Эталон копия - применяется вместо государственного эталона для хранения единицы и передачи её размера рабочим эталонам. Эталон копия не всегда является физической копией государственного эталона, а применяется в качестве копии только по метрологическому назначению.
• Вторичный эталон - эталон, получающий размер единицы непосредственно от первичного эталона данной единицы.
• Эталон сравнения - эталон, применяемый для сличений эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличены друг с другом.
• Исходный эталон - эталон, обладающий наивысшими метрологическими свойствами (в данной лаборатории, организации, на предприятии), от которого передают размер единицы подчиненным эталонам и имеющимся средствам измерений.
• Одиночный эталон - эталон состоящий из одной меры, одного измерительного прибора или одной измерительной установки, обеспечивающих воспроизведение или хранение единицы самостоятельно, без других средств измерений того же типа.
• Групповой эталон - эталон состоящий из совокупности однотипных мер, измерительных приборов или других средств измерений, применяемых как одно целое для повышения надежности хранения единицы. Размер единицы, хранимой групповым эталоном, определяется как среднее арифметическое их значений, найденных с помощью отдельных мер или измерительных приборов, входящих в групповой эталон. Групповые эталоны могут быть постоянного и переменного состава. В групповые эталоны переменного состава входят меры или измерительные приборы, периодически заменяемые новыми. Отдельные меры или измерительные приборы, входящие в групповой эталон, применяют в качестве рабочих эталонов, если это допустимо по условиям хранения единицы.
• Рабочий эталон - эталон, предназначенный для передачи размера единицы рабочим средствам измерений.

Ученый-хранитель - ответственное лицо, назначаемое для ведения работ с эталонами, наблюдения за правильным хранением, сличением и исследованием эталонов в метрологических институтах, в том числе и межденародным сличением.

Эталонная база РФ насчитывает 118 государственных эталонов и более 300 вторичных эталонов. Государственные эталоны служат для воспроизведения физических величин, поэтому структура эталонной базы соответствует структуре единиц СИ. Основа этой базы - эталоны основных единиц СИ, кроме эталона единицы количества вещества (моль). Одной из причин того, что эталон единицы количества вещества не создан, является недостаточная четкость определения этой единицы и отсутствие метода ее измерения в соответствии с определением. Тем более, эту единицу трудно назвать основной, так как ее определение связано с единицей массы. Вполне возможно, что эта единица будет переведена в разряд специальных единиц массы.

Крупнейшие хранители эталонов РФ - метрологические институты: Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева (ФГУП ВНИИМ) и Всероссийскй научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ФГУП ВНИИФТРИ).

Кроме национальных эталонов единиц существуют международные эталоны, хранимые в Международном бюро мер и весов (МБМВ). Программой деятельности МБМВ предусмотрены систематические международные сличения национальных эталонов крупнейших метрологических лабораторий разных стран с международными эталонами и между собой.

По инициативе международных метрологических организаций в октябре 1999г. директора национальных метрологических институтов большинства стран мирового сообщества - членов Метрической конвенции подписали "Договоренность" о взаимном признании национальных эталонов и сертификатов на измерения и калибровки, выдаваемых национальными метрологическими институтами". Согласно этому документу степень эквивалентности национальных эталонов будет определяться на основе результатов их международных сличений друг с другом, проводимых под эгидой консультативных комитетов Международного комитета по мерам и весам и региональных метрологических организаций и являющихся юридической основой признания эквивалентности сличаемых эталонов и соответственно правильности измерений и сертификационных испытаний в странах-участниках ключевых сличений.

Эталон (стандарт измерения) может быть физической мерой, измерительным инструментом, стандартным образцом или измерительной системой, предназначенной для того, чтобы определять, реализовывать, сохранять или воспроизводить единицу или одно или более значений величины, чтобы служить в качестве эталона. Например, единице массы придана физическая форма в виде цилиндрического куска металла весом 1 кг; а отградуированные блоки представляют определенные значения длины.

Иерархия эталонов начинается с международного эталона как вершины и идет вниз до рабочего эталона. Определение этих терминов, которое дается в Международном словаре основных и общих терминов в метрологии, приведено ниже:

Международный эталон - это:

эталон, признанный международным соглашением для того, чтобы служить в международном масштабе в качестве базы для присваивания значений другим стандартам измерения рассматриваемой величины.

Хранителем международных эталонов является Международное бюро мер и весов (МБМВ) в Севре, недалеко от Парижа. Самым старым используемым стандартом измерения является эталон килограмма.

Национальный эталон - это:

эталон, признанный национальным законодательством, чтобы служить в данной стране в качестве базы для присваивания значений другим стандартам измерения рассматриваемой величины.

Обычно хранителем национальных эталонов является национальная лаборатория, называемая национальным метрологическим институтом, национальным бюро стандартов или национальным бюро весов и мер. Некоторые страны не имеют национальных эталонов.

Первичный эталон - это:

эталон, который широко признается как имеющий высочайшие метрологические качества, и значения которого принимаются без ссылок на другие эталоны той же величины.

Примеры первичных эталонов - приборы Джозефсона для реализации величины «вольт» или стабилизирующие лазеры с интерферометрами для реализации величины «длина». Эти приборы используются в качестве национальных эталонов многими национальными метрологическими институтами и некоторыми первоклассно оборудованными калибровочными лабораториями.

Вторичный эталон - это:

эталон, значение которого присваивается путем сравнения с первичным эталоном той же величины. Обычно первичные эталоны используются для калибровки вторичных.

Рабочий эталон - это:

эталон, который используется для обычной калибровки или поверки материальных мер, измерительных инструментов или стандартных образцов.

Обычно рабочий эталон калибруется на основании вторичного эталона. Рабочий эталон, используемый в повседневной работе для обеспечения правильности проведения измерений, называется проверочным эталоном.

Не существует общего требования в отношении точности рабочего эталона. В одном месте он может быть достаточно хорош в качестве исходного эталона, или даже в качестве национального эталона в другом месте.

Существуют классы весов, начиная с Е1 - как наивысшего класса, за ним следуют Е2, Fl, F2, Ml, М2, МЗ. Набор весов класса точности Е2 может служить в качестве рабочего эталона в калибровочной лаборатории для калибровки набора весов класса точности F1 или ниже. Набор Е2 может служить в качестве стандартного образца в другой лаборатории, калибрующей, в основном, весы точностью класса F2 или ниже. Набор весов класса точности Е2 может быть использован в качестве национального эталона в стране, где нет спроса на более точные измерения массы, чем F1.

Нужно отметить, что точность некоторых измерительных инструментов, используемых в промышленности, является настолько высокой, что существует необходимость в калибровке даже первичных эталонов.

Исходный эталон - это:

эталон, обладающий, как правило, наивысшими метрологическими свойствами, имеющийся в распоряжении в данном месте или в данной организации, в соответствии с которым, получают размер единицы при измерениях, выполняемых в этом месте.

Калибровочные лаборатории используют исходные эталоны для калибровки своих рабочих эталонов.

Эталон сравнения - это:

эталон, используемый в качестве промежуточного для сравнения эталонов.

Резисторы используются как эталоны сравнения для сравнения эталонов напряжения. Веса используются для сравнения рычажных весов.

Передвижной эталон - это:

эталон, иногда специальной конструкции, предназначенный для транспортировки, и используемый для сравнения эталонов между собой.

Портативный, работающий на цезиевой батарее эталон частоты, может быть использован как передвижной эталон частоты. Калиброванные динамометрические элементы (ячейки нагрузки) используются в качестве передвижных эталонов силы.