В науке, технике и повседневной жизни человек имеет дело с разнообразными свойствами окружающих нас физических объектов. Эти свойства отражают процессы взаимодействия объектов между собой. Их описание производится посредством физических величин. Для того чтобы можно было установить для каждого объекта различия в количественном содержании свойства, отображаемого физической величиной, в метрологии введены понятия ее размера и значения.

Размер физической величины -- это количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию "физическая величина". Например, каждое тело обладает определенной массой, вследствие чего тела можно различать по их массе, т.е. по размеру интересующей нас ФВ.

Значение физической величины -- это оценка ее размера в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Его получают в результате ее измерения или вычисления в соответствии с основным уравнением измерения Q = q[Q], связывающим между собой значение ФВ Q, числовое значение q и выбранную для измерения единицу [Q]. В зависимости от размера единицы будет меняться числовое значение ФВ, тогда как размер ее будет одним и тем же.

Единица физической величины -- это ФВ фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное единице, и которая применяется для количественного выражения однородных ФВ. Размер единиц ФВ устанавливается путем их законодательно закрепленного определения метрологическими органами государства.

C помощью уравнений связи между числовыми значениями ФВ формулируются определения одних величин на языке других и указываются способы их нахождения. Совокупность ФВ, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины принимаются за независимые, а другие являются их функциями, называется системой физических величин.

Обосновано, но в общем произвольным образом выбираются несколько ФВ, называемых основными. Остальные величины, называемые производными, выражаются через основные на основе известных уравнений связи между ними. Примерами производных величин могут служить: плотность вещества, определяемая как масса вещества, заключенного в единице объема; ускорение -- изменение скорости за единицу времени и др.[1]

Совокупность основных и производных единиц ФВ, образованная в соответствии с принятыми принципами, называется системой единиц физических величин. Единица основной ФВ является основной единицей данной системы. В Российской Федерации используется система единиц СИ, введенная ГОСТ 8.417-81 "ГСИ. Единицы физических величин". В качестве основных единиц приняты метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и канделла (табл. 1).

Таблица 1

Основные и дополнительные единицы физических величин системы СИ

Производная единица -- это единица производной ФВ системы единиц, образованная в соответствии с уравнениями, связывающими ее с основными единицами или же с основными и уже определенными производными. Производные единицы системы СИ, имеющие собственное название, приведены в табл. 2

Таблица 2.

Производные единицы системы СИ, имеющие специальное название

Единицы ФВ делятся на системные и внесистемные. Системная единица -- единица ФВ, входящая в одну из принятых систем. Все основные, производные, кратные и дольные единицы являются системными.

Внесистемная единица -- это единица ФВ, не входящая ни в одну из принятых систем единиц. Внесистемные единицы по отношению к единицам СИ разделяют на четыре вида:

* допускаемые наравне с единицами СИ, например: единицы массы -- тонна; плоского угла -- градус, минута, секунда; объема -- литр и др. Внесистемные единицы, допускаемые к применению наравне с единицами СИ, приведены в табл. 3.

Таблица 3

Внесистемные единицы, допускаемые к применению наравне

с единицами СИ

* допускаемые к применению в специальных областях, например: астрономическая единица, парсек, световой год -- единицы длины в астрономии; диоптрия -- единица оптической силы в оптике; электрон-вольт -- единица энергии в физике и т.д.;

* временно допускаемые к применению наравне с единицами СИ, например: морская миля -- в морской навигации; карат -- единица массы в ювелирном деле и др. Эти единицы должны изыматься из употребления в соответствии с международными соглашениями;

* изъятые из употребления, например: миллиметр ртутного столба -- единица давления; лошадиная сила -- единица мощности и некоторые другие.

Различают кратные и дольные единицы ФВ. Кратная единица -- это единица ФВ, в целое число раз превышающая системную или внесистемную единицу. Например, единица длины километр равна 10³ м, т.е. кратна метру. Дольная единица -- единица ФВ, значение которой в целое число раз меньше системной или внесистемной единицы. Например, единица длины миллиметр равна 10~³ м, т.е. является дольной. Приставки для образования кратных и дольных единиц СИ приведены в табл. 4.[1]

Таблица 4

Множители и приставки для образования десятичных кратных

и дольных единиц и их наименований

2. Понятие о единстве измерений

При проведении измерений необходимо обеспечить их единство. Под единством измерений 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 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 СИ одной и той же величины. Это достигается путем точного воспроизведения и хранения в специализированных учреждениях установленных единиц ФВ и передачи их размеров применяемым СИ.

Воспроизведение единицы физической величины -- это совокупность операций по материализации единицы ФВ с наивысшей в стране точностью посредством государственного эталона или исходного образцового СИ. 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 эталона РФ, имеет массу 1,000000087 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 m -- масса тела; g -- ускорение свободного падения.

