Классификация эталонов

Введение
Эталоном называется средство измерений (комплекс средств измерений), предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы величины и передачи ее размера другим средствам измерений.Эталон, воспроизводящий единицу физической величины с наивысшей точностью, достигнутой в данной области измерений, называется первичным.Первичный эталон, утвержденный в качестве исходного средства измерений для страны, называется государственным. В международной практике государственные эталоны обычно называются национальными, а эталоны, хранимые в Международном бюро мер и весов, — международными. В нашей стране термин «национальный эталон» применяется по отношению к государственному в тех случаях, когда отечественные государственные эталоны применяются для сличения с международными эталонами или с эталонами, принадлежащими другим государствам.По приоритету воспроизведения и хранения единицы первичному эталону соподчиняются вторичные и рабочие эталоны.Размер единицы, воспроизводимой вторичными эталонами, «поддерживается» с помощью первичных (государственных). К первичным эталонам относят как соответствующие эталоны основных СИ, так и производных единиц СИ. Статус государственных эталонам присваивается Госстандартом России.Международные эталоны хранятся в Международном бюро мер и весов и в соответствии с международными соглашениями с их помощью периодически проводятся сличения национальных эталонов разных стран, в том числе взаимные сличения национальных эталонов. Например, национальные эталоны метра и килограмма сличаются один раз в 20—25 лет, а эталоны Вольта и Ома и ряд других сличаются раз в три года.1. Дискуссия об определении и классификации эталоновДо принятия стандарта ГОСТ 16263-70, установившего официальную терминологию в отечественной метрологии, авторы книг по-разному определяли, что такое эталон. Два примера из книг авторитетных метрологов. Профессор Маликов М.Ф. утверждал: «эталоны - образцовые меры и измерительные приборы, служащие для осуществления и хранения единицы измерений с наивысшей достижимой при данном состоянии измерительной техники точностью». В монографии применен термин «эталон единицы измерения» - «мера или измерительный прибор, предназначенные для воспроизведения с наивысшей достижимой точностью и хранения единицы измерения в общегосударственном и международном масштабе». При этом отмечено, что «неправильно называть наиболее точные меры и измерительные приборы эталонными мерами и эталонными измерительными приборами. Для них установлены и широко применяются наименования образцовые меры и образцовые измерительные приборы». Если в подчиненности эталонов и образцовых средств измерений авторы книг разошлись, то в определении образцовых мер и измерительных приборов они едины: это «меры и измерительные приборы, предназначенные для воспроизведения и хранения единиц измерений или для поверки и градуировки мер и измерительных приборов». При этом, противореча самим себе, авторы книги отметили, что «в отличие от меры измерительный прибор не воспроизводит известное значение величины (в т.ч. единицу величины - прим. автора), а измеряемая величина должна подводиться к нему извне, воздействовать на него».Стандартом ГОСТ 16263-70 был установлен термин «эталон единицы, эталон» - «средство измерений (или комплекс средств измерений), обеспечивающее воспроизведение и (или) хранение единицы с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений, выполненное по особой спецификации и официально утвержденное в установленном порядке в качестве эталона». Если убрать слово «размер», и предположить, что «единица» - это «единица измерения», то приведенное определение можно было бы признать почти безупречным.Пояснения, о какой единице идет речь, не было. Однако в стандарте единица присутствовала в составе термина «единица физической величины, единица величины». Поэтому обиходным стал термин «эталон единицы физической величины».Инициаторами введения термина «единица физической величины» взамен признанного в международном масштабе и широко используемого в отечественной метрологии термина «единица измерения, единица» стали авторы книги, предложившие термин «единица величины» и его определение: «величина условно принятая за единицу измерения». Они же инициировали появление термина «размер величины». В стандарте, руководителем разработки которого являлся профессор К. П. Широков - редактор монографии, для «единицы величины» было установлено определение - «физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение, равное 1».В ГОСТ 16263-70 на терминологическом уровне была зафиксирована четкая иерархическая структура соподчинения средств измерений: первичный эталон, вторичные эталоны (эталон-копия, рабочий эталон), образцовые средства измерений, рабочие средства измерений. Не принимая концептуальный подход к некоторым формулировкам и определениям основополагающих терминов, и отмечая излишнюю детализацию в раскрытии понятий метрологии, следует положительно оценить целостность предложенной в стандарте терминосистемы, и добротную проработку документа, особенно с учетом того, что это был первый крупный проект такого рода.