Воспроизведение единиц физических величин и передача их размеров

Специализация и кооперирование производства в масштабе страны, основанные на принципах взаимозаменяемости, требуют обеспечения и сохранения единства измерений.

В 2008 г. была принята новая редакция Федерального закона №102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений», который регулирует отношения, возникающие при выполнении измерений, установлении и соблюдении требований к измерениям, единицам величин, стандартным образцам, средствам измерений, при выполнении методик измерений.

Федеральный закон регулирует отношения государственных органов управления РФ с юридическими и физическими лицами по вопросам изготовления, выпуска, эксплуатации, ремонта, продажи и импорта средств измерений.

Под единством измерения понимается характеристика каче­ства измерений, заключающаяся в том, что их результаты выра­жаются в узаконенных единицах, размеры которых в установлен­ных пределах равны размерам воспроизведенных величин, а погрешности результатов измерений известны с заданной вероят­ностью и не выходят за установленные пределы. Понятие «един­ство измерений» довольно емкое. Оно охватывает важнейшие за­дачи метрологии: унификацию единиц ФВ, разработку систем вос­произведения величин и передачи их размеров рабочим средствам измерений с установленной точностью и ряд других вопросов. Единство измерений должно обеспечиваться при любой точнос­ти, необходимой науке и технике. На достижение и поддержание на должном уровне единства измерений направлена деятельность государственных и ведомственных метрологических служб, прово­димая в соответствии с установленными правилами, требования­ми и нормами. На государственном уровне деятельность по обеспе­чению единства измерений регламентируется стандартами Госу­дарственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ) или нормативными документами органов метрологической службы.

Для обеспечения единства измерений необходима тождествен­ность единиц, в которых проградуированы все существующие системы измерений одной и той же величины. Это достигается путем точного воспро­изведения
и хранения в специализированных учреждениях уста­нов­ленных единиц ФВ и передачи их размеров применяемым системам измерений.

Воспроизведение единицы физической величины – это совокуп­ность операций по материализации единицы ФВ с наивысшей точностью посредством государственного эталона или исходного образцового средства измерения. Различают воспроизведение основной и произ­водной единиц.

Воспроизведение основной единицы – это воспроизведение еди­ницы путем создания фиксированной по размеру ФВ в соответ­ствии с определением единицы. Оно осуществляется с помощью государственных первичных эталонов. Например, единица массы – 1 килограмм (точно) воспроизведена в виде платиноиридиевой гири, хранимой в Международном бюро мер и весов в качестве международного эталона килограмма. Розданные другим странам эталоны имеют номинальное значение 1 кг. На основании после­дних международных сличений (1979) платиноиридиевая гиря, входящая в состав государственного эталонаРФ, имеет массу 1,000 000 087 кг.

Воспроизведение производной единицы – это определение значения ФВ в указанных единицах на основании косвенных измере­ний других величин, функционально связанных с измеряемой. Так, воспроизведение единицы силы (ньютона) осуществляется на основании известного уравнения механики

F = mg,

где т – масса; g – ускорение свободного падения.

Передача размера единицы – это приведение размера едини­цы, хранимой поверяемым средством измерений, к размеру еди­ницы, воспроизводимой или хранимой эталоном, осуществляе­мое при поверке или калибровке. Размер единицы передается «сверху вниз» – от более точных систем измерений к менее точным.

Хранение единицы – совокупность операций, обеспечивающих неизменность во времени размера единицы, присущего данному средству измерения. Хранение эталона единицы ФВ предполагает проведение вза­имосвязанных операций, позволяющих поддерживать метрологи­ческие характеристики эталона в установленных пределах. При хранении первичного эталона выполняются регулярные его ис­следования, включая сличения с национальными эталонами дру­гих стран с целью повышения точности воспроизведения едини­цы и совершенствования методов передачи ее размера.

Эталон – средство измерений (или комплекс СИ), предназ­наченное для воспроизведения и (или) хранения единицы и пе­редачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме СИ и ут­вержденное в качестве эталона в установленном порядке. Класси­фикацию, назначение и общие требования к созданию, хранению и применению эталонов устанавливает ГОСТ 8.057–80.

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 простых средств измерения другихФВ.

Конструкция эталона, его физические свойства
и способ вос­произведения единицы определяются ФВ, 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 величин, основанных на физических постоянных.

