Структура и состав эталонной базы России

 

Центральным звеном эталонной базы является система государственных эталонов. Поэтому иногда

систему государственных эталонов для простоты называют эталонной базой. Так как государственные эта-

лоны служат для воспроизведения единиц физических величин, структура эталонной базы России прежде

всего отражает структуру системы единиц физических величин, узаконенных и применяемых в нашей стра-

не.

Как отмечалось выше, в России и в подавляющем большинстве стран мира применяют Международ-

ную систему единиц, сокращенно СИ (от начальных букв русской транскрипции французского наименова-

ния Sisteme Internationale). Эта система была разработана специальной международной комиссией и в пер-

воначальном варианте утверждена в I960 г. решением XI Генеральной конференции по мерам и весам

(ГКМВ) — высшего органа метрической конвенции.

В ее резолюциях были утверждены шесть упомянутых выше основных единиц, две дополнительные

(радиан и стерадиан), первый перечень производных единиц (27 единиц), а также 12 десятичных приставок

для образования наименований кратных и дольных единиц, В последующих решениях Генеральной конфе-

ренции по мерам и весам Международная система единиц получила дальнейшее развитие.

При построении любой системы единиц принципиально важными являются два момента: выбор ос-

новных единиц системы и выбор правил образования производных единиц. При построении СИ исходили из

следующих соображений:

− система должна охватывать все области науки и техники;

− необходимо обеспечить максимальную преемственность удобных для практики размеров единиц

(по крайней мере для основных);

− единицы основных величин должны быть воспроизведены с наибольшей точностью (при помощи

эталонов);

− максимальная простота и однозначность образования производных единиц системы.

Эти четыре принципа привели к созданию системы, в которой в качестве основных единиц были вы-

браны метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, кандела и моль, а все производные единицы являлись ко-

герентными. Когерентные единицы образуют из уравнений связи между величинами, в которых числовые

коэффициенты приняты равными 1 при подстановке единиц СИ.

В нашей стране внедрение СИ началось еще в 1961 г. Официально СИ действует с 1 января 1982 г. в

соответствии с ГОСТ 8.417 - 81 "ГСИ. Единицы физических величин".

Основу эталонной базы России составляют государственные эталоны основных и дополнительных

единиц СИ. Они обеспечивают возможность воспроизведения любых производных единиц СИ, а также не-

 

 

которых внесистемных единиц, допущенных к применению (как, например, единиц твердости по различным

шкалам). В настоящее время эталонная база России имеет в своем составе 118 первичных государственных

эталонов и более 300 вторичных эталонов физических величин. Из них 52 находятся во Всероссийском

научно-исследовательском институте метрологии им. Д.И. Менделеева (ВНИИМ, Санкт-Петербург), в том

числе эталоны метра, килограмма, ампера, кельвина и радиана; 25 – во Всероссийском научно-

исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ, Москва), в

том числе эталоны единиц времени и частоты; 13 – во Всероссийском научно-исследовательском институте

оптико-физических измерений, в том числе эталон канделы; 5 и 6 – соответственно в Уральском и Сибир-

ском научно-исследовательских институтах метрологии. Созданные государственные эталоны охватывают

такие важнейшие области науки и техники, как механика и акустика, термодинамика, электромагнетизм, ра-

диотехника и электротехника, оптика и светотехника, ионизирующие излучения и ядерная техника. Совре-

менная эталонная база России не только полностью заменила эталонную базу СССР, но во многих областях

измерений превзошла её по точностным параметрам. Многочисленные международные сличения подтвер-

дили высокий уровень российской эталонной базы. Международными экспертами подтверждено, что уро-

вень и состояние этой базы обеспечивает вступление России в Всемирно-торговую организацию в части

присоединения к соглашению по техническим барьерам в торговле.

Перечень эталонов не повторяет перечня физических величин. Для ряда единиц эталоны не создают-

ся из-за того, что нет возможности непосредственно сравнивать соответствующие физические величины,

например, нет эталона площади. Не создаются эталоны и в том случае, когда единица физической величины

воспроизводится с достаточной точностью на основе сравнительно простых средств измерений других фи-

зических величин.

Конструкция эталона, его физические свойства и способ воспроизведения единицы определяются

физической величиной, единица которой воспроизводится, и уровнем развития измерительной техники в

данной области измерений. 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. При этом все изменения, зависящие от внешних условий, должны

быть строго определенными функциями величин, доступных точному измерению. Реализация этих требова-

ний привела к идее создания «естественных» эталонов различных физических величин, основанных на фи-

зических постоянных.

