Еталони одиниць величин

ВУкаіни і багатьох інших країнах світу єдність вимірювань забезпечується функціонуванням централізованих систем відтворення одиниць величин і передачі їх розмірів, які представляють собою ієрархічні ланцюжка еталонів різної точності.

Еталон - СІ (або комплекс СІ), призначене для відтворення і (або) зберігання одиниці та передачі її розміру іншим СІ.

За місцем в цій ієрархічній ланцюжку еталони поділяють на первинні, вторинні і робочі.

Первинним еталоном називають еталон, який відтворює одиницю і передає її розмір вторинним еталонам. Первинний еталон виконує завдання відтворення одиниці величини для її використання при всіх вимірах даної величини. Очевидно, що рівні точності найбільш відповідальних метрологічних і робочих вимірювань визначаються точностями первинних еталонів. Тому при створенні первинних еталонів завжди прагнуть забезпечити найбільш високу точність, яку можна досягти на даному етапі розвитку науки і техніки. Після відтворення одиниці її розмір по ієрархічній ланцюжку еталонів доводиться до кожного зразка.

Малюнок 1 ілюструє цей процес. З малюнка видно, що передача розміру одиниці йде двояко: не тільки від більш точних еталонів менш точним, але і шляхом розширення діапазонів величини і умов вимірювань. При цьому, оскільки результат кожного вимірювання обтяжений якийсь невизначеністю, в системі передачі розміру одиниці безперервно зростає невизначеність цієї одиниці. Первинний еталон передає розмір одиниці вторинним еталонам, які функціонують в більш широкому діапазоні вимірювань, але є менш точними. Вторинні еталони передають розмір одиниці робочим еталонам (зразковим СІ (далі ОСІ)), а ті - менш точним робочим еталонам (ОСІ).

Мал. 1. Схема відтворення одиниці і передачі її розміру стандартам

Кількість ступенів передачі визначається вимогами до точності робочих СІ і тому не може бути дуже великим. У багатьох видах вимірювань збільшення діапазонів величини і умов вимірювань (частота, температура і т. Д.) Призвело до неможливості забезпечити передачу розміру одиниці з необхідною точністю від чинного первинного еталона всім СІ цього виду. У цих випадках створюють кілька первинних еталонів однієї одиниці, що відрізняються діапазонами вимірювань або умов вимірювань.

Наприклад, вУкаіни одиницю тиску відтворюють сім різних первинних еталонів, шість з яких зберігаються у ВНИИМ ім. Д.І. Менделєєва і один у ВНИИФТРИ.

Інший приклад: одиницю питомої теплоємності відтворюють чотири первинних еталони, що зберігаються у ВНИИМ ім. Д.І. Менделєєва, УНИИМ, НВО «Дальстандарт» і ВНИИФТРИ. Така група первинних еталонів фактично є еталонним набором, призначеним для відтворення одиниці в усьому діапазоні вимірювань. При цьому вУкаіни один з цих еталонів отримує найменування «первинний еталон». Інші зразки цього набору називають спеціальними первинними еталонами (коротка форма-спеціальні еталони).

У наведених прикладах первинними еталонами називаються державні еталони, що зберігаються у ВНИИМ ім. Д.І. Менделєєва, одиниць тиску в діапазоні 0,05-10 МПа і питомої теплоємності в діапазоні температур 273,15-700 К. Для забезпечення єдності вимірювань розміри одиниці, що відтворюються цими еталонами, узгоджуються в граничних областях значень.

Всі інші зразки не беруть участь у відтворенні одиниць. Вони зберігають розміри одиниць, отримані від більш точних еталонів, і (або) передають їх менш точним стандартам і робочим СІ.

Вторинні еталони отримують простежуваними від первинних еталонів і передають його робочим еталонам.

Еталони робочі призначені для механізації тваринницьких ферм робочих СІ. При необхідності їх підрозділяють на розряди: 1-й, 2-й, 3-й і т. Д. У цьому випадку робочі еталони 1-го розряду також передають розмір одиниці робочим еталонам 2-го розряду, робочі еталони 2-го розряду - робочим еталонам 3-го розряду і т. д.

