При проведении измерений необходимо обеспечить их единство. Под единством измерений понимается характеристика качества измерений, заключающаяся в том, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам воспроизведенных величин, а погрешности результатов измерений известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы. Понятие «единство измерений» довольно емкое. Оно охватывает важнейшие задачи метрологии: унификацию единиц ФВ, разработку систем воспроизведения величин и передачи их размеров рабочим средствам измерений с установленной точностью и ряд других вопросов. Единство измерений должно обеспечиваться при любой точности, необходимой науке и технике. На достижение и поддержание на должном уровне единства измерений направлена деятельность государственных и ведомственных метрологических служб, проводимая в соответствии с установленными правилами, требованиями и нормами. На государственном уровне деятельность по обеспечению единства измерений регламентируется стандартами Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ) или нормативными документами органов метрологической службы.
Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, в которых проградуированы все существующие СИ одной и той же величины. Это достигается путем точного воспроизведения и хранения в специализированных учреждениях установленных единиц ФВ и передачи их размеров применяемым СИ.
Воспроизведение единицы физической величины — это совокупность операций по материализации единицы ФВ с наивысшей точностью посредством государственного эталона или исходного образцового СИ. Различают воспроизведение основной и производной единиц.
1. Системы физических величин и их единиц
В науке, технике и повседневной жизни человек имеет дело с разнообразными свойствами окружающих нас физических объектов. Эти свойства отражают процессы взаимодействия объектов между собой. Их описание производится посредством физических величин. Для того чтобы можно было установить для каждого объекта различия в количественном содержании свойства, отображаемого физической величиной, в метрологии введены понятия ее размера и значения.
Размер физической величины, Значение физической величины, Единица физической величины
системой физических величин.
основными.
системой единиц физических величин.
Таблица 1
Основные и дополнительные единицы физических величин системы СИ
| Величина | Единица | |||||||
| Обозначение | ||||||||
| Наименование | Размерность | Рекомендуемое обозначение | Наименование | русское | международное | |||
| Длина | Основные | |||||||
| L | 1 | метр | м | m | ||||
| Масса | М | m | килограмм | кг | kg | |||
| Время | Т | t | секунда | с | s | |||
| Сила электрического тока | I | I | ампер | А | А | |||
| Термодинамическая температура | е | Т | кельвин | К | К | |||
| Количество вещества | N | n, v | моль | моль | mol | |||
| Сила света | j | J | канделла | кд | cd | |||
| Плоский угол | Дополнительные | |||||||
| — | — | радиан | рад | red | ||||
| Телесный угол | — | — | стерадиан | ср | sr | |||
Производная единица
Таблица 2.
Производные единицы системы СИ, имеющие специальное название
Системная единица, Внесистемная единица
- допускаемые наравне с единицами СИ, например: единицы массы — тонна;
- плоского угла — градус, минута, секунда;
- объема — литр и др. Внесистемные единицы, допускаемые к применению наравне с единицами СИ, приведены в табл. 3.
Таблица 3
Внесистемные единицы, допускаемые к применению наравне
с единицами СИ
| Наименование величины | Единица | ||
| Наименование | Обозначение | Соотношение с единицей СИ | |
|
Масса |
тонна | т | 10 3 кг |
| атомная единиц массы | а. е. м. |
1, 66057×10 -27 кг (приблизительно) |
|
|
Время |
минута | мин | 60 с |
| час | ч | 3600 с | |
| сутки | сут | 86400 с | |
|
Плоский угол |
градус | …° | (p/180) рад = 1, 745329. ..×10 -2 рад |
| минута | …′ | (p/10800) рад = 2,908882… ×10 -4 рад | |
| секунда | … ″ | (p/648000) рад = 4,848137…×10 -4 рад | |
| град | град | (p/200) рад | |
| Объем | литр | л | 10 -3 м3 |
|
Длина |
астрономическая единица | а. е. |
1, 45598×10 11 м (приблизительно) |
| световой год | св. год | 9,4605-Ю 15 м (приблизительно) | |
| парсек | ПК |
3,0857×10 16 м (приблизительно) |
|
| Оптическая сила | диоптрия | Дптр | 1 м -1 |
| Площадь | гектар | га | 10 4 м2 |
| Энергия | электрон-вольт | эВ |
1,60219×10 -19 Дж (приблизительно) |
| Полная мощность | вольт-ампер | ВА | — |
| Реактивная мощность | вар | вар | — |
- допускаемые к применению в специальных областях, например: астрономическая единица, парсек, световой год — единицы длины в астрономии;
- диоптрия — единица оптической силы в оптике;
- электрон-вольт — единица энергии в физике и т.д.;
- временно допускаемые к применению наравне с единицами СИ, например: морская миля — в морской навигации;
- карат — единица массы в ювелирном деле и др. Эти единицы должны изыматься из употребления в соответствии с международными соглашениями;
- изъятые из употребления, например: миллиметр ртутного столба — единица давления; лошадиная сила — единица мощности и некоторые другие.
