Эталоны единиц системы СИ

Основные понятия об эталонах. Метрологическая классификация эталонов. Законодательная классификация эталонов в России. Международный прототип единицы массы. Хранение, применение и сличение эталонов. Требования к повышению точности эталона длины.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ЭТАЛОНЫ

1.1 Основные понятия об эталонах

1.2 Метрологическая классификация эталонов

1.3 Законодательная классификация эталонов

1.4 Хранение, применение и сличение эталонов

2. ЭТАЛОНЫ ЕДИНИЦ СИСТЕМЫ СИ

3. РАСЧЕТ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЯ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Современная теория единства измерений (теория воспроизведения единиц физических величин и передачи их размеров) наряду с теориями построения средств измерений и точности измерений традиционно является центральным разделом в теоретической метрологии. В совокупности решаемых задач, единство измерений можно охарактеризовать как состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам воспроизведённых величин, а погрешности измерений известны с заданной точностью.

Во многом единство измерений достигается путём точного воспроизведения, хранения установленных единиц физических величин, и передачи их размеров применяемым средствам измерений. Воспроизведение, хранение и передача размеров единиц осуществляется с помощью эталонов и образцовых средств измерений. Высшим звеном в метрологической цепи передачи размеров единиц физических величин являются эталоны.

1. ЭТАЛОНЫ

1.1 Основные понятия об эталонах

Централизованное воспроизведение и хранение единиц величин осуществляется специальными средствами измерений наивысшей (метрологической) точности, называемыми эталонами и являющимися высшим звеном метрологической цепи передачи размеров единиц.

Эталон шкалы или единицы величины (эталон) представляет собой средство измерений или комплекс средств измерений, предназначенные для воспроизведения и (или) хранения шкалы или единицы величины с целью передачи ее размера метрологические соподчиненным средствам, выполненные по особой спецификации и официально утвержденные в качестве эталона.

Конструкция эталона, его свойства и способ воспроизведения единицы определяются природой данной величины и уровнем развития измерительной техники в данной области измерений. Из всех возможных способов осуществления эталона выбирают те, которые позволяют обеспечить наивысшую точность воспроизведения единицы. Современный эталон должен обладать, по крайней мере, тремя тесно связанными друг с другом существенными признаками, сформулированными еще более полувека назад видным метрологом М.Ф. Маликовым - неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью.

Под неизменяемостью эталона понимают его свойство поддерживать в течение неограниченного промежутка времени неизменным размер единицы, воспроизводимой им. Все изменения, обусловленные различными внешними условиями (температура, давление, гравитационное и иные поля и пр.) или внутренней структурой эталона, должны быть вполне определенными функциями величин, доступных измерению с необходимой точностью.

Требование неизменяемости эталона накладывает определенные условия на выбор его конструкции, структуры, материалов отдельных элементов, технологии изготовления, хранения и применения. Необходимость обеспечения неизменяемости эталона привело в свое время к выдвижению принципа естественности воспроизведения единиц, т. е. к выбору в качестве единиц измерения «неизменных единиц», созданных самой природой. Так более двухсот лет назад была построена метрическая система мер, в которой в качестве «неизменной единицы» длины {метр) была выбрана одна десятимиллионная часть четверти длины (от полюса до экватора) земного меридиана, проходящего через Париж. Однако, являясь прогрессивной и в настоящее время, эта идея на момент ее появления не имела достаточной научной и технической базы и в полной мере становится реальной только в наши дни. В качестве наглядного примера можно привести современное (естественное) определение единицы длины , в котором используется фундаментальная физическая постоянная (физическая константа) - скорость света в вакууме.

Под воспроизводимостью эталона понимают теоретическую возможность материализации единицы с помощью эталона без всякой, хотя бы очень малой, погрешности или, по крайней мере, с наименьшей погрешностью, возможной на данном уровне развития измерительной техники. Воспроизводимость эталона обеспечивается путем устранения погрешностей различными приемами в процессе его изготовления и путем всестороннего изучения свойств эталона, проводимого с целью определения погрешностей, допущенных при изготовлении эталона, также появляющихся в процессе его эксплуатации, и введения соответствующих поправок.

