4. Метрологія

Слово метрологія утворене із двох грецьких слів метрон (міра) і логос (уміння) і означає – вчення про міри. Метрологія в сучасному розумінні – наука про виміри, методи й засоби забезпечення їх єдності й способи досягнення необхідної точності.

Єдністю вимірів називається стан вимірів, при яких їх результати виражені в узаконених одиницях і похибки відомі із заданою ймовірністю.

4.1. Метрологічне забезпечення якості продукції

Народне господарство будь-якої країни вимагає різноманітної інформації про параметри й характеристики об'єктів досліджень і вимірів у науці, виробництві, охороні здоров'я, сільському господарстві, на транспорті, у галузі охорони навколишнього середовища й в інших сферах людської діяльності. У сучасній промисловості частка витрат праці на виконання вимірів становить у середньому 10 % загальних витрат праці на всіх етапах створення й експлуатації продукції, а в окремих галузях, зокрема, електронної, радіотехнічної, хімічної, досягає 50-60 %.

Для цієї мети необхідно метрологічне забезпечення, тобто встановлення й застосування наукових і організаційних основ, технічних засобів, правил і норм, необхідних для досягнення єдності й необхідної точності вимірів.

Основними цілями метрологічного забезпечення є:

· підвищення якості продукції, ефективності управління виробництвом і рівня автоматизації виробничих процесів;

· забезпечення достовірного обліку й підвищення ефективності використання матеріальних цінностей і енергетичних ресурсів;

· підвищення ефективності заходів щодо профілактики, діагностики й лікуванню хвороб, нормуванню й контролю умов праці й побуту людей, охорони навколишнього середовища, оцінці й раціональному обліку використання природних ресурсів; підвищення ефективності міжнародного науково-технічного, економічного й культурного співробітництва. Технічними основами метрологічного забезпечення є:

· система державних еталонів одиниць фізичних величин;

· система передачі розмірності одиниць фізичних величин від еталона всім засобам вимірів за допомогою зразкових засобів вимірів і інших засобів повірки;

· система розробки, постановки на виробництво й випуску в обіг робочих засобів вимірів, що забезпечують визначення з необхідною точністю характеристик продукції, технологічних процесів і інших об'єктів;

· система обов'язкових державних випробувань засобів вимірів;

· система стандартних зразків складу й властивостей речовин і матеріалів.

Управління метрологічним забезпеченням народного господарства країни здійснює Держстандарт. Метрологічна служба складається з державної метрологічної служби, територіальних органів Держстандарту, відомчих метрологічних служб.

Державний метрологічний нагляд здійснюється Держстандартом, головним керівником державного нагляду, лабораторією державного нагляду (ЛДН). Об'єктами державного нагляду є: нормативні документи по стандартизації й технічна документація; продукція, процеси й послуги; інші об'єкти відповідно до чинного законодавства про державний нагляд. 

Міжнародна організація мір і ваг (МОМВ) забезпечує зберігання й підтримка міжнародних еталонів різних одиниць і звірення з ними державних еталонів і складається з Генеральної конференції мір і ваг, Міжнародного комітету із мір і ваг, Міжнародного бюро мір і ваг (МБМВ). У більшості країн світу заходи щодо забезпечення єдності вимірів установлені законодавчо. Тому один з розділів метрології називається законодавчою метрологією й включає комплекс загальних правил, вимог і норм, спрямованих на забезпечення єдності вимірів і однаковості засобів вимірів. Для однаковості одиниць вимірів в 1978 р. був затверджений Міжнародний стандарт «Одиниці фізичних величин» (СІ), який уведено з 1 січня 1979 р. як обов'язковий у всіх областях народного господарства, науки, техніки й також при викладанні. СІ містить сім основних одиниць, які торкаються вимірів усіляких параметрів: механічних, теплових, електричних, магнітних, світлових, акустичних і іонізуючих випромінювань і в області хімії. Основними одиницями встановлені: метр (м) – для виміру довжини; кілограм (кг) – для виміру маси; секунда (с) – для виміру часу; ампер (А) – для виміру сили електричного струму; Кельвін (⁰К) – для виміру температури; кандела (свіча) (кд) – для виміру сили світла, моль – для виміру кількості речовини. До 1960 р. за міжнародний еталон і національний еталон довжини 1 м приймалася відстань між серединами двох штрихів на бруску X-подібного перетину, зробленому зі сплаву платини з іридієм. У цього еталона відстань між серединами штрихів було неможливо виміряти точніше ±0,1 мкм, що не відповідало вимогам сучасного стану науки й техніки. Недоліком еталона було й те, що він являв собою металевий брусок, який при стихійному лихові (наприклад, землетрусі або повені) міг пропасти або втратити згодом точне значення метра.

У новій системі одиниць 1 м виражений у довжинах світлових хвиль  атома криптону (газу). Тепер метр – це довжина, рівна 1650763,73 довжин хвиль у вакуумі випромінювання, відповідного до жовтогарячої лінії спектра криптону-86. Жовтогаряча лінія спектра цього світла, прийнята в якості еталонної, має строго певну довжину, рівну 0,6057 мкм. При новому еталоні довжина 1 м відтворюється зараз із похибкою 0,002 мкм, яка менше похибки старого штучного еталона метра в 50 раз.

Для відтворення метра в довжинах світлових хвиль створена спеціальна установка, основною частиною якої є лампа у вигляді розрядної трубки, наповнена газом – криптоном.

Кельвін – одиниця термодинамічної температурної шкали. Цю температурну шкалу вперше запропонував англійський фізик У. Томсон (лорд Кельвін) ще в 1848 р. По цій шкалі нульовим значенням температури є абсолютний нуль (–273,15 °С), а температура потрійної точки води становить 273,16 ⁰К або по Цельсию +0,01 °С. Під потрійною точкою води розуміють точку рівноваги води у твердій, рідкій і газоподібній фазі. Така точка існує, якщо нагріти лід до +0,01 °С у спеціальній установці з точністю ±0,0001 °С. Існуюча з 1742 р. і широко розповсюджена шкала Цельсия, у якій точка танення льоду приймається рівної 0, а точка кипіння води 100, не забезпечує необхідної точності вимірів, тому що похибка при визначенні точки початку кипіння води коливається від 0,01 до 0,002 °С. Із прийняттям у якості основної шкали Кельвіна, точність якої залежить тільки від похибки визначення потрійної точки води (±0,0001°), похибка еталонних вимірів зменшується не менш ніж в 50 раз. Шкала в Кельвінах є еталонною й кращою при розрахунках, тому що в ній немає мінусових температур. У побуті й виробництві збережена температурна шкала в градусах Цельсия, яка названа Міжнародною практичною шкалою й заснована не на двох точках (танення льоду й кипіння води), а на шести точках. Першою точкою шкали є температура кипіння гелію (–268,93 °С), а останньою точкою – температура затвердіння золота (+1064,43 °С). При новій побудові шкали в градусах Цельсия градуси обох шкал строго збігаються й перехід від однієї температурної шкали до іншої дуже простий: якщо відома температура по Цельсию t, то температура по Кельвіну Т буде становити Т = t + 273,15.

Ампер дорівнює силі постійного струму, який при проходженні по двом прямолінійним паралельним провідникам нескінченної довжини й мізерно малої площі кругового поперечного перерізу, розташованим у вакуумі на відстані 1 м один від іншого, викликав би на кожній ділянці провідника довжиною 1 м силу взаємодії, рівну 2×10^-7 Н. Одиниця виміру ампер відтворюється на спеціальній установці за принципом ампертокових ваг з похибкою 10^-5, яка значно менше похибки ампера при старому визначенні.

Секунда рівна 9192631770 періодам випромінювання, відповідного переходу між двома надтонкими рівнями основного стану цезію-133. Секунда пов'язана із частотою коливань атомів цезію й відтворюється на атомному годиннику з відносною похибкою 5×10^-11. По старій еталонній секунді, що відтворювався за допомогою кварцових годинників, похибка становила 1×10^-7.