Воспроизводимость – возможность воспроизведения единицы ФВ (на основе ее теоретического определения) с наименьшей погрешностью для существующего уровня развития измеритель­ной техники. Это достигается путем постоянного исследования эталона в целях определения систематических погрешностейи ихисключения путем введения соответствующих поправок.

Сличаемость – возможность сличения с эталоном других средств измерения, нижестоящих по поверочной схеме, в первую очередь вторичных эталонов, с наивысшей точностью для существующей 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 в результате сличений.

Различают следующие виды эталонов (РМГ 29–99):

– первичный – обеспечивает хранение и воспроизведение с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами) точно­стью. Первичные эталоны – это уникальные средства измерения, часто представ­ляющие собой сложнейшие измерительные комплексы, создан­ные с учетом новейших достижений науки и техники. Они состав­ляют основу государственной системы обеспечения единства измерений;

– международный – эталон, принятый по международному соглашению в качестве первичного международного эталона и служащий для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых нацио­нальными эталонами;

¨ государственный эталон единицы величины – эталон единицы величины, признанный решением уполномоченного на то государственного органа в качестве исходного на территории РФ.

Государственные эталоны создаются, хранятся и применяются центральными метрологическими научными инсти­тутами страны. Точность воспроизведения единицы должна соот­ветствовать уровню лучших мировых достижений и удовлетворять потребностям науки и техники. В состав государственных эталонов включаются средства измерения, с помощью которых воспроизводят и (или) хра­нят единицу ФВ, контролируют условия измерений и неизмен­ность воспроизводимого или хранимого размера единицы, осу­ществляют передачу размера единицы. Государственные эталоны под­лежат периодическим сличениям с государственными эталонами 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;

– вторичный – хранит размер единицы, полученной путем сличения с первичным эталоном соответствующей ФВ. Вторичные эталоны являются частью подчиненных средств хранения единиц и передачи их размеров, создаются и утверждаются в тех случаях, когда это необходимо для организации поверочных работ, а так­же для обеспечения сохранности и наименьшего износа государ­ственного эталона. В состав вторичных эталонов включаются средства измерения, с помощью которых хранят единицу ФВ, контролируют условия хранения и передают размер единицы. Вторичный или рабочий эталон, являющийся исходным для министерства (ведомства), иногда называют ведомственным эталоном. Совокупность государ­ственных первичных или вторичных эталонов, являющихся осно­вой обеспечения единства измерений в стране, составляет эта­лонную базу страны;

– эталон сравнения – это вторичный эталон, применяется для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличаемы друг с другом;

¨ рабочий эталон – это вторичный эталон, приме­няется для передачи размера единицы рабочим средствам измерений высшей точности, и в отдельных случаях – наиболее точным рабочим средством измерений.

Это самые распространенные эталоны. С целью повышения точности измерений ФВ рабочие эта­лоны применяются во многих территориальных метрологических органах и лабораториях министерств и ведомств.

В зависимости от количества средств измерения, входящих в эталон, различают:

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

¨ групповой эталон, в состав которого входит совокупность средств измерения одного типа, номинального значения или диапазона измерений;

¨ эталонный набор, состоящий из совокупности средств измерения, позволяющий воспроизводить и (или) хранить единицу в диапазоне, пред­ставляющем объединение диапазонов указанных средств. Например, эталонные разновесы (набор эталонных гирь), эталонные наборы ареометров. Если эталон (иногда специальной конструкции) предназна­чен для транспортирования к местам поверки (калибровки) средства измерения или сличений эталонов данной единицы,то он называется транс­портируемым.

Способы выражения погрешности эталонов устанавливает ГОСТ 8.381–2009. Погрешности государственных первичных и спе­циальных эталонов характеризуются неисключенной системати­ческой погрешностью и нестабильностью. Случайная погрешность определяется средним квадратическим отклонением (СКО) результата измерений при воспроизведении единиц с указанием числа независимых измерений. Нестабильность эталона задается изменением размера единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном, за определенный промежуток времени.

Оценки погрешностей вторичных эталонов характеризуются отклонением размеров хранимых ими единиц от размера едини­цы, воспроизводимой первичным эталоном. Для вторичного эта­лона указывается суммарная погрешность, включающая случай­ные погрешности сличаемых эталонов и погрешности передачи размеров единицы от первичного (или более точного) эталона, а также нестабильность самого вторичного эталона. Суммарная по­грешность вторичного эталона характеризуется либо СКО резуль­тата измерений при его сличении с первичным эталоном или вышестоящим по поверочной схеме вторичным эталоном, либо доверительной границей погрешности с доверительной вероят­ностью 0,99.