Под сличаемостью эталона понимают возможность обеспечить наибольшую возможную точность процессам сличения этого эталона с другими средствами измерений. Это свойство предполагает, что эталоны по своему устройству и действию не вносят каких-либо искажений в результаты сличений. В процессе сличения свойства эталонов не должны претерпевать изменения и сами эталоны не должны влиять на параметры сличаемых с ними средств.

Для выполнения перечисленных требований воспроизведение единиц на эталонных установках проводят по особым строго регламентированным спецификациям, как правило, согласованным между различными странами.

1.2 Метрологическая классификация эталонов

В зависимости от конструктивного выполнения и состава эталоны подразделяют на эталонные комплексы, одиночные эталоны, групповые эталоны, эталонные наборы.

Эталонный комплекс представляет собой совокупность различных по назначению средств измерений и вспомогательного оборудования, предназначенную для воспроизведения, хранения единицы физической величины и передачи ее размера. Примером эталонного комплекса может служить эталон времени и частоты, состоящий из цезиевых генераторов (предназначенных для воспроизведения единиц времени и частоты), водородных генераторов (используемых для хранения единиц времени и частоты и выполняющих функции хранителей шкалы времени при их непрерывной работе), группы квантово-механических часов (предназначенных для хранения шкалы времени). В состав эталонного комплекса входит также аппаратура для внутреннего и внешнего сличения частот и средства жизнеобеспечения всего этого комплекса.

Одиночный эталон состоит из одной меры (измерительного прибора, установки), обеспечивающих воспроизведение и хранение единицы величины самостоятельно без участия других средств измерений этого же вида. Наглядным примером одиночного эталона является эталон единицы массы - килограмма, осуществляемый в виде платиноиридиевой гири (в некоторых эталонах - стальной гири).

Групповой эталон состоит из совокупности однотипных мер (или других средств измерений), применяемых как одно целое для повышения надежности хранения единицы. Размер единицы, хранимой групповым эталоном, определяется как среднее арифметическое из значений, воспроизводимых отдельными мерами или иными средствами измерений, входящими в состав группового эталона. Примером группового эталона может служить эталон единицы электрического напряжения -- вольта, представляющего собой группу из 20 одинаковых мер э. д. с. - нормальных элементов (элементов Вестона). Групповые эталоны могут быть постоянного и переменного составов.

В эталонах постоянного состава десятилетиями используются одни и те же экземпляры средств измерений. Например, эталон единицы электрического сопротивления -ома, состоящий из 10 манганиновых герметизированных измерительных катушек электрического сопротивления. В групповые эталоны переменного состава входят средства измерений, периодически заменяемые новыми. Примером такого эталона является уже описанный групповой эталон единицы электрического напряжения и электродвижущей силы постоянного тока. Эталонный набор представляет собой набор мер или измерительных приборов, позволяющих хранить единицу или измерять величину в определенном диапазоне, в котором отдельные меры или измерительные приборы, входящие в эталон, имеют различные номинальные значения или поддиапазоны значений величины
В качестве примера эталонного набора можно привести эталон единицы плотности жидкостей в виде набора денсиметров, служащих для определения плотности жидкостей в различных участках общего диапазона измерений. Эталонные наборы, как и групповые эталоны, могут быть постоянного и переменного составов. В соответствии с классом воспроизводимых единиц величин различают эталоны основных и производных единиц. В принципе, для обеспечения единства измерений достаточно централизовано, с помощью эталонов, воспроизводить только основные единицы. Размеры производных единиц могут быть получены на местах путем косвенных измерений при строгом соблюдении требований спецификаций Однако, для повышения общего уровня точности измерений, необходимого для современных технологий, и повышения оперативности передачи размеров единиц широко используются воспроизведение с помощью эталонов и производных единиц. По уровню точности воспроизведения единиц и метрологической соподчиненности эталоны подразделяют на первичные, вторичные и рабочие.

Первичный эталон - эталон, осуществляющий воспроизведение и хранение единицы с наивысшей точностью, достижимой в данной области измерений, размер единицы воспроизводимой которым устанавливается независимо от других эталонов этой же величины. Первичные эталоны основных единиц воспроизводят единицу в соответствии с ее определением. Примером первичного эталона является эталон единицы длины - метр, представляющи...