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

Хранение единицы -- совокупность операций, обеспечивающая неизменность во времени размера единицы, присущего данному СИ. 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.[3]

3. Эталоны единиц физических величин

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. Классификация, назначение и общие требования к созданию, хранению и применению эталонов устанавливает ГОСТ 8.057-80 "ГСИ. Эталоны единиц физических величин. Основные положения".

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.

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 взамосвязанными 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 погрешностей и их исключения путем введения соответствующих поправок.

Сличаемостъ -- возможность обеспечения сличения с эталоном других СИ, 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.

Различают следующие виды эталонов:

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

* специальный -- обеспечивает воспроизведение единицы в особых условиях, в которых прямая передача размера единицы от первичного эталона с требуемой точностью не осуществима, и служит для этих условий первичным эталоном;

* государственный-- это первичный или специальный эталон, официально утвержденный в качестве исходного для страны. Утверждение проводит главный метрологический орган страны. 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 СИ, 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 сличениями с государственными эталонами других стран;

* вторичный -- хранит размер единицы, полученной путем сличения с первичным эталоном соответствующей ФВ. Вторичные эталоны являются частью подчиненных средств хранения единиц и передали 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 СИ, с помощью которых хранят единицу ФВ, контролируют условия хранения и передают размер единицы.

По своему метрологическому назначению вторичные эталоны делятся на следующие:

* эталон-копия -- предназначен для передачи размера единицы рабочим эталонам. Он создается в случае необходимости проведения большого числа поверочных работ с целью предохранения первичного или специального эталона от преждевременного износа. Эталон-копия представляют собой копию государственного эталона только по метрологическому назначению, поэтому он не всегда является его физической копией;

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

* эталон-свидетель -- предназначен для проверки сохранности и неизменности государственного эталона и замены его в случае порчи или утраты. В настоящее время только эталон килограмма имеет эталон-свидетель. Его основное назначение -- обеспечивать возможность контролироля постоянства основного эталона;

* рабочий эталон -- применяется для передачи размера единицы рабочим средствам измерений. Это самые распространенные эталоны. С целью повышения точности измерений ФВ рабочие эталоны применяются во многих территориальных метрологических органах и лабораториях министерств и ведомств.

Способы выражения погрешностей эталонов устанавливает ГОСТ 8.381-80 "ГСИ. Эталоны, Способы выражения погрешностей". Погрешности государственных первичных и специальных эталонов характеризуются неисключенной систематической погрешностью, случайной погрешностью и нестабильностью. Неисключенная систематическая погрешность описывается границами, в которых она находится. Случайная погрешность определяется средним квадратичес-ким 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.

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.[2]

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.

Пример эталона государственной поверочной схемы для средств измерения массы:

1. государственный первичный эталон одного кг массы. Погрешность 2 х 10³мг. Он представляет собой гири международного прототипа килограмма;

2. вторичный эталон одного кг представляет собой гири. Его погрешность 1х10^-2 мг;

3. рабочий эталон нулевого разряда. Масса от 1 до 500 гр, набор гирь. Их погрешность от 8 х 10^-4 до 2 х 10^-2;

4. рабочий эталон 1-го разряда - это набор гирь от 1 мг до 1 кг, точность 2х10^-3-0,5 мг;

5. рабочий эталон 2-го раз-го разряда. Набор гирь от 1 мгр до 20 кг. погрешность 6х10^-3-30 мгр.;

6. рабочий эталон 3-го разряда - набор гирь от 5 мгр до 2000 кг, погрешность 0,4 - 2000 мг;

7. рабочие средства измерений - набор гирь 1, 2 и 3 класса, а также рабочие гири 4, 5 и 6 класса, диапазон измерений от 1 мгр до 20 кг.б Погрешность 2 х 10^-3-75 мг.

4. Передача размеров единиц величин

4.1 Система передачи размеров единиц

Как уже отмечалось, любая измерительная процедура состоит в сравнении неизвестного размера измеряемой величины с известным размером, в качестве которого используется размер соответствующей единицы.

Хранителем размера единицы опосредовано является средство измерений, используемое при проведении конкретной измерительной процедуры. Информация о размерах единиц закладывается в средства измерений при их изготовлении и выпуске в обращение путем приписывания определенных (номинальных) значений мерам, отметкам шкал измерительных приборов, функциям преобразования измерительных преобразователей.

Подобная метрологическая процедура называется градуировкой средств измерений. В некоторых случаях составляются градировочные таблицы или графики. Для ряда средств измерений, как правило, высокой точности, бывает необходимо определить поправки, используемые для уточнения результатов измерений, получены с помощью этих средств. Для этого определяют действительные значения величин, воспроизводимых мерами, или величин, соответствующих отметкам шкал измерительных приборов или определенным выходным сигналам измерительных преобразователей.

Такая метрологическая процедура называется калибровкой средств измерений. Сохранность информации о размерах единиц, заложенной в средства измерений, в процессе их эксплуатации контролируется путем поверки средств измерений.[4]

Таким образом, путем градуировки, калибровки, поверки средств измерений осуществляется передача средствам измерений размеров единиц величин. Эти метрологические процедуры проводят путем сравнения значений величин, полученных с помощью данных средств измерений, с заведомо более точно известными значениями соответствующих величин.

