История эталонов. Эталоны, их классификация

Содержание
1. История эталонов 3
2. Классификация эталонов 9
Выводы 15
Список использованной литературы 16

1. История эталонов
Слово «этало́н» происходит от французкого étalon – то есть «образец» (чего угодно). В современной метрологии это понятие обозначает «средство измерений (или комплекс средств измерений), обеспечивающее воспроизведение и хранение единицы физической величины для передачи её размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений, выполненное по особой спецификации и официально утверждённое в качестве эталона». Эталоны создаются с целью обеспечения единства измерений [11]. Каждый эталон основной или производной единицы Международной системы СИ имеет свою интересную историю и связан с тонкими научными исследованиями и экспериментами.
Попытка ввести эталоны предпринята ещё в 1136 г. в Великом Новгороде. Там был утверждён устав «О церковных судах, и о людях, и о мерах торговли». «Мерила торговли» включали в себя: «пуд медовый, гривенку рублёвую, локоть еваньский». Всем торговым людям предписывалось «торговые все весы и мерила блюсти без пакости, ни умаливати, ни умноживати, а на всякий год извещати…», то есть соблюдать эталоны длины и веса, а также ежегодно сверять с ними свои гири и мерила. Сами же эталоны хранились в церкви Евань (Ивана) на Опоках. Нарушителям закона эталонов устав грозил карами вплоть до «предания казни смертию». Однако плутоватые купцы зачастую мошенничали, надеясь на ловкость рук и на «искупительное покаяние вкупе со мздой Ивану на Опоках». Поговорка «всяк купец на свой аршин мерит» была верна до начала XIX века, когда появился государственный эталон длины. В царской России всерьёз заинтересовались эталонами только в конце XIX века. Была создана Главная палата мер и весов и заказаны в Англии государственные эталоны длины и массы, согласованные с международными [7.37]
Самыми первыми официально утверждёнными эталонами были прототипы метра и килограмма, изготовленные во Франции, и в 1799 г. переданные на хранение в Национальный архив Франции. Поэтому их стали называть «метр Архива» и «килограмм Архива». Принятый в 1791 г. Национальным собранием Франции эталон метра, равный одной десятимиллионной части четверти дуги парижского меридиана, в 1837 г. был пересмотрен, т.к. французские ученые установили, что в четверти меридиана содержится не 10 млн., а 10 млн. 856 метров [6.34].
Кроме того, стало известно, что происходят, хотя и незначительные, но все же постоянные изменения формы и размера Земли. В этой связи ученые Петербургской академии наук в 1872 г. предложили создать международную комиссию для решения вопроса о целесообразности внесения изменений в эталон метра. Комиссия решила не создавать новый эталон, а принять в качестве исходной единицы длины «метр Архива», хранящийся во Франции. В 1875 г. была принята Международная метрическая конвенция, которую подписала и Россия. Этот год метрологи считают вторым рождением метра как основной международной единицы длины [7.38].
В 1889 г. был изготовлен 31 экземпляр эталона метра из платино-иридиевого сплава. Оказалось, что эталон №6 при температуре 0°С точно соответствует длине «метра Архива», и именно этот экземпляр эталона по решению I Генеральной конференции по мерам и весам был утверждён как международный эталон метра, который хранится в г. Севре (Франция). Остальные 30 эталонов были переданы разным государствам. Россия получила №28 и №11, причём в качестве государственного был принят эталон № 28. В 1967 г. были опубликованы исследования более точного измерения парижского меридиана, которые показали, что четверть меридиана равна 10 млн. 1954,4 метра. Таким образом, «метр Архива» всего на 0,2 мм короче меридионального метра.
По мере развития науки и техники появилась необходимость в большом количестве других эталонов. Например, эталон частоты, времени, температуры, напряжения и т.д.. Прогресс не только вводил новые эталоны, но и повышал точность старых [9].
Погрешность платино-иридиевых эталонов метра, равная + 1,1*10-7 м уже в начале XX в, оценивалась как неудовлетворительная, и в 1960 г XI Генеральная конференция по мерам и весам выработала другое определение метра – в длинах световых волн, что основано на постоянстве длины волны спектральных линий излучения атомов. Это основа криптонового эталона метра. Погрешность криптонового эталона намного меньше, чем платино-иридиевого, и равна +5*10-9. Однако в космический век и эта точность оказалась недостаточной, а новейшие достижения науки позволили в 1983 г. на XVII Генеральной конференции мер и весов принять новое определение метра как длины пути, проходимого светом за 1 / 299 792 458 доли секунды в условиях вакуума. Следует отметить, что на этой же конференции было объявлено точно определяемое современной наукой значение скорости света [6.42]. Можно сделать вывод, что «архивный метр» и на сегодня он имеет только исторический интерес.
