Московский государственный университет печати

Мерой в метрологии называют средство измерения в виде какого-либо тела, вещества или устройства, предназначенное для воспроизведения единицы физической величины, хранения единицы и передачи ее размера от одного измерительного прибора к другому. Мера воспроизводит величину, значение которой связано с принятой единицей определенным известным соотношением. В отличие от эталона мера воспроизводит не только единицу, но и дольные и кратные значения последней. Например, концевой мерой длины является не только метровый стержень, но и набор концевых мер различного размера, называемых плитками Иогансона.

Меры массы - это не только эталонные килограммовые гири и их копии, но так называемые разновесы, т. е. меры массы других размеров.

Поскольку метрология постоянно опирается на процесс передачи размера единицы от одного прибора к другому, меры являются основой измерений, одной из основ метрологии. Во многих странах, в том числе и в России, создавались специальные хранилища мер, в функции которых входило наряду с другими функциями сличение государственных мер с международными. В России такое хранилище было образовано в 1842 г. как Депо образцовых мер, а в 1893 г. была учреждена Главная палата мер и весов под руководством Д.И. Менделеева.

Меры как средства измерений могут изготавливаться различных классов точности, которые регламентируются соответствующими ГОСТами и поверочными схемами.

Особый класс мер представляют собой так называемые стандартные образцы.

Стандартный образец - мера в виде вещества, при помощи которой размер единицы физической величины воспроизводится как свойство или как состав вещества, из которого изготовлен стандартный образец. Примером стандартного образца, в котором метрологи используют свойства вещества, является фолиевая кислота. При сжигании определенной массы фолиевой кислоты выделяется строго определенное количество теплоты.

Процесс воспроизведения единицы количества теплоты может быть реализован сжиганием навески фолиевой кислоты в каком-либо замкнутом объеме. Многочисленные примеры стандартных образцов состава - различные вещества, например металлы и сплавы с точно определенным составом по большому числу примесей. Для отечественных стандартных образцов состав анализируется в нескольких аналитических лабораториях, и в том случае, когда результаты анализа сходятся, составляется паспорт на стандартный образец и он заносится в Госреестр стандартных образцов.

Стандартные образцы, также как другие меры, периодически сличаются, хранятся в метрологических предприятиях или участках. В Российской Федерации ведется Государственный Реестр стандартных образцов в специальном институте в Екатеринбурге.

Особое место в системе мер занимают специфические стандартные образцы состава - поверочные газовые смеси. Эти стандартные образцы по многим показателям отличаются от стандартных образцов в виде твердых объектов или жидкостей. Самое главное отличие такой меры от других типов мер является то, что поверочная газовая смесь в процессе измерения расходуется. При этом состав газовой смеси может измениться. С этим связано второе отличие поверочной газовой смеси (ПГС) от других мер - невозможно хранить ту смесь, которая анализируется. Поэтому обычно готовится партия сосудов под давлением (баллонов) с какой-либо ПГС. Затем выборочно несколько баллонов анализируется на приборах. Если при этом получается хорошая сходимость результатов, то остальным баллонам из этой партии приписывается состав, полученный при анализе состава выбранных баллонов.

Определив содержание таких понятий, как измеряемый прибор и мера, можно определить различные типы поверки измерительных приборов.

Первый тип поверки - использование образцовой меры, аттестованной в соответствии со стандартами. Такая поверка может выполняться любой службой, в том числе и ведомственной.

Второй тип поверки - сличение показаний прибора с показаниями образцового прибора или образцовой установки. Такой тип поверки обычно проводится в специальных заведениях- центрах стандартизации и метрологии. Это связано с тем, что образцовая аппаратура имеет более высокий класс точности и, соответственно, имеет высокую стоимость. Иметь такие приборы на предприятиях и ведомствах иногда нецелесообразно.

Третий тип поверки - поэлементно-эквивалентный метод. Это самый трудоемкий тип поверки. Сущность его заключается в том, что если прибор имеет, например, первичный преобразователь, усилитель, аналогово-цифровой преобразователь и какие-либо вспомогательные устройства, то работоспособность и погрешности определяют для всех составных частей, не поверяя прибор как целое. В этом случае в зависимости от типа составляющих они могут поверяться как приборы, измеряющие физические величины, отличные от тех, для измерения которых предназначен прибор. Например, анализатор какого-либо экзотического вещества типа сероводорода или паров синильной кислоты может иметь оптический датчик, электроизмерительный преобразователь и частотомер. В таком приборе можно поверять отдельно оптическую, электрическую и частотную части и делать выводы о работоспособности и классе точности прибора как измерителя концентрации. В ряде задач, особенно для измерения новых величин либо по их характеру, либо по диапазону, поэлементно-эквивалентный метод поверки оказывается самым подходящим, а иногда и единственно возможным.

