Метрология стандартизация сертификация в строительном материаловед

цами. Применяются активные квантовые стандарты частоты на пучке молекул аммиака (так называемые молекулярные генераторы) и атомов водорода (водородные генераторы). Пассивные частоты выполняются на пучке атомов цезия (цезиевые реперы частоты).

Государственная поверочная схема для средств измерения времени и частоты определяется по правилам межгосударственной стандартизации ПМГ 18–96. Государственный первичный эталон единицы времени – это комплекс следующих средств измерений:

•метрологические цезиевые реперы частоты, предназначенные для воспроизведения размеров единицы времени и частоты в международной системе единиц;

•водородные стандарты частоты, предназначенные для хранения размеров единиц времени и частоты и одновременно выполняющие функцию хранителей шкал времени. Использование водородных реперов позволяет повысить стабильность эталонов. В настоящее время за период времени от 100 с до нескольких суток она не превышает

(1–5)–10–14 [1];

•группа квантовых часов, предназначенных для хранения шкал времени. Квантовые часы – это устройство для измерения времени, содержащее генератор, частота которого стабилизирована кварцевым резонатором, и управляемое квантовыми стандартами частоты;

•аппаратура для передачи размера единицы частоты в оптический диапазон, состоящая из группы синхронизированных лазеров

исверхвысокочастотных генераторов;

•аппаратура внутренних и внешних сличений, включающая перевозимые квантовые часы и перевозимые лазеры;

•аппаратура средств обеспечения.

Диапазон значений интервалов времени, воспроизводимых эталоном, составляет 1·10–10–1·108 с, диапазон значений частоты 1–1·1014 Гц. Воспроизведение единиц времени обеспечивается со средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 1·10–14 за три месяца, неисключенная систематическая погрешность не превышает 5–10–14. Нестабильность частоты эталона за интервал времени от 1000 с до 10 суток не превышает 5·10–15.

41

elib.pstu.ru

Метр был в числе первых единиц, для которых были введены эталоны. Первоначально в период введения метрической системы мер за первый эталон метра была принята одна десятимиллионная часть четверти длины Парижского меридиана. В 1799 г. на основе ее измерения изготовили эталон метра в виде платиновой концевой меры (метр Архива), представлявшей собой линейку шириной около 25 мм, толщиной около 4 мм с расстоянием между концами 1 м.

До середины XIX в. проводились неоднократные уточнения принятого эталона. Так, в 1889 г. был принят эталон в виде штриховой меры из сплава платины и иридия. Он представлял собой платиноиридиевый брусок длиной 102 см, имеющий в поперечном сечении форму буквы X, как бы вписанной в воображаемый квадрат, сторона которого равна 20 мм.

Требования к повышению точности эталона длины (платиноиридиевый прототип метра не может дать точности воспроизведения выше 0,1 – 0,2 мкм), а также целесообразность установления естественного и неразрушимого эталона привели к принятию (1960) в качестве эталона метра длины, равной 1 650763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2 10 и 5d5 ато-

ма криптона-86 (криптоновый метр). Этот эталон мог воспроизводиться в отдельных метрологических лабораториях, точность его по сравнению с платиноиридиевым прототипом была на порядок выше.

Дальнейшие исследования позволили создать более точный эталон метра, основанный на длине волны в вакууме монохроматического излучения, генерируемого стабилизированным лазером. За эталон метра в 1983 г. было принято расстояние, проходимое светом в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды. Данное определение метра было законодательно закреплено в декабре 1985 г. после утверждения единых эталонов времени, частоты и длины.

Другой важной основной единицей в механике является килограмм. При становлении метрической системы мер в качестве единицы массы приняли массу одного кубического дециметра чистой воды при температуре ее наибольшей плотности (4°С). Изготовленный при этом первый прототип килограмма представляет со-

42

elib.pstu.ru

бой платиноиридиевую цилиндрическую гирю высотой 39 мм, равной её диаметру. Данное определение эталона килограмма действует до сих пор.

Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема длясредств измерения массыопределяютсяГОСТ8.021-84.

В области термодинамических величин действуют:

•два первичных и один специальный эталоны, воспроизводящие единицу температуры – кельвин в различных диапазонах;

•11 государственных эталонов теплофизики – количества теплоты, удельной теплоемкости, теплопроводности и др.

Погрешность воспроизведения точки кипения воды составляет

(0,002±0,01)°С, точки таяния льда – (0,0002±0,001)°С. Тройная точка воды, являющаяся точкой равновесия воды в твердой, жидкой и газообразной фазах, может быть воспроизведена в специальных сосудах с погрешностью не более 0,0002°С. В 1954 г. было принято решение о переходе к определению термодинамической температуры Г по одной реперной точке – тройной точке воды, равной 273,16 К. Таким образом, единицей термодинамической температуры служит кельвин, определяемый как 1/273,16 части тройной точки воды. Температура в градусах Цельсия Т – 273,16 К. Единицей в этом случае является градус Цельсия, который равен кельвину.