Не менее интересна история эталона единицы массы. «Килограмм Архива», который был принят за эталон массы в 1872 г, представляет собой платиновую цилиндрическую гирю, высота и диаметр которой равны по 39 мм. Прототипы (вторичные эталоны) для практического применения были сделаны из платино-иридиевого сплава. За международный прототип килограмма была принята платино-иридиевая гиря, по точности в наибольшей степени соответствующая массе «килограмма Архива».
По решению I Генеральной конференции по мерам и весам России из 42 экземпляров прототипов килограмма были переданы №12 и №26. Прототип №12 утверждён в качестве государственного эталона массы. Прототип № 26 использовался как вторичный эталон. Национальный (государственный) эталон массы хранится в НПО «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» (г. Санкт-Петербург) на кварцевой подставке под двумя стеклянными колпаками в стальном сейфе [7.37]. Но на 26-й Генеральной конференции по мерам и весам принято решение отказаться от эталона килограмма и определять килограмм через постоянную Планка, изменение вступило в силу во Всемирный день метрологии, 20 мая 2019 г.При наличии большого парка рабочих средств измерений различной точности возникает необходимость в создании системы эталонов различной степени точности, и тем самым – к иерархической соподчиненности эталонов единицы в такой системе. Именно по такому иерархическому принципу разрабатываются в нашей стране общероссийские поверочные схемы для средств измерений отдельных физических величин. Эти поверочные схемы являются нормативными документами (как правило, в виде ГОСТ [2], [3], [4]), устанавливающими номенклатуру и соподчиненность средств измерений данной физической величины, обеспечивающих рациональную систему передачи размера единицы от единого исходного эталона всем имеющимся в стране эталонам и средствам измерений данной физической величины. В настоящее время во главе любой из действующих общероссийских поверочных схем, стоит государственный эталон России единицы данной физической величины, обеспечивающий централизованное воспроизведение и хранение единицы на территории РФ для передачи ее размера средствам измерений, а так же эталонам соподчиненным с исходным в соответствии с утвержденной поверочной схемой [1].
Развитие понятия и сущности «эталонов» привело к тому, что в отличие от первых зарегистрированных современные эталоны воспроизводят и хранят не только единицы, но и шкалы измерений, а зачастую только шкалы. Эталон является средством измерений, следовательно, содержит меру (совокупность мер), и что он должен передавать размер единицы или шкалу другим средствам измерений (иначе он не может называться эталоном). Государственные эталоны хранят или воспроизводят номинальное, кратное или дольное (десятичное) значение единицы измеряемой величины в случае, если речь идет об эталоне килограмма или платино-иридиевом эталоне метра и немногочисленных других. Но это утверждение не выполняется, если речь идет о многих современных эталонах. Вот примеры воспроизводимых значений: ГЭТ 4-68 единицы силы электрического тока долгие годы (до появления квантовых эталонов вольта и Ома) воспроизводил значение 1,018646 А; ГЭТ 7-69 единицы массы радия 21,283 мг; ГЭТ 14-91 единицы электрического сопротивления 12906, 4035 Ом; 6453, 20175 Ом и 1,0 Ом; ГЭТ 25-79 единицы электрической ёмкости 0,2 пФ; ГЭТ 47-79 единицы длины для спектроскопии 0, 60578021 мкм; ГЭТ 48-79 единицы энергетической яркости для инфракрасного излучения 100,5 Вт/(ср.м2) и 1173,5 Вт/(ср.м2); ГЭТ 129-80 единицы относительной диэлектрической проницаемости 1,0006 отн. ед. И, наконец, цезиевый репер частоты воспроизводит интервал времени (период колебаний), равный 1 / 9 122 631 770 части секунды, и аналогично стабилизированный гелий-неоновый лазер эталона длины (входящего в состав объединенного эталона времени, частоты и длины) — 1 / 173 452 614 часть метра (это длина волны его излучения) [5.101].На современном этапе развития эталон может воспроизводить любое значение величины (любую точку или часть шкалы), лишь бы эти значения были известны с требуемой точностью и стабильно воспроизводились раз от раза. Государственный эталон должен воспроизводить единицу (шкалу) с наивысшей при данном уровне науки и техники точностью. Точность эталона должна быть достаточной для поверки (калибровки) основного парка эксплуатируемых в государстве средств измерений. Точность обходится очень дорого и создавать суперточный эталон при отсутствии потребности в такой точности измерений – нерационально тратить деньги налогоплательщиков. Из сказанного следует, на первый взгляд, парадоксальный вывод: могут существовать уникальные независимо аттестуемые средства измерений и установки, обеспечивающие проведение научных экспериментов, более точные, чем государственные эталоны производных единиц СИ.
