Free Student HQ / FSHQ / "Штаб-Квартира свободного Студента"

Метрологические исследования, сличения и поверки эталонов

Государственные (национальные) эталоны проходят процедуру метрологического исследования. Программы таких исследований индивидуальны и не подлежат детальному регламентированию "сверху". Их содержание и уровень воплощения зависят очень сильно от квалификации авторов эталона. Надо сказать, что способность создать новый эталон и надежно обосновать значения его метрологических характеристик – свидетельство наивысшей квалификации метролога.

Наиболее ответственен, сложен и труден процесс метрологической аттестации эталонов основных единиц. Кроме теоретических предпосылок, используются фундаментальные физические константы, результаты исследования и международных сличений эталона – предшественника (если он был) и т. п. Крайне желательно включать в состав нового эталона отдельные, хорошо исследованные узлы старого. Это позволяет надежнее прогнозировать значения МХ и особенно такую МХ, как долговременная стабильность (нестабильность). Большое значение имеют личные, неформальные связи между метрологами различных стран. Они позволяют, например, провести предварительные (в какой-то мере неофициальные) сличения разрабатываемого эталона с уже действующими.

Несколько проще выполняется исследование вторичных эталонов (ныне весьма немногочисленный класс) и эталонов производных единиц. Здесь, кроме уже сказанного, широко используются результаты измерений, выполняемых на национальных эталонах основных единиц.

Обратим внимание еще на одну сторону процесса метрологических исследований эталонов высшего звена, по каким-то причинам выпадающую из круга интересов авторов публикаций по соответствующим проблемам метрологии. Суть этой стороны в том, что эталон на стадии выполнения им своей основной функции – передачи шкалы или единицы измерения нижестоящим (по поверочной схеме) средствам измерений и на стадии его исследования – может существенно отличаться по конфигурации и даже по составу (особенно по составу эталонов, привлекаемых из других поверочных схем, дополнительных средств измерений и обеспечивающего оборудования).

Современные сложные эталоны зачастую исследуются поблочно, по подсистемам, затем эти блоки комбинируются и рекомбинируются (а отдельные, не нужные для выполнения основной функции, выводятся в резерв или вообще разбираются). Хорошим примером может служить эталон единицы термодинамической температуры в криогенной области. К сожалению, и в документации на эталоны эти вопросы не всегда излагаются надлежащим образом, что существенно осложняет процесс смены ученого хранителя.

Метрологические исследования рабочих эталонов выполняются на этапе, предшествующем их предъявлению на испытания с целью утверждения типа. Как правило, их основная часть – сопоставление с национальными эталонами (для рабочих эталонов высшего разряда) или с уже утвержденными рабочими эталонами высших разрядов. После проведения испытаний и занесения в Государственный реестр, рабочие эталоны подвергаются поверке по методикам, апробированным в ходе испытаний с целью утверждения типа. Сличения национальных эталонов – хорошая метрологическая практика, ведущая свое начало с 1889 г., когда страны, подписавшие Метрическую конвенцию, получили от МБМВ свои национальные эталоны метра и килограмма. Сличения этих эталонов с этого времени проводились более или менее регулярно.

Первая Генеральная конференция по мерам и весам установила периодичность сличения национальных эталонов метра один раз в 25 лет. Первое сличение, назначенное на 1914 г., не состоялось из-за первой мировой войны и было перенесено на 1920-1936 гг. Государственный эталон СССР – метр №28 – прошел первый раз сличение в конце 1935 – начале 1936 гг. То же самое имело место со сличениями эталонов массы – килограммовых гирь.

В процессе разработки международных практических температурных шкал МТШ-27; МПТШ-48; МПТШ-68; МТШ-90 выполнялись сличения национальных эталонов России, Англии, США, Голландии и Австралии. В 1913 г. были выполнены сличения ртутных эталонов ома Англии, России, США и Японии. В 1940 г. – сличения нормальных элементов России с английскими. В то же время в организации международных сличений присутствовал элемент случайности, личной заинтересованности лабораторий и даже лично ученых хранителей эталонов. Не были формализованы процедуры их выполнения, обработки и представления результатов.