В сентябре 1989 г. на 17-й сессии Консультативного комитета по термометрии была принята международная практическая температурная шкала МТШ-90.

Государственная поверочная схема для средств измерения температуры устанавливается ГОСТ 8.558–93.

В Области измерений электрических и магнитных величин (включая радиотехнические) созданы и функционируют 32 эталона. Они перекрывают 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 единицы и определяют размеры остальных производных единиц. Это государственные первичные эталоны единиц ЭДС, сопротивления и электрической емкости. Первые два разработаны недавно и основаны на квантовых эффектах Джозефсона и Холла.

43

elib.pstu.ru

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.

Государственный первичный эталон ампера состоит из аппаратуры, выполненной на основе квантовых эффектов Джозефсона и квантования магнитного потока (эффект Холла), включая меру напряжения, меру электрического сопротивления, сверхпроводящий компаратор тока и регулируемые источники тока (ГОСТ 8.027–89,

ГОСТ 8.022–91).

В 1979 г. на XVI Генеральной конференции мер и весов было принято новое определение, по которому канделла воспроизводится путем косвенных измерений. В России единство измерений световых величин обеспечивает ГОСТ 8.023–90.

Современный государственный эталон канделлы имеет диапазон номинальных значений 30–110 кд, среднее квадратическое отклонение результата измерений–10–3 кд; неисключенная систематическая погрешность составляет 2,5–103 кд.

Эталонная база в области измерений параметров ионизирующих излучений насчитывает 14 ГЭ и обеспечивает воспроизведение их величин, как активность радионуклидов и масса радия, экспозиционная, поглощенная и эквивалентная дозы, поток энергии и др. Погрешность воспроизведения единиц в этой области составляет доли – единицы процента.

Эталонная база физико-химических измерений состоит из трех государственных эталонов, воспроизводящих единицы молярной доли компонентов в газовых средах, объемного влагосодержания нефти и нефтепродуктов, относительной влажности газов. Система эталонов в этой области наименее развита. Точность измерений также не очень велика и составляет доли процентов.

Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для измерения плоского угла устанавливаются ГОСТ 8.016–81. Первичный эталон обеспечивает воспроизведение градуса с неисключеннойпогрешностью неболее0,02.

44

elib.pstu.ru

Лекция 6. Виды и методы измерений

Классификация видов измерений приведена на рис. 1.4. Виды измерений определяются физическим характером измеряемой величины, требуемой точностью измерения, необходимой скоростью измерения, условиями и режимом измерений и т.д. Из рис. 1.5 следует, что в метрологии существует множество видов измерений и число их постоянно увеличивается. Можно, например, выделить виды измерений в зависимости от их цели: контрольные, диагностические и прогностические, лабораторные и технические, эталонные и поверочные, абсолютные и относительные и т.д.

Наиболее часто используются прямые измерения, состоящие в том, что искомое значение величины находят из опытных данных путем экспериментального сравнения. Например, длину измеряют непосредственно линейкой, температуру – термометром, силу – динамометром. Уравнение прямого измерения у = Сх, где С – цена деления СИ.

Если искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, найденными прямыми измерениями, то этот вид измерений называют косвенным. Например, объем параллелепипеда находят путем умножения трех линейных величин (длины, ширины и высоты); электрическое сопротивление – путем деления падения напряжения на величину силы электрического тока.

Уравнение косвенного измерения у = f(х1х2..., хn), где xi – i-й результат прямого измерения.

Совокупные измерения осуществляются путем одновременного измерения нескольких одноименных величин, при которых искомое значение находят решением системы уравнений, получаемых в результате прямых измерений различных сочетаний этих величин. При определении взаимоиндуктивности катушки M, например, используют два метода: сложения и вычитания полей. Если индуктивность

одной из них L1, а другой L2 то находят L01 = L1 + L2 + 2M и L02 = L1 + + L2 – 2M. Откуда М = (L01 – Z02)/4.

45

elib.pstu.ru

Совместными называют производимые одновременно (прямые и косвенные) измерения двух или нескольких неодноименных величин. Целью этих измерений, по существу, является нахождение функциональной связи между величинами. Например, измерение сопротивления R1 проводника при фиксированной температуре t по формуле

R1 = R0(1 + αΔt),

где R0 и α – сопротивление при известной температуре t0 (обычно 20 °С) и температурный коэффициент – величины постоянные, измеренные косвенным методом; t = t – to – разность температур; t – заданное значение температуры, измеряемое прямым методом.

