link5180 link5181 link5182 link5183 link5184 link5185 link5186 link5187 link5188 link5189 link5190 link5191 link5192 link5193 link5194 link5195 link5196 link5197 link5198 link5199 link5200 link5201 link5202 link5203 link5204 link5205 link5206 link5207 link5208 link5209 link5210 link5211 link5212 link5213 link5214 link5215 link5216 link5217 link5218 link5219 link5220 link5221 link5222 link5223 link5224 link5225 link5226 link5227 link5228 link5229 link5230 link5231 link5232 link5233 link5234 link5235 link5236 link5237 link5238 link5239 link5240 link5241 link5242 link5243 link5244 link5245 link5246 link5247 link5248 link5249 link5250 link5251 link5252 link5253 link5254 link5255 link5256 link5257 link5258 link5259 link5260 link5261 link5262 link5263 link5264 link5265 link5266 link5267 link5268 link5269 link5270 link5271 link5272 link5273 link5274 link5275 link5276 link5277 link5278 link5279 link5280 link5281 link5282 link5283 link5284 link5285 link5286 link5287 link5288 link5289 link5290 link5291 link5292 link5293 link5294 link5295 link5296 link5297 link5298 link5299 link5300 link5301 link5302 link5303 link5304 link5305 link5306 link5307 link5308 link5309 link5310 link5311 link5312 link5313 link5314 link5315 link5316 link5317 link5318 link5319 link5320 link5321 link5322 link5323 link5324 link5325 link5326 link5327

Лекции по метрологии. Часть 5: Эталоны, образцовые и рабочие меры

  ЭТАЛОНЫ. ОБРАЗЦОВЫЕ И РАБОЧИЕ МЕРЫ


 

Для обеспечения единства измерений необходима тожде­ственность единиц, в которых проградуированы все средства изме­рений одной и той же физической величины.

Единство измерений достигается путем точного воспроизведе­ния и хранения установленных единиц физических величин и пе­редачи их размеров применяемым средствам измерений.

Размеры единиц воспроизводятся, хранятся и передаются с по­мощью эталонов и образцовых средств измерений.

Высшим звеном в метрологической цепи передачи размеров единиц измерений являются эталоны.

 

 Эталоны


Эталоном единицы величины называют средство измерений, предназначенное для воспроизведения и хранения единицы величины (или кратных либо дольных значений единицы величины) с целью пере­дачи ее размера другим  средствам измерений данной величины.

Эталоны делят на первичные, специальные и вторичные.

Первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы с наивысшей в

стране точностью (по сравнению с другими этало­нами той же единицы). Первичный эталон основной единицы дол­жен воспроизводить единицу в соответствии с ее определением.

Специальный эталон обеспечивает воспроизведение единицы в особых условиях и заменяет для этих условий первичный эталон. При этом единица, воспроизводимая специальным эталоном, должна быть согласована по размеру с единицей, воспроизводи­мой с помощью соответствующего первичного эталона. Первич­ные и специальные эталоны, официально утвержденные в ка­честве исходных средств измерений в стране, называются госу­дарственными.

Например, в России в настоящее время действуют три госу­дарственных эталона единицы электрического напряжения: госу­дарственный первичный эталон единицы постоянного напряжения (ГОСТ 8.027—81), государственный специальный эталон единицы  переменного  напряжения  в  диапазоне частот 20 Гц — 30 МГц (ГОСТ 8.184 — 76) и государственный специальный эталон еди­ницы переменного напряжения в диапазоне частот 30 — 3000 МГц (ГОСТ 8.072—82).

