Глава 27. Средства измерений

Виды средств измерений. Эталоны, их классификация. Перспективы развития эталонов

Виды средств измерений

Для практического измерения единицы величины применяют­ся технические средства, которые имеют нормированные погреш­ности и называются средствами измерений. К средствам измере­ний относятся: меры, измерительные преобразователи, измери­тельные приборы, измерительные установки и системы, изме­рительные принадлежности.

Мерой называют средство измерения, предназначенное для воспроизведения физических величин заданного размера. К данному виду средств измерений относятся гири, концевые ме­ры длины и т.п. На практике используют однозначные и мно­гозначные меры, а также наборы и магазины мер. Однозначные меры воспроизводят величины только одного размера (гиря). Многозначные меры воспроизводят несколько размеров физиче­ской величины. Например, миллиметровая линейка дает воз­можность выразить длину предмета в сантиметрах и в милли­метрах.

Наборы и магазины представляют собой объединение (сочетание) однозначных или многозначных мер для получения возможности воспроизведения некоторых промежуточных или суммарных значений величины. Набор мер представляет собой комплект однородных мер разного размера, что дает возмож­ность применять их в нужных сочетаниях, например, набор ла­бораторных гирь. Магазин мер — сочетание мер, объединенных конструктивно в одно механическое целое, в котором преду­смотрена возможность посредством ручных или автоматизиро­ванных переключателей, связанных с отсчетным устройством, со­единять составляющие магазин меры в нужном сочетании. По тако­му принципу устроены магазины электрических сопротивлений.

К однозначным мерам относят стандартные образцы и стан­дартные вещества. Стандартный образец — это должным обра­зом оформленная проба вещества (материала), которая подверга­ется метрологической аттестации с целью установления количест­венного значения определенной характеристики. Эта характе­ристика (или свойство) является величиной с известным значе­нием при установленных условиях внешней среды. К подоб­ным образцам относятся, например, наборы минералов с кон­кретными значениями твердости (шкала Мооса) для определения этого параметра у различных минералов.

Стандартным образцом является, например, образец чис­того цинка, который служит для воспроизведения температуры 419,527°С по международной температурной шкале МТШ-90.

При пользовании мерами следует учитывать номинальное и действительное значения мер, а также погрешность меры и ее разряд. Номинальным называют значение меры, указанное на ней. Действительное значение меры должно быть указано в специальном свидетельстве как результат высокоточного измерения с ис­пользованием официального эталона.

Разность между номинальным и действительным значения­ми называется погрешностью меры. Величина, противоположная по знаку погрешности, представляет собой поправку к указан­ному на мере номинальному значению. Поскольку при аттеста­ции (поверке) также могут быть погрешности, меры подразде­ляют на разряды (1-го, 2-го и т.д. разрядов) и называют разряд­ными эталонами (образцовые измерительные средства), которые используют для поверки измерительных средств. Величина по­грешности меры служит основой для разделения мер на клас­сы, что обычно применимо к мерам, употребляемым для тех­нических измерений.

Измерительный преобразователь — это средство измерений, которое служит для преобразования сигнала измерительной информации в форму, удобную для обработки или хранения, а также передачи в показывающее устройство. Измерительные преобразователи либо входят в конструктивную схему измери­тельного прибора, либо применяются совместно с ним, но сиг­нал преобразователя не поддается непосредственному воспри­ятию наблюдателем. Например, преобразователь может быть необходим для передачи информации в память компьютера, для усиления напряжения и т.д. Преобразуемую величину называют входной, а результат преобразования — выходной величиной. Ос­новной метрологической характеристикой измерительного преоб­разователя считается соотношение между входной и выходной ве­личинами, называемое функцией преобразования.

Преобразователи подразделяются на первичные (непо­средственно воспринимающие измеряемую величину), пере­дающие, на выходе которых величина приобретает форму, удобную для регистрации или передачи на расстояние; про­межуточные, работающие в сочетании с первичными и не влияющие на изменение рода физической величины.