В последующих документах: МИ 2247-93 и РМГ 29-99, заменивших ГОСТ 16263, термины и их определения подверглись изменениям, которые изменили ситуацию с качеством терминосистемы к худшему.В РМГ 29-99 уже в явном виде присутствует «эталон единицы физической величины». «Единица физической величины» определена как «физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное 1, и применяемая для количественного выражения однородных с ней физических величин». Все средства измерений стали хранить и воспроизводить единицу физической величины, хотя измерительные приборы в соответствии с их определением в РМГ и функциональными возможностями не приспособлены для этого. «Образцовые средства измерений» заменили на «рабочие эталоны». Надобность в термине «эталон-копия» отпала, посколькутермин «рабочий эталон» обрел более широкое значение. «Вторичный эталон» однозначно поглотил «эталон - копию».В рекомендациях РМГ 29-2013, «гармонизированных» с международным словарем, подверглись изменению как определения терминов, так и классификация эталонов.В новой редакции представлен модифицированный термин «эталон единицы величины или шкалы измерений - средство измерительной техники, предназначенное для воспроизведения, хранения и передачи единицы величины или шкалы измерений». Мы еще не разобрались с передачей единицы величины, а здесь еще и шкала измерений. Многие государственные эталоны единиц величин воспроизводят не только единицу измерения, но и значения величины в заданном интервале. Поэтому термин «эталон единицы величины» не соответствует функциональным возможностям эталонов, суживая их. Кто-то возразит, что упоминание шкалы измерений снимает это замечание. Шкала измерений это виртуальное понятие -эталоны воспроизводят величину и её значение, которое, в частности, может соответствовать реперной точке на шкале.В ѴІМЗ эталон определен так: «эталон: реализация определения данной величины с установленным значением величины и связанной с ним неопределенностью измерений, используемая в качестве образца (основы для сравнения)».Несмотря на то, что в РМГ речь идет о средстве измерительной техники, единице величины и шкале, а в определении ѴІМЗ - о реализации величины и её значения, авторы документа посчитали это различие несущественным. И в соответствие термину ««эталон единицы величины или шкалы измерений» неправомерно поставили термин «measurement standard, etalon». Создается впечатление, что авторы РМГ не осознали, что «эталон»согласно ѴІМЗ (впрочем, и исходя из определения в ѴІМ2) это не только не средство измерений, но и не техническое устройство. Устройства, которые в отечественной метрологии воспроизводят, хранят и передают единицы величин, в международной терминологии используются для реализации определений величин, то есть для создания эталона. Значения, присущие этим реализациям величин - эталонам, являются основой для сравнения при калибровке или поверке.(Справедливости ради следует отметить, что ѴІМЗ допускает использование названия «эталон» по отношению к материальным мерам и устройствам, в которых могут быть реализованы несколько величин.)«Воспроизведение единицы (величины)», согласно, «совокупность операций по материализации единицы величины (не единицы измерения -примечание автора) с помощью первичного эталона». Если «первичный эталон - эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране точностью», это определение вполне корректно. Но в РМГ 29-2013 определение первичного эталона гармонизировано: «первичный эталон-эталон, основанный на использовании первичной референтной методики измерений или созданный как артефакт, выбранный по соглашению». При этом «первичная референтная методика измерений - референтная методика измерений, которая используется для получения результата измерения без сравнения с эталоном единицы величины того же рода» (в ѴІМЗ записано: «безотносительно к эталону величины»). Очевидно, что материализация единицы величины с использованием первичного эталона в соответствии с его новым определением и определением первичной референтной методики не предполагается. Однако авторы РМГ настойчивы: «первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы или шкалы измерений с наивысшей точностью». Отметим также, что новое определение первичного эталона противоречит ГОСТ 8.057-80 «ГСИ. Эталоны единиц физических величин. Основные положения».На мой взгляд, слово «воспроизведение» однозначно понимается в контексте определения термина «эталон единицы величины», и не нуждается в разъяснениях. Нет необходимости и в терминах «воспроизведение основной единицы» и «воспроизведение производной единицы», определения которых только запутывают ситуацию.