Кратная единица
Таблица 4
Множители и приставки для образования десятичных кратных
и дольных единиц и их наименований
| Множитель | Приставка | Обозначение приставки | Множитель | Приставка | Обозначение приставки | ||
| международное | русское | международное | русское | ||||
| 10 18 | экса | Е | Э | 10- 1 | деци | d | д |
| 10 16 | пета | Р | П | 10- 2 | санти | с | с |
| 10 12 | тера | Т | Т | 10- 3 | милли | m | м |
| 10 9 | гига | G | Г | 10 -6 | микро | m | мк |
| 10 6 | мега | М | М | 10- 9 | нано | n | н |
| 10 3 | кило | k | к | 10 -12 | пико | p | п |
| 10 2 | гекто | h | г | 10 -15 | фемто | f | ф |
| 10 1 | дека | da | да | 10 -18 | атто | а | а |
единством измерений
Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, в которых проградуированы все существующие СИ одной и той же величины. Это достигается путем точного воспроизведения и хранения в специализированных учреждениях установленных единиц ФВ и передачи их размеров применяемым СИ.
Воспроизведение единицы физической величины, Воспроизведение основной единицы, Воспроизведение производной единицы, Передача размера единицы, Хранение единицы
Эталон — средство измерений (или комплекс СИ), предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме СИ и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке. Классификация, назначение и общие требования к созданию, хранению и применению эталонов устанавливает ГОСТ 8.057-80 «ГСИ. Эталоны единиц физических величин. Основные положения».
Перечень эталонов не повторяет перечня ФВ. Для ряда единиц эталоны не создаются из-за того, что нет возможности непосредственно сравнивать соответствующие ФВ, например нет эталона площади. Не создаются эталоны и в том случае, когда единица ФВ воспроизводится с достаточной точностью на основе сравнительно простых средств измерений других ФВ.
Конструкция эталона, его физические свойства и способ воспроизведения единицы определяются ФВ, единица которой воспроизводится, и уровнем развития измерительной техники в данной области измерений. Эталон должен обладать по крайней мере тремя взамосвязанными свойствами: неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью.
Неизменность, Воспроизводимость, Сличаемостъ
Различают следующие виды эталонов:
первичный
специальный
государственный
вторичный
По своему метрологическому назначению вторичные эталоны делятся на следующие:
эталон-копия
эталон сравнения
эталон-свидетель
рабочий эталон
Способы выражения погрешностей эталонов устанавливает ГОСТ 8.381-80 «ГСИ. Эталоны, Способы выражения погрешностей». Погрешности государственных первичных и специальных эталонов характеризуются неисключенной систематической погрешностью, случайной погрешностью и нестабильностью. Неисключенная систематическая погрешность описывается границами, в которых она находится. Случайная погрешность определяется средним квадратичес-ким отклонением (СКО) результата измерений при воспроизведении единицы с указанием числа независимых измерений. Нестабильность эталона задается изменением размера единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном, за определенный промежуток времени.
Оценки погрешностей вторичных эталонов характеризуются отклонением размеров хранимых ими единиц от размера единицы, воспроизводимой первичным эталоном. Для вторичного эталона указывается суммарная погрешность, включающая случайные погрешности сличаемых эталонов и погрешности передачи размеров единицы от первичного (или более точного) эталона, а также нестабильность самого вторичного эталона. Суммарная погрешность вторичного эталона характеризуется либо СКО результата измерений при его сличении с первичным эталоном или вышестоящим по поверочной схеме вторичным эталоном, либо доверительной границей погрешности с доверительной вероятностью 0,99.
Передача размеров единиц ФВ от эталонов рабочим мерам и измерительным приборам осуществляется с помощью рабочих эталонов. До недавнего времени в нашей стране вместо термина «рабочие эталоны» использовался термин «образцовые средства измерений», который в большинстве других стран не применяется.[2]
Рабочие эталоны при необходимости подразделяются на разряды 1, 2 и т.д., определяющие порядок их соподчинения в соответствии с поверочной схемой. Для различных видов измерений устанавливается, исходя из требований практики, различное число разрядов рабочих эталонов, определяемых стандартами на поверочные схемы для данного вида измерений.