Измерительные приборы — это средства измерений, которые позволяют получать измерительную информацию в форме, удобной для восприятия пользователем. Различаются измери­тельные приборы прямого действия и приборы сравнения.

Приборы прямого действия отображают измеряемую величи­ну на показывающем устройстве, имеющем соответствующую градуировку в единицах этой величины. Изменения рода физической величины при этом не происходит. К приборам прямого действия относят, например, амперметры, вольтметры, термометры и т.п.

Приборы сравнения предназначаются для сравнения изме­ряемых величин с величинами, значения которых известны. Такие приборы широко используются в научных целях, а также и на практике для измерения таких величин, как яркость ис­точников излучения, давление сжатого воздуха и др.

Измерительные установки и системы — это совокупность средств измерений, объединенных по функциональному при­знаку со вспомогательными устройствами, для измерения од­ной или нескольких физических величин объекта измерений. Обычно такие системы автоматизированы и обеспечивают ввод информации в систему, автоматизацию самого процесса изме­рения, обработку и отображение результатов измерений для восприятия их пользователем. Такие установки (системы) ис­пользуют и для контроля (например, производственных про­цессов), что особенно актуально для метода статистического контроля, а также принципа TQM в управлении качеством (см. гл. 6).

Измерительные принадлежности — это вспомогательные средства измерений величин. Они необходимы для вычисления поправок к результатам измерений, если требуется высокая степень точности. Например, термометр может быть вспомога­тельным средством, если показания прибора достоверны при строго регламентированный температуре; психрометр — если строго оговаривается влажность окружающей среды.

Следует учитывать, что измерительные принадлежности вносят определенные погрешности в результат измерений, свя­занные с погрешностью самого вспомогательного средства.

По метрологическому назначению средства измерений де­лят на два вида — рабочие средства измерений и эталоны. Рабочие средства измерений применяют для определения па­раметров (характеристик) технических устройств, техноло­гических процессов, окружающей среды и др. Рабочие средства могут быть лабораторными (для научных исследо­ваний), производственными (для обеспечения и контроля заданных характеристик технологических процессов), поле­выми (для самолетов, автомобилей, судов и т.п.). Каждый из этих видов рабочих средств отличается особыми показателя­ми. Так, лабораторные средства измерений — са­мые точные и чувствительные, а их показания характеризу­ются высокой стабильностью. Производственные об­ладают устойчивостью к воздействиям различных факторов производственного процесса: температуры, влажности, виб­рации и т.п., что может сказаться на достоверности и точно­сти показаний приборов. Полевые работают в условиях, постоянно изменяющихся в широких пределах внешних воз­действий.

Особым средством измерений является эталон.

Эталоны, их классификация

Эталон — это высокоточная мера, предназначенная для воспроизведения и хранения единицы величины с целью пере­дачи ее размера другим средствам измерений. От эталона еди­ница величины передается разрядным эталонам, а от них — ра­бочим средствам измерений.

Эталоны классифицируют на первичные, вторичные и ра­бочие.

Первичный эталон — это эталон, воспроизводящий единицу физической величины с наивысшей точностью, возможной в данной области измерений на современном уровне научно-технических достижений. Первичный эталон может быть на­циональным (государственным) и международным.

Национальный эталон утверждается в качестве исходного средства измерения для страны национальным органом по мет­рологии. В России национальные (государственные) эталоны утверждает Госстандарт РФ.

Международные эталоны хранит и поддерживает Междуна­родное бюро мер и весов (МБМВ). Важнейшая задача деятель­ности МБМВ состоит в систематических международных сли­чениях национальных эталонов крупнейших метрологических лабораторий разных стран с международными эталонами, а также и между собой, что необходимо для обеспечения досто­верности, точности и единства измерений как одного из усло­вий международных экономических связей. Сличению подле­жат как эталоны основных величин системы СИ, так и производных. Установлены определенные периоды сличения. На­пример, эталоны метра и килограмма сличают каждые 25 лет, а электрические и световые эталоны — один раз в 3 года.

