Эталоны единиц физических величин
Эталон — это средство измерений (или комплекс средств измерений), предназначенное для воспроизведения и/или хранения единицы физической величины и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке. Классификацию, назначение и общие требования к созданию, хранению и применению эталонов устанавливает ГОСТ 8.057-80. «ГСМ. Эталоны единиц физических величин. Основные положения».
Конструкция эталона, его физические свойства и способ воспроизведения единицы определяются физической величиной, единица которой воспроизводится, и уровнем развития измерительной техники в данной области измерений. Эталон должен обладать, по крайней мере, тремя взаимосвязанными свойствами: неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью.
Неизменность — это свойство эталона удерживать неизменным размервоспроизводимой им единицы в течение длительного интервала времени. При этом все изменения, зависящие от внешних условий, должны быть строго определенными функциями величин, доступных точному измерению. Реализация этих требований привела к идее создания «естественных» эталонов различных величин, основанных на физических постоянных.
Воспроизводимость — возможность воспроизведения единицы физической величины на основе ее теоретического определения с наименьшей погрешностью для существующего уровня развития измерительной техники. Это достигается путем постоянного исследования эталона в целях определения систематических погрешностей и их исключения путем введения соответствующих поправок.
Сличаемость — возможность обеспечения сличения с эталоном других средств измерений, нижестоящих по поверочной схеме, в первую очередь вторичных эталонов, с наивысшей точностью для существующего уровня развития техники измерений. Это свойство предполагает, что эталоны по своему устройству и действию не вносят каких-либо искажений в результаты сличений и сами не претерпевают изменений при проведении сличений.
Различают следующие виды эталонов (рис. 1.1): первичный, специальный, государственный, вторичный.
Первичный эталон гарантирует воспроизведение и хранение единицыс наивысшей в стране точностью (по сравнению с другими эталонами той же величины). Первичные эталоны являются уникальными средствами измерений. Они часто представляют собой сложнейшие измерительные комплексы, созданные с учетом новейших достижений науки и техники, и составляют основу государственной системы обеспечения единства измерений.
Специальный эталон обеспечивает воспроизведение единицы в особых условиях, в которых прямая передача размера единицы от первичного эталона с требуемой точностью не осуществима, и служит для этих условий первичным эталоном.
Государственным является первичный или специальный эталон, официально утвержденный в качестве исходного эталона для страны. Утверждение проводит главный метрологический орган страны. Государственные эталоны создаются, хранятся и применяются центральными метрологическими научными институтами страны. Точность воспроизведения единицы физической величины должна соответствовать уровню лучших мировых достижений и удовлетворять потребностям науки и техники. В состав государственных эталонов включаются средства измерений, с помощью которых воспроизводят и/или хранят единицу физической величины, контролируют условия измерений и неизменность воспроизводимого или хранимого размера единицы, осуществляют передачу размера единицы. Государственные эталоны подлежат периодическим сличениям с государственными эталонами других стран.
Вторичный эталон хранит размер единицы, полученной путем сличения с первичным эталоном соответствующей физической величины. Также эталоны являются частью подчиненных средств хранения единиц и передачи их размеров, создаются и утверждаются в тех случаях, когда это необходимо для организации поверочных работ, а также для обеспечения сохранности и наименьшего износа государственного эталона. В состав вторичных эталонов включаются средства измерений, с помощью которых хранят единицу физической величины, контролируют условия хранения и передают размер единицы.
По метрологическому назначению вторичные эталоны делятся на эталон-копию, эталон-сравнения, эталон-свидетель и рабочий эталон.
Эталон-копия предназначен для передачи размера единицы рабочим эталонам. Он создается в случае необходимости проведения большого числа поверочных работ в целях предохранения первичного или специального эталона от преждевременного износа. Эталон-копия представляет собой копию государственного эталона только по метрологическому назначению, поэтому он не всегда является его физической копией.
Эталон-сравнения применяется для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличаемы друг с другом.
Эталон-свидетель используется для проверки сохранности и неизменности государственного эталона и замены его в случае порчи или утраты. В настоящее время только эталон килограмма имеет эталон-свидетель. Его основное назначение — обеспечивать возможность контроля постоянства основного эталона.
Рабочий эталон применяется для передачи размера единицы рабочим средствам измерений. Это самые распространенные эталоны. В целях повышения точности измерений физических величин рабочие эталоны применяются во многих территориальных метрологических органах и лабораториях министерств и ведомств.
Эталоны единиц системы СИ
Эталонную базу России составляют 114 государственных эталонов и более 250 вторичных эталонов единиц физических величин.
Единица времени секунда впервые определялась через период вращения вокруг оси Земли или Солнца. До недавнего времени секунда равнялась 1/86.400 части солнечных средних суток.
В 1967г на XIII ГКМВ было принято новое определение секунды как интервала времени, в течение которого совершается 9.192.631.770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения со стороны внешних полей. Данное определение реализуется с помощью цезиевых реперов частоты.
Репер, или квантовый стандарт частоты, представляет собой устройство для точного воспроизведения частоты электромагнитных колебаний в сверхвысокочастотных и оптических спектрах, основанное на измерении частоты квантовых переходов атомов, ионов или молекул.
