Воспроизведение единиц физических величин. Единство измерений

     Посредством этих процедур, осуществляемых путем  сличений менее точных средств измерений  с более точными средствами, размеры  единиц, заложенные в средства измерений, последовательно приводят к размерам единиц, воспроизводимых и (или) хранимых соответствующими эталонами.

     Использовать  при градуировке, калибровке, поверке  средств измерений (СИ) государственные  эталоны нельзя. Эти уникальные средства являются национальным достоянием, основой  технической независимости страны. Поэтому при централизованном воспроизведении  единиц величин создают строгую, метрологически взаимоподчиненную, иерархическую  систему передачи размеров единиц.

     В этой системе размеры единиц от эталонов ередают с помощью средств  измерений специального назначения называемых образцовыми средствами измерений.

     Специфичность образцовых средств измерений (ОСИ) заключается именно в их метрологическом  назначении — эти средства измерений  используются только в процедурах передачи размеров единиц. С целью обеспечения  долговременной стабильности метрологических  свойств образцовых средств измерений, использовать их в других целях запрещается.

     Средства  измерений, используемые для измерений  не связанных с передачей размеров единиц, называются рабочими средства измерения.

     Разделение  средств измерений на образцовые и рабочие является, в некоторой  степени, условным и определяется только метрологическим назначением СИ и не связано, в большинстве случаев, с их конструктивными или иными особенностями. Только очень ограниченное число типов средств измерений специально проектируется и выпускается как образцовые СИ. Основная масса средств измерений выпускается без указания их метрологического назначения. Затем в процессе эксплуатации конкретные экземпляры средств измерений отбираются для использования в качестве образцовых средств измерений.

     Утверждение средств измерений в качестве ОСИ осуществляется органами государственной метрологической службы на основании всестороннего исследования метрологических свойств этих средств измерений в процессе их метрологической аттестации. Определяющим критерием при утверждении средств измерений в качестве ОСИ является высокая временная стабильность метрологических характеристик этих средств и малая, по сравнению с другими экземплярами однотипных средств измерений, случайная составляющая погрешности.

     Поскольку стабильность метрологических свойств  СИ во многом определяется интенсивностью их эксплуатации, использование рабочих  средств измерений, даже высокой  точности, в процедурах передачи размеров единиц без предварительной метрологической  аттестации запрещается.

     По  метрологическому взаимоподчинению и, следовательно, по точности образцовые средства измерений подразделяются на разряды. Образцовые средства измерений, получающие размер единицы непосредственно  от эталонов, относятся к первому  разряду, далее, по мере уменьшения точности, следуют ОСИ второго разряда, третьего и т. д.

     Номенклатура, число разрядов ОСИ и количество ОСИ каждого разряда должны быть достаточны для передачи размера  единицы всем без исключения средствам  измерений каждой из измеряемых величин.

     Следует отметить, что на каждом этапе передачи размера единицы от одного средства измерений к другому происходит накопление погрешностей. Поэтому, при  значительном числе ступеней передачи размера единицы (значительное число  разрядов ОСИ) простейшему из рабочих  средств измерений можно гарантировать только весьма низкую точность. С другой стороны, при малом числе разрядов ОСИ и значительном количестве соподчиненных с ними средств измерений необходимо, с целью обеспечения оперативности Передачи размера единицы, увеличивать количество образцовых средств измерений каждого разряда. При этом существенно возрастает интенсивность использования эталона, что может привести к его преждевременному износу и потере требуемых метрологических свойств. Поэтому определение оптимального числа разрядов ОСИ для каждой из измеряемых величин является сложной технико-экономической задачей.

     При определении числа разрядов образцовых средств измерений учитывают  запас по точности эталона, общее  количество эксплуатируемых средств  измерений каждого уровня точности и назначение этих СИ, стоимость  продукции, контролируемой этими СИ и требуемую точность рабочих  средств измерений низшей точности как правило, наиболее многочисленных.

     Подобным  образом структура передачи размера  единицы формируется для каждой измеряемой величины в соответствии с положениями МИ 83-76 и оформляется  в виде специальной схемы - поверочной схемы.[4] 

     4.2 Методы передачи  размеров единиц 

     Метрологическое качество и производительность работ  по передаче средствам измерений  размеров единиц величин во многом зависит от рационального выбора метода передачи.

     В метрологической практике повсеместно  используются следующие методы передачи размеров единиц:

1. метод непосредственного сличения;
2. метод сличения с помощью компаратора (сравнивающего устройства);
3. метод прямых измерений;
4. метод косвенных измерений.

     Метод непосредственного  сличения заключается в сличении показаний образцового и контролируемого средств измерений, проводимого без применения каких-либо сравнивающих или иных технических средств.