Первичному эталону соподчинены вторичные и рабочие (разрядные) эталоны. Размер воспроизводимой единицы вто­ричным эталоном сличается с государственным эталоном. Вто­ричные эталоны (их иногда называют «эталоны-копии») могут утверждаться либо Госстандартом РФ, либо государственными научными метрологическими центрами, что связано с особен­ностями их использования. Рабочие эталоны воспринимают размер единицы от вторичных эталонов и в свою очередь слу­жат для передачи размера менее точному рабочему эталону (или эталону более низкого разряда) и рабочим средствам из­мерений.

Самыми первыми официально утвержденными эталонами были прототипы метра и килограмма, изготовленные во Фран­ции, которые в 1799 г. были переданы на хранение в Нацио­нальный архив Франции, поэтому их стали называть «метр Ар­хива» и «килограмм Архива». С 1872 г. килограмм стал опреде­ляться как равный массе «килограмма Архива». Каждый эталон основной или производной единицы Международной системы СИ имеет свою интересную историю и связан с тонкими науч­ными исследованиями и экспериментами.

Например, принятый в 1791 г. Национальным собранием Франции эталон метра, равный одной десятимиллионной части четверти дуги парижского меридиана, в 1837 г. пришлось пере­смотреть. Французские ученые установили, что в четверти ме­ридиана содержится не 10 млн., а 10 млн. 856 метров. К тому же известно, что происходят, хотя и незначительные, но все же постоянные изменения формы и размера Земли. В связи с этим 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.

Уже в XX 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.

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». Именно этот экземпляр эталона по решению I Генеральной конференции по мерам и весам был утвержден как международный эталон мет­ра и хранится в г. Севре (Франция). Остальные 30 эталонов бы­ли переданы разным государствам. Россия получила № 28 и № 11, причем в качестве государственного был принят эталон № 28.

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 1/299792458 доли секунды в условиях вакуума. Следует отме­тить, что на этой же конференции было объявлено точно опре­деляемое современной наукой значение скорости света.

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, причем № 12 утвержден в качестве госу­дарственного эталона массы (рис. 27.1). Прототип № 26 ис­пользовался как вторичный эталон.

Рис. 27.1. Эталон килограмма

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, температура воздуха поддерживается в преде­лах 20 ± 3°С, относительная влажность 65%. Один раз в 10 лет с ним сличаются два вторичных эталона. При сличении с меж­дународным эталоном наш национальный эталон массы полу­чил значение 1,0000000877 кг. Для передачи размера единицы массы от прототипа № 12 вторичным эталонам используются специальные весы № 1 и № 2 с дистанционным управлением на 1 кг; весы № 1 изготовлены фирмой «Рупрехт», а № 2 — НПО «ВНИИМ им Д.И. Менделеева». Погрешность воспроиз­ведения килограмма составляет 2 • 10^-9.

За 100 с лишним лет существования описанного прототипа килограмма, конечно, были попытки создать более современ­ный эталон на основе фундаментальных физических констант масс различных атомных частиц (протона, электрона и т.д.). Однако на современном уровне научно-технического прогресса пока не удалось воспроизвести этим новейшим методом массу ки­лограмма с меньшей погрешностью, чем существующая.

Отклонения массы эталонов, определяемые при междуна­родных сличениях, показывают достаточную степень ее ста­бильности. В табл. 27.1 приведены результаты двух сличений.

Таблица 27.1. Результаты международных сличений эталона массы

Страна*	Номер эталона	Отклонение массы эталона, мг	Разность массы эталонов
Первое сличение	Второе сличение
Международ­ный эталон МБМВ Франция СССР США Япония Италия Швейцария		+0,162 +0,191 +0,068 -0,039 +0,169 +0,018 +0,183	+0,128 +0,183 +0,085 -0,019 +0,170 +0,018 +0,214	-0,034 -0,008 +0,017 +0,02 +0,001 0,000 +0,031