Посредством этих процедур, осуществляемых путем сличений менее точных средств измерений с более точными средствами, размеры единиц, заложенные в средства измерений, последовательно приводят к размерам единиц, воспроизводимых и (или) хранимых соответствующими эталонами.

Использовать при градуировке, калибровке, поверке средств измерений (СИ) государственные эталоны нельзя. Эти уникальные средства являются национальным достоянием, основой технической независимости страны. Поэтому при централизованном воспроизведении единиц величин создают строгую, метрологически взаимоподчиненную, иерархическую систему передачи размеров единиц

В этой системе размеры единиц от эталонов ередают с помощью средств измерений специального назначения называемых образцовыми средствами измерений.

Специфичность образцовых средств измерений (ОСИ) заключается именно в их метрологическом назначении -- эти средства измерений используются только в процедурах передачи размеров единиц. С целью обеспечения долговременной стабильности метрологических свойств образцовых средств измерений, использовать их в других целях запрещается.

Средства измерений, используемые для измерений не связанных с передачей размеров единиц, называются рабочими средства измерения.

Разделение средств измерений на образцовые и рабочие является, в некоторой степени, условным и определяется только метрологическим назначением СИ и не связано, в большинстве случаев, с их конструктивными или иными особенностями. Только очень ограниченное число типов средств измерений специально проектируется и выпускается как образцовые СИ. Основная масса средств измерений выпускается без указания их метрологического назначения. Затем в процессе эксплуатации конкретные экземпляры средств измерений отбираются для использования в качестве образцовых средств измерений.

Утверждение средств измерений в качестве ОСИ осуществляется органами государственной метрологической службы на основании всестороннего исследования метрологических свойств этих средств измерений в процессе их метрологической аттестации. Определяющим критерием при утверждении средств измерений в качестве ОСИ является высокая временная стабильность метрологических характеристик этих средств и малая, по сравнению с другими экземплярами однотипных средств измерений, случайная составляющая погрешности.

Поскольку стабильность метрологических свойств СИ во многом определяется интенсивностью их эксплуатации, использование рабочих средств измерений, даже высокой точности, в процедурах передачи размеров единиц без предварительной метрологической аттестации запрещается.

По метрологическому взаимоподчинению и, следовательно, по точности образцовые средства измерений подразделяются на разряды. Образцовые средства измерений, получающие размер единицы непосредственно от эталонов, относятся к первому разряду, далее, по мере уменьшения точности, следуют ОСИ второго разряда, третьего и т. д.

Номенклатура, число разрядов ОСИ и количество ОСИ каждого разряда должны быть достаточны для передачи размера единицы всем без исключения средствам измерений каждой из измеряемых величин.

Следует отметить, что на каждом этапе передачи размера единицы от одного средства измерений к другому происходит накопление погрешностей. Поэтому, при значительном числе ступеней передачи размера единицы (значительное число разрядов ОСИ) простейшему из рабочих средств измерений можно гарантировать только весьма низкую точность. С другой стороны, при малом числе разрядов ОСИ и значительном количестве соподчиненных с ними средств измерений необходимо, с целью обеспечения оперативности Передачи размера единицы, увеличивать количество образцовых средств измерений каждого разряда. При этом существенно возрастает интенсивность использования эталона, что может привести к его преждевременному износу и потере требуемых метрологических свойств. Поэтому определение оптимального числа разрядов ОСИ для каждой из измеряемых величин является сложной технико-экономической задачей.

При определении числа разрядов образцовых средств измерений учитывают запас по точности эталона, общее количество эксплуатируемых средств измерений каждого уровня точности и назначение этих СИ, стоимость продукции, контролируемой этими СИ и требуемую точность рабочих средств измерений низшей точности как правило, наиболее многочисленных.

Подобным образом структура передачи размера единицы формируется для каждой измеряемой величины в соответствии с положениями МИ 83-76 и оформляется в виде специальной схемы - поверочной схемы.[4]

Исследована общая структура системы ВЕПР, выявлены ее подсистемы и элементы. На основе представления обобщенного элемента системы средств ВЕПР - метрологических средств измерений в виде мер, приборов и преобразователей, получены возможные типы связей между элементами (методы передачи размеров единиц). Показано, что метод непосредственных сличений и метод косвенных измерений не смогут служить методами передачи размеров единиц. Рассмотрены основные свойства системы воспроизведения единиц. Проанализированы входные параметры системы, уравнение воспроизведения единицы и условие сопоставимости при децентрализованном воспроизведении единицы.

Разработаны основы теории, комплексно учитывающей весь спектр вопросов, связанных с проблемой воспроизведения единиц физических величин и передачи их размеров и построением соответствующей системы ВЕПР.

Список литературы