Вторичным называют эталон, для которого размер воспроиз­водимой им единицы устанавливают по первичному эталону. Вто­ричные эталоны делят на рабочие эталоны, эталоны-свидетели, эталоны-копии и эталоны сравнения. Рабочий эталон предназна­чается для передачи размера единицы образцовым средствам из­мерений высшей точности; эталон-свидетель — для проверки со­хранности государственного эталона и замены его в случае порчи или утраты; эталон-копия — для передачи размера единицы рабо­чим эталонам, он не всегда является физической копией государ­ственного эталона. Эталон сравнения (эталон-переносчик, транс­портируемый эталон) предназначен для сличения эталонов, кото­рые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличены друг с другом, например, при международных сличениях, при необходимости транспортирования эталона и т. д.

В области электрических и электронных измерений в настоя­щее время действуют более 50 государственных первичных и спе­циальных эталонов. Они эксплуатируются во многих научно-исследовательских метрологических институтах страны [6].

Такое количество эталонов, существенно превышающее число единиц электрических величин, объясняется технико-экономиче­ской целесообразностью централизованного воспроизведения еди­ниц с помощью эталонов в специальных условиях, определяемых в основном широким диапазоном частот электронных средств из­мерений.

Децентрализованное воспроизведение производных единиц электрических величин посредством косвенных измерений, выпол­няемых в органах метрологической службы с помощью образцовых средств измерений, применяется относительно редко.

Следует отметить, что создание и совершенствование этало­нов является чрезвычайно сложной задачей, требующей больших усилий коллективов ученых, инженеров, конструкторов и произ­водственников. Это объясняется, в первую очередь, высокой точ­ностью эталонов единиц электрических величин, превышающей в десятки раз точность рабочих средств измерений. К тому же требования к точности воспроизведения единиц величин непрерывно растут. В современ­ных эталонах все большее применение находят новейшие дости­жения физики, химии, технологии. Это требует высокой квалифи­кации специалистов, применяющих эталоны. Для ведения работ с эталонами Госстандартом назначается ученый хранитель из числа наиболее квалифицированных специалистов в данной об­ласти измерений. Работа с эталонами производится в соответствии с правилами их хранения и применения, в которых указываются порядок применения, наблюдения за правильностью хранения, проведения исследований и сличений эталонов, в том числе и международных.

Кроме национальных эталонов единиц, существуют и между­народные эталоны Международного бюро мер и весов (МБМВ), которое проводит систематические между­народные сличения эталонов национальных метрологических ор­ганизаций разных стран с международными эталонами и между собой.

Государственный первичный эталон единицы массы — кило­грамма состоит из национального прототипа килограмма (гири из платиново-иридиевого сплава) и эталонных весов, предназначен­ных для передачи размера единицы массы вторичным эталонам. Среднее квадратическое отклонение относительной погрешности воспроизведения эталоном единицы массы равно 7×10-9.

В настоящее время ведутся работы по созданию «естествен­ного» эталона единицы массы, например, с использованием подсчета  числа молекул.

Государственный первичный эталон единиц длины — ком­плекс средств, воспроизводящих метр в виде 1650763,73 длин волн излучения в вакууме, соответствующего переходу между опреде­ленными уровнями атома криптона-86. Эталон обеспечивает вос­произведение метра с относительным средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 5×10 -9.

Государственный первичный эталон единицы времени — ком­плекс средств, воспроизводящих секунду в виде 9192631770 периодов колебаний электромагнитного излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состоя­ния атома цезия-133. Этот эталон является также эталоном еди­ницы частоты — герца. Он обеспечивает воспроизведение единиц с относительным средним квадратическим отклонением результа­та измерений, не превышающим 1×10-13, при неисключенной относительной систематической погрешности, не превышающей 1×10-12

Появление высокостабильных лазеров позволило осуще­ствить согласованное определение метра и секунды на основе одной линии излучения. В связи с этим в 1983 г. XVII Генеральной конференцией по мерам и весам принято решение о новом опреде­лении метра, в соответствии с которым метр определен как длина пути, проходимого светом за 1/299 792 548 долю секунды. В на­стоящее время ведутся работы по созданию единого эталона единиц времени, частоты и длины. При этом используется фунда­ментальная зависимость l = c×t, где l — путь, проходимый излуче­нием; c = 299792548 м/с — скорость света (излучения);  t — время.

