Определение понятия «эталон»
Одной из главных задач метрологии является обеспечение единства измерений. Решение этой задачи
невозможно без создания эталонной базы измерений. Попытки решения задачи обеспечения единства изме-
рений привели более двухсот лет назад во Франции к идее создания метрической системы, а затем – к под-
писанию рядом стран метрической конвенции в 1875 году. Именно с тех пор в метрологическую практику
вошло слово «эталон».
Слово "эталон" — французского происхождения (etalon); в буквальном смысле означает образец, ме-
рило, идеальный или узаконенный образец чего-либо. В словаре синонимов русского языка оно стоит в од-
ном ряду с такими словами, как образец, пример, образчик. В этом широком значении слово "эталон" и про-
изводные от него слова находят употребление в самых различных областях практической деятельности.
В Законе Российской федерации «Об обеспечении единства измерений» дано следующее определе-
ние эталона: «эталон единицы величины – средство измерений, предназначенное для воспроизведения и
хранения единицы величины (или кратных, либо дольных значений единицы величины». В этом определе-
нии не учитывается, что эталоны воспроизводят и хранят не только единицы, но и шкалы измерений. К тому
же немногие современные государственные эталоны воспроизводят номинальное, кратное или дольное зна-
чение единицы измеряемой величины. Так, например, государственный эталон единицы электрического со-
противления воспроизводит 12906,4035 Ом; 6453,20175 Ом и 1,0 Ом. Цезиевый репер частоты воспроизво-
дит интервал времени (период колебаний), равный 1/9122631770 части секунды. Для многих эталонов ука-
зывают не значения единиц, а диапазоны.
В реальности эталон может воспроизводить любое значение величины (любую точку или часть шка-
ла), лишь бы эти значения были известны с требуемой точностью и стабильно воспроизводились. В опреде-
лении эталона отсутствует также указание на то, что эталон должен воспроизводить единицу или шкалу с
наивысшей при данном уровне науки и техники точностью. Точность государственного эталона должна
быть достаточной для поверки (калибровки) основного парка эксплуатируемых в стране средств измерений.
Наряду с государственными эталонами существуют уникальные независимо аттестуемые средства измере-
ний, обеспечивающие проведение научных экспериментов, более точные, чем государственные эталоны
производных единиц.
Наиболее удачным определением эталона следует признать выдвинутое рядом метрологов следую-
щее понятие: «Эталон (шкалы или единицы измерений) – устройство, предназначенное и утвержденное для
воспроизведения и (или) хранения и передачи шкалы или размера единицы измерений средствам измере-
ний».
В этом определении подчеркивается, что эталон обязан передавать размер единицы или шкалу, а не
значение величины, равное принятой единице.
Классификация эталонов
В приведенном выше определении понятие "эталон единицы" является собирательным, так как на его
основе образован целый ряд укоренившихся в отечественной литературе производных понятий-терминов,
таких как "государственный эталон единицы", "первичный эталон", "специальный эталон", "вторичный эта-
лон", "эталон-копия", "эталон сравнения", "эталон-свидетель" и "рабочий эталон".
Чтобы разобраться в этом многообразии эталонов, следует рассмотреть как практически строятся и
реализуются системы обеспечения единства измерений отдельных физических величин. Очевидно, что дос-
тижению этой цели, прежде всего, будет способствовать применение одинаковых с точки зрения их опреде-
ления единиц. В этом отношении очень важным этапом в решении обеспечения единства измерений явилась
разработка международной системы единиц физических величин— СИ.
Однако "словесной" одинаковости единиц какой-либо физической величины (одинаковости их опре-
деления и наименования) еще недостаточно. Для обеспечения единства измерений этой физической величи-
ны важно, чтобы единицы были одинаковы в их вещественном выражении в тех образцах (эталонах), с кото-
рыми сравнивается измеряемая физическая величина. В то же время, очевидно, что любой такой образец
создается специально, и никакие два подобных образца не могут быть сделаны абсолютно одинаковыми:
реальные размеры единицы в образцах обязательно будут в той или иной мере отличаться друг от друга. От-
сюда следует, что среди таких образцов следует выбрать и узаконить какой-либо один, наилучшим образом
соответствующий определению единицы, в качестве самого "образцового образца" (исходного эталона еди-
ницы), относительно которого затем определять и контролировать размер единицы для всех остальных об-
разцов.
