Тема 5. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕРВИЧНЫЙ ЭТАЛОН И ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОВЕРОЧНАЯ СХЕМА ДЛЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ МАССЫ

5.1. Государственный первичный эталон единицы массы России

Высшим международным эталоном единицы массы (килограмма) является гиря из платино-иридиевого сплава, хранящаяся глубоко под землей в специальном сейфе Международного бюро мер и весов (Франция, г. Севр).

Основу государственного первичного эталона единицы массы России составляют копии № 12 и № 26 международного прототипа килограмма, который хранится в Международном бюро мер и весов (МБМВ). Этим копиям более 120 лет — случай для эталона уникальный. Обе копии килограмма снабжены подробными сертификатами МБМВ.

Эталоны килограмма имеют форму прямого цилиндра с закругленными ребрами, высотой и диаметром 39 мм. Металл, из которого изготовлены гири, представляет собой платиноиридиевый сплав, содержащий 10 % иридия и 90 % платины.

В 1889 г. английской фирмой «Джонсон и Мэтью» было изготовлено всего 43 практически идентичных прототипа эталона. После изготовления было проведено определение массы полученных гирь. Измерению подверглась масса каждого из 42 прототипов, изготовленных из одной плавки и одного слитка. Так как определялась масса эталонов, то прямые измерения были невозможны. Измерения проводились методом сравнения масс гирь во всех возможных сочетаниях. Всего было проведено 1092 взвешивания. Для прототипа № 12 результат был определен в такой форме: 1 кг + 0,068 мг ± 0,002 мг. Этот прототип и был принят в качестве государственного первичного для России.

Так как эталон массы — физический предмет, то со временем его характеристики меняются. Результаты сличений прототипа № 12 с международным прототипом приведены на рис. 20.

Отличие от номинала (1 кг), равное + 0,068 мг и полученное при первом сличении (1889 г.), при последующих сличениях в течение более 100 лет не изменялось более чем на 30 мкг, что свидетельствует о высоком качестве прототипа и уровне его метрологического обслуживания. Среднее квадратическое отклонение (CKO) суммарной погрешности результата измерений при сличении государственного первичного эталона с международным прототипом килограмма и стандартная неопределенность воспроизведения единицы массы прототипом № 12 не превышают 2,3-Ю ⁹ кг.

Рис. 20. Результаты международных сличений эталона массы РФ

Национальный (государственный) эталон массы хранится в НПО «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» (г. Санкт-Петербург) на подставке из горного хрусталя под двумя стеклянными колпаками, из-под которых откачан воздух, в стальном сейфе при температуре (20 ± 3) °С и относительной влажности 65 %.

Современный государственный первичный эталон единицы массы России (ГЭТ 3-2008) создан на базе копий № 12 и № 26 и представляет собой эталонный комплекс средств измерений — совокупность неоднотипных технических средств, необходимых для воспроизведения и хранения единицы массы — килограмма.

ГЭТ 3-2008 включает в себя комплекс следующих средств измерений:

национальный прототип килограмма — копия № 12 международного прототипа килограмма, предназначенная для передачи размера единицы массы гире Яь

национальный прототип килограмма — копия № 26 международного прототипа килограмма, предназначенная для проверки неизменности размера единицы массы, воспроизводимой национальным прототипом килограмма № 12, и для замены его в период сличений в МБМВ;

эталонная гиря массой 1 кг и набор эталонных гирь массой от 1 мг до 500 г, изготовленные из платино-иридиевого сплава и предназначенные для передачи размера единицы массы эталонам-копиям;

пять эталонных компараторов массы (табл. 1).

Таблица 1

Эталонные компараторы массы РФ

Гиря Ri с номинальным значением массы 1 кг и набор гирь с номинальными значениями массы от М(Г⁶ до 5-КГ¹ кг предназначены для сличения массы гири Ri с эталоном (копия № 12).

При этом СКО результатов измерений не превышает 8 • 10 ⁹ кг

• —8
• (для гири Ri) и 1,6-10 кг (для набора гирь).

Вторичными эталонами единицы массы являются эталоны- копии и рабочие эталоны. Средства, входящие в состав вторичных эталонов, выполняют следующие функции: хранение единицы, контроль условий хранения и передача размера единицы массы образцовым и рабочим средствам измерений.

Эталоны-копии представляют собой комплекс, состоящий из гирь номиналом 1 кг, изготовленных из немагнитной нержавеющей стали, и компаратора (весов). Эталоны-копии служат промежуточным звеном при передаче размера единицы массы от первичного эталона рабочим эталонам. Характеристики гирь и компаратора должны обеспечивать СКО результатов сличения эта- лонов-копий с государственным не более Ы0 кг. Нестабильность эталонов-копий за межповерочный (межаттестационный)

_2

интервал не должна превышать 3-10 мг.

В качестве рабочих эталонов применяют комплексы, состоящие из одиночных гирь номинальной массой 1 кг и наборов гирь массой от 1 до 500 г. Все гири должны быть изготовлены из немагнитной нержавеющей стали. В состав комплекса, кроме гирь, должен входить компаратор (весы). Комплекс признается рабочим эталоном, если СКО результатов его сличения с эталоном-

—10 —8

копией лежит в пределах от 8-10 до 2-10 кг.

Рабочие эталоны используются для поверки (калибровки) гирь наивысших разрядов/классов точности (гирь класса точности Е_ь Е₂ и гирь разряда точности 1а и I). Рабочие эталоны хранятся в ряде государственных научно-метрологических центров и крупных региональных ЦСМ.

Единица измерения массы — килограмм — оказалась последней основной единицей 81, воспроизводимой вещественным, рукотворным эталоном, никак не связанным с естественными явлениями природы. Неизбежный износ эталонов килограмма обнаружить и оценить практически невозможно. Поэтому Международный комитет мер и весов настаивает на поиске новых вариантов эталона килограмма.

В некоторых научных метрологических центрах проводится большая работа по созданию эталона килограмма, связанного с естественными явлениями или фундаментальными константами. В первую очередь здесь стоит отметить метод, согласно которому килограмм может быть определен как 1/12 киломоля углерода-12 при уточнении значения постоянной Авогадро (достигнутая по- грешность метода 3-10 ). Другой метод предусматривает выражение килограмма с помощью силы, развиваемой в электростатических весах. Этот метод опирается на эффект Джозефсона, значение скорости света в вакууме, ускорение свободного падения и

—8

постоянную Планка и имеет относительную погрешность 8-10 .

При передаче размера единицы массы используются два метода:

• метод сличения при помощи компаратора. Этот метод применяется при поверке/калибровке гирь. Еиря — средство измерений, которое позволяет воспроизводить единицу массы с наивысшей точностью и стабильностью, поэтому в качестве эталонов при поверке гирь выступают эталонные гири более высокого разряда точности. Проведение поверки гирь методом прямых измерений на весах невозможно в силу того, что инструментальная погрешность весов превышает требования поверочной схемы. При сличениях гирь весы выступают исключительно в качестве компараторов — средства сличения. Ранее поверка гирь осуществлялась на образцовых равноплечих весах. Сегодня для этих целей широко применяются электронные компараторы массы — высокоточные электронные весы с высокой сходимостью результатов измерений в диапазоне компарирования;

• метод прямых измерений. Этот метод применяется при поверке весов и дозаторов. Погрешность определяется путем проведения прямых измерений массы эталонных гирь на ве- сах/дозаторах массы. За действительное значение массы принимают массу эталонной гири с учетом поправки и на основании этого вычисляют погрешность поверяемого средства измерений.