Определённые трудности связаны с трактовкой терминов «хранение и (или) воспроизведение единиц (шкал) измеряемых величин». С позиций развития эталонов конца XIX и начала XX века все было ясно и просто. Но сейчас необходимо дать ответ на вопрос, что хранит стабилизированный лазер эталона метра, когда он выключен? Очевидно, только свойство при каждом включении генерировать (воспроизводить) с высокой точностью и стабильностью оптическое излучение известной частоты. Абсолютно тоже самое можно сказать о цезиевом репере эталона времени и частоты. Группы платиновых и железо-родиевых термометров эталона термодинамической температуры в криогенной области сами по себе не могут ни хранить, ни воспроизводить кельвин. Они «хранят» функцию преобразования, т.е. сохраняют зависимость их омического сопротивления от температуры. А конкретные значения температуры, при которых происходит передача ее значений другим СИ, задаются активным компаратором — криостатом. Специальная лампа накаливания эталона канделы воспроизводит оптическое излучение с соответствующим значением силы света в канделах, но не может «хранить» это значение длительное время. Она периодически калибруется с помощью эталонного фотометра, «хранящего» коэффициент преобразования [5.103].
Прежний эталон силы тока (ампер-весы) не хранил меру силы тока (такие меры не существуют). В его состав входили меры массы, ЭДС и электрического сопротивления. Эталон ампера, основанный на вычислении значения силы тока по закону Ома (причём напряжение измеряется с использованием эффекта Джозефсона, а сопротивление – в долях квантового сопротивления Холла), не хранит меру силы тока. В этой ситуации трудно говорить и о воспроизведении ампера. Так же трудно в ряде случаев разделить функции «воспроизведения» и «измерения». Единственный выход – в правилах хранения и применения каждого эталона указывать, что в данном конкретном случае понимается под терминами «воспроизведение» и «хранение». С учётом всего изложенного, с учётом истории развития эталонов можно усовершенствовать определение понятия «эталон», не противоречащее Закону РФ «Об обеспечении единства измерений» [1]: «Эталон (шкалы или единицы измерений) – устройство, предназначенное и утвержденное для воспроизведения и (или) хранения и передачи шкалы или размера единицы измерений средствам измерений».

2. Классификация эталонов
Классификация, назначение и общие требования к созданию, хранению и применению эталонов устанавливаются соответствующими стандартами [3].
В настоящее время различают следующие виды эталонов:
1. По метрологическому назначению эталоны делятся на первичные, вторичные и специальные (рисунок 1):Эталоны
Первичные Вторичные Специальные
Национальные Эталоны-копии Международные Эталоны сравнения Специальные Эталоны-свидетели Эталоны переносчики Рабочие эталоны Рабочие средства измерений
Рисунок 1 – Классификация эталонов по метрологическому назначению
[разработка автора]
- первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы с наивысшей в стране точностью;
- вторичный эталон – эталон, получающий размер единицы путём сличения с первичным эталоном, непосредственно от первичного эталона данной единицы. Значения вторичных эталонов устанавливаются по первичным. Вторичные эталоны создаются для организации поверочных работ и обеспечения сохранности первичного эталона. Служат для сохранности и меньшего износа первичного эталона. Вторичные эталоны подразделяются на эталоны-копии и эталоны сравнения [8];
- специальный эталон – эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы в особых условиях, при которых первичный эталон не может быть использован. Специальный эталон заменяет для этих условий первичный эталон и сам служит в этих условиях первичным эталоном. Единица, воспроизводимая с помощью специального эталона, по размеру должна быть согласована с единицей, воспроизводимой с помощью соответствующего первичного эталона. Можно выделить и исходный эталон – эталон, обладающий наивысшими метрологическими свойствами (в данной лаборатории, организации, на предприятии), от которого передают размер единицы подчинённым эталонам и имеющимся средствам измерений. Первичные и специальные эталоны утверждаются в качестве государственных эталонов и являются исходными для страны [8].
