Лекция 3. Эталоны единиц физических величин

3.1 Эталоны и их классификация

 

В решении важной метрологической задачи обеспечения единства измерений путем точного воспроизведения и хранения установленных единиц физических величин ключе­вое значение принадлежит эталонам. Классификация, общие требования по созданию, хра­нению и применению эталонов установлены в ГОСТ 8.057-80. Порядок разработки, утвер­ждения, регистрации и применения эталонов установлены в ГОСТ 8.372-80.

Эталон - это средство измерения (или комплекс средств измерений), обеспечи­ваю­щее воспроизведение и/или хранение единицы с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерения, выполненное по особой спецификации и спе­ци­ально утвержденное в установленном порядке. Основные виды эталонов и их взаимная соподчиненность показаны на рис. 3.1.

Соответственно делению физических величин на основные и производные различают эталоны основных и производных величин.

 
 

 


По точности воспроизведения и по подчиненности эталоны делят на первичные (исходные) и вторичные (подчине­нные). Первичные эталоны в зависимости от условий воспроизведения единицы могут иметь разновидность - специальные первичные эталоны.

Первичные эталоны - эталоны, которые обеспечивают воспроизведение единицы с наивысшей в стране точностью. Первичные эталоны - наиболее точные из всех видов эталонов.

Специальные эталоны - эталоны, предназначенные для воспроизведения и хране­ния единиц физических величин в специфических особых условиях. К числу таких особых условий относятся высокие частоты, давления, температуры, малые или большие энергии, особые состояния веществ и т.п. В этих условиях специальный эталон заменяет первичный эталон.

Первичные и специальные эталоны являются исходными для страны и их утверждают в качестве государственных эталонов. На каждый государственный эталон разрабатывается специальный государственный стандарт. В бывшем СССР имелось около двухсот государственных эталонов. Большинство из них действительны на территории стран СНГ. В Украине в настоящее время проводится значительная работа по созданию национальной эталонной базы. В 1997г. в Государственный Реестр эталонов занесено 25 государственных эталонов и 49 рабочих эталонов. В стадии создания еще не меньше 15 эталонов. Государственные эталоны Украины сосредоточены преимущественно в ГНПО «Метрология», г. Харьков.

Для государственных эталонов указывают:

* номинальное значение размера хранимой и/или воспроизводимой единицы;

* случайную погрешность воспроизведения единицы, выраженную в виде среднего квадратического ее отклонения;

* неисключенную систематическую погрешность воспроизведения единицы.

 

К вторичным эталонам относят эталоны-копии, эталоны сравнения и рабочие эталоны.

Эталоны-копии предназначены для передачи размера единицы рабочим эталонам.

Эталоны сравнения предназначены для взаимного сличения эталонов, которые по тем или иным причинам нельзя сличить непосредственно друг с другом.

Рабочие эталоны предназначены для поверки образцовых и наиболее точных рабо­чих средств измерений.

Различают эталоны одиночные и групповые. Одиночный эталон состоит из одного средства измерений, обеспечивающего выполнение функций эталона самостоятельно, без участия других средств измерений того же типа. Пример одиночного эталона - эталон килограмма в виде цилиндра из платино-иридиевого сплава. Групповой эталон состоит из совокупности однотипных средств измерений, применяемых как одно целое для повышения точности и метрологической надежности эталона. Пример группового эталона - государственный эталон электродвижущей силы, состоящий из 20 насыщенных нормальных элементов. Другой пример - эталон электрического сопротивления состоит из 10 манганиновых катушек сопротивления.

Кроме национальных эталонов, имеются международные эталоны, принятые для использования в ряде стран и предназначенные для поддержания единства измерений в международном масштабе путем периодического сличения национальных эталонов с международным и между собой.

 

3.2 Утверждение, хранение и применение эталонов

 

Государственные эталоны являются национальным достоянием каждой страны, которое обеспечивает независимость каждой страны в области измерений.

Государственные эталоны создает, утверждает, хранит и применяет Государст­венный комитет Украины по стандартизации, метрологии и сертификации. Точность воспроизве­дения государственным эталоном единицы и передачи ее размера должны соответствовать уровню лучших мировых образцов. В состав государственного эталона включаются средства измерения, которые обеспечивают:

* воспроизведение и/или хранение единицы;

* контроль условий измерений и неизменности воспроизводимого и хранимого размера единицы;

* передачу размера единицы.

 

Вторичные эталоны создают, хранят и применяют министерства (ведомства).

Эталоны хранят, исследуют и применяют в соответствии с утвержденными правилами хранения и применения и требованиями государственной поверочной схемы. В течение всего срока службы эталонов исследуют их свойства с целью обеспечения неизменности размеров воспроизводимых и/или хранимых ими единиц и повышения точности эталонов. Результаты сличений, аттестации и исследований эталона фиксируют в журнале работ с эталоном и в паспорт эталона. Журнал работ с эталоном хранится при соответствующем эталоне.

Государственные эталоны подлежат международным сличениям. По результатам таких сличений выдается свидетельство (сертификат), который надлежит хранить при соответствующем эталоне.