Государственный первичный эталон единицы силы постоянно­го электрического тока — ампера — это комплекс средств, в со­став которых входят токовые весы. В токовых весах, представля­ющих собой рычажные равноплечие весы, с одной стороны на коромысло действует сила взаимодействия двух соленоидов, об­текаемых постоянным током, а с другой  — гиря извест­ной массы. При равновесии весов сила тока определяется через массу гири, ускорение свободного падения в месте расположения весов и постоянную электродинамической системы (двух соленои­дов), зависящую от формы и размеров соленоидов, диаметра сечения провода соленоидов, значения относительной магнитной проницаемости среды и т.д. Таким образом, ампер воспроизво­дится через основные единицы — метр, килограмм и секунду. Эталон воспроизводит размер ампера с относительным средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 4×10 -6, при относительной систематической погрешности, не превышающей 8×10 -6.

Из двух дополнительных единиц СИ (радиана и стерадиана) с помощью эталона воспроизводится единица плоского угла — радиан.

Воспроизведение радиана осуществляется методом калибровки, исходя из того, что сумма всех центральных смежных углов многогранной призмы равна 2л рад (360°).

Государственный первичный эталон единицы плоского угла состоит из 36-гранной призмы, эталонной угломерной автоколли­мационной установки, включающей фотоэлектрические автоколли­маторы с электронным цифровым отсчетным устройством, позво­ляющим выполнять измерения в пределах от -6" до +6", и си­стемы для установки и поворота многогранной призмы.

Цена отсчетного устройства автоколлиматора 0,01". Среднее квадратическое отклонение результата измерения не превышает 0,02".

Для поддержания единства измерений можно ограничиться созданием эталонов только основных величин. Однако для облег­чения выполнения этой задачи созданы эталоны производных единиц. Рассмотрим некоторые эталоны производных единиц электрических величин.

В состав государственного эталона вольта входят: мера на­пряжения на основе эффекта Джозефсона (возникновение на­пряжения между двумя разделенными тонким слоем диэлектрика сверхпроводниками в высокочастотном электромагнитном поле); группа насыщенных нормальных элементов (см.  п. 5.3) для хране­ния размера единицы, компенсатор постоян-ного тока для сличе­ния нормальных элементов. Эталон воспроизводит размер вольта с относительным средним квадратическим отклонением результа­та измерения, не превышающим 5×10-8, при относительной не­ исключенной систематической погрешности, не превышающей 1×10 -6.

Государственный эталон единицы сопротивления воспроизво­дит ом с помощью 10 манганиновых катушек сопротивления с относительным средним квадратическим отклонением результа­та измерений, не превышающим 1×10 -7, при неисключенной от­носительной систематической погрешности, не превышающей 5×10 -7.

Государственный эталон единицы емкости воспроизводит фарад с помощью конденсатора с относительным средним квадрати­ческим отклонением результата измерений, не превышающим 7×10-7, при неисключенной относительной систематической по­грешности, не превышающей 13×10 -7.

Государственный эталон единицы индуктивности воспроизво­дит генри с помощью четырех катушек индуктивности с относи­тельным средним квадратическим отклонением результата изме­рений, не превышающим 1×10 -5, при неисключенной относитель­ной систематической погрешности, не превышающей 1×10 -5.

Единицы магнитных величин воспроизводятся с помощью соответствующих эталонов. У нас в стране имеются первичные эталоны магнитной индукции, магнитного потока и магнитного момента.

Для передачи размера единиц магнитных величин от первич­ных эталонов рабочим средствам измерений используют рабочие эталоны, образцовые меры магнитных величин и образцовые средства измерений.

 

 

Вы здесь: Главная Метрология Лекции по метрологии. Часть 5: Эталоны, образцовые и рабочие меры