Ситуация коренным образом изменилась с подписанием в 1999 г. Соглашения о взаимном признании национальных измерительных эталонов и сертификатов калибровки и измерений, выдаваемых национальными метрологическими институтами. Соглашение требует: а) наличия результатов ряда ключевых сличений, проводимых по четко установленным методикам, которые ведут к количественному выражению степени эквивалентности национальных эталонов; б) функционирования соответствующей системы качества; в) успешного участия в соответствующих дополнительных сличениях. Все эти требования призваны содействовать взаимному доверию между участвующими в Соглашении институтами. Степень эквивалентности национальных эталонов выражается количественно в значениях отклонений от опорного значения единицы, полученной при ключевом сличении, и неопределенностей в этих отклонениях.

Соглашение состоит из двух частей: в соответствии с первой частью подписывающие стороны соглашаются признать степень эквивалентности национальных эталонов участвующих национальных метрологических институтов, а в соответствии со второй частью подписывающие стороны соглашаются признать обоснованность сертификатов калибровок, выдаваемых участвующими институтами. Соглашение является техническим соглашением между директорами национальных метрологических институтов, а не дипломатическим договором. Оно составлено МКМВ в соответствии с Метрической конвенцией и не является ни расширением конвенции, ни заменой каким-либо образом каких-либо статей конвенции. Директора, которые должным образом решают подписать соглашение, берут обязательство только на самих себя и свои собственные институты, а не обязательство на какую-либо организацию или орган в их стране. Предполагается, что участие в этом соглашении откроет путь и обеспечит техническую основу для более широких соглашений, связанных с торговлей и коммерцией, подписываемых компетентными уполномоченными в каждой стране или регионе. В этом его цель.

К тексту Соглашения (его называют также Меморандумом) приложено Руководство по ключевым сличениям эталонов, проводимым консультативными комитетами МКМВ. Прежде чем излагать основные положения Руководства, напомним, что термин "сличение" предполагает сопоставление результатов, полученных на эталонах, близких по своему юридическому статусу и обладающих близкими метрологическими характеристиками.

Руководство предусматривает два основных типа ключевых сличений: в первый тип входят сличения, при которых эталон или техническое средство реализации единицы предполагаются имеющими длительную стабильность (типичными для них являются эталоны на основе квантовых эффектов, а также некоторые другие); во вторую категорию входят сличения тех эталонов, для которых нельзя предположить долгосрочную стабильность. Методики проведения сличений и иногда оценки результатов в двух этих случаях могут отличаться.

Сличения эталонов на основе квантовых эффектов и других стабильных эталонов обычно проводятся в двустороннем порядке и на постоянной основе. Национальные эталоны сличаются с одним конкретным эталоном, как это удобно участвующей лаборатории. Типичными примерами таких сличений являются сличения частот стабилизированных лазеров, сличения эталонов напряжения, использующих эффект Джозефсона и сопротивления на основе квантового эффекта Холла, проводимые МБМВ. Типичными сличениями других стабильных эталонов, но с гораздо большими неопределенностями можно считать сличения МБМВ эталонов единиц в области дозиметрии ионизирующих излучений. Методики, используемые в МБМВ для проведения сличений этого типа, описаны в отдельном документе под названием "Методики, используемые в ключевых сличениях, выполненных МБМВ».

Другие сличения, в которых не предполагается, что эталоны имеют длительную стабильность и которые составляют большинство ключевых сличений, проводятся по четкому временному графику, что позволяет всем участвующим лабораториям проводить свои измерения в установленный период времени. Эти сличения требуют, чтобы транспортируемые эталоны имели хорошую краткосрочную стабильность и стабильность во время транспортировки. Большая часть того, что приведено ниже, относится главным образом к такому типу сличений.