При наличии большого парка рабочих средств измерений различной точности возникает необходи-
мость в создании системы образцов разной степени точности для данной измеряемой физической величины,
и тем самым — к иерархической соподчиненности образцов единицы в такой системе. Именно по такому
иерархическому принципу разрабатываются в нашей стране так называемые общероссийские поверочные
схемы для средств измерений отдельных физических величин. Эти поверочные схемы являются норматив-
ными документами (как правило, в виде ГОСТ), устанавливающими номенклатуру и соподчиненность
средств измерений данной физической величины, обеспечивающих рациональную систему передачи разме-
ра единицы от единого исходного образца всем имеющимся в стране средствам измерений данной физиче-
ской величины.
Непременным элементом любой из действующих сейчас общероссийских поверочных схем является
государственный эталон России единицы данной физической величины, обеспечивающий централизованное
воспроизведение и хранение единицы для передачи ее размера всем остальным средствам измерений в соот-
ветствии с утвержденной поверочной схемой. Все остальные разновидности эталонов называют вторичны-
ми.
К ним относятся:
− эталоны-копии;
− эталоны-свидетели;
− эталоны сравнения;
− рабочие эталоны.
В настоящее время различают следующие виды эталонов:
Первичный эталон — эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране (по
сравнению с другими эталонами той же единицы) точностью. Первичные эталоны подразделяются на на-
циональные (государственные), международные и специальные.
Вторичный эталон — эталон, получающий размер единицы непосредственно от первичного эталона
данной единицы. Вторичные эталоны подразделяются на эталоны-копии и эталоны сравнения.
Термин "рабочий эталон" заменил используемый ранее термин "образцовое средство измерений".
Национальный эталон — эталон, признанный официальным решением служить в качестве исходного для
страны. Первичный эталон, признанный решением уполномоченного на то государственного органа в каче-
стве исходного на территории Российской Федерации, называется государственным первичным эталоном.
Оба термина имеют адекватное значение. Термин "национальный эталон" применяется тогда, когда хотят
подчеркнуть соподчиненность государственного эталона международному.
Международный эталон — эталон, принятый по международному соглашению в качестве международ-
ной основы для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными этало-
нами.
Специальный эталон — эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы в особых условиях и заме-
няющий для этих условий первичный эталон. Единица, воспроизводимая с помощью специального эталона,
по размеру должна быть согласована с единицей, воспроизводимой с помощью соответствующего первич-
ного эталона.
Эталон-копия — вторичный эталон, предназначенный для передачи размеров единиц рабочим эталонам.
Эталон-копия не всегда является физической копией государственного эталона, он копирует лишь метроло-
гические свойства государственного эталона.
Эталон сравнения — вторичный эталон, применяемый для сличения эталонов, которые по тем или иным
причинам не могут быть непосредственно сличены друг с другом.
Рабочий эталон воспринимает размер единицы от вторичных эталонов и, в свою очередь, служит для пе-
редачи размера менее точному рабочему эталону (низшего разряда) или рабочим средствам измерений.
Разрядный эталон — эталон, обеспечивающий передачу размера единицы физической величины через
цепочку соподчиненных по разрядам рабочих эталонов. При этом от последнего рабочего эталона в этой це-
почке размер единицы передается рабочему средству измерения. Принцип использования разрядов в метро-
логической цепочке передачи размера единицы показан на рисунке 1. Число разрядов для каждого вида
средств измерений устанавливается государственной поверочной схемой.
В зависимости от назначения и исполнения эталоны подразделяются следующим образом:
одиночный эталон, в составе которого имеется одно средство измерений (мера, измерительный при-
бор, эталонная установка) для воспроизведения и хранения единицы;
групповой эталон, в состав которого входит совокупность средств измерений одного типа, номиналь-
ного значения или диапазона измерений, применяемых совместно для повышения точности воспроизведе-
ния единицы или ее хранения; за результат измерений обычно принимается среднее арифметическое значе-
ние из результатов измерений однотипными средствами измерений или эталонными установками;
эталонный набор, состоящий из совокупности средств измерений, позволяющих воспроизводить и
хранить единицу в диапазоне, представляющем объединение диапазонов указанных средств; эталонные на-
боры создаются в тех случаях, когда необходимо охватить определенную область значений физической ве-
личины, например набор эталонных гирь;
транспортируемый эталон, иногда специальной конструкции, предназначенный для его транспорти-
ровки к местам поверки или калибровки средств измерений или сличений эталонов данной единицы.
Совокупность всех государственных и вторичных эталонов образует эталонную базу России — одно из
ценнейших национальных достояний страны.
