Метрологическое обеспечение гравиметрических работ

Н.А. Гусев, А.И. Спиридонов

Под метрологическим обеспечением гравиметрических работ понимается комплекс организационных, технических, нормативно-методических и правовых мероприятий, направленных на обеспечение единства измерений при производстве гравиметрических работ.

Правовые основы метрологического обеспечения регулируются Федеральным Законом «Об обеспечении единства измерений», принятым в 1993 г. и обновленным в 2008 г. В соответствии с этим законом геодезические работы отнесены к сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений. Из этого факта вытекают следующие требования: создание метрологической службы должно быть обязательным; ее права и обязанности должны быть изложены в положении о метрологической службе, утверждаемым руководством предприятия и согласованным с вышестоящей (головной или базовой) организацией метрологической службы отрасли; средства измерений как вновь разрабатываемые, так и поставляемые по импорту, должны проходить испытания для целей утверждения типа; средства измерений должны проходить поверку при выпуске из производства, при импорте, после ремонта, в процессе эксплуатации и хранения; методики выполнения измерений должны быть аттестованы.

Техническую основу обеспечения единства измерений составляют эталоны, обеспечивающие с заданной точностью хранение и воспроизведение значений единиц физических величин, предназначенные для передачи размеров единиц рабочим средствам измерений. Утверждение, хранение и использование эталонов возложено на государственную метрологическую службу страны.

Нормативную основу государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ), функционирующей в соответствии с положениями законодательной метрологии, составляют стандарты, руководящие документы, правила по метрологии, методики.

Основные понятия в области метрологического обеспечения гравиметрических работ установлены в руководящем техническом материале [РТМ 68-6-94 1995].

За единицу ускорения g в международной системе единиц СИ принята производная единица — метр на секунду в квадрате (мс“2). Эта единица образована на базе двух основных единиц: единицы длины — метра и единицы времени — секунды [ГОСТ 8.417-2002 2003].

В гравиметрии применяется также внесистемная единица, получившая наименование Гал, данное ей в честь Галилео Галилея, проведшего первые определения УСТ (1 Гал= 10”2 м-с“2). Если масса притягиваемого тела равна 1 грамму, то сила тяжести в динах численно равна ее ускорению в Галах, и

10~3 Гал = миллигал (мГал) = 10~5 м с“2;

10“6 Гал = микрогал (мкГал) = 10“8 мс“2.

При измерении градиентов УСТ (вторых производных потенциала) часто применяется, также не входящая в систему СИ, единица Этвеш:

1 Этвеш (Э) = 10“9 с-2 = 0,1 мГал/км.

Ускорение силы тяжести на Земле g равно 9,8... м с~2 = 980,... Гал. Диапазон изменения силы тяжести на Земле (от экватора до полюса) составляет «5 Гал.

Точность современных наземных измерений УСТ достигла 10~9 • g, поэтому уровень метрологического обеспечения должен быть достаточно высоким.

До появления абсолютных гравиметров, выдающих значения в системе СИ, измерения в основном выполняли относительными приборами. Для их применения (определение цены деления их шкал, контроль смещения нуль-пунктов) были введены исходные и опорные пункты. Существовали также международные исходные пункты (Вена, Потсдам), национальные исходные пункты и гравиметрические сети разных классов точности. Для определения цены деления гравиметров создавались эталонные полигоны. Международные и национальные сети и полигоны описаны в разделе 6.4.

Государственная фундаментальная гравиметрическая сеть, созданная в нашей стране к 1993 г. и являющаяся метрологической основой всех гравиметрических определений в стране, устанавливает гравиметрическую систему России и служит исходной основой для сетей низших классов и съемок, а также для решения научных задач [Гусев, Остач 1993].

Сеть 1 класса равномерно распределяет гравиметрическую систему на всю территорию страны.

Дальнейшее развитие высокоточных гравиметрических сетей, в том числе на пунктах ФАГС и ВГС, выполняется, в основном, баллистическими гравиметрами как наиболее точными на данное время. Длина волны лазера и частота опорного генератора этих приборов проверяется в институтах государственной метрологической службы. Относительная нестабильность как частоты опорного генератора, так и длины волны лазера не превышает Ю-10.