Вторичные эталоны, представленные на рисунке 1, в свою очередь подразделяются на:
- эталоны-копии – вторичные эталоны, предназначенные для передачи размеров единиц рабочим эталонам. Эталон-копия не всегда является физической копией государственного эталона, он копирует лишь метрологические свойства государственного эталона;
- эталоны сравнения – вторичные эталоны, применяемые для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличены друг с другом (например, национального эталона с международным);
- эталоны-свидетели служат для проверки сохранности и неизменности государственных эталонов и их замены в случаи порчи или утраты;
-эталоны-переносчики – служат для сличения и поверки эталонов, удаленных друг от друга и нетранспортабельных.
2. По правовому статусу эталоны делятся на международные и национальные (государственные), вторичные и рабочие разных разрядов:
- международный — это эталон, принятый по международному соглашению в качестве первичного международного эталона для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами.
-государственный (национальный) эталон – первичный эталон, признанный решением уполномоченного на то государственного органа в качестве исходного на территории государства (страны). Оба термина имеют адекватное значение. В соответствии с Федеральным законом №102 от 28.12.2008 г «Об обеспечении единства измерений», государственный первичный эталон единицы величины – государственный эталон единицы величины, обеспечивающий воспроизведение, хранение и передачу единицы величины с наивысшей в РФ точностью, утверждаемый в этом качестве в установленном порядке и применяемый в качестве исходного на территории РФ. Термин «национальный эталон» применяется тогда, когда хотят подчеркнуть соподчиненность государственного эталона международному. Отдельно могут быть выделены государственные специальные эталоны (рисунок 2).
Международный эталон
                  Государственный первичный эталон Государственный специальный эталон
                         
Эталон-свидетель Эталон-копия Рабочий эталон 1-го разряда Эталон-сравнения  Рабочий эталон 2-го разряда   …   Рабочий эталон N-го разряда   Рабочие средства измерения Рисунок 2 – Структура международной системы эталонов [6.35]
Во времена принятия Международной метрической конвенции МБМВ могло позволить себе роскошь заказать (из платино-иридиевого сплава, драгоценного во все времена) такое число эталонов метра и килограмма (они назывались прототипами). На этом «расточительство» (полезное с научной точки зрения) закончилось. В наше время никто не может себе позволить создавать национальные эталоны в двух и более экземплярах.
В соответствии с положениями Федерального закона РФ №102 «Об обеспечении единства измерений» [1], эталон единицы величины – техническое средство, предназначенное для воспроизведения, хранения и передачи единицы величины. Этот нормативный документ трактует государственный эталон единицы величины, как эталон единицы величины, находящийся в федеральной собственности. Совокупность всех государственных и соподчиненных им эталонов образует эталонную базу России (рисунок 3).
Национальные   Первичные эталоны   Государственные
Эталонная база РФ   Вторичные эталоны          По метрологическому назначению По виду
Эталоны-свидетели       Одиночные эталоны
Эталоны сравнения       Групповые эталоны
Эталоны-копии       Эталонные наборы                           Рабочие эталоны    
Рисунок 3 – Эталонная система Российской Федерации [10]
Рабочий эталон (ранее – «образцовое средство измерения») воспринимает размер единицы от вторичных эталонов и, в свою очередь, служит для передачи размера менее точному рабочему эталону (низшего разряда) или рабочим средствам измерений. Существуют рабочие эталоны 4 разрядов. Среди рабочих эталонов нужно выделять исходные эталоны органов ГМС (государственной метрологической службы) и других метрологических служб, на которые опираются местные системы обеспечения единства измерений.
Рисунок 4 – Рабочие эталоны [8]
Разрядный эталон – эталон, обеспечивающий передачу размера единицы физической величины через цепочку соподчиненных по разрядам рабочих эталонов. При этом от последнего рабочего эталона в этой цепочке размер единицы передается рабочему средству измерения. Число разрядов для каждого вида средств измерений устанавливается государственной поверочной схемой.
3. В зависимости от назначения и исполнения эталоны разделяют на:
- одиночный эталон, в составе которого имеется одно средство измерений (мера, измерительный прибор, эталонная установка) для воспроизведения и хранения единицы;
- групповой эталон, в состав которого входит совокупность средств измерений одного типа, номинального значения или диапазона измерений, применяемых совместно для повышения точности воспроизведения единицы или ее хранения; за результат измерений обычно принимается среднее арифметическое значение из результатов измерений однотипными средствами измерений или эталонными установками;
- эталонный набор, состоящий из совокупности средств измерений, позволяющих воспроизводить и хранить единицу в диапазоне, представляющем объединение диапазонов указанных средств; эталонные наборы создаются в тех случаях, когда необходимо охватить определенную область значений физической величины, например набор эталонных гирь;
- транспортируемый эталон, иногда специальной конструкции, предназначенный для его транспортировки к местам поверки или калибровки средств измерений или сличений эталонов данной единицы [8].