Воспроизводимость – возможность воспроизведения единицы физической величины на основе ее

теоретического определения с наименьшей погрешностью для существующего уровня развития измеритель-

ной техники. Это достигается путем постоянного исследования эталона в целях определения систематиче-

ских погрешностей и их исключения путем введения соответствующих поправок.

Сличаемость – возможность обеспечения сличения с эталоном других средств измерений, нижестоя-

щих по поверочной схеме, в первую очередь вторичных эталонов, с наивысшей точностью для существую-

щего уровня развития техники измерения. Это свойство предполагает, что эталоны по своему устройству и

действию не вносят каких-либо искажений в результаты сличений и сами не претерпевают изменений при

проведении сличений.

Государственные эталоны России по своим метрологическим параметрам соответствуют междуна-

родному уровню, а в отдельных случаях превосходят национальные эталоны некоторых высокоразвитых

стран (Таблица 1).

 

Таблица 1

Неисключенная

Величина, значение СКО случайной

систематическая погреш-

или диапазон погрешности

ность

Длина, 0-1 м 210-11 10-9

Масса, 1 кг 810-9

Время, с 110-14 510-14

Температура, K

0,8 – 273,16 0,001 К 0,003 К

Температура, оС

0– 2500 0,00005-1,4оС 0,00005-0,3оС

Сила постоянного электрического тока, А

 

 

 

Неисключенная

Величина, значение СКО случайной

систематическая погреш-

или диапазон погрешности

ность

110-3 510-8 210-7

110-9 - 110-16 510-8 210-7

310-5…110-2 510-4… 2,510-2

Сила переменного (20 – 106 Гц) электриче-

ского тока в диапазоне

1 мА – 20 А  510-6 - 110-4  10-5 - 310-4

 

Сила переменного (0,1 – 300 МГц) электриче-

ского тока в диапазоне

0,04 – 300 А 110-3 8,510-3

Электродвижущая сила и электрическое на-

пряжение, 1 В и 10 В 110-9 110-9

Индуктивность

0,01 Гн 110-6 510-6

1103 Гн

Активное электрическое сопротивление, Ом

12906,4035 2,510-8 1010-8

6453,20175

Электрическая емкость, пФ

0,2 210-7 510-7

 

 

Если расположить эталоны в порядке уменьшения точности, то получится следующий перечень:

1 Эталон единиц времени и частоты

2 Эталон единицы длины

3 Эталон единицы массы

4 Эталон единицы ЭДС

5 Эталон единицы электрического сопротивления

6 Эталон единицы силы электрического тока

7 Эталон единицы плоского угла

8 Эталон единицы силы

9 Эталон единицы давления

10 Эталон единицы температуры в диапазоне

11 Эталон единицы силы света

12 Эталон единицы мощности СВЧ колебаний

13 Эталон единицы потока нейтронов

14 Эталон единицы объемной активности радиоактивных аэрозолей и т.д.

Точнее всего воспроизводятся единицы времени и частоты, относительная погрешность которых со-

ставляет 1• 10 -14. Высокая точность характерна для воспроизведения метра и килограмма (несколько единиц

на 10 -9), затем следуют эталоны единиц плоского угла, температуры и электрических величин (10 -7...10 -6).

Эталоны для измерений некоторых механических величин (сила, давление), имеют погрешность порядка 10

-6. Прочие эталоны характеризуются погрешностями от ~ 10 -4 до ~ 10 -2 (т. е. до нескольких процентов),

что относится в частности к большинству величин в области оптики, радиотехники и ионизирующих излу-

чений.

По количественному составу эталонная база России является самой представительной: ряд государ-

ственных эталонов не имеет соответствующих аналогов за рубежом. Может, однако, возникнуть вопрос: по-

чему число государственных эталонов существенно превышает число воспроизводимых ими единиц? Ведь

это означает, что некоторые единицы воспроизводятся несколькими государственными эталонами, а ранее

говорилось о государственном эталоне как о едином (исходном) образце единицы физической величины.

Формально объяснение заключается в наличии так называемых "специальных" государственных эта-

лонов, точнее — в наличии двух разновидностей государственных эталонов: первичных и специальных. Их

введение потребовалось в силу нижеследующих причин.

 

 

 

Любой эталон (и государственный тоже) овеществляет не строго единицу, а некий размер физиче-

ской величины, в лучшем случае максимально близкий к единице по ее определению, а чаще всего некий

ограниченный диапазон (дискретный или непрерывный) значений физической величины. В то же время

практика требует выполнения достоверных измерений физических величин в широком диапазоне их значе-

ний, иногда перекрывающих 10...20 и более порядков. Например, сила электрического тока измеряется в

диапазоне от 10-16 до 106 А, электрическое сопротивление – от 10-6 до 1017 Ом. Неслучайно предусмот-

рено применение десятичных приставок к единицам для образования кратных и дольных единиц в диапазо-

не от 10-18 (атто-) до 1018 (экса-). Разумеется, требования и возможности по точности измерений в различ-

ных участках диапазона значений физической величины различны, но не всегда возможно от одного госу-

дарственного эталона обеспечить передачу размера единицы на все участки диапазонов измерений с необ-

ходимой точностью. В этом заключается одна из причин создания специальных эталонов.

