Государственные эталоны основных единиц СИ

Прежде всего, условие наилучшего соответствия овеществленной государственным эталоном единицы ее определению и статус исходного средства измерений в стране неизбежно означает требование наивысшей 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 идеальности условий хранения государственных эталонов, максимально исключающие влияние внешних воздействий, 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 единицы в виде двух составляющих:

• оценки случайной погрешности воспроизведения единицы в виде среднего квадратического отклонения 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 физико-метрологическое исследование как самого эталона, так и (что особенно важно в период, предшествующий его созданию) тех физических эффектов и явлений, которые закладываются в основу эталона. Для правильного построения поверочных схем важно также знать параметры, характеризующие производительность 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, таких как:

• постоянство места хранения и применения государственных эталонов (в соответствующем метрологическом институте Госстандарта (Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии);
• официальное назначение постоянных ученых — хранителей эталонов и их помощников из числа наиболее 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, предусматривающему обязательный перечень представляемой документации на эталон. Эта документация предварительно рассматривается на научно-техническом совете института, создавшего эталон, затем на специально назначаемой межведомственной комиссии из представителей соответствующих отраслей науки и промышленности и окончательно на научно-техническом совете Госстандарта. Эталон утверждается в качестве государственного специальным решением (постановлением) Госстандарта, которое оформляется актом об утверждении. Основные сведения об эталоне заносятся в Государственный реестр эталонов России, хранящийся во Всесоюзном научно-исследовательском институте метрологической службы (ВНИИМС), а также 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 государственных эталонов в процессе их эксплуатации и, в частности, проведение международных сличений. Сличения (особенно так называемые "круговые сличения") помогают выявить «систематику» и оценить действительный технический уровень национальных эталонов разных стран. В ходе сличения проводят до тысячи отдельных наблюдений и измерений. [3]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 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 эталоны служат для воспроизведения единиц физических величин, структура эталонной базы России, прежде всего, отражает структуру системы единиц физических величин, узаконенных и применяемых в нашей стране.

Как отмечалось выше, в России и в подавляющем большинстве стран мира применяют Международную систему единиц, сокращенно СИ (от начальных букв русской транскрипции французского наименования Sisteme Internationale). Эта система была разработана специальной международной комиссией и в первоначальном 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 конференции по мерам и весам Международная система единиц получила дальнейшее развитие.

При построении любой системы единиц принципиально  важными являются два момента: выбор основных 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 выбраны метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, кандела и моль, а все производные единицы являлись когерентными. Когерентные единицы образуют из уравнений связи между величинами, в которых числовые коэффициенты приняты равными 1 при подстановке единиц СИ. [3]

        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 некоторых 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 Сибирском научно-исследовательских институтах метрологии. Созданные государственные эталоны охватывают такие важнейшие области науки и техники, как механика и акустика, термодинамика, электромагнетизм, радиотехника и электротехника, оптика и светотехника, ионизирующие излучения и ядерная техника. Современная эталонная база России не только полностью заменила эталонную базу СССР, но во многих областях измерений превзошла её по точностным параметрам. Многочисленные международные сличения подтвердили высокий уровень российской эталонной базы. Международными экспертами подтверждено, что уровень 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 создаются 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 физических 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 требований привела к идее создания «естественных» эталонов различных физических величин, основанных на физических постоянных.

Воспроизводимость – возможность воспроизведения  единицы физической величины на основе ее теоретического определения с наименьшей погрешностью для существующего уровня развития измерительной техники. Это достигается путем постоянного исследования эталона в целях определения систематических погрешностей и их исключения путем введения соответствующих поправок.

Сличаемость –  возможность обеспечения сличения с эталоном других средств измерений, нижестоящих по поверочной схеме, в первую очередь вторичных эталонов, с наивысшей точностью для существующего 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 международному уровню, а в отдельных случаях превосходят национальные эталоны некоторых высокоразвитых стран (Таблица 1, см. Приложение 2).

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 составляет 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 излучений.

По количественному  составу эталонная база России является самой представительной: ряд государственных эталонов не имеет соответствующих аналогов за рубежом. Может, однако, возникнуть вопрос: почему 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 эталонов, 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 физической 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 значений, 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 предусмотрено применение десятичных приставок к единицам для образования кратных и дольных единиц в диапазоне от 10-18 (атто-) до 1018 (экса-). Разумеется, требования и возможности по точности измерений в различных участках диапазона значений физической величины различны, но не всегда возможно от одного государственного эталона обеспечить передачу размера единицы на все участки диапазонов измерений с необходимой точностью. В этом заключается одна из причин создания специальных эталонов.

В качестве другой причины обычно называют особые условия  измерений. Это, прежде всего, измерения величин, изменяющихся во времени (динамические измерения): пульсирующих температур, периодических и импульсных давлений, силы и напряжения на переменном токе, параметров переменных электрических 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 параметры 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.