Кандела дорівнює силі світла, що випускається з поверхні площею 1/600000 м³ полого випромінювача в перпендикулярному напрямку при температурі випромінювача, рівній температурі затвердіння платини при тиску 101325 Па. Кандела відтворюється з похибкою 1×10^-3.

Для кілограма збережений міжнародний прототип у вигляді бруска зі сплаву платины й іридію, який характеризується відносною похибкою 2×10^-9.

Одиницею кількості речовини є моль, який визначається як кількість речовини системи, що містить стільки ж структурних елементів, скільки є атомів у вуглеці-12 масою 0,012 кг.

4.2. Метрологічні показники засобів вимірювання і методики вимірів

При виборі вимірювальних засобів повинні бути враховані організаційно-технічні форми контролю, масштаб виробництва, конструктивно-технологічні й точносні характеристики деталей і виробів. Кожний розмір або параметр може бути обмірювано декількома засобами з різними похибками, які залежать від точності самих засобів, їх настроювання, методу й умов виміру. Похибка придатного приладу не повинна перевищувати встановленого для нього рівня, що забезпечується систематичною повіркою приладу. Припустимі похибки вимірів, установлювані ДСТУ, можуть становити від 20 (квалітети 10-17) до 35 (квалітети 5-9) відсотків вимірюваної величини допуску. З метою зменшення додаткових похибок при вимірі повинні дотримуватися передбачені стандартом умови: температура 20 °С, атмосферний тиск 101325 Па, відносна вологість навколишнього повітря 58 %, положення деталей у просторі, освітленість і т.п. Під технічними вимірами розуміють виміри розмірів деталей і виробів, вироблених у машинобудуванні, на відміну від вимірів властивостей матеріалу або інших фізичних величин (температури, тиску й т.п.). При виготовленні деталей їх дійсні розміри в силу різних причин іноді виявляються поза полем допуску (інтервалу величин, що допускається). Придатність дійсних розмірів установлюють або шляхом виміру, або шляхом контролю.

Виміряти – означає визначити дійсний розмір із заданою точністю за допомогою яких-небудь універсальних вимірювальних засобів. Виміри роблять в одиничному і дрібносерійному виробництві, при ремонтних і експериментальних роботах, при точності вище 6-го квалітету й у деяких інших випадках. Проконтролювати – установити факт придатності або непридатності розміру, що перевіряється, що часто можливо й без визначення його дійсної величини. Контроль є часним випадком вимірів. По призначенню засоби виміру можуть бути універсальними й спеціальними. Універсальні засоби виміру призначені для виміру довжин і кутів у певному діапазоні розмірів незалежно від конфігурації вимірюваної деталі, спеціальні – для конкретних розмірів деталей певної форми. Залежно від відмічених ознак, наявних у засобів виміру, їх часто класифікують на міри, вимірювальні інструменти й прилади. Оскільки не завжди можна чітко провести точну грань між вимірювальним інструментом і приладом, останнім часом відмовляються від поняття «вимірювальний інструмент» і всі вимірювальні засоби ділять на міри й вимірювальні прилади. Міра – засіб виміру, призначений для відтворення довжини (у загальному випадку – фізичної величини) заданого розміру. При цьому як спеціальні вимірювальні засоби є калібри, широко застосовувані в серійнім і масовім виробництві для контролю придатності виготовлених виробів. Калібрами називаються міри, що мають форму поверхні, протилежну (зворотну) контрольованому об'єкту й відтворюючі його номінальні (нормальні калібри, шаблони, щупи) або граничні (граничні калібри – прохідний ПР і непрохідної НЕ) розміри. Існують і універсальні, так звані багатозначні міри, що відтворюють ряд однойменних величин різного розміру (лінійки з поділами, плоскопаралельні кінцеві міри довжини й ін.). Вимірювальний прилад – засіб виміру, призначений для вироблення сигналу вимірювальної інформації, видаваної відліковими пристроями (шкальними, цифровими, реєструючими). По характеру оцінки вимірюваної величини розрізняють абсолютний і відносний методи виміру й відповідні їм засоби виміру. При абсолютному методі оцінка значення всієї вимірюваної величини проводиться безпосередньо по шкалі приладу (наприклад, при вимірі штангенциркулем, мікрометром, на довжиномірі й ін.). Відносний (порівняльний) метод заснований на порівнянні вимірюваної величини з наставною мірою, по якому прилад попередньо настроюється на нуль. По шкалі приладу в цьому випадку визначається відхилення вимірювальної величини від наставної міри (наприклад, вимір на мініметрі, за допомогою індикаторного нутромера, тангенціальним зубомером і ін.).

Метод вимірів може бути прямим або непрямим залежно від способу одержання вимірюваної величини. Прямий метод характеризується безпосередньою оцінкою вимірюваної величини по показам приладу. При непрямому методі вимірюють деякі величини, пов'язані із шуканою функціональною залежністю. На підставі результатів виміру шукана величина обчислюється по формулах (наприклад, визначення радіуса закруглення на підставі виміру довжини хорди й стріли прогину або визначення кута конуса на підставі виміру діаметрів у двох перетинах і відстані між ними). Непрямим методом виміру користуються в тих випадках, коли шукана величина недоступна для виміру прямим методом або не може бути обміряна з достатньою точністю.

По характеру взаємодії засобів виміру з поверхнею вимірюваної деталі методи й засоби виміри розділяються на контактні й безконтактні. Контактними називаються виміри, при яких вимірювальний засіб має механічний контакт із поверхнею вимірюваного об'єкта. Безконтактними називаються виміри, при яких вимірювальний засіб не має механічного контакту з поверхнею вимірюваного об'єкта. Безконтактні методи засновані на проекційному, фотографічному, пневматичному й інших подібних способах виміру.

Залежно від кількості різних параметрів, що одночасно виявляються, методи й засобу виміру розділяють на диференційовані (поелементні) і комплексні. Диференційованим (поелементним) називається вимір, при якому у деталі (виробі) складної форми вимірюють кожний з її елементів або параметрів, що характеризують точність. Наприклад, при вимірі різьби кожний її параметр (діаметр, крок, кут профілю) визначають окремо. Диференційовані методи й засоби виміру найбільш зручні при виготовленні деталей, тому що дозволяють виявити, який з елементів деталі вийшов за межі припустимих значень.

Комплексними називаються виміри, при яких визначається вплив усіх елементів складних деталей (виробів) разом, у їхньому взаємозв'язку між собою, тобто виявляються експлуатаційні показники. Наприклад, перевірка різьби на згвинчування з комплексними різьбовими калібрами дозволяє одночасно визначити відповідність значенням, що допускаються, відразу всього комплексу параметрів різьби. Комплексні вимірювальні засоби найчастіше використовуються при приймальному контролі ВТК готових деталей (виробів), оскільки виявляють властивості, близькі до експлуатаційних.

По характеру взаємозв'язку результатів виміру з технологічним процесом проводиться поділ приладів на активні й пасивні. Прилади активного контролю призначені для виміру розмірів деталі в процесі її обробки на верстаті й дають інформацію про необхідність зміни режимів обробки. Приладами пасивного контролю роблять виміри після закінчення обробки й фіксують отриману точність обробки деталі.

Метрологічні характеристики (показники) – сукупність параметрів універсальних вимірювальних засобів, що характеризують точність виміру, область їх можливого й найбільш раціонального застосування. Нижче наведені основні показники вимірювальних засобів.

Діапазон виміру (межі вимирів приладу) – діапазон розмірів, який може бути обмірюваний даними вимірювальними засобами й для якого нормується допустима похибка.

Діапазон показів (межі показів по шкалі) – область значень вимірюваного розміру, яка може бути відлічена по шкалі приладу.

Ціна поділки (шкали) – різниця значень вимірюваної величини, що відповідають двом сусіднім оцінкам шкали. Звичайно застосовуються значення поділок з ряду 1; 2; 5.

Вимірюване зусилля – сила, з якої вимірювальний наконечник приладу впливає на вимірювану поверхню в напрямку виміру.

Похибка приладу – різниця між показами приладу й дійсним значенням вимірюваної величини.

Похибка виміру – відхилення значень величини, знайденої шляхом її виміру, від дійсного значення вимірюваної величини.