Особым случаем является регулярное вычисление временных шкал Международного атомного времени и Координированного всемирного времени в МБМВ. Они основываются на результатах непрерывной серии сличений часов, проводимых и истолкованных в соответствии с Руководством, согласованным с Консультативным Комитетом времени и частоты. Эквивалентность национальных временных шкал во всем мире обеспечивается принятием системы Координированного всемирного времени. Ничто в данном Руководстве не меняет этот порядок. Организация ключевого сличения является обязанностью пилотной лаборатории, которой помогают два или три назначенных участника. При этом согласовывается метод вычисления опорного значения ключевого сличения; перечень основных составляющих совокупной неопределенности, который каждый участник должен оценить, и необходимые рекомендации о том, как оценивать неопределенности на принципах, изложенных в Руководстве по выражению неопределенности в измерении, опубликованном ИСО. В дополнение к основным компонентам неопределенности, общим для всех участников, отдельные лаборатории могут добавить любые другие, какие они посчитают необходимыми. Неопределенности оцениваются для коэффициента охвата k = 1, и информация должна быть дана по числу эффективных степеней свободы, необходимых для соответствующей оценки уровня доверия.

Пилотная лаборатория несет ответственность за подготовку отчета о сличении в два этапа перед публикацией. Первый проект отчета типа А готовится сразу же после поступления результата от участников. Он включает результаты, переданные участниками, идентифицированными по имени. Проект является конфиденциальным для участников. Второй проект – типа В – последовательно готовится для Консультативного комитета (КК) и содержит приложение по опорному значению и степеням эквивалентности. Рабочую группу по ключевым сличениям обычно уполномочивают проверить проект В до его раздачи всем членам КК для того, чтобы обеспечить соответствие всем требованиям, установленным КК. Обязанностью КК является одобрение окончательного отчета о ключевом сличении для публикации. Обсуждение результатов и окончательного отчета проходит на встрече КК, и никакая публикация невозможна, пока не прошло это обсуждение. Для всех ключевых сличений окончательный отчет, подготовленный пилотной лабораторией служит основой для публикации результатов. В окончательной отчете результаты, которые первоначально расходились, но впоследствии были исправлены, появляются в тексте с объяснением расхождений, но результаты, которые были изъяты, не появляются и не упоминаются.

Еще одно замечание. В последнее время появляются распределенные территориально национальные эталоны. Примерами служат эталоны единицы напряжения, использующие эффект Джозефсона. Все они равноточны, ни один из них не является главенствующим. Каждый из них в своем регионе возглавляет поверочные схемы. При проведении их сличений могут приниматься за основу рекомендации МБМВ по ключевым сличениям с назначением в качестве пилота одного из ГНМЦ (или его лаборатории) и с соблюдением всех его установлений (за исключением излишних при выполнении на территории одного государства).

Заканчивая главу об эталонах, добавим, что невзирая на все успехи радиоэлектроники, кибернетики, вычислительной техники и т. п., государственные эталоны все же остаются в большой степени персонифицированными устройствами. Они насыщены "ноу-хау" ученого хранителя и его ближайших сподвижников. Работа ученого хранителя – это во многом искусство. Только человек, создавший эталон, способен реализовать весь его технический потенциал.

Идеальной была бы следующая схема. Эталон создается с расчетом на 10-15 лет работы. Все это время работает и его создатель, затем ученый хранитель. Через 5-7 лет начинается разработка эталона нового поколения и "создает" его новый ученый хранитель. Возможны, конечно, и исключения: преждевременная утрата ученого хранителя и, наоборот, его высокий научный потенциал, позволяющий возглавить и эталон следующего поколения.

Брянский Л.Н., Дойников А.С., Крупин Б.Н. - Метрология. Шкалы, эталоны

 

Сайт создан в 2012 г. © Все права на материалы сайта принадлежат его автору!
Копирование любых материалов сайта возможно только с разрешения автора и при указании ссылки на первоисточник.
Яндекс.Метрика