Эталоны в метрологии

Обеспечение точности измерений — фундаментальная задача в науке, промышленности и повседневной жизни. Достижение этой точности невозможно без наличия общепринятых единиц измерения и средств для их воспроизведения и передачи. Таким средством служат эталоны.

Что такое эталон?

В самом простом смысле, эталон – это образец чего-либо, используемый для сравнения. Это некий стандарт, к которому можно обратиться, чтобы понять или определить характеристику другого объекта. Например, эталоном красоты служит признанный образец, а эталоном качества – продукт или услуга, считающиеся лучшими в своей категории.

В научной сфере понятие эталона приобретает более строгое определение.

В метрологии и физике эталон — это средство измерения (или комплекс средств измерений), предназначенное для воспроизведения и хранения единицы физической величины, передачи ее размера соответствующим средствам измерений. Эталон служит высшей материализацией единицы измерения, обеспечивая ее единообразие и сопоставимость результатов измерений во всем мире.

История возникновения эталонов

Необходимость стандартизации измерений возникла одновременно с развитием торговли и строительства. В разных культурах появлялись свои системы мер, часто основанные на антропометрических единицах (локоть, фут, палец) или природных явлениях (день, сезон). Однако они были локальными, неточными и различались даже в пределах одной страны.

Революция в области мер и весов произошла во Франции в конце XVIII века, кульминацией которой стало создание метрической системы. Тогда были созданы материальные эталоны метра и килограмма, изготовленные из платиново-иридиевого сплава, отличающегося высокой стабильностью. Это стало важным шагом к стандартизации измерений на международном уровне.

Виды эталонов

Система эталонов представляет собой сложную иерархию, обеспечивающую воспроизведение и передачу единиц измерения от самых точных к менее точным средствам измерений. Эта система включает в себя различные виды эталонов:

Первичный эталон

Воспроизводит единицу величины с наивысшей точностью, достижимой в данной области измерений. Это исходная база для всех измерений конкретной величины в стране или на международном уровне. Первичные эталоны, как правило, создаются на основе фундаментальных физических констант или явлений.

Вторичный эталон

Эталон, значение величины которого установлено путем сличения с первичным эталоном. Вторичные эталоны служат для передачи размера единицы рабочим эталонам и другим средствам измерения.

Национальный эталон

Первичный или вторичный эталон, официально утвержденный в качестве исходного для страны. Он является основой для обеспечения единства измерений на территории данного государства.

Международный эталон

Эталон, признанный международным соглашением в качестве основы для координации измерений на международном уровне.

Специальный эталон

Эталон, предназначенный для воспроизведения единицы в специфических условиях, которые могут влиять на точность измерений (например, при высоких давлениях или температурах), или для воспроизведения очень большого или очень малого значения величины.

Эталон-копия

Эталон с той же конструкцией и характеристиками, что и первичный, и воспроизводящий его размер с максимальной точностью. Используется для сохранения первичного эталона от износа при частых сличениях.

Эталон сравнения

Эталон, используемый для проверки других эталонов или высокоточных средств измерений путем проведения прямых сличений.

Рабочий эталон

Эталон, предназначенный для передачи размера единицы рабочим средствам измерений (приборам, используемым непосредственно на производстве, в лабораториях и т.д.). Рабочие эталоны калибруются или поверяются с помощью более высоких по иерархии эталонов.

Групповой эталон

Комплект однотипных эталонов, совместно применяемых для повышения стабильности и точности воспроизведения единицы величины. Значение величины группового эталона определяется как среднее значение измерений по его составляющим.

Для чего нужны эталоны?

Основное назначение – обеспечение единства измерений. Это означает, что результаты измерений одной и той же величины, выполненные в разное время, в разных местах и разными средствами измерения, должны быть сопоставимы.

Эталоны необходимы в самых разных сферах: 

• Наука и техника. Фундаментальные исследования и разработка новых технологий требуют чрезвычайно точных измерений. Эталоны предоставляют необходимую базу для этого.
• Производство и контроль качества. В любой отрасли промышленности для производства качественной продукции требуется точное соблюдение размеров, веса, температуры и других параметров. Эталоны обеспечивают возможность калибровки и поверки измерительных приборов, используемых в производственном процессе.
• Торговля. Точное измерение количества и качества товаров – основа справедливой торговли. Эталоны гарантируют точность торговых весов, мер объема и других измерительных средств.
• Медицина. Точность медицинских измерений (температуры, давления, дозировки лекарств) жизненно важна для диагностики и лечения.
• Законодательство и правоприменение. Результаты измерений часто используются в судебных разбирательствах и для обеспечения соблюдения законодательства (например, в области охраны окружающей среды).

Требования к эталонам

Требования к эталонам в метрологии являются основополагающими для обеспечения единства измерений и включают критерии, определяющие их свойства, виды, порядок содержания и применения. Соблюдение этих требований регулируется международными и национальными стандартами, а в Российской Федерации — Федеральным законом №102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений».

Ключевые требования к эталонам включают:

1. Неизменность показаний. Эталон должен сохранять свои метрологические характеристики и значения с течением времени, демонстрируя стабильность и надежность.
2. Воспроизводимость результатов. При использовании эталона должна быть обеспечена высокая степень повторяемости и точности, что снижает погрешности при передаче значения физической величины другим измерительным средствам.
3. Сличаемость со стандартами. Эталон должен обеспечивать возможность точного и надежного сравнения с другими измерительными средствами и эталонами, подтверждая их соответствие установленным нормам.

Где хранятся эталоны в России и за рубежом

Хранение эталонов – задача национального и международного значения. В России эту функцию выполняет Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт) и его научно-исследовательские институты:

• Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева (ВНИИМ) в Санкт-Петербурге. Здесь сосредоточены государственные эталоны, представляющие пять из семи основных единиц системы СИ: метр (длина), килограмм (масса), ампер (сила электрического тока), кельвин (термодинамическая температура) и кандела (сила света).
• Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) является хранителем российского государственного первичного эталона единицы времени (ГЭТ 1-2018).
• Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений (ВНИИОФИ). Здесь хранятся государственные первичные эталоны в области оптических и физических измерений.

На международном уровне хранение и поддержание международных эталонов возложено на Международное бюро мер и весов (BIPM, МБМВ). Эта организация, штаб-квартира которой расположена в городе Севр, пригороде Парижа, Франция, ответственна за широкий спектр международных эталонов, включая эталон координированного универсального времени (UTC) и ключевые квантовые эталоны метра и килограмма. BIPM играет центральную роль в обеспечении единообразия измерений на мировом уровне.

Заключение

Эталоны – это не просто измерительные приборы или материальные объекты. Это основа мировой метрологической инфраструктуры, гарантия достоверности и сопоставимости измерений, движущая сила научно-технического прогресса. Они обеспечивают доверие к результатам измерений, что является необходимым условием для развития науки, промышленности и общества в целом.

Список источников

• Сергеев А., Терегеря В., Латышев М. Метрология, стандартизация, сертификация. – Litres, 2017.
• Донченко С. И. ВНИИФТРИ-один из главных центров государственных эталонов России //Мир измерений. – 2018. – №. 1. – С. 8-10.
• Менделеева Д. И., Пронин А. Н. Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. ДИ Менделеева» ФГУП «ВНИИМ им. ДИ Менделеева». – 2023.
• за кафедрой МиРЭ З. Метрология, стандартизация и сертификация. – 2002.
• Черепанов О. А. Метрология без эталонов //Нефтегазовое дело. – 2006. – Т. 4. – №. 1. – С. 263-278.