Виміром називається знаходження значення фізичної величини дослідним шляхом за допомогою спеціальних технічних засобів.

Вимір може бути:

· прямим, при якому шукане значення величини знаходять безпосередньо з дослідних даних (наприклад, вимір маси на циферблатних вагах, температури термометром, розміру штангенциркулем і ін.);

· непрямим, при якому шукане значення величини знаходять на підставі відомої залежності між цією величиною й величинами, що знаходять прямим виміром. Наприклад, для визначення діаметра D великого вала його охоплюють рулеткою й визначають довжину окружності L. Одержують абсолютний вимір D = L/π, на основі прямих вимірів однієї або декількох основних величин;

· відносний вимір – відношення величини до однойменної величини, що відіграє роль одиниці, або вимір величини стосовно однойменної величини, прийнятої за вихідну.

При виборі вимірювальних засобів користуються метрологічними показниками. До основних показників відноситься: ціна поділки шкали, інтервал між поділками шкали, похибка, що допускається, для вимірювального засобу, межі виміру й вимірювальне зусилля.

Ціною поділу шкали називається різниця значень величин, що відповідають двом сусіднім оцінкам шкали. Наприклад, в індикатору годинного типу ціна поділу рівна 0,01 мм. Якщо стрілка приладу переміститься від одної поділки шкали до іншої, це означає, що вимірювальний наконечник перемістився на 0,01 мм.

Ціну поділки не слід ототожнювати з точністю приладу. Точність приладу визначається похибкою й може бути більшою або меншою за ціну поділки. Інтервал поділу шкали – це відстань між двома сусідніми оцінками шкали. У більшості вимірювальних засобів інтервал поділу становить від 1 до 2,5 мм. Чим більше інтервал поділу на шкалі, тем зручніше відлік по шкалі, хоча це звичайно веде до збільшення її габаритів. Похибкою, що допускається для вимірювального засобу називається найбільша похибка, при якій вимірювальний засіб може бути допущений до застосування. Для кожного виду вимірювальних засобів, що випускаються вітчизняними підприємствами, обов'язково встановлюється похибка, що допускається.

При розгляді похибки вимірів часто виділяють варіацію або нестабільність показів вимірювального засобу, під якою розуміється різниця показів цього засобу при багаторазових вимірах однієї й тієї ж величини.

Межі вимірів вимірювального засобу – це найбільший і найменший розміри, які можна виміряти даним засобом. Межі вимірів по шкалі – найбільше й найменше значення розміру, яке можна відрахувати безпосередньо по шкалі.

Вимірювальне зусилля – зусилля, що виникає в процесі виміру при контакті вимірювальних поверхонь із контрольованим виробом.

Вимірювальний засіб і прийнятий спосіб його використання в сукупності утворюють метод виміру. По способу одержання значень вимірюваних величин розрізняють наступні методи вимірів.

Метод безпосередньої оцінки характеризується визначенням усієї вимірюваної величини безпосередньо за показами вимірювального засобу, наприклад при вимірі деталі штангенциркулем значення розміру 25,5 мм. Метод порівняння із мірою, яким визначають відхилення вимірюваної величини від відомого розміру настановної міри або зразка. Наприклад, індикатор закріплюють у стійці на плиті й установлюють на нуль за якимось зразком, а потім вимірюють деталь. У цьому випадку індикатор буде показувати відхилення розміру контрольованої деталі щодо розміру настановного зразка.

При оцінці придатності деталей на виробництві іноді користуються поняттям контролю деталей. Під контролем розуміється не визначення дійсного значення розміру, а реєстрація факту, що розмір деталі не виходить за межі найбільшого й найменшого розмірів, що допускаються, тобто за межі допуску, наприклад при контролі деталей калібрами в умовах серійного й масового виробництва.

4.3. Похибки вимірів, їх види й джерела

Визначити абсолютне значення вимірюваної величини не реально, тому що результати наших вимірів невільні від похибок. Тому виміри однієї й тієї ж постійної величини при збереженні тих самих зовнішніх умов часто дають неоднакові результати, що відрізняються на невелику величину. Похибкою виміру D_в називається відхилення результату виміру X_i від дійсного значення X_д: D_в = X_i – X_д.

Похибки вимірів підрозділяють на систематичні, випадкові й грубі (промахи). Систематичною називається така похибка, значення якої при повторних вимірах повторюється або закономірно змінюється. Ці похибки або збільшують результат кожного виміру, або зменшують його на ту саму величину. Наприклад, якщо вимірювальну головку встановити на нуль по кінцевій мірі, дійсний розмір якої менше номінального на 1 мкм, то при всіх вимірах буде похибка 1 мкм зі знаком мінус. Вплив систематичних похибок можна усунути, якщо ліквідувати причини їх появи або внести виправлення в результат вимірів, на величину похибки, але зі зворотним знаком, як наприклад це робиться, коли відомо, що годинник відставав на 3 хвилини. Випадковою називається похибка виміру, що виникає при повторних вимірах однієї й тієї ж величини й у тих же умовах з різними значеннями по величині й знаку. Випадкові похибки викликаються численними випадковими причинами: впливом неоднаковості вимірювального зусилля, впливом зазору між деталями вимірювального приладу, похибкою при відліку показань приладу, неточністю установки вимірюваного виробу щодо вимірювального пристрою й ін. Величину й знак можливої випадкової похибки заздалегідь, тобто до проведення виміру, установити не можна. Практикою встановлено, що розподіл випадкових похибок вимірів у більшості випадків близький до закону нормального розподілу. Тому допускають, що похибки, однакові по величині, але різні за знаком, однаково вирогідні. Найчастіше виміри мають малі похибки, близькі до нуля (малі по величині похибки зустрічаються частіше, ніж більші). Через те, що однаково ймовірні як плюсові, так і мінусові випадкові похибки, при досить великій кількості повторних вимірів середнє арифметичне значення ряду повторних вимірів дає найбільш точне значення вимірюваної величини (розміру).  При багаторазових вимірах похибка виміру від випадкових помилок зменшується в n/2 раз, де n – число вимірів.

На основі закону нормального розподілу випадкових величин можна багаторазовим виміром тих самих величин тим самим вимірювальним засобом зменшити вплив випадкових помилок, тому що вони усереднюються й у підсумку підвищується точність результату виміру. На машинобудівних і приладобудівних заводах багаторазовість вимірів як спосіб підвищення надійності й вірогідності результату вимірів застосовують досить часто.  Провівши кілька повторних вимірів однієї й тієї ж величини й одержавши різні результати, визначають середнє арифметичне значення ряду вимірів   і приймають його за значення вимірюваної величини Х_д, тобто приймають X_д = . З результатів багаторазових вимірів можна одержати більш повну інформацію про величини, що нас цікавлять, наприклад про розмір дослідної деталі, якщо провести нескладну математичну обробку результатів усіх проведених вимірів. Практика показує, що при сучасних вимогах до виробництва точних виробів острах невеликої математичної обробки результатів вимірів є ворогом точності. Тому цінність результату багаторазових вимірів значно підвищується, якщо крім середнього арифметичного значення Х буде визначена гранична похибка середнього арифметичного у вигляді s, яка залежить від значення амплітуди розсіювання розмірів і кількості проведення вимірів n. Гранична похибка середнього арифметичного визначається по формулі де σ – середня квадратична похибка ряду вимірів. Якщо при багаторазових вимірах з'явиться похибка більше 3σ, то таку похибку уважають грубої, і результат виміру з такою похибкою відкидають. Причинами грубої похибки можуть бути неправильне зняття показів по шкалі приладу або помилка при запису результату виміру.

4.4. Еталони, повірочна схема й порядок передачі одиниці вимірів від еталону до робочих ЗВТ

Зберігання та відтворення одиниць вимірювань з метою передачі їх розмірів засобам вимірювальної техніки (ЗВТ), які застосовуються на території України, забезпечуються державними еталонами.

Для забезпечення єдності вимірювань необхідна чітка тотожність одиниць, у яких були б проградуйовані всі засоби технічних вимірювань однієї й тієї ж самої фізичної величини (ФВ). Це досягається шляхом точного відтворення та збереження прийнятих на Міжнародній конференції з мір і ваги одиниць ФВ і передачі їх розмірів засобами вимірювань (ЗВ).

