ЕДИНИЦЫ, ИХ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕИ ПЕРЕДАЧА РАЗМЕРОВ ЕДИНИЦ

 

Характерная особенность средств измерений, отличающая их от других технических средств, заключается в том, что они содержат в себе информацию о единице измеряемой физической величины. Средство измерений во многих случаях становится таковым не после изготовления деталей и сборки, а только после проведения заключительной метрологической операции (градуировки), смысл которой заключается в передаче ему размера единицы путем сличения с более точным средством измерений. Но этого недостаточно. Во время эксплуатации средства измерений происходит медленное, незаметное ухудшение его свойств, выражающееся в постепенном изменении градуировочной характеристики, увеличении разброса показаний и т. п. Обусловлено это тем, что различные физико-химические процессы вызывают старение материалов, износ трущихся поверхностей, разрегулировку подвижных соединений.

Прогнозировать эти процессы чрезвычайно трудно из-за случайного характера их протекания. В то же время постепенное накопление погрешности, если его не устранить, неизбежно приведет к тому, что в какой-то момент характеристики погрешности средства измерений превысят установленные для него нормы. Наступит метрологический отказ средства измерений и, следовательно, нарушится единообразие средств измерений. С целью предотвращения и выявления метрологических отказов в течение всего периода эксплуатации средств измерений проводятся их периодические поверки. Следовательно, для обеспечения единообразия средств измерений, применяемых в стране, необходимо проводить градуировку многих из них после изготовления и ремонта, а также периодически поверять их через определенные промежутки времени, называемые межповерочными интервалами. Обеспечение единообразия средств измерений предусматривает унификацию единиц физических величин, их воспроизведение с наивысшей достижимой точностью и передачу размеров единиц всем средствам измерений, применяемым в стране. Осуществление этих операций возложено на государственную и ведомственные метрологические службы с привлечением огромных материальных средств, множества высокоточных средств измерений и т. д.

Система единиц, применяемая как в нашей стране, так и международной практике, Международная система единиц (СИ) разработана совместными усилиями ученых разных стран. Ее основные достоинства: универсальность, согласованность и возможность создания новых производных единиц по мере развития науки и техники на основе существующих единиц физических величин. В СССР СИ узаконена ГОСТ 8.417-81 (СТ СЭВ 1052-78), который установил наименования и обозначения единиц и правила образования производных, кратных и дольных единиц. Внедрение ГОСТ 8.417-81 обеспечило унификацию применяемых в нашей стране единиц физических величин. Передача размеров этих единиц средствам измерений осуществляется посредством функционирования систем воспроизведения единиц и передачи их размеров, регламентируемых государственными поверочными схемами.

Классификация средств измерений, предназначенных для воспроизведения единиц и передачи их размеров, установлена ГОСТ 8.057-80. В качестве государственных эталонов утверждаются первичные и специальные первичные эталоны. Они воспроизводят единицу с наивысшей точностью, достижимой при современном уровне развития науки и техники. В тех случаях, когда размер единицы, воспроизводимой первичным эталоном, не удается передать с требуемой точностью средствам измерений, применяемым в особых условиях (сверхвысокие частоты, большие и малые энергии, давления, температуры и т. д.) или в широких диапазонах значений физических величин, создают специальные первичные эталоны. В метрологической практике широко распространены также вторичные эталоны, значения которых устанавливаются по первичным эталонам. Вторичные эталоны бывают следующих видов: эталоны-копии, эталоны сравнения, эталоны-свидетели и рабочие. Эталоны-копии* передают размер единицы средствам измерений более низкой точности рабочим эталонам и образцовым средствам измерений 1-го разряда. Такое же назначение имеют и рабочие эталоны. Эталоны сравнения служат для сличения тех эталонов, которые нельзя непосредственно сличать друг с другом. Эталоны-свидетели в настоящее время применяются лишь в порядке исключения и поэтому они не стандартизованы ГОСТ 8.057-80. Они предназначены для проверки неизменности размера единицы, воспроизводимой государственным эталоном мерой (например, эталоном единицы массы), пополнения состава группового государственного эталона, представляющего собой совокупность однотипных мер (эталон единицы емкости) или в других аналогичных случаях. Для обеспечения единства измерений в масштабах СЭВ утверждаются эталоны СЭВ национальные первичные эталоны стран членов СЭВ.