В качестве другой причины обычно называют особые условия измерений. Это прежде всего измере-

ния величин, изменяющихся во времени (динамические измерения): пульсирующих температур, периодиче-

ских и импульсных давлений, силы и напряжения на переменном токе, параметров переменных электриче-

ских и магнитных полей и т. д. Природа физической величины и ее единица при переходе от постоянных

величин к переменным, естественно, не меняется. Однако измеряются в этом случае специфические пара-

метры физической величины, характеризующие ее поведение во времени (амплитуда, среднее значение,

мгновенное значение, среднеквадратическое значение и т. п.). Строго говоря, в этом случае изменяется само

определение измеряемой физической величины и, как правило, метод измерения. Возникает необходимость

воспроизведения единицы в этих особых условиях, т. е. требуется создать особый (специальный) эталон

единицы.

Третья причина создания специальных государственных эталонов — существенная смена характера

объекта измерений. Например, смена агрегатного состояния вещества при переходе от измерения объемного

расхода жидкости к измерению объемного расхода газа, от плотности жидкости к плотности твердых ве-

ществ, от скорости твердого тела к скорости жидкости или газового потока и т. д. Или — смена вида эле-

ментарных частиц, например, при измерении параметров нейтронного и электронного полей. В этих случаях

не меняются не только природа и единица физической величины, но и ее определение, однако может резко

измениться способ (метод) измерения из-за резкого различия свойств объектов измерения при смене приро-

ды этого объекта.

Наконец, еще одну обширную группу особых условий составляют измерения физических величин,

сильно зависящих от какой-либо другой величины, при изменении влияющей величины. Примером являют-

ся измерения теплоемкости или теплопроводности при разных значениях температуры излучаемого образца,

измерения поглощенной дозы гамма-излучения (или другого вида излучения) при различных значениях

энергии этого излучения, измерения различных параметров оптического излучения для разных длин волн и

т. п.

Возможны и более сложные случаи особых условий в виде комбинаций из перечисленных выше че-

тырех типов, например, в области акустических измерений, где измеряются переменные звуковые давления

в различных средах (водной и воздушной). Во всех этих случаях могут создаваться специальные государст-

венные эталоны.

Необходимость обеспечения единства измерений в особых условиях является необходимым услови-

ем создания специальных эталонов, но недостаточным. Достаточным условием может служить невозмож-

ность передачи с требуемой точностью размера единицы от первичного эталона к средствам измерений дан-

ной величины в особых условиях. Таким образом, первичные государственные эталоны воспроизводят еди-

ницу данной физической величины и являются самыми высокоточными измерительными устройствами сре-

ди всех средств измерений этой величины; специальные государственные эталоны также воспроизводят эту

единицу, но в соответствующих особых условиях, и являются самыми высокоточными среди всех средств

измерений данной величины в этих особых условиях.

Таким образом, для каждой физической величины должен быть (если обоснована необходимость

централизации воспроизведения единицы) только один государственный первичный эталон. Специальных

же государственных эталонов для той же физической величины может быть несколько в зависимости от

числа представляющих практический интерес особых условий измерений и от возможностей первичной

системы воспроизведения и передачи размера единицы.

Система передачи единицы физической величины от эталона к рабочим средствам измерений назы-

вается поверочной схемой. Она имеет несколько ступеней и в общем виде может быть представлена струк-

турной схемой, показанной на рисунке 1.

 

 

Передача единицы величины от эталона ко всем рабочим средствам измерений осуществляется не

единожды, а периодически, ибо нельзя гарантировать, что хранение единицы в рабочем средстве измерений

не повлечет изменение размера этой единицы через некоторое время.

До 1994 года в нашей стране в течение более 200 лет применялся термин «образцовое средство изме-

рений», которое служило промежуточным метрологическим звеном, расположенным между эталоном и ра-

бочими средствами. С целью приближения терминологии, применяемой метрологами страны, к междуна-

родной, было принято решение именовать образцовые средства измерений рабочими эталонами. Поскольку

образцовые средства измерений в зависимости от точности подразделялись на разряды от 1-го (более высо-

кой точности) до 3-его, а иногда даже до 4-го разряда, то рабочие эталоны стали называться рабочими эта-

лонами 1-го разряда, 2-го разряда и т. д.