Основные требования к государственным эталонам
Главная функция и одновременно главная отличительная особенность любого государственного эта-
лона состоит в том, что он (и только он!) воспроизводит единицу данной физической величины, ибо госу-
дарственный эталон является исходным, т. е. "самым образцовым" (в рамках государственной системы
обеспечения единства измерений) образцом единицы, а под воспроизведением единицы и понимается осу-
ществление материализации единицы, наилучшим образом соответствующей ее определению, т. е. ее ис-
ходная материализация. Все остальные средства измерений получают размер единицы от соответствующего
государственного эталона и, в лучшем случае, обеспечивают хранение этой единицы. Государственные эта-
лоны обеспечивают также хранение единицы, т. е. обеспечивают неизменность ее размера во времени, с тем,
чтобы в любой момент времени от государственного эталона можно было бы передавать по возможности
один и тот же размер единицы.
Основные функции государственного эталона (воспроизведение и хранение единицы), зафиксиро-
ванные в его определении по основополагающему стандарту (ГОСТ 8.057 - 80), определяют основные тре-
бования и к метрологическим параметрам, и к составу, и к условиям хранения и применения государствен-
ных эталонов.
Прежде всего, условие наилучшего соответствия овеществленной государственным эталоном едини-
цы ее определению и статус исходного средства измерений в стране неизбежно означает требование наи-
высшей точности государственного эталона среди всех средств измерений данной физической величины,
изготовляемых и используемых в стране. Отсюда следует требование предельно возможной тщательности
изготовления основных узлов и элементов государственных эталонов, а также жесткие требования к идеаль-
ности условий хранения государственных эталонов, максимально исключающие влияние внешних воздейст-
вий, так как только при этом можно достичь максимальной точности измерений (воспроизведения единицы).
В ряде случаев это приводит к необходимости создания специальных инженерно-технических сооружений.
Очевидным требованием к составу государственных эталонов, вытекающим из выполняемых ими функций,
является наличие средств, непосредственно воспроизводящих единицу физической величины (наличие ста-
бильного "генератора" физической величины), а также средств и методов, позволяющих поддерживать этот
размер максимально длительное время.
По номенклатуре метрологических параметров, фиксируемых для государственных эталонов при их
утверждении, для большинства эталонов указываются характеристики погрешности воспроизведения еди-
ницы в виде двух составляющих:
− оценки случайной погрешности воспроизведения единицы в виде среднего квадратического от-
клонения результата измерения (СКО);
− оценки неисключенной систематической погрешности воспроизведения единицы (НСП).
Способы выражения погрешностей устанавливает ГОСТ 8.881 - 80 «ГСИ. Эталоны. Способы
выражения погрешностей».
Немаловажное значение имеет также стабильность эталона во времени.
Все это неизбежно влечет за собой такое требование, как тщательное и достаточно длительное физи-
ко-метрологическое исследование как самого эталона, так и (что особенно важно в период, предшествую-
щий его созданию) тех физических эффектов и явлений, которые закладываются в основу эталона. Для пра-
вильного построения поверочных схем важно также знать параметры, характеризующие производитель-
ность государственного эталона, диапазон его измерений и некоторые другие технические параметры.
Уникальность и исключительная значимость государственных эталонов в общероссийском масштабе
предъявляют к ним ряд требований и правил организационного и юридического (правового) характера, та-
ких как:
− постоянство места хранения и применения государственных эталонов (в соответствующем метрологи-
ческом институте Госстандарта (Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии);
− официальное назначение постоянных ученых — хранителей эталонов и их помощников из числа наи-
более высококвалифицированных специалистов— метрологов в данной области измерений;
− создание ряда вторичных эталонов для случаев особо массовых и прецизионных видов измерений.
В ранге государственного каждый эталон утверждается по строго регламентированному порядку, преду-
сматривающему обязательный перечень представляемой документации на эталон. Эта документация пред-
варительно рассматривается на научно-техническом совете института, создавшего эталон, затем на специ-
ально назначаемой межведомственной комиссии из представителей соответствующих отраслей науки и
промышленности и окончательно на научно-техническом совете Госстандарта. Эталон утверждается в каче-
стве государственного специальным решением (постановлением) Госстандарта, которое оформляется актом
об утверждении. Основные сведения об эталоне заносятся в Государственный реестр эталонов России, хра-
нящийся во Всесоюзном научно-исследовательском институте метрологической службы (ВНИИМС), а так-
же в паспорт на эталон, который вместе с другой обязательной документацией хранится у ученого-
хранителя в институте, создавшем данный государственный эталон.
Важным моментом в деле совершенствования эталонной базы является выполнение исследований госу-
дарственных эталонов в процессе их эксплуатации и, в частности, проведение международных сличений.
Сличения (особенно так называемые "круговые сличения") помогают выявить «систематику» и оценить дей-
ствительный технический уровень национальных эталонов разных стран. В ходе сличения проводят до ты-
сячи отдельных наблюдений и измерений.