В заключении рассмотрения мер и особенностей их использования упомянем возможные экзотические меры, которые иногда используются в обеспечении единства измерений. Например, при метрологическом обеспечении фотометров использовался свет определенной звезды на небосводе. Было тщательно измерено относительное спектральное распределение энергии в спектре этой звезды, наблюдаемое в различных точках нашей страны. После того как установили факт постоянства энергетических характеристик излучения звезды, соответствующая методика была узаконена для поверки ультрафиолетовых фотометров.

Для поверки некоторых типов приборов не нужны ни меры, ни образцовые приборы, так как их показания можно контролировать по таблицам, называемым в метрологии стандартным и справочными данными. Это очень важный раздел метрологии, на котором стоит остановиться отдельно.

В самом начале данной главы мы убедились в том, что число основных единиц произвольно, что оно зависит только от удобства использования системы единиц, т. е. в конечном счете от нашего желания. Мы также указывали, что без произвольного выбора основных единиц можно было бы обойтись, т. к. все физические явления жестко связаны соответствующими законами. Допускаемый при построении системы единиц произвол приводит к необходимости введения коэффициентов пропорциональности в выражениях для физических законов. Эти коэффициенты есть некоторые константы, иногда не имеющие физического смысла. Например, рассмотренные нами гравитационная постоянная или диэлектрическая проницаемость вакуума в законе Кулона есть не что иное как некие постоянные коэффициенты, появление которых обусловлено нашим произволом в выборе системы единиц. Очевидно, что такие константы есть чисто метрологическая категория.

Другой тип констант, имеющих очень важное значение в метрологии, - это фундаментальные физические константы, которые имеют совершенно определенный физический смысл и являются очень важным связующим элементом между единицами различных физических величин. В настоящем разделе мы остановимся на основных физических константах и будем рассматривать эту проблему с метрологической точки зрения, т. е. их полезности в решении задач обеспечения единства измерений.

Очевидные аспекты и хорошо известные из курсов общей физики моменты мы упоминать здесь не будем. Некоторые комментарии будут даны для констант, нечасто упоминающихся в курсах общей физики. Размерность констант мы даем в системе СИ, отсылая читателя, желающего выразить размерность в другой системе единиц, к материалу следующего раздела.

Числовые значения констант даны с таким числом знаков, чтобы при возможном их уточнении изменение произошло в последний значащей цифре.

Скорость света в вакууме

Постоянная Авогадро - число частиц в 1 моле вещества

!

Гравитационная постоянная

!

Заряд электрона - элементарный заряд

!

Масса покоя электрона

Постоянная Фарадея - количество электричества, при протекании которого выделяется один моль вещества

Постоянная Планка

Постоянную иногда называют постоянной Дирака.

Исследование эмиссионных спектральных линий водорода показало, что эти линии обладают тонкой структурой, т. е. состоят из нескольких линий, близко расположенных друг к другу. Тонкая структура линий объясняется при учете теории относительности и собственного магнитного момента электрона. Добавочная энергия, создающая тонкое расщепление линий, определяется выражением, в которое входит безразмерный множитель, называемый постоянной тонкой структуры и численно равный

(1.27)

Часто в расчетах используется обратная величина

(1.28)

Отношение заряда электрона к массе

(1.29)

Постоянная Ридберга - константа, входящая во все выражения зависимости волновых чисел или частот спектральных линий водородоподобных атомов. Постоянная Ридберга несколько отличается у атомов с разной массой ядра. Табулируется константа для ядра бесконечной массы

(1.30)

Радиус Бора - радиус основной орбиты электрона в атоме водорода

(1.31)

Магнетон Бора

По теории Бора электрон, двигаясь по круговой орбите вокруг ядра, представляет собой замкнутый ток, который обладает собственным магнитным моментом. Этот момент для орбиты с радиусом a₀ равен

(1.32)

Нормальный объем газа - объем моля идеального газа при нормальных условиях

(1.33)

Универсальная газовая постоянная

Согласно уравнению газового состояния Менделеева-Клапейрона газовая постоянная определяется как