Відтворення, збереження і передача розмірів одиниць проводиться за допомогою еталонів та зразкових ЗВ. Вищою ланкою у метроло­гічному колі передачі розмірів одиниць вимірювання ФВ є еталони.

Еталон одиниці ФВ - це ЗВТ, який забезпечує відтворення і зберігання одиниці ФВ та передавання її розміру відповідним засобам, що стоять нижче за повірочною схемою, і офіційно затверджений як еталон.

Усі основні одиниці ФВ відтворюються з найвищою точністю за допомогою міжнародних еталонів відповідних одиниць і зберігаються в Міжнародному бюро мір та ваги (МБМВ) у спеціальних лабораторіях у м. Севра поблизу Парижа. Програмою діяльності МБМВ передбачені систематичні міжнародні зіставлення національних еталонів великих метрологічних лабораторій різних держав з міжнародними еталонами та між собою. Еталони метра та кілограма звіряються один раз в 25 років, електричні та світлові еталони (ампера, вольта, ома, кандели) - один раз на 3 роки. Проводяться також епізодичні міжнародні звіряння еталонів джерел іонізаційного випромінювання, платинових термометрів опору, температурних ламп та ін.

Основне призначення еталонів - бути матеріальною базою для відтворення і збереження одиниць ФВ.

Державні еталони є виключно державною власністю, затвер­джуються Укрметртестстандартом України та перебувають у його віданні. Однією з основних вимог, які висуваються до еталонів, є точність. Як правило, створення, зберігання, застосування, відтворення еталонів регламентовано певним стандартом країни, наприклад, ДСТУ 3231-95 «Метрологія. Еталони одиниць фізичних величин: основні положення, порядок розроблення, затвердження, реєстрації, зберігання та застосування». Розробляються стандарти і на повірочні схеми з використанням еталонів, зокрема для концентрації газів у газових середовищах (ДСТУ 3214-95). Питаннями розробки, зберігання, вдосконалення еталонів займаються науково-дослідні інститути Укрметртестстандарту України. Еталони складають особливу групу ЗВ.

Еталони для безпосередніх вимірювань ФВ не застосовуються, а використовуються для передачі розміру одиниць іншим ЗВ.

За точністю відтворення розмірів одиниць і за службовим при­значенням еталони поділяються на дві групи: первинні і вторинні.

Первинним називають еталон, який забезпечує відтворення розміру ФВ із найвищою в державі точністю.

Вторинним називають еталон, що відтворює розмір одиниці ФВ за первинним еталоном та періодично звіряється з ним.

У свою чергу, первинні еталони поділяються на спеціальні, державні, вихідні; вторинні еталони за метрологічним призначенням поділяються на: еталони-копії, еталони-свідки, еталони-порівняння, робочі еталони.

Для наочності видів еталонів подано схему (рис. 5).

Рис. 5.Класифікація видів еталонів

Первинні еталони. Якщо еталон відтворює одиницю з найбільш високою в країні точністю, то він називається первинним. Первинні еталони основних одиниць відтворюють одиницю відповідно до її визначення.

Стає очевидним (розглядаючи, наприклад, випадок з одиницею струму - ампер), що навіть якщо природні еталони й існують, вони не обов’язково відрізняються особливою точністю і простотою реалізації. Проте будь-яка промислово розвинена країна має націо­нальну лабораторію з еталонів (у Великобританії, наприклад, це Фізична лабораторія в Теддінгтоні, у США - це NIST - Національний інститут науки і технології). Ці національні лабораторії зберігають «первинні стандартні еталони», які у випадку з кілограмом є по­хідними від міжнародного стандарту кілограма. Щодо інших одиниць вимірювань у системі СІ базою для побудови вимірювального ланцюжка є приладове обладнання, здатне відтворювати умови, встановлені у визначенні базової одиниці СІ. Наприклад, щодо одиниці часу це так званий «цезієвий годинник». Хоча тривалість одного періоду встановленого атомного переходу становить піко-секунду, цього достатньо для повірки частотоміром частот радіо­мовлення, і тому вони можуть бути сприйняті іншими центрами.

Інші виміри, наприклад довжини, можуть здійснюватися з використанням проміжних еталонів та їх ієрархії, що починається із первинного еталона (рис. 6).

Первинні еталони є вершиною піраміди або ієрархії стандартів, які існують і використовуються в країні (рис. 6). Робочі інструменти повіряються «робочими еталонами», які можуть використовуватися для щоденного калібрування на робочому місці перед початком використання вимірювального інструменту. У свою чергу, робочі еталони калібруються за лабораторними або «проміжними еталонами».

Можливий цілий ланцюжок проміжних еталонів, що проходить через спеціалізовані лабораторії калібрування до національного еталону, який може порівнюватися з національними еталонами інших країн.

Спеціальний еталон відтворює одиницю в особливих умовах, у яких пряма передача розміру одиниці від існуючих еталонів технічно можлива з необхідною точністю (високий тиск, температура і т. ін.). Він замінює в цих умовах первинний еталон.

Державний еталон - офіційно затверджений первинний еталон, який забезпечує відтворення одиниці вимірювань та передачу її розміру іншим еталонам із найвищою у країні точністю; це пер­винний або спеціальний еталон, офіційно затверджений як вихідний для країни (в окремих випадах може бути використаний спеціальний еталон). Інакше кажучи, державний еталон - це офіційно затверд­жений первинний еталон у якості вихідного для держави.

Державний еталон одиниці величини - еталон одиниці величини, визнаний рішенням уповноваженого на те державного органу в якості вихідного на території своєї держави.

Вихідний еталон - еталон, який має найвищі метрологічні влас­тивості серед еталонів, що наявні на підприємстві чи в організації.

У метрологічній практиці широко використовують вторинні еталони, значення яких встановлюється за найнижчими первинними еталонами.

Вторинні еталони створюються і затверджуються в тих випадках, коли це необхідно для організації повірочних робіт, для збереження і меншого зносу державного еталона.

За своїм метрологічним призначенням вторинні еталони поді­ляються на еталони-копії, еталони передавання, еталони-свідки та робочі еталони.

Еталон-копія - це вторинний еталон, що призначений для збереження одиниці й передачі її розміру робочим еталонам.

Еталон порівняння - це вторинний еталон, що призначений для порівняння еталонів, які з тих чи інших причин не можуть бути безпосередньо порівняними один із одним.

Еталон-свідок - це вторинний еталон, що призначений для перевірки збереження державного еталона, для заміни на випадок пошкодження або втрати. Еталон-свідок використовується лише тоді, коли державний еталон є невідтворним.

Робочий еталон - це вторинний еталон, призначений для збе­реження одиниці і передачі ії розміру зразковим ЗВ найбільш високої точності. Він призначений для повірки чи калібрування ЗВТ.

Еталон передавання - це вторинний еталон, що призначається для взаємного порівняння еталонів, які за тих чи інших обставин не можуть бути звірені безпосередньо.

Вторинні еталони можуть подаватися у вигляді комплексу ЗВ, поодиноких і групових еталонів та еталонних приладів.

Поодинокий еталон складається з одного вимірювального засобу (міри, приладу), який забезпечує відтворення та збереження одиниці самостійно, без участі інших ЗВ того самого типу. Прикладом поодинокого еталона є вторинний еталон одиниці маси - кілограм - у вигляді платино-іридієвої та сталевої гирі.

Груповий еталон - еталон, до складу якого входить група ЗВТ або група еталонів. Прикладом групового еталона є еталон-копія вольта у вигляді 20 нормальних елементів. Вторинні еталони (робочі) використовуються у метрологічних інститутах, метрологічних тери­торіальних органах Держстандарту України, а з дозволу Держстандарту України допускається їх зберігання та використання в органах відомчої метрологічної служби.

Усі ЗВ, які використовуються не для передачі розміру одиниць, а для практичного вимірювання, називаються робочими ЗВТ. Робочі ЗВТ забороняється використовувати для повірки.