В области измерений электрических и магнитных величин, включая радиотехнические, созданы и функционируют 32 эталона. Они охватывают не только большой диапазон значений измеряемых величин, но и широкий спектр условий их измерений, прежде всего частоты, доходящей до десятков гигагерц. Основу составляют эталоны, которые наиболее точно воспроизводят основные единицы и определяют размеры производных единиц. Это государственные первичные эталоны единиц электродвижущей силы (ЭДС), электрического сопротивления и электрической емкости. Первые два из них разработаны недавно и основаны на квантовых эффектах Джозефсона и Холла соответственно.
До последнего времени единицу силы электрического тока — ампер — на практике приходилось определять по тем действиям, которые ток оказывал в окружающей среде, например выделение теплоты при прохождении тока через проводник, осаждение вещества на электродах при прохождении тока через электролит, механические действия тока на магнит или проводник с током. Последние и были положены в основу эталона ампера (1948), реализованного на токовых весах.
В связи с введением в метрологическую практику эталона единицы электрического напряжения — Вольта на основе эффекта Джозефсона и эталона единицы электрического сопротивления — Ома на базе эффекта Холла назначение ампер-весов как средства, необходимого для представления единицы напряжения, утратило смысл. Применение эффекта Джозефсона (для аппаратурной реализации) и константы Джозефсона (для воспроизведения единицы напряжения) позволило повысить точность воспроизведения единицы тока примерно на два порядка. Новый эталон ампера состоит из двух комплексов. Первый основан на принципе установления размера ампера через Вольт и Ом с использованием квантовых эффектов Джозефсона и Холла, а второй — через Фарад, Вольт и Секунду с применением методов электрометрии.
Современный государственный эталон Ампера имеет следующие диапазоны воспроизводимых значений силы тока: 1∙10‒3...1A (посредством квантовых эффектов) и 1∙10‒16...1∙10‒9A (при использовании методов электрометрии). Он обеспечивает воспроизведение единицы силы тока со средним квадратичным отклонением результата измерений, не превышающим 5∙10‒8A при номинальных значениях силы тока 1∙10‒3...1 и 1∙10‒2...2∙10‒4A. Неисключенная систематическая погрешность не должна превышать 2∙10‒8A при номинальных значениях силы постоянного тока 1∙10‒3 и 1A.
Единство измерений
Под единством измерений понимают такое состояние измерений, при котором их результаты выраженывузаконенных единицах и погрешности результатов измерений известны с известной или заданной вероятностью. Единство измерений позволяет сопоставлять результаты измерений, выполненные в разных местах, в разное время, разными специалистами, с помощью разных средств измерений. Единство измерений обеспечивается использованием общепринятой системы единиц физических величин, стандартизацией, метрологическим обеспечением, эталонами и образцовыми средствами измерений, соответствующей нормативно-технической документацией.
Единицы физических величин. Единица физической величины — это такая физическая величина, которой по определению присвоено числовое значениеравное единице.
В нашей стране, как и в большинстве других стран, действует Международная система единиц (System International — SI). Система основана на выборе нескольких основных единиц физических величин, независимых и достаточных для образования других (производных) единиц физических величин.
Основные, дополнительные и производные единицы физических величин. В соответствии с ГОСТ 8.417-81 ГСП «Единицы физических величин» все единицы физических величин подразделяются на основные (их семь), дополнительные (их две) и производные (около 200 и их число растет). В табл. 1.1 приведены основные и дополнительные единицы физических величин.
Таблица 1.1. Основные и дополнительные единицы физических величин
Отметим, что конкретный размер основной единицы физической величины не имеет значения. Например, в качестве основной единицы длины мог бы выступать не метр, а фут или аршин. Главное, чтобы единица физической величины была общепринята, узаконена и выступала основой при формировании производных единиц.
Производные единицы физических величин образуются из основных, дополнительных и других производных путем разнообразных функциональных преобразований. Например, производная единица Ом образована отношением производной единицы вольт к основной единице ампер. Формирование некоторых производных единиц физических величин показано на (рис. 1.4).
Относительные и логарифмические единицы. Для оценки отношения или относительного изменения физических величин удобно использовать вспомогательные единицы: относительные и логарифмические (табл. 1.2 и 1.3).
Таблица 1.2. Относительные единицы
Таблица 1.3. Логарифмические единицы
Кратные и дольные единицы. Поскольку диапазоны значений измеряемых величин сегодня очень широки, то невозможно обойтись только исходными системными (основными, дополнительными и производными) единицами физических величин. Для удобства работы и записи результатов используются вспомогательные единицы физических величин — так называемые кратные (большие единицы) и дольные (меньшие единицы), которые образованы путем введения приставок (коэффициентов) к исходным системным единицам (табл. 1.4).
Таблица 1.4. Множители и приставки для образования кратных и дольных единиц и их наименования
Контрольные вопросы
1В чем состоит сущность понятия «средства измерений»? На какие виды их классифицируют?
2Что такое мера? Что относится к данному виду измерений?
3Что такое измерительный преобразователь?
4На какие виды подразделяют преобразователи?
5Что такое эталон? Какими свойствами эталон должен обладать?
6Какое назначение имеют различные виды эталонов и как организована передача размеров от эталонов к рабочим измерительным приборам?
7Что составляет эталонную базу России?
8Что представляет из себя репер, или квантовый стандарт частоты?
9Что такое эталоны единиц: силы электрического тока, напряжения и частоты?
10Что понимают под единством измерений?
11Как называется «Международная система единиц»? На чем она основана?
12Что такое «Единица физической величины»?
13Из чего образуются «Производные единицы» физических величин?
14Что используется для оценки отношения или относительного изменения физических величин?
15Какие вспомогательные единицы используются для удобства работы и записи результатов измерений?