Эталоны, их классификация

Эталон – высокоточная мера, предназначенная для воспроизведения и хранения единицы величины с целью передачи её размера другим средствам измерений. От эталона единица величины передаётся разрядным эталонам, а от них – рабочим средствам измерений, выполняется по особой спецификации и в официально утвержденном и установленном порядке.

Воспроизведение единицы осуществляется одним из 2-х способов, исходя из технико-экономических показателей:

1. Централизованный. Используют единый для страны государственный эталон.

2. Децентрализованный. Требуемая точность воспроизведения обеспечивается косвенными измерениями.

Первым воспроизводятся единицы всех основных ФВ и большая часть производных. Предпосылкой является широкая распространенность средств измерений (СИ), градуированных в данной единице, технические возможности сличения эталонов, высокая точность поверки, требующая сложного и дорогого оборудования, которое локализовано в нескольких местах.

Вторым – для производных единиц, которые нельзя воспроизвести централизованно (например 1 м²). В поверочной схеме уровень определяется погрешностями СИ. После каждого уровня указывается метод передачи информации о размере единицы:

· метод непосредственного сличения;

· метод сличения с помощью компаратора;

· метод прямых измерений;

· метод косвенных измерений.

Эталоны классифицируют на первичные, вторичные и рабочие (рис. 3).

Первичный эталон – эталон, воспроизводящий единицу физической величины с наивысшей в стране точностью.

Рис. 3. Классификация эталонов и средств измерений.

Для государственных эталонов (первичных) обязательно нормируется неисключённые систематические составляющие погрешности Q₀ и случайные составляющие погрешности S₀.

Первичные национальные эталоны утверждает Госстандарт РФ. На каждый национальный эталон имеется ГОСТ.

Эталонная копия применяется вместо первичного для хранения и передачи размера единицы с целью уменьшения износа первичного. Эталонная копия не всегда является заменой в физическом смысле, чаще это копия в метрологическом понимании.

Эталон сравнения применяется для сравнения (сличения) эталонов, которые непосредственно не могут быть сличены друг с другом (например, не могут быть транспортированы).

Вторичные эталоны выполняют в виде одиночного, группового эталона или комплекса, или набора эталонов.

Одиночные эталоны состоят из одной меры, одного измерительного прибора или одной измерительной установки, обеспечивающих воспроизведение или хранение единицы самостоятельно без других СИ того же плана.

Групповой эталон состоит из совокупности однотипных мер, СИ или измерительных установок, применяемых как единое целое для повышения надежности хранения единицы. При этом размер единицы определяется как среднее арифметическое из значений, найденных с помощью отдельных мер или СИ. Эталонный набор – набор мер или измерительных приборов, хранящих единицу в определенном диапазоне.

Рабочие эталоны по точности делятся на разряды. Число разрядов ограниченно и нормируется для различных ФВ.

1.8. Аксиомы метрологии

1. Без априорной информации измерение невозможно.

Априорная – информация, которой располагают до начала измерений. Если об измеряемом параметре ничего неизвестно, то измерение невозможно, а если известно, то измерение не нужно. Измерение вызвано дефицитом количественной информации о свойстве объекта или явления и направлено на уменьшение этого дефицита.

До начала измерений нужно знать информацию по следующим направлениям:

а) хорошо представлять себе объект измерений, возможность осуществить измерение параметра, определить контролепригодность измеряемого параметра. Контролепригодность – удобство и возможность доступа к измеряемому параметру (напр., диаметр отверстия невозможно измерить микрометром, т.к. он предназначен для измерений наружных размеров);

б) необходимо знать размерность измеряемых величин, т.е. с чем её сравнивать;

в) нужно хотя бы ориентировочно иметь представление о возможном размере измеряемой величины;

г) при постановке измерительной задачи нужно выявить, а затем компенсировать, исключить или учесть факторы, влияющие на результат измерений.

До начала измерений предполагают, что Q лежит в пределах [Q₁;Q₂]. Если все значения в этих пределах имеют одинаковую вероятность, то математическая модель измеряемой Q описывается равномерным законом.

Рис. 4. Вероятность.

Дефицит информации о количестве значений измеряемых величин состоит в неопределенности значений на интервале [Q₁;Q₂].

Мера неопределенности – энтропия:

;

при интегрировании: .

2. Измерения – результат сравнения.

Любое измерение предполагает сравнение неизвестного размера с известным и определение насколько или во сколько раз неизвестный измеряемый размер отличается от размера, с которым производится сравнение:

, где

в качестве известного размера [Q] при измерении ФВ выступает соответствующая единица СИ;

x – результат отсчета по шкале отношений получается всегда разным.

Теоретическая модель, вытекающая из предыдущего уравнения, показывает:

, что x ¹ q.

Поэтому вторую аксиому можно назвать основным постулатом метрологии: отсчёт является случайным числом.

3. Результат измерения без округления является случайным.

Это на практике отражает тот факт, что на результат измерительной процедуры всегда оказывает влияние множество разнообразных случайных факторов, точный учёт которых невозможен, а окончательный итог непредсказуем. Вследствие этого при повторных замерах одного и того же размера разными лицами, разными методами и средствами получаются различные результаты. Например, если измеряется вес жидкого или сыпучего вещества, то они помещаются в тару, пусть её вес n. Если измеряются маленькие размеры, то обычно они увеличиваются микроскопом. Коэффициент увеличения N.

В первом случае измеряем , во втором .

Всегда сравнение производится под действием случайных и неслучайных аддитивных и мультипликативных факторов, точный учёт которых невозможен, а результат совместного действия их непредсказуем. Совместное проявление влияющих факторов выражается через h. Предположим, что они носят аддитивный характер. Тогда уравнение будет носить следующий вид:

Q = [Q] x – [Q]h – n,

в этом уравнении неизвестны Q и h.

При экспериментальном определении веса любое случайное изменение величин h, [Q] вызывает изменение измеряемой величины Q. О таких величинах говорят, что они взаимосвязаны (коррелированны). Разность между значениями двух коррелируемых случайных величин неслучайна, остаётся постоянной.

На практике ограничиваются приближёнными значениями в соответствии с методикой аттестации СИ и методикой выполнения измерений. В процессе измерений определяются неслучайные значения

N = h[Q] равно действию влияющих факторов Q = x [Q] – N – n

x [Q] = X произведения отсчёта на единицу измерения называются показанием СИ. Показание x подчиняется тому же закону распределения, что и отсчёт, но отличается тем, что выражается в единицах измеряемой величины dim X = dim Q.

N и n - поправка, вносимая в результат измерения Q = – N – n - эта поправка не является случайной.

Результаты измерения Q подчиняются тому закону распределения, что и показание X и отсчёт x, но этот закон будет иметь смещение относительно центра распределения показания X на величину поправки.