4.5. Історія становлення системи еталонів

Еталон одиниці довжини - метр. Наприкінці XVIII століття при введенні метричної системи мір був прийнятий перший еталон одиниці довжини - метр. За метр прийняли одну десятимільйонну частину чверті Паризького меридіана.

У 1799 році на основі виміряної частини дуги меридіана був виготовлений еталон метра у вигляді платинової лінійки шириною 25 мм, товщиною 4 мм та довжиною в 1 м. Пізніше платиновий метр передали на збереження до Національного архіву Франції, який одержав назву «метра Архіву».

Повторні вимірювання дуги меридіана показали, що довжина метра дещо коротша за дійсний «природний» метр, проте Міжнародна комісія з прототипів метричної системи у 1872 році вирішила відмовитися від «природного» еталона метра і за одиницю довжини прийняла «метр Архіву».

За рішенням цієї комісії був виготовлений 31 прототип метра у вигляді штрихової міри з платино-іридієвого сплаву. Серед них прототип № 6 при температурі 0°С виявився найбільш тотожним «метру Архіву» і в 1889 р. на І Генеральній конференції з мір та ваги був ухвалений як міжнародний еталон метра. Решта 30 прототипів були розподілені між державами-учасницями, які у 1875 році підписали Метричну конвенцію.

Еталон метра - це платино-іридієва фігурна лінійка довжиною 102 см з поперечним перерізом у формі X, вписаній в уявний квадрат, сторона якого дорівнює 20 мм. На верхніх площинах Х-форми на обох кінцях лінійки проведено по 3 штрихові лінії, а одиниця довжини в 1 метр розташована між середніми штриховими лініями (рис. 7).

Росія у 1889 році одержала платино-іридієвий прототип метра № 28, який пізніше був затверджений як державний еталон метра в СРСР.

У 1927 році VII Генеральна конференція з мір та ваги ухвалила таке визначення метра: «Одиниця довжини - м, визначається відстанню при 0 °С між осями двох середніх штрихів, нанесених на платино-іридієвому бруску, який зберігається у Міжнародному бюро мір та ваги і прийнятий за еталон метра І Генеральною конференцією з мір і ваги, за умови, що ця лінійка зберігається при нормальному атмосферному тиску і підтримується двома роликами. 

Рис. 7. Міжнародний еталон метра, який використовувався з 1889 до 1960 року

Науково-технічний прогрес потребує підвищення точності еталона одиниці довжини, тому що платино-іридієвий прототип метра неспроможний забезпечити необхідну високу точність відтворення, вищу за 0,1-0,2 мкм. До того ж назріла необхідність розроблення природного неруйнівного еталона, що обумовлює встановлення нового природного еталона метра.

У 1960 році XI Генеральною конференцією з мір та ваги було ухвалено новий хвильовий еталон метра, який виражається в довжинах світлових хвиль у вакуумі оранжевої лінії спектру криптону-86. Відповідно до рішення конференції, «метр - це довжина, що дорівнює 1 650 763,73 довжин хвиль випромінювання у вакуумі й відповідає переходу між рівнями 2р¹⁰ та 5d⁵ атома криптону-86».

Новий еталон метра можна відтворити у метрологічних лабо­раторіях з точністю, яка на порядок вища від платино-іридієвого його прототипу, хоча на конференції підкреслювалося, що точність нового еталона є недостатньою через несиметричність випромінювання монохроматичного джерела.

Місце зберігання еталона метра у колишньому СРСР - Всесоюзний науково-дослідний інститут метрології ім. Д. І. Менделєєва (ВНДІМ) (м. Санкт-Петербург). В Україні еталон метра зберігається в Харківському інституту метрології.

Рис. 8. Еталон метра, який використовувався в метрологічній практиці до 1973 року

За рішенням останньої Генеральної конференції з мір і ваги ухвалене таке визначення одиниці довжини «метр»:

Метр - довжина шляху, який проходить світло у вакуумі за 1/299 792 458 частину секунди.

Еталон одиниці маси - кілограм. При виготовленні платино-іридієвих еталонів кілограма за міжнародний прототип було прийнято той, маса якого найменше відрізнялася від маси «кілограма Архіву». Міжнародний прототип кілограма - це гиря у вигляді прямого циліндра із заокругленими ребрами діаметром і висотою 39 мм (рис. 9).

Оскільки прийнятий умовний прототип одиниці маси - літр - також не був абсолютно тотожним кубічному дециметру (1 л = 1,000028 дм³) і невідповідність між ними становила різницю між масою міжнародного прототипу кілограма і масою кубічного дециметра води, то у 1964 році XII Генеральна конференція з мір та ваги ухвалила рішення про прирівнювання об’єму 1 літра до 1 дм³.

Зазначимо, що у період встановлення метричної системи мір не було чіткого розуміння маси та ваги, тому міжнародний прототип кілограма приймали як еталон одиниці ваги. Проте вже при затвер­дженні міжнародного прототипу в 1889 р. кілограм був прийнятий як прототип маси. Чітке розмежування між кілограмом маси та кілограмом сили було здійснене за рішенням III Генеральної кон­ференції з мір та ваги.

За рішенням I Конференції з мір та ваги із 42 виготовлених прототипів кілограма Росії були передані платино-іридієві прототипи кілограма № 12 (рис. 10) і № 26. Прототип кілограма № 12 був затверджений у 1899 р. як державний еталон маси факультативно (фунт повинен був періодично порівнюватися з кілограмом), а про­тотип № 26 - міг використовуватися в якості вторинного еталону.

Державним первинним еталоном кілограма в колишньому СРСР був платино-іридієвий прототип № 12 - гиря у вигляді прямого циліндра з заокругленими ребрами діаметром та висотою 39 мм. Густина платино-іридієвого сплаву - 21548,1 кг/м3, вміст іридію у сплаві - 10,08-10,09 %, об’єм кілограма при 0°С становить 46,408 см3.

У 1899 р. маса прототипу кілограма № 12 дорівнює 1,000000068 кг. За результатами звіряння його з міжнародними еталонами у 1948­-1954 рр. маса прототипу № 12 стала дорівнювати 1,00000085 кг.

Рис. 9. Міжнародний прототип кілограма

Рис. 10. Платино-іридієві прототипи кілограма № 12

8 жовтня 1901 р. з ініціативи Д. І. Менделєєва у Харкові була відкрита перша в Україні повірочна палата для вивірки і таврування торговельних мір і ваги. З цієї події бере початок історія метрології та стандартизації в Україні. На рис. 11 показано унікальний робочий еталон маси - позолочена гиря масою 1 кг, яка очолювала повірочні схеми ЗВ маси в Україні з перших місяців роботи повірочної палати, тобто з 1901 і до 1939 року.

Рис. 11. Робочий еталон маси

Більш ніж за 120 років існування описаного прототипу кілограма, звичайно, були спроби зробити більш сучасний еталон на основі фундаментальних фізичних сталих мас різних атомних частин (протона, електрона та ін.). Однак на сучасному рівні науково-технічного прогресу поки не вдалося відтворити цим методом масу кілограма з меншою похибкою, ніж існуюча.

З розвитком наукових робіт щодо створення нових природних еталонів одиниць ФВ, що базувалися на атомних постійних величинах (метр - на довжині світлових хвиль; секунда - на частоті коливань атомів та молекул), виникло питання про зв’язок одиниці маси з атомними константами. Цим пояснюється пропозиція щодо вико­ристання для метрологічних цілей такої константи, як маса нейтрона. Можна припустити, що це дасть можливість з високою точністю ув’язати сучасний умовний еталон маси з природними константами маси атомних часток.

Еталон «кілограм» все ще «припадає пилом» у глибокому підвалі під Парижем.

Словосполучення «припадає пилом» у попередньому абзаці зовсім не є стилістичною прикрасою - пил насправді поступово накопичується на еталоні кілограма, незважаючи на всі контрзаходи. Дістати платино- іридієві циліндри і протерти їх не можна - по-перше, при витяганні на ньому знову ж таки осяде пил, а по-друге, протирання або навіть обмахування щіточкою неминуче приведе до «відскакування» декількох молекул. Іншими словами, незалежно від того, роблять або не роблять щось з еталоном, його маса з часом змінюється. Довгий час вважалося, що ці зміни незначні, проте перевірка, яку було проведено кілька років тому, показала, що за останній час еталон «схуд» на 50 мікрограмів, а це вже значні втрати.