Главное недоразумение в терминологии применительно к эталонам связано с таинственным процессом передачи и получения единицы величины (а теперь ещё и шкалы измерений). Ситуация настолько запутана, а непонимание настолько глубоко, что даже в постановлении Правительства РФ п. 21 эталоны единиц величин выступают как субъекты хозяйственной деятельности, а единицы величин - как товар. Записано это так: «Юридические лица и индивидуальные предприниматели, содержащие и применяющие эталоны единиц величин, обязаны представлять их для получения соответствующих единиц величин от эталонов единиц величин, имеющих более высокие показатели точности».Согласно, «передача единицы величины - приведение размера величины, хранимой средством измерений, к единице величины, воспроизводимой или хранимой эталоном данной единицы величины или стандартным образцом».«Передача шкалы (измерений) (величины) - совокупность операций, имеющих целью воссоздание шкалы измерений (или ее участка) в соответствии с ее спецификацией».И в первом и во втором случаях определяемые термины поясняются другими терминами, содержание которых в терминосистеме не раскрыто. Далее возникают вопросы. Как, например, «размер» сопротивления в 10 Ом привести к «размеру» сопротивления 1 Ом? Что такое воссоздание шкалы, где, и в каком виде она воссоздается? Что подразумевается под спецификацией шкалы?Попробуйте представить передачу единицы массы 1 кг гире массой 200 г. Не знаю насколько это возможно вообразить, но, ассоциативно, процесс может выглядеть попыткой поместить троллейбус в газетный киоск.В международном словаре нет ни ««передачи единицы величины», ни ««передачи шкалы (измерений) (величины)». Процедуры сличения эталонов и сопоставления значений величин, обеспечиваемых эталонами, и показаний средств измерений называют калибровкой, а в отечественной метрологии - ещё и поверкой. Если так уж важно в определении эталона отразить его метрологическое назначение, то замена «передачи» на калибровку/поверку позволит сделать определение более понятным. В поддержку высказанного предложения привожу для сравнения два определения термина «рабочий эталон».РМГ 29: «Рабочий эталон» - это «эталон, предназначенный для передачи единицы величины или шкалы измерений средствам измерений».ѴІМЗ: «Рабочий эталон - эталон, который используют повседневно для калибровки или поверки средств измерений или измерительных систем».Из определения РМГ непонятно, чем «рабочий эталон» отличается от «эталона единицы величины или шкалы измерений» - их определения практически идентичны. В ѴІМЗ - все по существу.В новой редакции РМГ не нашлось места «эталону - копии», кардинально изменились определения терминов «первичный эталон» и «вторичный эталон.Согласно ѴІМЗ «реализация определения данной величины» в определении эталона может обеспечиваться измерительной системой, материальной мерой или стандартным образцом.«Measuring system» - «измерительная система» это «набор из одного или более средств измерений, а часто и других устройств, включая реактивы и источники питания, собранный и приспособленный, чтобы дать информацию, используемую для генерирования значений измеряемой величины в пределах установленных интервалов». Это определение похоже на давнее определение отечественного термина «эталонная установка» - «измерительная установка, предназначенная для воспроизведения единицы измерения с наивысшей точностью». В ГОСТ 16263 и в последующих терминологических документах из определения термина «эталонная установка» воспроизведение единицы измерения было необоснованно исключено. Однако реальная функция эталонных установок - воспроизведение величины с приписанным значением (приписанными значениями) соответствует определению термина «Measuring system».Измерительные приборы и измерительные преобразователи по определению не воспроизводят величины, и по своим функциональным возможностям не могут быть эталонами. Впрочем, материальные меры, стандартные образцы и измерительные системы, не воспроизводящие единицу величины, также эталонами (по определению) не являются.Можно было ожидать, что ситуация с эталонами прояснится с принятием ГОСТ Р 8.885-2015 «ГСИ. Эталоны. Основные положения». Однако классификация и описание назначения эталонов, основанные на терминах, приведенных в РМГ, не соответствует определениям этих терминов. Уместно будет упомянуть единственное нововведение, выявленное при чтении ГОСТ Р 8.885,-это названия: «эталонные меры», «эталонные измерительные приборы», приведенные без комментариев.