4. По классификации мер, входящих в состав эталонов. Эталон обязан передавать размер единицы или шкалу, а не значение величины, равное принятой единице. Передаваемый размер может соответствовать любой части этой единицы или любой точке шкалы. По этой классификации все эталоны можно разделить на две основные группы. Первая группа – эталоны, содержащие пассивные меры, хранящие шкалу или значение величины и применяемые для сравнения с ними поступающего извне сигнала – носителя измерительной информации. Такие эталоны можно назвать эталонами-приёмниками [8]. В этом случае понятие «сигнал измерительной информации» используется в широком смысле. Это может быть любое физическое поле или процесс, несущие сведения (информацию) о местоположении значения измеряемой величины на соответствующей шкале измерений. Вторая группа — эталоны, имеющие в своем составе активные меры, воспроизводящие шкалы или значения величин, либо пассивные меры и некоторые источники сигнала измерительной информации, значение которого задается или контролируется мерой. Такие эталоны можно назвать эталонами-генераторами. Встречаются эталоны, которые могут использоваться как в режиме эталона приемника, так и в режиме эталона-генератора.

Выводы
На основании исследования истории развития метрологии предлагается переход от традиционного определения понятия «эталон», когда эталон рассматривается, как «средство измерения или их комплекс, обеспечивающий воспроизведение или хранение единиц величин с наивысшей точностью для данного уровня развития измерительной техники с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерения» на «эталон (шкалы или единицы измерений) – устройство, предназначенное и утвержденное для воспроизведения и (или) хранения и передачи шкалы или размера единицы измерений средствам измерений».
Многообразие эталонов, обусловлено структурой и реализацией системы обеспечения единства измерений отдельных физических величин. Очевидно, что достижению этой цели, прежде всего, способствует применение одинаковых с точки зрения их определения единиц.
Для обеспечения единства измерений этой физической величины важно, чтобы единицы были одинаковы в их вещественном выражении в тех образцах (эталонах), с которыми сравнивается измеряемая физическая величина. В то же время, очевидно, что любой такой образец создается специально, и никакие два подобных образца не могут быть сделаны абсолютно одинаковыми: реальные размеры единицы в образцах обязательно будут в той или иной мере отличаться друг от друга. Отсюда следует, что среди таких образцов следует выбрать и узаконить какой-либо один, наилучшим образом соответствующий определению единицы, в качестве самого точного эталона (исходного эталона единицы), относительно которого затем определять и контролировать размер единицы для всех остальных эталонов и средств измерений.
Градация эталонов по областям их применения, по значимости является общепринятой и привычной. Но она ничего нам не говорит о физической их сущности. Актуальным является совершенствование современной классификации с учётом мер, входящих в состав используемых эталонов.
Список использованной литературы
Об обеспечении единства измерений – федеральный закон №102-ФЗ от 28.12.2008 (в ред. 27.12.2019) // http://www.consultant.ru
ГОСТ Р 8.000-2000 Государственная система обеспечения единства измерений. Основные положения // http://www.consultant.ru.
ГОСТ 8.057-80 Государственная система обеспечения единства измерений. Эталоны единиц физических величин. Основные положения // http://www.consultant.ru.
ГОСТ 8.372-80 Государственная система обеспечения единства измерений. Эталоны единиц физических величин. Порядок разработки, утверждения, регистрации, хранения и применения // http://www.consultant.ru.
Захаров И.П., Павленко Ю.Ф. Эталоны в области электрорадиоизмерений — М.: Горячая линия – Телеком, 2008.
Эталоны / Сост. К.В. Сафронова — Пенза: Пензенский государственный университет, 2006. – 88 с.
Брянский Л.Н. Эталоны, эталоны… Из истории метрологии. History of Metrology // Измерительные приборы и системы, 2010. - №5. – С.37-38.
Гвоздев В.Д. Эталоны: определения и классификация (в порядке дискуcсии) // https://metrob.ru/html/Stati/zakonodatelctvo/etalony.html
Козлякова Е. Килограмм стал нематериальным // https://yandex.ru/turbo/nplus1.ru/s/news/2018/11/16/newkg
Справочник метролога. Классификация эталонов // https://info.metrologu.ru/spravochnik/metrologiya/etalony/klassifikaciya_etalonov.html
Эталон. Передача информации о размере единицы от эталона рабочим средствам измерений // https://metrob.ru/html/poverka/peredacha.html