Можливий вихід із цього скрутного становища (за мільярд років еталон стане легшим на третину) запропонували в 2007 році два американських учених із Технологічного інституту Джорджії. Замість мінливого циліндра вони запропонували вважати стандартом масу куба із вуглецю, який буде містити строго певну кількість атомів. Так як маса кожного окремого атома постійна, то й маса їх сукупності також не буде змінюватися. Дослідники розрахували, що куб масою рівної один кілограм буде складатися з 2250 х 281 489 633 атомів (50 184 513 538 686 668 007 780 750 атомів), а його грань складе 8,11 сантиметри. За три роки вчені уточнили деякі деталі і представили свої міркування.

Американські фізики перейнялися проблемою стандарту кілограма і вибрали в якості «еталонного» елемента вуглець, неспроста - до цього часу вони займалися уточненням числа Авогадро - однієї з фундаментальних констант, яка визначає, скільки атомів міститься в одному молі будь-якої речовини. Хоча це число і є одним із найголовніших у хімії, його точного значення не існує (серед інших питань учені, наприклад, вирішували, парне воно чи ні). Число Авогадро підібрано так, щоб маса моля у грамах дорівнювала масі молекули (атома) в атомних одиницях маси. Атом вуглецю має масу 12 атомних одиниць маси, а значить, маса моля вуглецю повинна складати 12 грамів. Уточнивши число Авогадро і прийнявши його рівним 844 468 863 (602 214 098 282 748 740 154 456), дослідники змогли розрахувати необхідну кількість атомів вуглецю в еталоні (рис. 12).

Рис. 12. Кремнієва сфера

Не виключено, що нову роботу буде розглянуто на черговій Генеральній конференції з мір та ваги, яка відбулася в 2011 році. Однак у вчених з Джорджії є конкуренти. Наприклад, у Вашинг­тонському національному інституті стандартів і технології дуже активно працюють над концепцією електронного кілограма. Коротко суть пропонованого ними методу така: еталон визначається через силу струму, яка необхідна для створення магнітного поля, здатного врівноважити вантаж масою в один кілограм. Цей спосіб дуже хороший, тому що дозволяє добитися високої точності (він заснований на використанні ще однієї фундаментальної константи - постійної Планка), проте сам експеримент надзвичайно складний.

Ще один варіант нового еталона - кремнієва сфера, параметри якої розраховані таким чином, що вона буде містити строго певну кількість атомів (цей розрахунок можна провести, так як ученим відома відстань між окремими атомами, а сам процес виробництва чистого кремнію дуже добре налагоджений). Така сфера навіть була створена, але щодо неї негайно виникли такі ж складнощі, які стосуються нинішнього еталона: з часом сфера втрачає частину своїх атомів, і, крім того, на ній утворюється плівка оксиду кремнію.

Третій підхід до створення еталону припускає, що він буде кожного разу вироблятися de novo. Для отримання стандарту маси необхідно накопичувати іони вісмуту та золота до тих пір, поки їх сумарний заряд не досягне певного значення. Цей метод уже визнали незадовільним: він вимагає занадто багато часу, а результати погано відтворюються. Взагалі з високою ймовірністю всі описані способи отримання нового еталону кілограма, крім способу, заснованого на використанні числа Авогадро, залишаться тільки в пам’яті істориків науки, так як, на відміну від інших, еталон кілограм у вигляді куба з ізотопу вуглецю-12 заснований на прямому використанні одного з фундаментальних атомних понять.

Поки що неясно, чи стане вуглецевий еталон загальновизнаним або ж учені придумають новий, більш зручний спосіб. Але той факт, що в Парижі зберігається циліндр, який вірою і правдою служив людям 120 років, незабаром «відправиться на пенсію», сумнівів не викликає.

Еталон одиниці часу - секунда. Ще в стародавні часи відлік часу ґрунтувався на обертанні Землі навколо своєї осі. До недавнього часу секунда визначалася як 1/8640 частини середньої сонячної доби. За середню сонячну добу прийнято інтервал часу між двома послідовними однойменними кульмінаціями середнього Сонця. Під середнім Сонцем розуміли уявне Сонце, яке рівномірно рухається по небесному екватору і здійснює один оберт по небосхилу за той проміжок часу, що й справжнє Сонце ж яке рухається нерівномірно за екліптикою. Проте спостереження показали, що обертанню Землі властиві нерегулярні коливання, а це не дозволяє вважати його природною стабільною основою визначення одиниці часу.

Середня сонячна доба визначається з похибкою 10^-7. Ця точність недостатня для сучасного стану техніки частот.

Потрібен був новий природний еталон часу, який забезпечував би високу точність відтворення одиниці часу - секунди. У 1960 році було прийняте нове астрономічне визначення одиниці часу, в основу якого покладено не обертання Землі навколо своєї осі, а рух Землі навколо Сонця. Це забезпечувало підвищення точності вимірювання одиниці часу на три порядки (у 1000 разів).

За секунду прийняли 1/31556925,9747 частини тропічного року на 0 січня 1900 року о 12-й годині ефемеридного часу. Тропічний рік сам по собі не є постійним, тому дата «0 січня 1900 р. 12 годин» виражена у прийнятому астрономами відліку часу і відповідає полудню 31 грудня 1899 р. Під ефемеридним часом розуміють час у системі рахунку, де тривалість одиниці дорівнює ефемеридній секунді, визначеній через тропічний рік на 0 січня 1900 р.

Практично точна одиниця часу стала доступною завдяки сигналам точного часу, що передаються по радіо з кварцових годинників, які є мірами частоти. Останнім часом створені нові молекулярні та атомні еталони, частоти і часу, які ґрунтуються на здатності молекул та атомів випромінювати і поглинати енергію під час переходу між двома енергетичними рівнями в діапазоні радіочастот. У 1967 р. XIII Гене­ральна конференція з мір та ваги ухвалила нове визначення секунди як інтервал часу, протягом якого відбувається 9 192 631 770 коливань. Такі коливання відповідають резонансній частоті енергетичного переходу між рівнями надтонкої структури основного стану атома цезію-133 за відсутності збурень зовнішніми полями.

Стабільність цезієвих еталонів дорівнює 10^-11, що дозволяє використовувати їх службам часу та частоти.

У 1997 році Міжнародне бюро мір і ваги уточнило, що в цьому визначенні фігурує атом цезію, що перебуває при абсолютній нульовій температурі. У новітніх моделях цезієвого годинника (їх називають фонтанними) ця вимога майже ідеально реалізується за допомогою лазерного охолодження атомів. Еталонні цезієві годинники американського Національного інституту стандартів і технології (NIST) зараз забезпечують відносну точність відтворення одиниці часу - секунди на рівні ~ 3,3 х 10^-16. Це найбільш точні годинники у світі. А взагалі найкращу перспективу на найближче майбутнє мають оптичні стандарти частоти, засновані на переходах в однократних іонах ртуті, ітербію чи стронцію або в нейтральних атомах стронцію чи ртуті - вони надзвичайно стабільні в часі. Вже зараз точність окремих експериментальних зразків досягає 2 х 10^-15 секунди і навіть вище, а теоретично вони здатні забезпечити точність відтворення одиниць часу і частоти на рівні 10^-17-10^-18.

У стронцієвих оптичних годинах (рис. 13) іони стронцію поміщені в оптичну пастку на перехресті шести лазерних променів.

Рис. 13. Стронцієвий оптичний годинник

Під впливом електромагнітних хвиль лазерів іони міцно «сидять» в енергетичних ямах, слабо взаємодіючи один з одним і випромінюючи блакитне світло із частотою близько 429 терагерц. Стронцієвий годинник у тисячу разів точніший за цезієвий, що використовується сьогодні як еталон часу і частоти. Можливо, незабаром еталон буде замінено.