Для наблюдения за правильным хранением, сличением и исследованием эталонов назначают ученых хранителей эталонов.

 

3.3 Эталоны основных единиц системы СИ

3.3.1 Эталон единицы длины

Линейный размер (длина) материальных объектов относится к тем интуитивно понятным физическим величинам, необходимость в единицах измерения которых люди осознали достаточно давно. По мере совершенствования технологии эталон длины претер­пел множество модификаций. В 1799 г. был изготовлен эталон метра в виде платиновой концевой меры “метр Архива”.Он представляет собой платиновую линейку шириной около 25 мм, толщиной около 4 мм с расстоянием между концами, равным 1 м. Долгое время приемлемую точ­ность и стабильность обеспечивал эталон, изготовленный из платино-иридиевого сплава (90% Рt, 10% Ir). Он в поперечном разрезе обладает таким асимметричным х-образным профилем (рис. 3.1), что его средняя линия проходит по поверхности же­лоба и при различных деформа­циях эталона обеспечивает мак­симальное постоянство эталонного размера. В желобе вырезаны две группы штрихов, по три штриха в каждой, и расстояние ме­жду средними штрихами равно 1 м. Длина эталона –102 см. Эталон метра №26 был получен Россией в 1889 г.

Рис.3.1. Внешний вид прототипа метра

В настоящее время государственный первичный эталон единицы длины представляет собой сложный комплекс средств, воспроизводящий метр виде длины пути, который проходит в вакууме свет за 1/299 792 548 долю секунды. Условия эксплуатации комплекса аппаратуры, входящего в состав государственного эталона, установлены особой спецификацией. Среднеквадратическая погрешность передачи метра не превышает 3×10‑8.

 

3.3.2 Государственный первичный эталон единицы массы ДЕТУ 02-01-96

 

Килограмм - единица массы - равен массе международного прототипа килограмма, который хранится в Международном бюро мер и весов в г.Севре (Франция). Государст­венным первичным эталоном килограмма в СССР была, а теперь в Российской Федерации является копия международного прототипа №12, изготовленная в 1883г. из платино-иридиевого сплава.Эталон представляет собой цилиндрическую гирю высотой 39 мм, равной его диаметру. Плотность платино-иридиевого сплава – 21,5 г/см3. В состав комплекса средств измерений государственного первичного эталона килограмма входят эталонные равноплечие весы на 1 кг, служащие для передачи размера единицы массы вторичным эталонам. Погрешность воспроизведения единицы массы эталоном килограмма равна 2×10-9кг.

Эталон единицы массы установлен Государственным стандартом Украины ДСТУ 3381-96 «Метрология. Государственная поверочная схема для средств измерения массы».

 

3.3.3 Эталон единицы времени и частоты ДЕТУ 07-01-97

Государственный первичный эталон единицы времени - секунды представляет собой сложный комплекс средств, воспроизводящий секунду как 9 192 631 770 периодов колебания электромагнитного излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Он обеспечивает воспроизведение единицы времени с относительным среднеквадратическим отклонением результата измерений, не превышающей 1×10-13. Этот эталон одновременно является эталоном частоты - герца

Эталон единицы времени и частоты установлен Государственным стандартом Украины ДСТУ 3538-97 «Метрология. Государственная поверочная схема для средств измерения времени и частоты».

 

3.3.4 Эталон единицы силы постоянного электрического тока

 

Государственный первичный эталон единицы силы постоянного электрического тока –ампера представляет собой сложный метрологический комплекс, в состав которого входят токовые весы. Метод был предложен английским физиком лордом Рэлеем.Внутри наруж­ной фиксированной катушки с отводом от сред­него витка обмотки длиной 27,5 см и диаметром 46 см (установка Национального бюро стандартов США) или длиной 50 см и диаметром 27,5 см (установка Немецкого бюро по конт­ролю за материалами и товарами, ФРГ) помещается «измеритель­ная катушка», на которую действует подлежащая измерению сила. Измерительная катушка также ориентирована вертикально и имеет длину 2,6 см и диаметр 24,5 см (или длину 12 см и диа­метр 20 см). Число витков большой катушки равно 344 (или 453), малой—41 (или 130). Измерительная катушка подвешена к ко­ромыслу чувствительных аналитических весов. При пропускании тока через катушки возникает сила электродинамического взаимодействия, которая уравновешивается силой веса образцовой гири. Таким образом, ампер воспроизводится через другие основные единицы системы СИ: метр, килограмм, секунду. Среднеквадратическая погрешность эталона не превосходит 4×10-6.

3.4 Передача размеров единиц от эталонов к другим средствам измерений. Поверочные схемы

 

Точное хранение единицы измерения физической величины само по себе не имеет большого смысла. Ценность эталона состоит в том, что с его помощью при необходи­мости можно передать размер хранимой единицы другим средствам измерений. Такая передача требует использования определенных методов и средств измерений, нормирования точности и соподчиненности средств измерений. Все эти аспекты составляют содержание поверочных схем. Построение поверочных схем определяется ГОСТ 8.061-80. «ГСИ. Поверочные схемы. Содержание и построение».