Воспроизведение единиц физических величин и передача их размеров

При проведении измерений необходимо обеспечить их единство. Под единством измерений понимается ФЗ №102 состояние измерений, при котором их результаты выражены в допущенных к применению в РФ единицах величин, а показатели точности измерений не выходят за установленные границы; ГОСТ Р 8000-2000: Состояние измерений, при котором их результаты выражены в узако-ненных единицах величин и погрешности измерений не выходят за установлен-ные границы с заданной вероятность; РМГ 29-99: Состояние измерений, характе-ризующееся тем, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам единиц, воспроизводимых первичными эталонами, а погрешности результатов измерений известны и с заданной вероятностью не выходят за установленные пределы.

ЕИ должно обеспечиваться при любой точности, необходимой науке и технике. На государственном уровне деятельность по обеспечению единства измерений регламентируется ФЗ №102 «Об обеспечении единства измерений», НД Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ).

Обеспечение единства измерений: Деятельность, направленная на установ-ление и применение научных, правовых, организационных и технических основ, правил, норм и средств, необходимых для достижения заданного уровня ЕИ.

Система обеспечения единства измерений: Совокупность субъектов, норм, средств и видов деятельности, достаточная для обеспечения заданного уровня единства измерений.

Государственная система обеспечения единства измерений: Государственная система управления субъектами, нормами, средствами и видами деятельности по обеспечению заданного уровня единства измерений в РФ.

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 установленных единиц ФВ и передачи их размеров применяемым СИ.

Воспроизведение единицы физической величины — Совокупность операций по материализации единицы ФВ с помощью государственного первичного эталона. Различают воспроизведение основных и производных единиц.

Передача размера единицы — это приведение размера единицы, хранимой поверяемым СИ, к размеру единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном, осуществляемое при поверке или калибровке. Размер единицы передается "сверху вниз" — от более точных СИ к менее точным.

Хранение единицы — совокупность операций, обеспечивающих неизменность во времени размера единицы, присущего данному СИ.

Эталон РМГ 29-99 — СИ (или комплекс СИ), предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы ФВ и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме СИ и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке.

Эталон ФЗ №102 - техническое средство, предназначенное для воспроизведения, хранения и передачи единицы величины.

Перечень эталонов не повторяет перечня ФВ. Для ряда единиц эталоны не создаются из-за того, что нет возможности непосредственно сравнивать соответствующие ФВ, например, нет эталона площади. Не создаются эталоны и в том случае, когда единица ФВ воспроизводится с достаточной точностью на основе сравнительно простых средств измерений других ФВ.

Эталон должен обладать, по крайней мере, тремя взаимосвязанными свойствами: неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью.

Неизменность — свойство эталона удерживать неизменным размер, воспроизводимой им единицы, в течение длительного интервала времени.

Воспроизводимость — возможность воспроизведения единицы ФВ (на основе ее теоретического определения) с наименьшей погрешностью для существующего уровня развития измерительной техники.

Сличаемостъ — возможность сличения с эталоном других СИ, нижестоящих по поверочной схеме. Это свойство предполагает, что эталоны по своему устройству и действию не вносят каких-либо искажений в результаты сличений и сами не претерпевают изменений в результате сличений.

Различают следующие виды эталонов (РМГ 29-99):

• первичный эталон — обеспечивает хранение и воспроизведение ФВ с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же единицы) точностью. Они составляют техническую основу ГСИ;

• государственный или национальный — это первичный или специальный эталон, признанный решением уполномоченного на то государственного органа в качестве исходного на территории государства. ГЭ подлежат периодическим сличениям с ГЭ-ми других стран. Термин "национальный эталон" применяется в случаях проведения сличения эталонов, принадлежащих отдельным государствам, с международным эталоном или при проведении так называемых круговых сличений эталонов ряда стран;

• международный — эталон, принятый по международному соглашению в качестве международной основы для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами;

• вторичный — эталон, получающий размер единицы непосредственно от первичного эталона данной единицы. Вторичные эталоны создаются и утверждаются в тех случаях, когда это необходимо для организации поверочных работ, а также для обеспечения сохранности и наименьшего износа государственного эталона. Вторичные эталоны по назначению делят на эталоны сравнения, рабочие эталоны, эталоны-свидетели и эталоны-копии;

• эталон сравнения — применяется для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличены друг с другом;

• эталон-свидетель служит для проверки сохранности и неизменности государственного эталона и замены его в случае порчи или утраты. Известно, что в настоящее время только эталон килограмма имеет эталон-свидетель;

• эталон-копия предназначен для передачи размера единицы рабочим эталонам. Его создают в случае необходимости проведения большого числа поверочных работ с целью предохранения первичного или специального эталона от преждевременного износа. Эталон-копия представляет собой копию государственного эталона только по метрологическому назначению.

• рабочий эталон — применяется для передачи размера единицы ФВ рабочим средствам измерений. Это самые распространенные эталоны.