Еталон одиниці сили електричного струму - ампер. У 1893 р. Міжнародний конгрес електриків у Чікаго затвердив перший еталон сили електричного струму - ампер, установивши так званий між­народний ампер. Ампер відтворювався за допомогою срібного вольтметра і визначався так: «Міжнародний ампер - незмінний струм, який, проходячи через водний розчин азотнокислого срібла при дотриманні інструкції та специфікації виділяє 0,001118 грамів срібла за 1 с».

У 1948 р. при переході на абсолютну практичну систему електричних одиниць міжнародний ампер було відмінено, а в основу сучасного еталона ампера покладено закон взаємодії електричних струмів.

Визначення основної електричної одиниці - ампера - залишається незмінним з 1948 року. IX Генеральна конференція з мір та ваги у 1948 р. ухвалила таке визначення ампера: «Ампер - сила постійного струму, який, проходячи по двох паралельних прямолінійних провідниках нескінченної довжини і занадто малого круглого перерізу та розміщених на відстані 1 метра один від одного у вакуумі, при силі струму в провідниках в 1 А утворював би між провідниками силу взаємодії у 2 10^-7 Н на кожний метр довжини».

Зрозуміло, що виготовити еталон на базі цього визначення неможливо, але, на щастя, й не потрібно. Ампер можна реалізувати за допомогою вимірювання силової взаємодії між струмами будь-якої конфігурації, якщо тільки правильно розрахувати геометрію приладу. В Радянському Союзі був прийнятий Державний первинний еталон ампера, який був реалізований за допомогою струмових терезів, що відтворюють ампер з точністю до 10^-5. Такий самий прилад був встановлений в британській Національній фізичній лабораторії в Теддінгтоні (зараз - Національна лабораторія вимірів). У США ампер спочатку був відтворений через еталонний вольт (дуже стабільні електричні батареї) і еталонний ом (прецизійні дротові резистори), виготовлені та відкалібровані в Національному бюро стандартів (сучасний NIST). Відношення вольта і ома дало еталонний ампер з точністю 10^-7. У теперішній час вольт реалізують за допомогою квантового низькотемпературного ефекта Джозефсона, а Ом - за допомогою квантового ефекта Холла (такий стандарт з 1990 року прийнятий в усьому світі). Це дозволяє відтворювати ампер з відхиленням, що не перевищує 10^-9. Проте не виключено, що в майбутньому визначення ампера переглянуть, визначивши його через елементарний заряд електрона.

Державний первинний еталон ампера - це комплекс вимірювальних засобів у складі струмових ваг електродинамічної системи, ваг з дистанційним управлінням та апаратури для передачі розміру одиниці. Похибка відтворення розміру одиниці сили струму державним первинним еталоном ампера не перевищує 1-10^-3 %.

Досягнення сучасної фізики в галузі дослідження атомного ядра розкривають нові можливості для розробки досконаліших еталонів одиниці електричного струму та заряду.

Еталон одиниці температури - кельвін. Вимірювання температури з моменту винаходу термометра Галілеєм у 1598 р. ґрунтувалося на використанні властивостей термометричної речовини (газу, рідини) і пов’язане з іменами таких учених, як Фаренгейт, Реомюр, Цельсій, Томсон (Кельвін) та ін.

У середині XVIII століття англійський учений Уїльям Томсон, який у 1892 р. за наукові заслуги отримав титул барона Кельвіна (Kelvin), показав, що можна встановити термодинамічну температурну шкалу, яка б не залежала від термометричної речовини.

Винайдення термодинамічної температурної шкали ґрунтується на II законі термодинаміки. Якщо в оберненому циклі Карно тіло, що здійснює цикл, поглинає теплоту Q₁ при температурі T₁ і віддає тепло Q₂ при температурі Т₂, то відношення абсолютних температур Т₁/Т₂ дорівнює відношенню кількості тепла Q₁/Q₂. Згідно з положенням термодинаміки, це відношення не залежить від властивостей термо­динамічної речовини.

Вимірюючи кількість теплоти з достатньою точністю, можна визначити співвідношення температур та температуру конкретного об’єкта.

Встановлена таким чином термодинамічна температурна шкала, яка незалежна від властивостей термометричної речовини, називається шкалою Кельвіна.

При встановленні термодинамічної температурної шкали для збереження наступності числового вираження її зі стоградусною температурною шкалою Цельсія температурний проміжок між точками танення льоду та кипіння води прийняли за 100 °С.

Томсон і незалежно від нього Д І. Менделєєв довели доцільність побудови термодинамічної шкали температур за однією реперною точкою (реперні точки в термометрії - первинні відтворені темпе­ратурні точки, кожній з яких присвоєна визначена температура. На потрійній точці води побудована Міжнародна практична температурна шкала) - точкою абсолютного нуля. Така шкала має значні переваги і дозволяє визначити абсолютну температуру точніше, ніж шкала з двома реперними точками.

Похибка відтворення точки кипіння води становить 0,002-0,01 °С, точка танення льоду - 0,0002-0,001 °С, потрійна точка води - 0, 0001 °С.

X Генеральна конференція з мір та ваги у 1954 році ухвалила рішення про термодинамічну температурну шкалу з однією реперною точкою - потрійною точкою води, яка вища за точку танення льоду на 0,01 °С (273,16 К).

Таким чином, термодинамічна температура є основною і позна­чається символом Т. Її одиницею служить кельвін - 1/273,16 частини потрійної точки води (Примітка. Потрійна точка - стан рівноважного співіснування трьох фаз речовини, зазвичай твердої, рідкої і газоподібної. Температура п. т. води (точки співіснування - льоду, води і пари,) дорівнює 0,01°С (273,16 К) при тиску 6,1 кПа (4,58 мм рт. ст.).

Температура у градусах Цельсія позначається символом t і визначається таким чином: t = Т- Т₀, де Т₀ = 273,16 К.

Вимірювання температури за термодинамічною шкалою шляхом прямої її реалізації за допомогою газових термометрів пов’язане із серйозними труднощами, тому була прийнята Міжнародна практична температурна шкала, яка ґрунтується на відтворенні 11 рівноважних станів речовин (водню, неону, кисню, води, цинку, золота та ін.).

Еталон одиниці сили світла - кандела. У минулому столітті різні держави використовували різні еталонні джерела одиниці сили світла - свічі.

На Міжнародному конгресі електриків у 1881 р. було прийнято еталон світла - одиницю Віоля. За одиницю Віоля визнавалася сила світла, яка випромінювалася квадратним сантиметром поверхні твердіючої платини у нормальному напрямку до цієї поверхні. Пізніше спосіб відтворення одиниці Віоля одержав назву «абсолютного еталона сили світла». У 1889 році Конгресом за практичну одиницю світла була прийнята одна двадцята одиниці Віоля.

З огляду на труднощі реалізації еталона одиниці Віоля, Між­народний конгрес у 1893 році приймає за еталон лампу Гефнера - Альтенека, а пізніше - керамічні трубки та інші джерела світла.

Лише у 1967 році Генеральна конференція з мір та ваги визначила за одиницю сили світла канделу. Це світло, яке випромінюється з площини перерізом 1/600 000 м² повного випромінювача у перпен­дикулярному до цього перерізу напрямку при температурі твердіння платини і тиску 101 325 Па.

Державний первинний еталон одиниці світла - кандела - скла­дається з двох взаємозамінних повних випромінювачів та апаратури вимірювання. Повний випромінювач являє собою тонкостінну трубку з оксиду торію, занурену у розплавлену платину. Нагрівання платини проводиться у високочастотній індукційній печі, а вимірювання сили світла - за допомогою фотоелектричного фотометра.

Середнє квадратичне відхилення результату відтворення та передачі одиниці сили світла державним еталоном не перевищує 2·10^-3.

Еталон кількості речовини - моль. За еталон кількості речовини прийнятий моль - кількість речовини системи, яка містить стільки ж структурних елементів часток, скільки атомів міститься в 12 г вуглецю-12 (1 моль вуглецю має масу 12 г, 1 моль кисню - 32 г, а 1 моль води - 18 г).