Передача размеров единиц ФВ от эталонов рабочим мерам и измерительным приборам осуществляется с помощью рабочих эта­лонов. До недавнего времени в нашей стране вместо термина «ра­бочие эталоны» использовался термин «образцовые средства изме­рений», который в большинстве других стран не применяется.

Рабочие эталоны при необходимости подразделяются на разря­ды 1, 2 и т.д., определяющие порядок их соподчинения в соответ­ствии с поверочной схемой. Для различных видов измерений уста­навливается, исходя из требований практики, различное число разрядов рабочих эталонов, определяемых стандартами на пове­рочные схемы для данного вида измерений.

Обеспечение правильной передачи размера единиц ФВ во всех звеньях метрологической цепи осуществляется посредством пове­рочных схем. Поверочная схема – это нормативный документ, ко­торый устанавливает соподчинение средств измерений, участву­ющих в передаче размера единицы от эталона к рабочим средствам измерений с указанием методов и погрешности, и утвержден в установленном порядке. Основные положения о поверочных схемах приведены в ГОСТ 8.061–80. Поверочные схемы делятся на государственные и локальные.

Государственная поверочная схема распространяется на всесредства измерения 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 средства измерения данной ФВ, применяемые в данном регионе, отрасли, ведомстве или на отдельном предприятии (в организации).

Локальные поверочные схемы не должны противоречить госу­дарственным поверочным схемам для средств измерения одних и тех же ФВ. Они могут быть составлены при отсутствии государственной повероч­ной схемы. В них допускается указывать конкретные типы (экзем­пляры) средств измерений. Локальные поверочные схемы оформляют в виде чер­тежа, элементы которого приведены на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Элементы графического изображения поверочных схем
при передаче размера: а – от эталона 1 к объекту 5 методом 3;
б – от эталона 1 к объектам поверки 5 и 6 методом 3; в – от эталона 1
к объекту поверки 5 методом 3 или 4; г – от эталона 1 к объекту
поверки 5 методом 3 и объекту поверки 6 методом 4

Поверочная схема устанавливает передачу размера единиц одной или нескольких взаимосвязанных величин. Она должна включать не менее двух ступеней передачи размера. Поверочную схему для средств измерения одной и той же величины, существенно отличающихся по диапазо­нам измерений, условиям применения и методам поверки, а также для средств измерения нескольких ФВ допускается подразделять на части. На черте­жах поверочной схемы должны быть указаны:

¨ наименования средств измерения и методов поверки;

¨ номинальные значения ФВ или их диапазоны;

¨ допускаемые значения погрешностей средств измерения;

¨ допускаемые значения погрешностей методов поверки. Правила расчета параметров поверочных схем и оформление чертежей поверочных схем приведены в ГОСТ 8.061–80 и в реко­мендациях МИ 2230–92 ГСИ.

Поверка – это операция, проводимая уполномоченным орга­ном и заключающаяся в установлении пригодности средств измерения к приме­нению на основании экспериментально определенных метроло­гических характеристик и контроля их соответствия предъявляе­мым требованиям. Основной метрологической характеристикой, определяемой при поверке средства измерения, является его погрешность. Она находится на основании сравнения поверяемого средства измерения с более точ­ным средством измерения – рабочим эталоном. Различают поверки: первичную, периодическую, внеочередную, инспекционную, комплексную, поэлементную и выборочную (РМГ 29–99).

Основные требования к организации и порядку проведения поверки средства измерения приведены в правилах по метрологии ПР 50.2.006–94, а также в рекомендациях МИ 187–86 и МИ 188–86.

Поверка выполняется метрологическими службами, которым дано на это право. Средство измерений, 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 – нанесение отметок на шкалу, соответствующих показаниям об­разцового средства измерения или определение по его показаниям уточненных значений величины, соответствующих нанесенным отметкам на шкале рабочего средства измерения.

Если средства измерения не подлежат обязательному метрологическому конт­ролю и надзору, то они подвергаются калибровке.

Калибровка – это совокупность операций, устанавливающих со­отношение между значением величины, полученным с помощью данного средства измерения, и соответствующим значением величины, определен­ным с помощью эталона.