Трудность метрологического контроля заключается в том, что в настоящее время не существует государственного эталона УСТ, а применяется единственно возможный метод сравнения гравиметров между собой. Поэтому с целью сохранения единства измерений баллистические гравиметры, участвующие в высокоточных определениях УСТ, должны метрологически проверяться сравнением между собой на выбранном каком-либо фундаментальном пункте. В Севре (Франция) такие сравнения регулярно (через 3-4 г.) проводятся с 1981 г. Аналогичные сравнения должны проводиться в нашей стране и за рубежом. Сравнение гравиметров дает возможность определить реальную точность измерений с конкретным прибором, а также определить приборную ошибку и уточнить методику измерений.

Задача метрологического обеспечения полностью не решается сличением одного прибора на одном пункте» поскольку сила тяжести изменяется со временем, а каждый прибор имеет свою систематическую погрешность. Поэтому в настоящее время в качестве исходного эталона (эталонная мера) принимается группа главных фундаментальных пунктов, закрепленных на местности специальными постаментами с марками, к которым относятся измеренные результаты. Пункты выбираются вдали от сейсмоактивных районов. Каждый главный фундаментальный пункт (около 5 в стране) состоит из не менее трех фундаментальных пунктов, связанных между собой высокоточными относительными связями.

На пунктах устанавливается аппаратура для регистрации внешних факторов: давления, температуры и влажности воздуха, уровня грунтовых вод, влагонасыщенности почвы и т.

Для поверки и передачи единиц могут использоваться как одиночные, так и групповые эталоны. В качестве группового эталона могут быть приняты несколько высокоточных баллистических гравиметров, участвующих в вышеуказанных сравнениях в нашей стране и с лучшими зарубежными аналогами за ее пределами. Чтобы избежать систематических погрешностей, присущих одному типу гравиметров, желательно применять приборы, основанные на различных физических принципах измерений. Количество приборов и число групповых измерений устанавливается в зависимости от заданной точности.

На главных фундаментальных пунктах выполняются повторные (лучше непрерывные) измерения УСТ с наивысшей точностью проверенными баллистическими гравиметрами.

Для установления системы передачи размера единицы УСТ от эталона рабочим средствам измерений существуют государственные и локальные поверочные схемы. При этом число ступеней передачи размера единицы должно быть как можно меньше. Указанная группа главных фундаментальных пунктов и группа (аттестованных) баллистических гравиметров является высшим звеном поверочной схемы. Далее распространение единицы УСТ осуществляется через фундаментальные пункты, пункты сетей 1, 2 и 3 классов, эталонные гравиметрические полигоны; при этом средствами измерений являются баллистические гравиметры, маятниковые приборы, статические гравиметры высокой точности в соот-

Рнс.

ветствии с принятой поверочной схемой. В системе Роскартографии действует локальная поверочная схема (ЛПС) для средств измерения УСТ [РД 68-8.17-98 1999], приведенная на рис. 5.8.1.

ЛПС распространяется на средства измерений УСТ (и его изменений) в диапазоне от 979 до 983 Гал (от 0 до 6000 мГал) со средней квадратической погрешностью от 0,05 до 3 мГал. В качестве исходного эталона принята группа главных фундаментальных гравиметрических пунктов, закрепленных на местности, на которых должно быть определено значение УСТ с погрешностью не более 5 мкГал. В качестве эталона, заимствованного из других поверочных схем, применяют многогранные призмы 1-го разряда и автоколлиматоры 1-го разряда, установленные в государственной поверочной схеме средств измерения плоского угла по ГОСТ 8.016-75, которые воспроизводят значения угла с погрешностью не более 0,1".

Поверка исходных эталонов осуществляется органами государственной метрологической службы через межповерочный интервал в 3 года.

Поверка рабочих средств измерений УСТ (или его приращений) осуществляется метрологическими службами, аккредитованными на право поверки рабочих СИ, через установленный межповерочный интервал по нормативным документам вида «Методы и средства поверки».

Таким образом, к настоящему времени сложилась вполне конкретная система обеспечения единства измерений, определяемая главными фундаментальными пунктами, которая совместно с высокоточными средствами измерений (группой баллистических гравиметров) является реальной основой метрологического обеспечения всех гравиметрических определений в стране (включая воспроизведение, хранение и передачу значения УСТ) [Гусев, Остач 1993]. На любой момент времени на главных фундаментальных пунктах известно значение УСТ с наивысшей для современного уровня развития науки и техники точностью (не грубее 3 мкГал).

Морские гравиметрические определения должны быть также метрологически обеспечены.