     Метод используется при градуировке, калибровке, поверке измерительных приборов и ряда мер (например, мер вместимости) низкой и средней точности. Это  наиболее технически простой метод, не требующий высокой квалификации оператора. При определенных условиях метод позволяет с помощью  одного образцового прибора определять метрологические характеристики значительного  числа одновременно включенных однотипных контролируемых измерительных приборов. Например, при определении характеристик  счетчиков электрической энергии  методом непосредственного сличения число одновременно включенных приборов может составлять несколько сотен.

     Метод сличения с помощью  компаратора состоит в сравнении входной величины контролируемого измерительного прибора или величины, воспроизводимой контролируемой мерой, с величиной, воспроизводимой образцовой мерой, с помощью сравнивающего устройства.

     Метод используется при градуировке, калибровке, поверке измерительных приборов, мер, измерительных преобразователей предельно высокой точности. Для  исключения систематических погрешностей, возникающих при передаче размеров единиц, широко используются методы, рассмотренные  в разделе 2.6.3., в частности, методы замещения, противопоставления, компенсации  погрешности по знаку. При этом могут  применяться различные устройства сравнения - нулевые, дифференциальные, термоэлектрические, интерференционные  и ряд других, что делает этот метод наиболее технически и методически  сложным и требует операторов высокой метрологической квалификации.

     Метод прямых измерений  в свою очередь можно подразделить на следующие два метода:

1. прямое измерение контролируемым измерительным прибором величины, полученной с помощью образцового средства измерений (образцовой меры);
2. прямое измерение образцовым средством измерений (образцовым прибором) величины, воспроизводимой контролируемой мерой.

     Данный  метод технически просто поддается  автоматизации и является наиболее производительным методом передачи размеров единиц для мер и измерительных  приборов. В последнее время метод  получил широкое распространение  благодаря появлению на рынке  достаточно точных образцовых многозначных мер различных величин — калибраторов. Наличие простых в управлении переносных калибраторов позволяет  осуществлять передачу размеров единиц техническим средствам измерении  непосредственно на месте их установки.

     К методу прямых измерений можно отнести  также независимую калибровку (поверку), проводимую без применения образцовых средств измерений и представляющую собой, по сути, совокупные измерения.

     Данный  метод возник при разработке особо  точных средств измерений, определение  погрешности которых невозможно другими методами. Однако этот метод  применим только к тем средствам  измерений, принцип действия которых  базируется на отношении одноименных  параметров измерительной цепи (делители напряжения, потенциометры постоянного  тока).

     Например, для делителей напряжения основной параметр — коэффициент деления - зависит не от конкретных значений электрического сопротивления плеч, а от отношения этих значений. Поэтому  при определении погрешности  коэффициента деления нет необходимости  в передаче этому делителю размера  единицы сопротивления, а достаточно определить соотношение сопротивлений  плеч. В данном случае метод реализуется  в последовательном выделении и  сравнении между собой одноименных  параметров измерительной цепи, имеющих  равные номинальные значения.

     Метод косвенных измерений. При реализации этого метода значение величины на выходе контролируемой меры или на входе контролируемого измерительного прибора определяется косвенно, путем прямых измерений других величин, связанных с искомой величиной известной зависимостью. Из всех рассмотренных методов метод косвенных измерений является наименее производительным. Для обеспечения достоверности передачи размеров единиц этим методом приходится предъявлять повышенные требования к образцовым средствам измерений и вспомогательному оборудованию, жестко фиксировать условия проведения измерений. Метод косвенных измерений применяется в тех случаях, когда другие методы передачи размеров единиц не могут быть реализованы или когда косвенные измерения более точны или более просты по сравнению с прямыми измерениями. [4]

      Заключение 

     Исследована общая структура системы ВЕПР, выявлены ее подсистемы и элементы. На основе представления обобщенного  элемента системы средств ВЕПР –  метрологических средств измерений  в виде мер, приборов и преобразователей, получены возможные типы связей между  элементами (методы передачи размеров единиц). Показано, что метод непосредственных сличений и метод косвенных измерений  не смогут служить методами передачи размеров единиц. Рассмотрены основные свойства системы воспроизведения  единиц. Проанализированы входные параметры  системы, уравнение воспроизведения  единицы и условие сопоставимости при децентрализованном воспроизведении  единицы.

     Разработаны основы теории, комплексно учитывающей  весь спектр вопросов, связанных с  проблемой воспроизведения единиц физических величин и передачи их размеров и построением соответствующей  системы ВЕПР.

      Список литературы 

1. Балалаев  В.А., Слаев В.А., Синяков А.И. Теория систем воспроизведения единиц и  передачи их размеров[Текст]: Науч. Издание - учеб. пособие/ В.А. Балалаев.- СПб: НПО «Профессионал», 2004.
2. Димов, Ю.В. Метрология, стандартизация и сертификация[Текст]: учебник для вузов/Ю.В.Димов.-2-е изд.-СПб.: Питер, 2004,-432с.
3. Сергеев А.Г., Крохин В.В. Метрология[Текст]: Учеб. пособие для вузов/ А.Г. Сергеев.- М.: Логос, 2001.