Однією з причин того, що еталон одиниці кількості речовини не створений, є недостатня чіткість визначення цієї одиниці і відсутність методу її виміру відповідно до визначення. Тим більше, що цю одиницю важко назвати основною, так як її визначення пов’язане з одиницею маси. Цілком можливо, що цю одиницю буде переведено в розряд спеціальних одиниць маси.

4.6. Зразкові засоби вимірювальної техніки

Передавання розмірів одиниць фізичних величин від еталонів робочим засобам вимірювань проводиться за допомогою зразкових засобів вимірювальної техніки, точність яких значно вища, ніж робочих засобів.

Зразкові засоби вимірювань — це затверджені в установленому порядку міри, вимірювальні прилади або ж вимірювальні перетворювачі, які призначені для повірки та градуювання за ними інших засобів вимірювальної техніки.

Зразковим засобом вимірювальної техніки (засобом вимірювань) називається засіб, який використовується для повірки інших засобів вимірювальної техніки (вимірювань) і затверджений як зразковий.

На зразкові засоби вимірювань видаються свідоцтва з вказаними метрологічними характеристиками та розрядом за повірочною схемою.

Зразковими можуть бути тільки ті засоби вимірювальної техніки, які своєчасно пройшли метрологічну атестацію і визнані придатними для використання їх як зразкові.

За точністю зразкові засоби поділяються на чотири розряди, а засоби, які відповідають найвищому ступеню повірчої схеми, називаються вихідними зразковими засобами вимірювань.

На рис. 14 показано метрологічну послідовність передачі розмірів одиниць фізичних величин від первинних еталонів — робочим еталонам, від них — розрядним зразковим засобам вимірювань, далі — робочим засобам вимірювань. На схемі показана ієрархія засобів вимірювальної техніки. Найвищий рівень точності представлений первинним еталоном, нижні рівні займають робочі засоби вимірювань.

Між розрядами зразкових засобів вимірювань існує точномірна підпорядкованість: засоби 1-го розряду мають найвищу точність, а засоби 4-го розряду — найнижчу. Зразкові засоби вимірювань 1-го розряду повіряються робочими еталонами, а зразкові засоби 2-го та наступних розрядів повіряються зразковими засобами безпосередньо попередніх розрядів. Для різних видів вимірювань (за вимогами практики) встановлюється різна кількість розрядів зразкових засобів вимірювань і стандарти новітніх схем для відповідного виду засобів вимірювань.

Як видно зі схеми, окремі робочі засоби найвищої точності можуть повірятися за допомогою робочих еталонів; робочі засоби вимірювання вищої точності — зразковими засобами 1-го розряду; робочі засоби високої точності — зразковими засобами 2-го розряду та ін.

Зразкові засоби вимірювань зберігаються у метрологічних інститутах, лабораторіях державної та відомчої метрологічної служби. Засоби вимірювань як зразкові затверджуються органами Держстандарту, які у своїх лабораторіях мають зразкові засоби вимірювань вищого розряду, ніж пред'явлені для атестації. В окремих випадках з дозволу органів державної метрологічної служби надається право затверджувати зразкові засоби вимірювань метрологічним службам, якщо в останніх є відповідні умови.

Усі зразкові засоби вимірювань підлягають обов'язковій повірці у терміни, визначені Держстандартом України.

Основні вимоги до зразкових засобів вимірювань, які використовуються для повірки робочих засобів вимірювань у промислових умовах.

1. Клас точності зразкового засобу вимірювання повинен бути вищим на декілька класів за засіб, що повіряється.

2. Діапазон вимірювання зразкового засобу вимірювань повинен перевищувати діапазон робочого засобу або ж дорівнювати йому.

3. Зразковий засіб вимірювань повинен мати свідоцтво про своєчасну атестацію із зазначенням шкали, класу точності, заводського номера, дати повірки, організації та повірника, а на звороті — похибок для усіх оцифрованих значень шкали.

2. Загальні відомості про повірочні схеми

Для забезпечення правильної передачі розміру одиниць фізичних величин в усіх ланках метрологічного ланцюга (від еталонів до зразкових засобів, а від них до робочих) повинні дотримуватися певного порядку та послідовності. Цей порядок і забезпечується за допомогою повірочних схем.

Повірочна схема — нормативний документ, що регламентує метрологічну підпорядкованість засобів вимірювальної техніки, які використовуються для передавання розміру одиниці фізичної величини від еталона або вихідного зразкового засобу вимірювальної техніки до інших засобів вимірювальної техніки із встановленням методів та похибок передавання.

Рис. 14. Метрологічна послідовність передачі розмірів фізичних одиниць від еталонів до робочих вимірювальних приладів

Повірочна схема — це вихідний документ, який встановлює метрологічну підпорядкованість еталонів, зразкових засобів вимірювальної техніки та порядок передавання розміру одиниці фізичної величини зразковим і робочим засобам вимірювань. Вихідні положення та основні відомості про повірочні схеми наведені у Державному стандарті "Державна система забезпечення єдності вимірювань. Повірочні схеми (основні положення)".

У повірочній схемі вказується назва затвердженого державного еталона, вторинних еталонів, зразкових та робочих засобів вимірювальної техніки, методи повірки. Крім того, у повірочній схемі наводяться похибки відтворення та передачі розміру одиниці кожному засобу вимірювання, наведеному у схемі, а також вказуються міри, вимірювальні прилади та вимірювальні перетворювачі, які використовуються у відповідній галузі вимірювальної техніки.

У повірочних схемах подаються методи повірки, які поділяються на такі види:

• безпосереднє звіряння засобів вимірювальної техніки зразковими засобами вимірювальної техніки аналогічного виду;

• звіряння засобів вимірювальної техніки з використанням приладу порівняння;

• повірка вимірювального приладу за зразковою мірою шляхом вимірювання ним величини, відтвореної мірою;

• пряме вимірювання зразковим вимірювальним приладом величини, яка відтворюється мірою, що підлягає повірці;

• непрямі вимірювання величини, яка відтворюється мірою або вимірюється приладом, що підлягають повірці.

Структура повірочної схеми складається з кількох горизонтальних полів, що відповідають ступеням передачі розміру одиниці від первинного еталона робочим засобам вимірювань. У лівій частині схеми по вертикалі вказуються елементи повірочної схеми. У самих полях розміщуються структурні елементи повірочної схеми, відповідно у прямокутниках — еталони, зразкові та робочі засоби вимірювань, а в колах — методи повірки. Для прикладу на рис. 15. показана повірочна схема для віскозиметра, а в ній — порядок розміщення усіх елементів схеми. У верхньому колі розташована еталонна температура ВНДІМ, нижче — робочі засоби вимірювань.

Рис. 15. Повірочна схема для віскозиметрів

Перший спосіб полягає в тому, що вимірювана величина змінюється до певних значень, встановлених за зразковим засобом вимірювань, а похибка визначається за показаннями приладу, що повіряється. Цей спосіб зручний при автоматизації повірочних робіт, коли одночасно повіряється кілька приладів (наприклад, технічних манометрів за допомогою вагопоршневих манометрів).

Другий спосіб полягає в тому, що вимірювана величина вимірюється до певних установлених значень за приладом, що повіряється, а похибка встановлюється за зразковим засобом вимірювань як відхилення від відповідної поділки (штриха) шкали. Переваги цього способу полягають у тому, що він дає можливість точно визначити похибку зразкового приладу, шкала якого має більшу кількість поділок.

При повірках важливим є вибір оптимального співвідношення між допустимими похибками зразкових засобів вимірювань, та тих, що повіряються. Як правило, це співвідношення приймається рівним 1:3, коли вводиться поправка на покази зразкових засобів вимірювань. Якщо ж поправка не вводиться, то приймається співвідношення 1:5. Необхідна точність зразкових засобів вимірювань та їх типи регламентуються стандартами щодо методів повірки.

Співвідношення допустимих похибок засобів, що повіряються, та зразкових засобів вимірювань встановлюється з урахуванням обраного методу повірки, характеру похибок, допустимих значень браку та помилково забракованих приладів.

Список використаної літератури

В.Д.Цюцюра, С.В.Цюцюра. Метрологія та основи вимірювань. Навч. посібн., К., "Знання -Прес", 2003