(1.34)

Постоянная Больцмана определяется как отношение универсальной газовой постоянной к числу Авогадро

(1.35)

Постоянная в законе Стефана-Больцмана - зависимости объемной плотности энергии электромагнитного излучения ограниченной полости от температуры в четвертой степени

(1.36)

Постоянная в законе смещения Вина - зависимости длины волны максимума излучения замкнутой полости от температуры

(1.37)

Соотношение Джозефсона между частотой и напряжением при приложении напряжения к неплотному контакту двух сверхпроводников. Частота такого тока определяется формулой

(1.38)

Диэлектрическая проницаемость вакуума ε₀ - коэффициент в законе Кулона, позволяющий использовать механические единицы метр, килограмм, секунду и получать заряд в Амперах в секунду, который численно равен

(1.39)

Магнитная проницаемость вакуума - магнитная постоянная μ₀ - коэффициент, позволяющий использовать Амперы совместно с основными единицами системы СИ в механических измерениях - килограммом, секундой и метром, выражается как

(1.40)

Еще одним типом констант, широко используемых в метрологии, являются стандартные справочные данные. В большинстве своем это константы, характеризующие какие-либо объекты, предметы или вещества (атомы и молекулы). Такие объекты могут быть созданы искусственно, например специальные сплавы или стекла, но могут и представлять собой природные объекты. Примером последнего являются минералы или атомы и молекулы.

Более четко смысл категории стандартных справочных данных становится понятным из рассмотрения конкретных видов измерений.

В механике это механические характеристики различных веществ, например в измерениях плотности жидкостей стандартными справочными данными является плотность чистых веществ при заданных температуре, влажности и давлении. В измерении давления это упругости насыщающих паров жидкостей и твердых веществ при определенной температуре.

В температурных измерениях широко используются константы, характеризующие фазовые переходы: плавление-отвердевание или кипение-конденсация. Здесь же используются табличные значения ЭДС различных термопар. Особенно точными и хорошо воспроизводимыми являются ЭДС термопар из платины и сплава платины с 10% или 15% родия. Эти данные широко используются при создании образцовых средств измерения средней точности или рабочих средств измерения высокой точности. Метрологические службы стандартных справочных данных большое внимание уделяют составлению таблиц, характеризующих свойства таких термопар.

В электрических измерениях к стандартным справочным данным можно отнести характеристики различных стабильных электрических явлений, например ЭДС различных гальванических пар, окислительно-восстановительные потенциалы, определяемые для различных ионов.

В оптических измерениях стандартные справочные данные используются наиболее полно, т. к. вся физическая оптика опирается на излучательные или поглощательные свойства атомов и молекул. В связи с этим перед оптиками-метрологами всегда стояла задача измерения атомных констант. Очевидно, что кроме размеров атома водорода существует много различных характеристик, важных в измерительной технике: длины волн эмиссионных линий и линий поглощения атомов и молекул, уровни энергии атомов и молекул, потенциальные кривые для молекул, времена жизни уровней, определяющие ширину линий атомов, силы осцилляторов, определяющие интенсивность линий атомов, различные характеристики, определяющие взаимодействие атомов друг с другом - сечения уширяющих столкновений и т. д. В подтверждение огромной роли службы стандартных справочных данных в оптических измерениях является тот факт, что в главном метрологическом центре США, в Национальном институте стандартов и технологий (NIST), самый большой отдел занимается получением, сбором, хранением и распространением атомных констант - стандартных справочных данных.

Атомные константы издаются и рассылаются в виде таблиц, книг, специальных сборников. Это могут быть какие-либо однотипные характеристики, например уровни энергии для всех атомов, а могут быть и все атомные константы для какого-либо одного атома или вещества.

В физико-химических измерениях используется также огромное количество стандартных справочных данных о связях состав-свойство различных веществ и материалов. Сюда относятся всевозможные свойства чистых веществ, свойства стандартных образцов, записанные в виде таблиц, различные зависимости свойств сплавов или газовых смесей от состава, коэффициенты поглощения прозрачных веществ, показатели преломления и т. д. В частности, в гигрометрии (измерении влажности) на уровне точности образцовых приборов можно организовать поверку по насыщенным растворам солей. Здесь используется тот факт, что в замкнутом сосуде над насыщенным раствором какой-либо соли при фиксированной температуре устанавливается строго определенная концентрация водяных паров. Изготовив термостате набором солей, можно отградуировать влагомер со средней точностью опираясь только на табличные стандартные справочные данные. К той же категории относятся измерения относительной влажности по психрометрическим таблицам - зависимостям разности показаний сухого и мокрого термометра от относительной влажности.

