Эталоны. 
Стандартизация, подтверждение соответствия, метрология

Основной задачей метрологии является обеспечение единства измерений. Решение этой задачи невозможно без создания эталонной базы.

Слово «эталон» — французского происхождения (etalon), что означает образец, мера. Определение эталона закреплено Федеральным законом об обеспечении единства измерений: «Эталон единицы величины — средство измерений, предназначенное для воспроизведения и хранения единицы величины (или кратных либо дольных значений единицы величины)» .

По мнению специалистов, это определение неточно отражает суть понятия, так как эталоны воспроизводят и хранят не только единицы измерений, но и шкалы измерений. К тому же немногие современные государственные эталоны воспроизводят номинальное, кратное или дольное значение единицы измеряемой величины. Так, государственный эталон единицы электрического сопротивления воспроизводит 12 906,4035 Ом; 6 453,29 175 Ом и 1,0 Ом. Цезиевый репер частоты воспроизводит интервал времени (период колебаний), равный 1/9 122 631 770 части секунды. Для многих эталонов указывают не значения единиц, а диапазоны.

В реальности эталон может воспроизводить любое значение величины (любую точку или часть шкалы), лишь бы эти значения были известны с требуемой точностью и стабильно воспроизводились.

Таким образом, наиболее точным является определение эталона, закрепленное в ГОСТ 8.057−80 «ГСП. Эталоны единиц физических величин. Основные положения»: «Эталоны (исходные для страны и подчиненные им) создают для воспроизведения и (или) хранения единиц физических величин и передачи их размера средствам измерений, применяемым в стране с целью обеспечения единства измерений». В этом определении отмечается, что эталон передает размер величины или шкалу, а не значение величины.

Конструкция эталона, его физические свойства и способ воспроизведения единицы определяются физической величиной, единица которой воспроизводится, и уровнем развития измерительной техники в данной области измерений.

Эталон должен обладать такими обязательными свойствами, как неизменность, воспроизводимость и сличаемость.

Неизменность обусловливается способностью 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 тому измерению.

Реализация этой особенности привела к идее создания естественных эталонов различных физических величин, основанных на природном (собственном) и воспроизводимом свойстве явления или вещества. Например, ячейка тройной точки воды является естественным эталоном термодинамической температуры. Или образец меди можно рассматривать как естественный эталон электропроводности.

Воспроизводимость — это возможность воспроизведения единицы физической величины 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 внесения соответствующих поправок.

Сличаемость дает возможность обеспечения сличения с эталоном других средств измерений, 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 результате сличений и сами не претерпевают изменений при проведении сличений.

Большое количество средств измерений вызывает необходимость их классификации по иерархическому принципу. Именно по такому принципу построены поверочные схемы для средств измерений отдельных физических величин, которые, как правило, закреплены в нормативных документах. В них устанавливается номенклатура и соподчиненность средств измерений данной физической величины, которая обеспечит рациональную систему передачи размера единицы от единого исходного образца всем имеющимся в стране средствам измерений с заданной точностью.

Классификация эталонов представлена на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Классификация эталонов.

Эталон, воспроизводящий единицу физической величины с наивысшей точностью, достигнутой в данной области измерений, называется первичным.

Основанием для создания первичного эталона является: широкое распространение рабочих средств измерений, градуированных в данных единицах; целесообразность воспроизведения единицы в органе Росгидромета; техническая возможность создания эталона и передачи размера единицы, воспроизводимой им с необходимой точностью.

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.

Специальные эталоны воспроизводят единицы в условиях, в которых прямая передача размера единицы от первичного эталона с требуемой точностью технически неосуществима (высокие и сверхвысокие частоты; малые и большие энергии, температуры, особые состояния вещества и т. п.).

Первичные и специальные эталоны являются исходными для страны, и их утверждают в качестве государственных эталонов. Им присваивают наименование «Государственный первичный эталон» и «Государственный специальный эталон». Статус первичных эталонов присваивается Росстандартом. Кроме того, Росстандарт хранит и применяет государственные эталоны.

По приоритету воспроизведения и хранения единицы первичному эталону соподчиняются вторичные эталоны. Основанием для создания подчиненных эталонов является целесообразность предохранения исходного эталона от преждевременного износа; наиболее рациональная организация поверочных работ; обеспечение сличений эталонов; контроль за неизменностью размера величины, воспроизводимой исходным эталоном.

Размер единицы, воспроизводимой вторичными эталонами, поддерживаются с помощью первичных (государственных) эталонов. Вторичные эталоны утверждаются в зависимости от особенностей их применения Росстандартом или соответствующими научно-исследовательскими институтами.

К вторичным эталонам относят эталоны-копии, эталоны сравнения и рабочие эталоны.

Эталоны-копии предназначены для передачи размера единицы рабочим эталонам.

Эталоны сравнения предназначены для взаимного сличения эталонов, которые по тем или иным причинам нельзя непосредственно сличать друг с другом.

Рабочие эталоны получают размер единицы, как правило, от вторичного эталона и служат для передачи размера единицы другим рабочим эталонам (меньшей точности) и рабочим средствам измерений.

До 1994 г. в нашей стране применялся термин «образцовое средство измерений», которое служило промежуточным звеном между эталоном и рабочим средством. С целью гармонизации терминов с международной метрологической терминологией было принято решение именовать образцовые средства измерений рабочими эталонами первого, второго, третьего и четвертого разрядов.

В ряде случаев вторичные эталоны могут быть не только в Госстандарте, но и других ведомствах, где они являются исходными средствами измерений в метрологических службах ведомств и обычно называются ведомственными эталонами.

Одиночный эталон состоит из одного средства измерений или одной измерительной установки, которые обеспечивают воспроизведение или хранение единицы самостоятельно, без участия средств измерений того же типа.

Групповой эталон состоит из совокупности однотипных средств измерений, применяемых как одно целое для повышения точности и метрологической надежности эталона. Групповые эталоны могут иметь переменный или постоянный состав. В групповые эталоны переменного состава входят средства измерений, которые периодически заменяются новыми.

Отдельные средства измерений, входящие в групповой эталон, могут применяться в качестве одиночных эталонов меньшей точности при условии, что это не противоречит правилам хранения и применения эталонов.

Эталонный набор представляет собой набор средств измерений, позволяющих хранить единицу или измерять физическую единицу в определенном диапазоне, в котором отдельные средства измерений имеют различные номинальные значения или диапазоны измерений. Различают эталонные наборы постоянного или переменного состава.

В отдельных случаях рабочие средства измерений могут превосходить по точности рабочие эталоны того или иного разряда. Создание высокоточных рабочих средств измерений диктуется необходимостью измерений параметров и характеристик прецизионных технологических процессов (высоких технологий) или высокоточных технических устройств, например в космическом ракетостроении.

Перечень эталонов не повторяет перечня физических величин. Для ряда величин эталоны не создаются, так как нет возможности непосредственно сравнивать соответствующие физические величины. Например, нет эталона площади. Не создаются эталоны и в том случае, если единица физической величины воспроизводится с достаточной точностью на основе сравнительно простых средств измерений других физических величин.

Эталоны хранятся в метрологических научно-исследовательских институтах России (табл. 4.10).

Таблица 4.10

Распределение количества эталонов по областям измерений и метрологическим научноисследовательским институтам

Аттестация эталонов величин осуществляется в соответствии с приказом Росстандарта от 31.05.2012 № 379 «Об утверждении временного порядка аттестации и утверждения эталонов единиц величин, используемых в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений». В этом приказе определены порядок первичной и периодической аттестации, документы, оформляемые, но результатам и межповерочные интервалы.