Образцовые средства измерений служат для передачи размеров единиц рабочим средствам измерений. В зависимости от точности их подразделяют на разряды. Образцовые средства измерений 1-го разряда подлежат поверке непосредственно по эталонам, 2-го, 3-го и последующих разрядов по образцовым средствам измерений более высоких (с меньшим номером) разрядов. Для поверки применяют также поверочные установки, представляющие собой комплексы образцовых и рабочих средств измерений и вспомогательных устройств. Различают два вида поверочных установок:

-          поверочные установки для передачи размеров одной или нескольких единиц от образцовых средств измерений, включенных в их состав; такие поверочные установки по назначению аналогичны образцовым средствам измерений, и им допускается присваивать разряды;

-          исходные поверочные установки для воспроизведения одной или нескольких единиц методом косвенных измерений и передачи их размера подчиненным образцовым и рабочим средствам измерений; эти установки применяются в децентрализованных или локально централизованных системах воспроизведения единиц и передачи их размеров. В локально централизованных они должны иметь самую высокую точность в стране и поэтому называются установками высшей точности(УВТ).

Недостаток приведенной классификации заключается в том, что средства измерений фактически одинакового назначения имеют разные наименования эталон-копия, рабочий эталон, образцовое средство измерений, поверочная установка. Поэтому со временем, как вероятно, наша страна перейдет на более простую и стройную международную классификацию, в которой все средства поверки будут называться эталонами с делением на первичные, вторичные и рабочие.

* Они называются так с тех пор, когда были физической копией первичного эталона.

ГОСТ 8.057-80 устанавливает также общие требования к составу, порядку создания и утверждения, порядку хранения и применения эталонов. Так, государственные эталоны подлежат утверждению Госстандартом, вторичные метрологическими институтами Госстандарта, ответственными за данный вид измерений. Все эталоны подлежат обязательной государственной регистрации после утверждения; на протяжении всего срока их службы они подвергаются исследованиям с целью повышения их точности и обеспечения метрологической исправности, а государственные эталоны международным сличениям с целью обеспечения единства измерений в мировом масштабе. Для каждого эталона назначается ученый-хранитель, ответственный за его правильное хранение и применение, сличения и исследования. Таким образом, регламентирован индивидуальный подход к эталонам, исходя из того, что каждый эталон это уникальное изделие важнейшего народнохозяйственного значения.

Метрологические характеристики эталонов регламентируются ГОСТ 8.381-80 (СТ СЭВ 403-76). В соответствии с ним погрешность эталонов СЭВ и государственных эталонов СССР характеризуется: неисключенной систематической погрешностью (НСП), т. е. тем остатком систематической погрешности, который не удалось исключить введением поправок или другим методом; случайной погрешностью; погрешностью из-за нестабильности.

Оценки НСП и случайных погрешностей находят на основании экспериментальных исследований эталонов, анализа погрешностей методов воспроизведения единицы и передачи его размера, погрешностей из-за отсутствия влияющих величин, а также международных сличений эталона, а оценки их нестабильности на основании исследований эталонов во времени, а также периодических международных сличений. Оценки погрешности вторичных эталонов должны характеризовать отклонения размеров хранимых ими единиц от размера единицы, воспроизводимой государственным эталоном. Их определяют на основании сличений с государственным эталоном. Поэтому для них указывают суммарные погрешности, включающие случайные погрешности сличаемых эталонов, погрешность передачи размера единицы, а также погрешность из-за нестабильности вторичного эталона.

Исходя из их сущности, погрешности эталонов нормируются: НСП границей в без указания знака; случайной погрешностью средним квадратическим отклонением (СКО) результата измерений S с указанием числа независимых измерений; погрешностью из-за нестабильности изменением размера единицы за определенный промежуток времени (например, за год или другой межповерочный интервал); суммарной погрешностью вторичного эталона СКО результата измерений S∑  при его сличении с первичным или вышестоящим по поверочной схеме вторичным эталоном или же доверительной границей погрешности t∑  S∑  при доверительной вероятности 0,99.

По своему метрологическому назначению образцовые средства измерений (ОСИ) не отличаются от вторичных эталонов разница лишь в том, что они стоят ниже в иерархии поверки, и следовательно, требования к их точности менее жестки. Они, как и эталоны, нуждаются в индивидуальном утверждении. Формой такого утверждения является метрологическая аттестация СИ в качестве образцового (т. е. на право быть образцовым). Однако предусматривается одно исключение в тех случаях, когда СИ выпускается по стандарту или ТУ на ОСИ, и, следовательно, вопрос о возможности его использования в качестве ОСИ уже решен при проведении государственных испытаний, метрологическая аттестация заменяется первичной поверкой.