Термин рабочий эталон заменил собой термин образцовое средство измерений (ОСИ), что сделано в целях упорядочения терминологии и приближения ее к международной.

При необходимости рабочие эталоны подразделяют на разряды (1-й, 2-й,..., n-й), как это было принято для ОСИ. В этом случае передачу размера единицы осуществляют через цепочку соподчиненных по разрядам рабочих эталонов. При этом от последнего рабочего эталона в этой цепочке размер единицы передают рабочему средству измерений

В зависимости от количества СИ, входящих в эталон, различают:

• одиночный эталон, в составе которого имеется одно СИ (мера, измерительный прибор, эталонная установка) для воспроизведения и (или) хранения единицы;

• групповой эталон, в состав которого входит совокупность СИ одного типа, номинального значения или диапазона измерений, применяемых совместно для повышения точности воспроизведения единицы или ее хранения;

• эталонный набор, состоящий из совокупности СИ, позволяющий воспроизводить и (или) хранить единицу в диапазоне, представляющем объединение диапазонов указанных средств. Например, эталонные разновесы (набор эталонных гирь), эталонные наборы ареометров.

Способы выражения погрешности эталонов устанавливает ГОСТ 8.381-80. Погрешности государственных первичных и специальных эталонов характеризуются неисключенной систематической погрешностью (НСП) и нестабильностью. НСП описывается границами, в которых она находится. Случайная погрешность определяется средним квадратическим отклонением (СКО) результата измерений при воспроизведении единицы с указанием числа независимых измерений. Нестабильность эталона задается изменением размера единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном, за определенный промежуток времени.

Обеспечение правильной передачи размера единиц ФВ осуществляется посредством поверочных схем. Поверочная схема — это нормативный документ, который устанавливает соподчинение средств измерений, участвующих в передаче размера единицы от эталона к рабочим СИ с указанием методов и погрешности при передаче (и утвержденный в установленном порядке).

Государственная поверочная схема - поверочная схема, распространяющаяся на все СИ данной ФВ, имеющиеся в стране. Она разрабатывается в виде государственного стандарта, состоящего из чертежа поверочной схемы и текстовой части, содержащей пояснения к чертежу.

Локальная поверочная схема распространяется на СИ данной ФВ, применяемые в данном регионе, отрасли или на отдельном предприятии (организации). Локальные поверочные схемы не должны противоречить государственным поверочным схемам для СИ одних и тех же ФВ.

Поверка — это операция, проводимая официально уполномоченным органом и заключающаяся в установлении пригодности СИ к применению на основании экспериментально определенных МХ и подтверждения их соответствия установленным обязательным требованиям. Основной МХ, определяемой при поверке СИ, является его погрешность. Она находится на основании сравнения поверяемого СИ с более точным СИ - рабочим эталоном. Различают поверки: первичную, периодическую, внеочередную, инспекционную, комплексную, поэлементную и выборочную.

СИ, признанное годным к применению, оформляется выдачей свидетельства о поверке, нанесением поверительного клейма или иными способами, устанавливаемыми нормативно-техническими документами.

В ряде случаев поверку называют градуировкой. Градуировка СИ — определение градуировочной характеристики СИ. Градуировочная характеристика СИ зави-симость между значениями величин на входе и выходе СИ, - полученная экспери-ментально (нанесение отметок на шкалу, соответствующих показаниям рабочего эталона или определение по его показаниям уточненных значений величины).

Если СИ не подлежит обязательному метрологическому контролю и надзору, то оно подвергаются калибровке.

Калибровка — это совокупность операций, устанавливающих соотношение между значением величины, полученной с помощью данного СИ, и соответствующим значением величины, определенной с помощью эталона с целью определения действительных МХ этого средства измерений.

По результатам калибровки определяют действительное значение измеряемой величины, показываемое данными СИ, или определяют поправки к его показаниям, или оценивают погрешность этих средств.

Поверка измерительных приборов проводится методом:

• непосредственного сравнения измеряемых величин и величин, воспроизводимых рабочими эталонами соответствующего класса точности;

• непосредственного сличения показаний поверяемого и образцового прибора при измерении одной и той же величины. Основой данного метода служит одновременное измерение одного и того же значения ФВ поверяемым и образцовым СИ. Разность показаний этих приборов равна абсолютной погрешности поверяемого СИ.

Существуют и другие методы поверки, которые, используются реже.

Для ряда областей измерений, и в первую очередь для физико-химических измерений, перспективным средством повышения эффективности поверочных работ является применение стандартных образцов (СО). Согласно ГОСТ 8.315-97, стандартный образец состава и свойств веществ и материалов — это средство измерений в виде вещества (материала), состав или свойства которого установлены аттестацией. Можно дать и другое определение: стандартный образец — образец вещества (материала) с установленными в результате метрологической аттестации значениями одной или более величин, характеризующими свойство или состав этого вещества (материала).