Сравнивая в целом разделы «Эталоны» в Международном словаре и в РМГ 29-2013 можно сделать однозначный вывод, что наилучшим способом гармонизации терминов было бы радикальное решение: полная замена раздела 8 в РМГ на раздел 5 из словаря с минимальными редакционными правками, уточнениями и дополнениями. Менее привлекательным, но возможным, представляется возврат к редакции ГОСТ 16263-70, требующий основательного пересмотра терминов и их определений. Второй вариант выглядит предпочтительнее исходя из принципа сохранения преемственности, а также по экономическим соображениям, так как переход на международное определение эталона повлечет за собой необходимость переработки большого числа нормативных, методических документов, справочников, учебников. Однако следует принять во внимание, что определение отечественного термина «эталон» не согласуется с определением активно продвигаемого международного термина «метрологическая прослеживае-мость» - результат измерений с «нашим эталоном» соотнести нельзя.В качестве причин неудовлетворительного состояния терминосистемы в отношении эталонов можно выделить следующие:- неудачные редакционные правки и формальный подход при формулировании определений терминов в документах, принятых в развитие ГОСТ 16263;- некорректно проводимое заимствование («гармонизацию») определений терминов из Международного словаря;- несогласованность определений терминов в рамках терминосистемы. Выявленные противоречия в формулировании и взаимосвязи терминов необходимо быстро устранить, чтобы не допустить их распространения в нормативных документах и печатных изданиях2. Классификация эталоновПонятие Эталон Единицы является собирательным и включает в себя целый ряд производных понятий-эталонов, таких как "государственный эталон единицы", "первичный эталон", "специальный эталон", "вторичный эталон", "эталон-копия", "эталон сравнения", "эталон-свидетель" и "рабочий эталон".Такое многообразие эталонов, обусловлено структурой и реализацией системы обеспечения единства измерений отдельных физических величин. Очевидно, что достижению этой цели, прежде всего, будет способствовать применение одинаковых с точки зрения их определения единиц. В этом отношении очень важным этапом в решении обеспечения единства измерений явилась разработка международной системы единиц физических величин – СИ.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.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), 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.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.В настоящее время различают следующие виды эталонов:1. Первичный эталон - эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же единицы) точностью. Первичные эталоны подразделяются на национальные (государственные), международные и специальные.2. Вторичный эталон - эталон, получающий размер единицы непосредственно от первичного эталона данной единицы. Вторичные эталоны подразделяются на эталоны-копии и эталоны сравнения.3. Национальный эталон - эталон, признанный официальным решением служить в качестве исходного для страны. Первичный эталон, признанный решением уполномоченного на то государственного органа в качестве исходного на территории Российской Федерации, называется государственным первичным эталоном. Оба термина имеют адекватное значение. Термин "национальный эталон" применяется тогда, когда хотят подчеркнуть соподчиненность государственного эталона международному.4. Международный эталон - эталон, принятый по международному соглашению в качестве международной основы для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами.5. Специальный эталон - эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы в особых условиях и заменяющий для этих условий первичный эталон. Единица, воспроизводимая с помощью специального эталона, по размеру должна быть согласована с единицей, воспроизводимой с помощью соответствующего первичного эталона.6. Эталон-копия - вторичный эталон, предназначенный для передачи размеров единиц рабочим эталонам. Эталон-копия не всегда является физической копией государственного эталона, он копирует лишь метрологические свойства государственного эталона.7. Эталон сравнения - вторичный эталон, применяемый для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличены друг с другом.8. Рабочий эталон воспринимает размер единицы от вторичных эталонов и, в свою очередь, служит для передачи размера менее точному рабочему эталону (низшего разряда) или рабочим средствам измерений. Термин "рабочий эталон" заменил используемый ранее термин "образцовое средство измерений".9. 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.В зависимости от назначения и исполнения эталоны подразделяются следующим образом:- 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.В состав эталонов включают:1. средства воспроизведения единицы (первичные измерительные преобразователи, измерительные установки);2. средства хранения размеров единицы (меры);3. средства передачи размеров единицы (компараторы, эталоны сравнения);4. средства хранения и передачи размеров единицы (измерительные приборы);5. другие СИ и технические средства (средства контроля условий измерений, вычислительные средства, системы питания, измерительные принадлежности и др.).