Метрологическая аттестация ОСИ проводится перед вводом в эксплуатацию, после ремонта или при необходимости изменения разряда. Задачи аттестации на этих этапах различные. Перед вводом в эксплуатацию оценивают возможность применения СИ в качестве ОСИ в конкретных условиях эксплуатации и устанавливают правила его эксплуатации. Поэтому проверяют соответствие метрологических характеристик СИ требованиям поверочной схемы а НТД на методику поверки, исследуют погрешности ОСИ, присваивают разряд, устанавливают межповерочный интервал и утверждают методику поверки (если нет действующей НТД на методику поверки). При выпуске СИ из ремонта исследуют погрешности ОСИ. После ремонта необходимо исследовать погрешности ОСИ и проанализировать причины отказа, убедиться в том, что нет необходимости пересматривать принятое решение о возможности применения СИ в качестве образцового. При этом необходимо установить также новый межповерочный интервал с учетом накопленной информации о нестабильности СИ. Если же метрологическая аттестация проводится с целью изменения разряда ОСИ (например, повышения разряда наиболее стабильных мер), выбранных из числа находящихся в эксплуатации, необходимо прежде нечто оценить нестабильность ОСИ и исследовать его погрешности, а затем установить соответствие этого экземпляра ОСИ новым, более высоким требованиям, присвоить разряд и установить межповерочный интервал.

Важнейшими элементами систем воспроизведения единиц и передачи их размеров являются поверочные схемы документы, определяющие порядок передачи размеров единиц. Впервые поверочная схема была предложена в 30-х годах проф. Л. В. Залуцким для описания порядка передачи размера единицы длины. Такие схемы прижились и получили свое дальнейшее развитие в виде важных НТД, способствующих организации и проведению поверки. Первый сборник поверочных схем под редакцией проф. К. П. Широкова, выпущенный ВНИИМ в 1956 г., содержал двадцать три схемы. В настоящее время в нашей стране утверждено более 150 государственных поверочных схем; поверочные схемы создаются и других странах и международных организациях (МОЗМ, СЭВ). Требования к содержанию и построению поверочных схем СССР регламентированы ГОСТ 8.061 -80.В соответствии с этим стандартом схемы делятся на государственные, ведомственные, локальные. Государственная поверочная схема является основной. Она распространяется на все средства измерений данной физической величины, применяемые в стране. Устанавливая порядок передачи размеров единицы от государственного эталона к вторичным эталонам и ОСИ и далее рабочим средствам измерений, требования к средствам и методам поверки, она представляет собой как бы скелет метрологического обеспечения вида измерений в настоящем, структуру плана его дальнейшего совершенствования и развития. На основании государственной поверочной схемы составляются ведомственные схемы, распространяющиеся на средства измерения, подлежащие поверке внутри ведомства, и локальные поверочные схемы отдельных предприятий. Эти схемы развивают требования государственной поверочной схемы применительно к специфике своего ведомства или предприятия. Для обеспечения дополнительных гарантий обеспечения единства измерений установлен порядок обязательного согласования ведомственной поверочной схемы с метрологическим институтом Госстандарта разработчиком государственной поверочной схемы, а локальной с территориальным органом Госстандарта. Государственные поверочные схемы должны быть оптимальными, т. е. обеспечивать наивысшее качество поверки средств измерений, применяемых в стране, при ограничениях, накладываемых мощностью поверочных органов и их дислокацией, выделяемыми на метрологическое обеспечение ресурсами и другими организационными и экономическими факторами. Поэтому ГОСТ 8.061 -80 предусматривает проведение научно-технического обоснования оптимальности структуры и параметров государственных поверочных схем с учетом вероятностных критериев качества поверки, регламентированных МИ 187 -86 и МИ188 -86.

Требования к нормативно-техническим документам, устанавливающим содержание и методику проведения поверки средств измерений конкретных видов или типов, установлены ГОСТ 8.375 -80, ГОСТ 8.042 -83 и МИ 700 -85. НТД'на методики поверки составляют самую многочисленную группу метрологических НТД, что объясняется многообразием применяемых в стране средств измерений. Однако в связи с переходом промышленности на выпуск средств измерений с применением микропроцессоров, лазерной техники, а также в связи с ужесточением метрологических требований потребность в этих документах полностью не удовлетворяется. Поэтому в ближайшие годы будет осуществлен пересмотр фонда НТД по поверке. Решено, что документы будут утверждаться, как правило, в форме методических указаний метрологических институтов (МИ) документов рекомендательного характера и в силу этого более гибких и удобных для применения, чем государственные стандарты. В их разработке, особенно по поверке рабочих СИ, значительная роль отводится ведомственным метрологическим службам.