Лекция 4. Обеспечение единства измерений

4.1. Единство измерений

При проведении измерений необходимо обеспечить их единство. Под единством измерений понимается характеристика качества измерений, заключающаяся в том, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам воспроизведенных величин, а погрешности результатов измерений известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы.

Понятие "единство измерений" довольно емкое. Оно охватывает важнейшие задачи метрологии: унификацию единиц ФВ, разработку систем воспроизведения величин и передачи их размеров рабочим средствам измерений с установленной точностью и ряд других вопросов. Единство измерений должно обеспечиваться при любой точности, необходимой науке и технике. На достижение и поддержание на должном уровне единства измерений направлена деятельность государственных и ведомственных метрологических служб, проводимая в соответствии с установленными правилами, требованиями и нормами.

На государственном уровне деятельность по обеспечению единства измерений регламентируется стандартами Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ) или нормативными документами органов метрологической службы.

Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ) – комплекс установленных стандартами взаимоувязанных правил, положений, требований и норм, определяющих организацию и методику приведения работ по оценке и обеспечению точности измерений.

Правовой основой обеспечения единства измерений служит законодательная метрология, которая представляет собой свод государственных законов (Закон РФ «Об обеспечении единства измерений»), актов и нормативно-технических документов различного уровня, регламентирующих метрологические правила, требования и нормы.

Технической основой ГСИ являются:

1. Система (совокупность) государственных эталонов единиц и шкал физических величин – эталонная база страны.

2. Система передачи размеров единиц и шкал физических величин от эталонов ко всем СИ с помощью эталонов и других средств поверки.

3. Система разработки, постановки на производство и выпуска в обращение рабочих СИ, обеспечивающих исследования, разработки, определение с требуемой точностью характеристик продукции, технологических процессов и других объектов.

4. Система государственных испытаний СИ (утверждение типа СИ), предназначенных для серийного или массового производства и ввоза из-за границы партиями.

5. Система государственной и ведомственной метрологической аттестации, поверки и калибровки СИ.

1. Система стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов, Система стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов.

4.2. Воспроизведение единиц физических величин и передача их размеров

Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, в которых проградуированы все существующие СИ одной и той же величины. Это достигается путем точного воспроизведения и хранения в специализированных учреждениях установленных единиц ФВ и передачи их размеров применяемым СИ.

Воспроизведение единицы физической величины – это совокупность операций по материализации единицы ФВ с наивысшей точностью посредством государственного эталона или исходного образцового СИ.

Различают воспроизведение основной и производной единиц.

Например, воспроизведение основной единицы длины (основной единицы) – метра – в соответствии с его определением, принятым на XVII Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ) заключается в создании при помощи первичного эталона в специальных условиях длины пути, проходимого светом в вакууме за промежуток времени, равный 1/299792458 с, т. е. воспроизведение основной единицы осуществляется путем создания фиксированной по размеру физической величины.

Воспроизведение производной единицы осуществляется на основании измерений другой величины, функционально связанной с измеряемой величиной. Например, воспроизведение единицы силы – ньютона осуществляется на основании известного уравнения механики F=mg, где т – масса, g – ускорение свободного падения.

Передача размера единиц – это приведение размера единицы физической величины, хранимой поверяемым средством измерений, к размеру единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном, осуществляемое при их поверке (калибровке).

Размер единицы передается «сверху вниз».

Хранение единиц – это совокупность операций, обеспечивающих неизменность во времени размера единицы, присущего данному средству измерений.

Различают следующие виды эталонов:

– первичный – обеспечивает воспроизведение единицы с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же единицы) точностью; первичные эталоны, признанные решением уполномоченного на то государственного органа в качестве исходного на территории государства, называются государственными. Примером первичного эталона является комплекс средств измерений для воспроизведения килограмма с помощью платино-иридиевого прототипа и эталонных весов;

• вторичный – эталон, получающий размер единицы ФВ непосредственно от первичного эталона данной единицы. Вторичные эталоны широко используются в метрологической практике, создаются и утверждаются в тех случаях, когда это необходимо для организации поверочных работ, а также для обеспечения сохранности и наименьшего износа государственных эталонов;

• сравнения – эталон, применяемый для сличен эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличены друг с другом;

• рабочий – эталон, предназначенный для передачи размера единицы ВФ рабочим средствам измерений. При необходимости рабочие эталоны подразделяются на разряды – 1-й, 2-й, 3-й,...н-й;

–исходный – эталон, обладающий наивысшими метрологическими свойствами (в данной лабораторий, организации, предприятии), от которого передают размер единицы подчиненным эталонам и имеющимся средств измерений. Исходным эталоном в стране служит первичный эталон, исходным эталоном для республики, региона, министерства или предприятия может быть вторичный или рабочий эталон.

Кроме национальных эталонов, признанных официальным решением в качестве исходного для одной страны, существуют международные эталоны, которые принимаются по международному соглашению в качестве международной основы для согласования с ними размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами.

В качестве примера международного эталона можно привести прототип килограмма, хранимый Международном бюро мер и весов (г. Севр, Франция).

Размер единицы ФВ передается «сверху вниз» от более точных средств измерений к менее точным в соответствии с установленным поверочной схемой числом ступеней передачи: первичный эталон – вторичный эталон – рабочий эталон 1-го разряда – рабочий эталон 2-го разряда ... – рабочее средство измерений (рис. 4.2.1.).

Рис. 4.2.1. Общий вид Государственной поверочной схемы (ГПС)

Размеры единиц ФВ передаются от эталонов рабочим средствам измерений, которые используются в промышленности, торговле, науке, медицине и др. Государственные эталоны являются национальным достоянием, по их характеристикам определяют уровень научного, технического и культурного развития страны.

Эталонная база России – это совокупность государственных первичных и вторичных эталонов, а также исходных для страны установок высшей точности для воспроизведения единиц физических величин, являющихся технической основой обеспечения единства измерений в стране.

Основу эталонной базы России составляют государственные первичные эталоны основных единиц – метра, килограмма, секунды, ампера, кельвина, канделы. Современная эталонная база России имеет в своем составе 118 государственных эталонов, 76 установок высшей точности и более 300 вторичных эталонов, обеспечивающих единство и требуемую точность. Она адаптирована в европейскую и международную системы обеспечения единства измерений. Результаты сличения государственных эталонов России с лучшими зарубежными эталонами подтверждают их высокую точность и правильность воспроизведения единиц.