По результатам калибровки определяют действительное зна­чение измеряемой величины, показываемое данными средствами измерения, или поправки к его показаниям. Можно оценить погрешность средства измерения и ряд других метрологических характеристик.

Поверка измерительных приборов проводится методом:

¨ непосредственного сравнения измеряемых величин и вели­чин, воспроизводимых образцовыми мерами соответствующего класса точности;

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

Существуют и другие методы поверки, которые, однако ис­пользуются гораздо реже. Они рассмотрены в [2; 43].

Важным при поверке является выбор оптимальногосоотно­шения между допускаемыми погрешностями образцового и пове­ряемого средства измерения. Обычно, когда при поверке вводят поправки на по­казания образцовых средств измерений, это соотношение прини­мается равным 1:3 (исходя из критерия ничтожно малой погрешности).
Если же поправки не вводят, то образцовые средства измерения выбираются из соотношения 1:5. Соотношение допускаемых погрешностей поверяе­мых и образцовых средств измерения устанавливается с учетом принятого метода поверки, характера погрешностей, допускаемых значений ошибок I и II рода и иногда может значительно отличаться от указанных ранее цифр.

Для ряда областей измерений, и в первую очередь для физи­ко-химических измерений, чрезвычайно перспективным средством повышения эффективности поверочных работ является примене­ние стандартных образцов (СО). Правила работы с СО устанавли­вает ГОСТ 8.315–97.
Согласно этому документу 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).

Стандартные образцы предназначены для обеспечения единства и требуемой точности измерений посредством:

¨ градуировки, метрологической аттестации и поверки средства измерения;

¨ метрологической аттестации методик выполнения измерений;

¨ контроля показателей точности измерений;

¨ измерения ФВ, характеризующих состав или свойства веществ материалов, методами сравнения.

По своему назначению СО исполняют роль мер, однако в от­личие от «классических» мер они имеют ряд особенностей. На­пример, образцы состава воспроизводят значения ФВ, характе­ризующих состав или свойства именно того материала (вещества), из которого они изготовлены. Стандартные образцы, как прави­ло, не являются изделиями, они реализованы обычно в виде части или порции однородного вещества (материала), причем эта часть является полноценным носителем воспроизводимой едини­цы ФВ, а не ее части. Эта особенность образцов отражена в требо­ваниях к их однородности по составу и свойствам. Однородность материала, из которого сделан образец, имеет принципиальное значение, в то время как для меры такая характеристика часто является второстепенной.

Стандартные образцы состава и свойств в отличие от мер ха­рактеризуются значительным влиянием неинформативных пара­метров (примесей, структуры материала и др.). При использова­нии СО очень часто необходимо учитывать функции влияния та­ких параметров.

В зависимости от сферы действия и области применения опре­деляется уровень утверждения стандартных образцов. По этому признаку они делятся на государственные, отраслевые и стандар­тные образцы предприятий. Тем СО, которые включены в пове­рочные схемы, присваивают разряды.

Стандартные образцы объединяются в типы. Тип – это класси­фикационная группировка образцов, определяющими признаками которых являются одно и то же вещество, из которого они изготов­лены, и единая документация, по которой они выполнены. Типы СО допускаются к применению при условии их утверждения и ре­гистрации в соответствующем реестре. Для каждого типа СО при их аттестации устанавливается срок действия (не более 10 лет) и оп­ределяются метрологические характеристики, которые нормиру­ются в документации на их разработку и выпуск. К ним относятся:

¨ аттестованное значение – значение аттестованной характе­ристики образца, им воспроизводимое, установленное приего аттестации и приводимое в свидетельстве с указанием погрешнос­ти;

¨ погрешность аттестованного значения – разность между ат­тестованным и истинным значениями величины, воспроизводи­мой той частью образца, которая используется при измерении;

¨ характеристика однородности – характеристика свойс­тва образца, выражающегося в постоянстве значения величины, вос­производимой его различными частями, используемыми при из­мерениях;

¨ характеристика стабильности – характеристика свойства об­разца сохранять значения метрологических характеристик в уста­новленных пределах в течение указанного в свидетельстве срока годности при соблюдении заданных условий хранения и применения, функции влияния – зависимо метрологических характеристик образца от изменения внешних влияющих величин в за­данных условиях применения.

Дата добавления: 2014-11-25