Приведенные виды измерений включают различные методы, т. е. способы решения измерительной задачи с теоретическим обоснованием и разработкой использования СИ по принятой МВИ. Методика – это технология выполнения измерений с целью наилучшей реализации метода.

Прямые измерения – основа более сложных измерений, и поэтому целесообразно рассмотреть методы прямых измерений. В соответствии с РМГ 29–99 различают:

1.Метод непосредственной оценки, при котором значение ве-

личины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора, например измерение давления пружинным манометром, массы – навесах, силы электрического тока– амперметром.

2.Метод сравнения с мерой, где измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Например, измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирей; измерение напряжения постоянного тока на компенсаторе сравнением с ЭДС параллельного элемента.

3.Метод дополнения, если значение измеряемой величины дополняется мерой этой же величины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению.

4.Дифференциальный метод характеризуется измерением разности между измеряемой величиной и известной величиной, воспроизводимой мерой. Метод позволяет получить результат высокой точности при использовании относительно грубых средств измерения.

47

elib.pstu.ru

Пример 1.1. Измерить длину х стержня, если известна длина L(L х) меры. Как показано на рис. 2.2, х = l + а (а – измеряемая величина).

Рис. 1.5. Дифференциальный метод измерения

Действительные значения ад будут отличаться от измеренного а

Поскольку l a, то l a a .

Пусть = 0,1 мм; l = 1000 м; а =10 мм. Тогда

10000,1 0,0001 0,01% 0,110 0,01 1% .

5. Нулевой метод аналогичен дифференциальному, но разность между измеряемой величиной и мерой сводится к нулю. При этом нулевой метод имеет то преимущество, что мера может быть во много раз меньше измеряемой величины. Рассмотрим, например, неравно-

48

elib.pstu.ru

плечие весы (рис. 1.6, а), где Р1l1 = Р2l2. В электротехнике – это мосты для измерения индуктивности, емкости, сопротивления (рис. 1.6, б). Здесь r1r2 = rxr3, откуда rx = r1r2/r3. В общем случае совпадение сравниваемых величин регистрируется ноль-индикатором (И).

Рис. 1.6. Нулевой метод измерения: а – схема механических весов; б – схема электрического моста

6. Метод замещения – метод сравнения с мерой, в которой измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой. Например, взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов.

Кроме того, можно выделить нестандартизованные методы:

•метод противопоставления, при котором измеряемая величина

ивеличина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения. Например, измерения массы на равноплечих весах

спомещением измеряемой массы и уравновешивающих ее гирь на двух чашках весов;

•метод совпадений, где разность между сравниваемыми величинами измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов.

Например, при измерении длины штангенциркулем наблюдают совпадение отметок на шкалах штангенциркуля и нониуса; при измерении частоты вращения стробоскопом – метки на вращающемся объекте с момента вспышек известной частоты.

49

elib.pstu.ru

В литературе [2; 43; 18] иногда встречается название измерений с однократными наблюдениями – обыкновенные измерения, а с многократными – статистические. Кроме того, если весь измеряемый параметр фиксируется непосредственно СИ, то это – абсолютный метод, а если СИ фиксирует лишь отклонение параметра от установочного значения, тоэтоотносительный (пороговый) методизмерения.

Другие виды и методы измерений (см. рис. 1.5) не требуют специальных пояснений и будут рассмотрены ниже.

Лекция 7. Погрешности измерений

При практическом использовании тех или иных измерений важно оценить их точность. Термин «точность измерений», т. е. степень приближения результатов измерения к некоторому действительному значению, не имеет строгого определения и используется для качественного сравнения измерительных операций. Для количественной оценки используется понятие «погрешность измерений» (чем меньше погрешность, тем выше точность). Оценка погрешности измерений – одно из важных мероприятий по обеспечению единства измерений.

Количество факторов, влияющих на точность измерения, достаточно велико, и любая классификация погрешностей измерения (рис. 1.7) в известной мере условна, так как различные погрешности в зависимости от условий измерительного процесса проявляются в различных группах. Поэтому для практических целей достаточно рассмотреть случайные и систематические составляющие общей погрешности, выраженные в абсолютных и относительных единицах при прямых, косвенных, совокупных и равноточных измерениях.

Погрешность измерения x – это отклонение результата измерения х от истинного (действительного) хи(хд) значения измеряемой величины:

xизм = x – xд.

Взависимости от формы выражения различают абсолютную, относительную и приведенную погрешности измерения.

50

elib.pstu.ru