Наведені вище найменування відповідають міжнародній класифікації еталонів, визнаної у всьому світі, в тому числі і вУкаіни. У той же час класифікація, прийнята вУкаіни, дещо відрізняється від міжнародної. Еталони робочі за міжнародною класифікацією до останнього десятиліття в нашій країні називалися зразковими СІ (ОСІ). Ці терміни фактично є синонімами: свого часу так переклали українською мовою французьке слово «еталон». Але вУкаіни завжди були суттєві відмінності в статусі первинних і вторинних еталонів (сукупність яких називають еталонною базою країни) і ОСІ і обумовлені ними відмінності у фінансуванні та системі метрологічного обслуговування.

Після переходу на міжнародну класифікацію статус ОСІ (у тому числі серійно випускаються ОСІ нижчих розрядів) як би зрівнявся зі статусом первинних і вторинних еталонів, з усіма наслідками, що випливають негативного характеру для останніх. Щоб відновити колишнє положення і в той же час не суперечити міжнародної класифікації еталонів, в даний час прийнято рішення обидва терміни (і робочий еталон, і ОСІ) застосовувати вУкаіни як рівноправні.

До складу еталонів включають:

засоби відтворення одиниці (первинні вимірювальні перетворювачі, вимірювальні установки);
засоби зберігання розмірів одиниці (заходи);
засоби передачі розмірів одиниць (компаратори, еталони порівняння);
засоби зберігання і передачі розмірів одиниць (вимірювальні прилади);
інші СІ і технічні засоби (засоби контролю умов вимірювань, обчислювальні засоби, системи харчування, вимірювальні приналежності та ін.).

Конструктивно еталони і ОСІ можуть бути оформлені у вигляді вимірювальних установок, які називаються в цьому випадку перевірочними установками.

Основні метрологічні вимоги до еталонів і ОСІ повинні забезпечувати високу точність результатів вимірювань при відтворенні одиниці, зберіганні та (або) передачі її розміру.

Найважливішим вимогою є висока стабільність, що дозволяє забезпечити незмінність розміру одиниці. Саме цим пояснюється здійснений на рубежі XX і XXI століть перехід на відтворення основних і багатьох похідних одиниць шляхом реалізації високостабільних квантових фізичних ефектів. Необхідними також є висока чутливість і мала випадкова похибка еталона, а також його низька чутливість до зміни умов вимірювань.

Засобом підвищення точності вимірювань на ідеалі і зменшення особистих похибок оператора є автоматизація вимірювальних і обчислювальних операцій. У той же час розмір діапазону умов вимірів не є суттєвою характеристикою, т. К. В цілях підвищення точності еталонних вимірювань еталони, як правило, застосовуються при фіксованих (найчастіше нормальних) умовах вимірювань.

За кількістю однойменних СІ, що входять в еталон, розрізняють поодинокі зразки, еталонні набори та групові еталони.

Одиночний еталон складається з одного СІ.

Інший різновид еталонів - еталонний набір - являє собою об'єднання одиночних еталонів з різними номінальними значеннями, яке дозволяє розширити діапазон відтворюваних, збережених як стандартне відхилення середнього арифметичного значення.

Централізовану систему забезпечення єдності виміру можна організовувати в метрологічних службах різного рівня: на окремому підприємстві, в відомстві, в країні в цілому.

При цьому ієрархічний ланцюжок передачі розміру одиниці всім СІ цього виду вимірювань, що застосовуються в даній метрологічної ської службі, буде очолювати один, найбільш точний еталон. Цей еталон називається вихідним еталоном (підприємства, відомства, країни). Таким способом забезпечується простежуваність всіх вимірювань, які виконуються на підприємстві або в відомстві до своїх вихідним еталонам, а через них - до вихідних еталонів країни.

Вихідні еталони країни в міжнародній метрологічній практиці називаються національними еталонами, в нашій країні їх називають національними стандартами.