Категория стандартных справочных данных в метрологии является также одной из самых важных, наряду со стандартными образцами, мерами, измерительными устройствами высокой точности. В мировой метрологической практике существует международная организация KODATA, которая занимается стандартными справочными данными. В Российской Федерации в Государственном комитете по стандартам существует Институт стандартных справочных данных в Москве.

Походу изложения мы будем неоднократно пользоваться стандартными справочными данными. Тогда на многочисленных примерах сущность этой метрологической категории будет более понятной. Здесь, в изложении основ организации систем обеспечения единства измерений ставится задача определения сущности понятия «стандартные справочные данные».

Важным звеном в системе обеспечения единства измерений является законодательная часть метрологии. Многие крупные метрологи современности ставят эту часть над всеми остальными, перечисленными выше, частями. В самом деле, изготавливать измерительную технику может промышленность, изготавливать меры может торговля, собирать стандартные справочные данные могут научные предприятия, далекие от метрологии. Но законодательно регламентировать требования к измерительной технике и методикам выполнения измерений, к методам и средствам поверки может только специальная служба - метрологическая.

Исторически так сложилось, что развиваясь самостоятельно в отсутствие рыночных отношений, наше государство вынуждено было создать специфическую, очень развитую систему стандартизации. Качество не только измерений, ной производимых товаров нуждалось в жестком государственном контроле. К исполнению этой функции ближе всего стояли метрологи, поэтому стандартизацию измерительной техники в конце концов соединили с контролем качества продукции. К 1990 г. в СССР насчитывалось 15 институтов Госстандарта и около 200 центров стандартизации, в обязанности которых входило составление и внедрение законодательных актов - ГОСТов, - регламентирующих не только порядок обеспечения единства измерений, но и порядок контроля качества продукции.

С появлением стран социалистического лагеря служба стандартизации стала международной, появились стандарты стран экономической взаимопомощи (СЭВ). Эта система существовала несколько десятков лет параллельно со всемирной метрологической службой. Наличие международных документов двух уровней создавало дополнительную путаницу в научно-техническом законодательстве, т. к. иногда документы стран-участниц метрической конвенции, членом которой все годы оставалась Россия, противоречили документам СЭВ. Обилие стандартов внутри стран, составленных различными институтами Госстандарта, также привело к расхождению многих из них по одним и тем же вопросам.

Тем не менее в обилии стандартов СССР для России нашлось достаточное количество полезных вещей. В предыдущих разделах упоминалось о пользе поверочных схем - стандартов, регламентирующих методы и средства поверки измерительной техники. То же относится и ГОСТам в физико-химических измерениях, где подготовка пробы, регламентированная законом, оказалась чуть ли не самым важным этапом обеспечения единства измерений. Большое число различных документов, специально посвященных вопросам метрологии в измерении концентраций и особенно концентраций компонентов в газовых смесях, значительно упростило решение проблемы единства измерений в физико-химии.

Во введении в метрологию, которому посвящен данный раздел, важно определить смысл организации и роль службы стандартизации в системе обеспечения единства измерений. Основные функции Госстандарта РФ следующие:

• установление допущенных к использованию систем единиц и величин;

• организация работы служб стандартных справочных данных (ГССД), стандартных образцов (СО), ведение реестров средств измерений, мер, реестров стандартных образцов;

• организация поверки средств измерений;

• организация испытаний импортных средств измерений на соответствие стандартам РФ;

• организация испытаний новых средств измерений, выпускаемых промышленностью РФ;

• организация разработки методик измерений, методик поверки средств измерений;

• проведение своевременного контроля или экспертизы конструкторской и технологической документации.

Документы, составляемые Госстандартом РФ, имеют различный статус. Государственные стандарты (ГОСТы) имеют законодательный статус и обязательны к исполнению. Рекомендательные руководящие документы (РД) не обязательны к исполнению, носят характер предложения оптимального пути.

Кроме государственных стандартов традиционно в нашей стране распространились отраслевые стандарты (ОСТы), а также стандарты предприятий (СТП). Эти стандарты также законодательной силы не имеют и, как правило, регулируют единство измерений или выражения каких-либо характеристик единообразно в пределах отрасли промышленности (ОСТ) или в пределах одного предприятия (СТП).