Заключение
В связи с получением высоких показателей точности и надежности эталонов, построенных на использовании квантовых эффектов, в ближайшие годы ожидается создание других эталонов. В частности, появился новый эталон ампера, использующий косвенный метод измерений (воспроизведения) единицы силы постоянного электрического тока как отношения единицы электрического напряжения к единице электрического сопротивления, воспроизводимых эталонами вольта (на основе квантового эффекта Джозефсона) и ома (на основе квантового эффекта Холла). Особенностью квантового эталона ампера является использование метода косвенного измерения, что ранее считалось невозможным при централизованном воспроизведении основных единиц физических величин, основанном на соответствующем определении основной единицы. Однако высокая степень неизменности погрешности воспроизведения единиц величин, получаемая с помощью «квантовых» эталонов и ограничиваемая в числе других причин точностью фундаментальных физических констант (в частности, заряда электрона и постоянной Планка), позволяет снять существовавшие ранее естественные ограничения.Поэтому будут появляться эталоны, в том числе государственные, использующие для воспроизведения и хранения единиц производных величин квантовые эффекты. Фундаментальные физические константы с появлением новых методов и средств измерений уточняются. Например, проведенные совсем недавно измерения кванта магнитного потока (величина h/2e, имеющая размерность вебера), позволили уточнить суммарную погрешность до цифры 310-7 (до 1986 г. она считалась равной 410-6). Таким образом, соответственно будет возрастать точность квантовых эталонов» Способность воспроизводить единицу физической величины независимо от внешних условий, географического места, времени скоро позволит рассматривать квантовые эталоны как «вечные» меры.Следует предвидеть принципиальный характер замены многих современных эталонов квантовыми, как тех, которые были рассмотрены, так и ряда других эталонов производных величин. Действительно, если вернуться к размерностям производных величин, то большинство их связано с основными величинами и единицами длины, массы, времени, силы электрического тока. Если удастся создать эталон массы на основе возможностей ядерной физики, то, очевидно, значительная часть эталонов будет представляться «вечными» мерами. При этом метрологическое обеспечение рабочих средств измерений, многие виды которых также будут основаны на применении квантовых эффектов, потеряют ту зависимость от процедуры поверки (калибровки), которая имеется в настоящее время. Это, прежде всего, во многих случаях позволит от централизованного способа почерки (калибровки), привязанного к государственным эталонам, перейти к децентрализованным способам, что обеспечит экономию значительных средств и времени, затрачиваемых на поверку (калибровку) в соответствии с «многоэтажной» поверочной схемой. Демон поверки, довлевший все двадцатое столетие над измерительной техникой, уже в первые десятилетия XXI в. может быть низвержен. Но из этого не следует, что эталоны станут не нужны. Наоборот, они станут более точными «маяками».Широкое внедрение в метрологическую практику квантовых эффектов в определенной мере сдерживалось необходимостью использования дорогостоящих, неудобных в эксплуатации криостатов, использующих для достижения Ткр жидкий гелий. За последние годы получены многочисленные результаты возникновения квантовых эффектов при —190°С (жидкий азот) в особого вида высокотемпературных сверхпроводниках на основе керамических материалов. Микросхемы на основе таллий содержащих материалов обладают Ткр = —167 °С. Использование высокотемпературной сверхпроводимости позволит создавать сравнительно недорогие квантовые эталоны, а затем и рабочие средства измерений.
Список использованных источников
1. Тарбеев Ю. В. Государственные эталоны СССР. [Текст] / Ю. В. Тарбеев, В. А Балалаев - М.: Машиностроение, 2018. - 122 с.2. Кузнецов В. А. Метрология (теоретические, прикладные и законодательные основы): Учеб. пособие. [Текст] / В. А. Кузнецов, Г. В. Ялунина - М.: ИПК Издательство стандартов, 2018. - 188 с.3. Сергеев А. Г. Метрология: Учебное пособие для вузов. [Текст] / А. Г. Сергеев, В. В. Крохин - М.: Логос, 2018. - 56 с.4. Борисов Ю.И. Метрология, стандартизация и сертификация: Учебник. [Текст] / Ю.И. Борисов, А.С. Сигов и др.; Под ред. А.С. Сигова. - М. Форум: Инфра-М, 2019. - 205 с.5. Руководство по выражению неопределенности измерения. [Текст] - ВНИИМ, С-Пб.: 2017.6. РМГ29-99 "Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Термины и определения". [Текст] - М.: ИПК Изд-во стандартов, 2017. - 50 с.7. ГОСТРИСО9000-2005.Системы менеджмента качества. Основные положения и словарь. [Текст] - М.: ИПК Изд-во стандартов, 2018. -30 с.8. Шишкин И.Ф. Метрология, стандартизация и управление качеством. [Текст] / И.Ф. Шишкин - М.: Изд-во стандартов,2017. - 342 с.9. ГОСТ8.057-80 ГСИ. Эталоны единиц физических величин. Основные положения. [Текст] - М.: ИПК Изд-во стандартов, 2018. - 24 с.10. Сергеев А.Г. Сертификация: Учебное пособие для студентов вузов. [Текст] / А.Г. Сергеев, М.В. Латышев - М.: Издательская корпорация"Логос", 2018. -248 с.