Пример эталона государственной поверочной схемы для средств измерения массы:
1. государственный первичный эталон одного кг массы . Погрешность 2 х 103 мг. Он представляет собой гири международного прототипа килограмма;
2. вторичный эталон одного кг представляет собой гири. Его погрешность 1х10 -2 мг;
3. рабочий эталон нулевого разряда . Масса от 1 до 500 гр, набор гирь. Их погрешность от 8 х 10-4 до 2 х 10-2 ;
4. рабочийэталон 1-го разряда — это набор гирь от 1 мг до 1 кг, точность 2х10 -3 -0,5 мг;
5. рабочий эталон 2-го раз-го разряда. Набор гирь от 1 мгр до 20 кг. погрешность 6х10 -3 -30 мгр.;
6. рабочий эталон 3-го разряда– набор гирь от 5 мгр до 2000 кг, погрешность 0,4 – 2000 мг;
7. рабочие средства измерений — набор гирь 1, 2 и 3 класса, а также рабочие гири 4, 5 и 6 класса, диапазон измерений от 1 мгр до 20 кг.б Погрешность 2 х 10 -3 -75 мг.
4.1 Система передачи размеров единиц
Как уже отмечалось, любая измерительная процедура состоит в сравнении неизвестного размера измеряемой величины с известным размером, в качестве которого используется размер соответствующей единицы.
Хранителем размера единицы опосредовано является средство измерений, используемое при проведении конкретной измерительной процедуры. Информация о размерах единиц закладывается в средства измерений при их изготовлении и выпуске в обращение путем приписывания определенных (номинальных) значений мерам, отметкам шкал измерительных приборов, функциям преобразования измерительных преобразователей.
Подобная метрологическая процедура называется градуировкой средств измерений. В некоторых случаях составляются градировочные таблицы или графики. Для ряда средств измерений, как правило, высокой точности, бывает необходимо определить поправки, используемые для уточнения результатов измерений, получены с помощью этих средств. Для этого определяют действительные значения величин, воспроизводимых мерами, или величин, соответствующих отметкам шкал измерительных приборов или определенным выходным сигналам измерительных преобразователей.
Такая метрологическая процедура называется калибровкой средств измерений. Сохранность информации о размерах единиц, заложенной в средства измерений, в процессе их эксплуатации контролируется путем поверки средств измерений.[4]
Таким образом, путем градуировки, калибровки, поверки средств измерений осуществляется передача средствам измерений размеров единиц величин. Эти метрологические процедуры проводят путем сравнения значений величин, полученных с помощью данных средств измерений, с заведомо более точно известными значениями соответствующих величин.
Посредством этих процедур, осуществляемых путем сличений менее точных средств измерений с более точными средствами, размеры единиц, заложенные в средства измерений, последовательно приводят к размерам единиц, воспроизводимых и (или) хранимых соответствующими эталонами.
Использовать при градуировке, калибровке, поверке средств измерений (СИ) государственные эталоны нельзя. Эти уникальные средства являются национальным достоянием, основой технической независимости страны. Поэтому при централизованном воспроизведении единиц величин создают строгую, метрологически взаимоподчиненную, иерархическую систему передачи размеров единиц
образцовыми средствами измерений.
Специфичность образцовых средств измерений (ОСИ) заключается именно в их метрологическом назначении — эти средства измерений используются только в процедурах передачи размеров единиц. С целью обеспечения долговременной стабильности метрологических свойств образцовых средств измерений, использовать их в других целях запрещается.
рабочими средства измерения.
метрологическим назначением
государственной метрологической службы
Поскольку стабильность метрологических свойств СИ во многом определяется интенсивностью их эксплуатации, использование рабочих средств измерений, даже высокой точности, в процедурах передачи размеров единиц без предварительной метрологической аттестации запрещается.
По метрологическому взаимоподчинению и, следовательно, по точности образцовые средства измерений подразделяются на разряды. Образцовые средства измерений, получающие размер единицы непосредственно от эталонов, относятся к первому разряду, далее, по мере уменьшения точности, следуют ОСИ второго разряда, третьего и т. д.
Номенклатура, число разрядов ОСИ и количество ОСИ каждого разряда должны быть достаточны для передачи размера единицы всем без исключения средствам измерений каждой из измеряемых величин.
Следует отметить, что на каждом этапе передачи размера единицы от одного средства измерений к другому происходит накопление погрешностей. Поэтому, при значительном числе ступеней передачи размера единицы (значительное число разрядов ОСИ) простейшему из рабочих средств измерений можно гарантировать только весьма низкую точность. С другой стороны, при малом числе разрядов ОСИ и значительном количестве соподчиненных с ними средств измерений необходимо, с целью обеспечения оперативности Передачи размера единицы, увеличивать количество образцовых средств измерений каждого разряда. При этом существенно возрастает интенсивность использования эталона, что может привести к его преждевременному износу и потере требуемых метрологических свойств. Поэтому определение оптимального числа разрядов ОСИ для каждой из измеряемых величин является сложной технико-экономической задачей.