Рабочие средства измерений, или просто средства измерений, могут быть существенно разного клас-

са точности, поэтому сличение их с эталоном производится на соответствующей ступени поверочной схемы.

Схема состоит из некоторого числа ступеней передачи размера единицы физической величины. На

каждой ступени используется один из методов поверки. Каждая ступень характеризуется допускаемой по-

грешностью поверки.

 

Государственный

эталон

 

 

Метод передачи Метод передачи

 

 

Эталон-копия Эталон сравнения

 

Метод передачи

Метод передачи

 

 

Эталон 1-го разряда

Средства измерений

наивысшей точности

 

Метод передачи

Метод передачи

 

 

Эталон 2-го разряда

Средства измерений

высшей точности

 

Метод передачи

Метод передачи

 

Эталон 3-го разряда

Средства измерений

высокой точности

Метод передачи

Метод передачи

 

Эталон 4-го разряда

Средства измерений

средней точности

 

Метод передачи

 

Средства измерений

низшей точности

 

Рисунок 1. Структура передачи единицы физической величины рабочим средствам измерений различ-

ной точности

 

Стандартизованы следующие общие методы поверки:

 метод непосредственного сличения (т.е. без специальных средств сравнения);

 метод сличения при помощи компаратора;

 метод прямых измерений;

 

 

 метод косвенных измерений.

Государственная поверочная схема для каждой физической величины или даже для конкретных диа-

пазонов устанавливается стандартом (ГОСТ Р). Она представляется в документах чертежом (графически).

 

5 Государственные эталоны основных единиц СИ

 

В соответствии с современными положениями СИ в качестве основных единиц приняты:

 единица длины — метр (м);

 единица массы — килограмм (кг);

 единица времени — секунда (с);

 единица силы электрического тока — ампер (А);

 единица термодинамической температуры —кельвин (К):

 единица силы света — кандела (кд);

 единица количества вещества — моль (моль).

Каждая из основных единиц имеет строгое определение, выработанное в решениях Генеральной

конференции мер и весов.

Метр — длина пути, проходимого в вакууме светом за 1/299792458 доли секунды.

Килограмм — масса, равная массе международного прототипа килограмма, хранящегося в между-

народном бюро мер и весов.

Секунда — интервал времени, равный 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего перехо-

ду между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Ампер — сила неизменяющегося электрического тока, который при прохождении по двум парал-

лельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового попереч-

ного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы на каждом участке

проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 210-7 Н.

Кельвин — интервал температуры, равный 1/273,16 части термодинамической температуры тройной

точки воды.

Кандела — сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излу-

чение частотой 540 ·1012 Гц, энергетическая сила излучения которого в этом направлении составляет 1/683

Вт · ср-1.

Моль — количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько со-

держится атомов в образце из углерода - 12 массой 0,012 кг.

Выбор размеров основных единиц, как известно, произволен. В приведенных определениях отраже-

ны принципы преемственности размеров единиц и максимальной точности их воспроизведения. Номенкла-

тура основных единиц позволяет охватить все области науки и техники.

До недавнего времени единицы плоского угла (радиан, равный углу между двумя радиусами окруж-

ности, длина дуги между которыми равна радиусу) и телесного угла (стерадиан, равный телесному углу с

вершиной в центре сферы, вырезающему на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со сто-

роной размером с радиус этой сферы) были выделены в особую группу так называемых дополнительных

единиц. С 1995 года они переведены в разряд производных единиц.

В настоящее время созданы и действуют государственные эталоны для единиц длины, массы, време-

ни, температуры, силы света, силы электрического тока. Для единицы количества вещества (моля) эталоны

пока не созданы нигде в мире, по-видимому, прежде всего по той причине, что практическое использование

такого эталона не очень ясно.

Общее число государственных эталонов основных единиц (18) значительно (в 3 раза) превышает

число воспроизводимых ими основных единиц (6), так как и для основных единиц потребовалось создание

не только первичных, но и специальных эталонов. Так, для основной единицы длины (метра) функциониру-

ют 5 государственных эталонов: помимо первичного эталона метра, созданы специальные эталоны для таких

специфических областей линейных измерений, как измерения длин волн оптического излучения в спектро-

скопии, измерения параметров шероховатости, измерения параметров эвольвентных поверхностей для зуб-

чатых зацеплений, измерения амплитуды перемещений при колебательном движении твердых тел. Для ос-

новной единицы температуры — кельвина — функционируют 7 государственных эталонов; для единицы

силы тока — ампера — 3 государственных эталона; для остальных основных единиц (килограмма, секунды

и канделы) в настоящее время имеется только по одному (первичному) государственному эталону.