При определении числа разрядов образцовых средств измерений учитывают запас по точности эталона, общее количество эксплуатируемых средств измерений каждого уровня точности и назначение этих СИ, стоимость продукции, контролируемой этими СИ и требуемую точность рабочих средств измерений низшей точности как правило, наиболее многочисленных.
поверочной схемы
4.2 Методы передачи размеров единиц
Метрологическое качество и производительность работ по передаче средствам измерений размеров единиц величин во многом зависит от рационального выбора метода передачи.
В метрологической практике повсеместно используются следующие методы передачи размеров единиц:
- метод непосредственного сличения;
метод сличения с помощью компаратора
метод прямых измерений;
- метод косвенных измерений.
Метод непосредственного сличения
Метод используется при градуировке, калибровке, поверке измерительных приборов и ряда мер (например, мер вместимости) низкой и средней точности. Это наиболее технически простой метод, не требующий высокой квалификации оператора. При определенных условиях метод позволяет с помощью одного образцового прибора определять метрологические характеристики значительного числа одновременно включенных однотипных контролируемых измерительных приборов. Например, при определении характеристик счетчиков электрической энергии методом непосредственного сличения число одновременно включенных приборов может составлять несколько сотен.
Метод сличения с помощью компаратора
Метод используется при градуировке, калибровке, поверке измерительных приборов, мер, измерительных преобразователей предельно высокой точности. Для исключения систематических погрешностей, возникающих при передаче размеров единиц, широко используются методы, рассмотренные в разделе 2.6.3., в частности, методы замещения, противопоставления, компенсации погрешности по знаку. При этом могут применяться различные устройства сравнения — нулевые, дифференциальные, термоэлектрические, интерференционные и ряд других, что делает этот метод наиболее технически и методически сложным и требует операторов высокой метрологической квалификации.
Метод прямых измерений
1. прямое измерение контролируемым измерительным прибором величины, полученной с помощью образцового средства измерений (образцовой меры);
2. прямое измерение образцовым средством измерений (образцовым прибором) величины, воспроизводимой контролируемой мерой.
Данный метод технически просто поддается автоматизации и является наиболее производительным методом передачи размеров единиц для мер и измерительных приборов. В последнее время метод получил широкое распространение благодаря появлению на рынке достаточно точных образцовых многозначных мер различных величин — калибраторов. Наличие простых в управлении переносных калибраторов позволяет осуществлять передачу размеров единиц техническим средствам измерении непосредственно на месте их установки.
независимую
Данный метод возник при разработке особо точных средств измерений, определение погрешности которых невозможно другими методами. Однако этот метод применим только к тем средствам измерений, принцип действия которых базируется на отношении одноименных параметров измерительной цепи (делители напряжения, потенциометры постоянного тока).
Например, для делителей напряжения основной параметр — коэффициент деления — зависит не от конкретных значений электрического сопротивления плеч, а от отношения этих значений. Поэтому при определении погрешности коэффициента деления нет необходимости в передаче этому делителю размера единицы сопротивления, а достаточно определить соотношение сопротивлений плеч. В данном случае метод реализуется в последовательном выделении и сравнении между собой одноименных параметров измерительной цепи, имеющих равные номинальные значения.
Метод косвенных измерений., Заключение
Исследована общая структура системы ВЕПР, выявлены ее подсистемы и элементы. На основе представления обобщенного элемента системы средств ВЕПР – метрологических средств измерений в виде мер, приборов и преобразователей, получены возможные типы связей между элементами (методы передачи размеров единиц).
Показано, что метод непосредственных сличений и метод косвенных измерений не смогут служить методами передачи размеров единиц. Рассмотрены основные свойства системы воспроизведения единиц. Проанализированы входные параметры системы, уравнение воспроизведения единицы и условие сопоставимости при децентрализованном воспроизведении единицы.
Разработаны основы теории, комплексно учитывающей весь спектр вопросов, связанных с проблемой воспроизведения единиц физических величин и передачи их размеров и построением соответствующей системы ВЕПР.
Список литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/na-temu-etalonyi-fizicheskih-velichin-vremya/
1. Сергеев А.Г., Крохин В.В. Метрология: Учеб. пособие для вузов. М.: Логос, 2001.
2. Балалаев В.А., Слаев В.А., Синяков А.И. Теория систем воспроизведения единиц и передачи их размеров: Науч. Издание — учеб. пособие. Спб: НПО «Профессионал», 2004
