Методы и средства измерений и контроля. Учебное пособие для самостоятельной работы студентов направления подготовки 27.03.01 – Стандартизация и метрол

Предусматривается создание образцовых средств измерений одной и той же физической величины нескольких уровней точности – разрядов. При этом образцовые средства измерений 1-го разряда считаются исходными и подлежат поверке непосредственно по рабочим эталонам. Образцовые средства измерений 2-го, 3-го и последующих разрядов являются подчиненными и подлежат поверке по образцовым средствам измерений 1-го, 2-го и последующих разрядов соответственно. Наконец, образцовые средства измерений могут объединяться в измерительные установки, позволяющие быстро выполнять все операции поверки –поверочные установки

3.1. Эталон длины

Самыми первыми официально утвержденными эталонами были прототипы метра и килограмма, изготовленные во Франции, которые в 1799 г. были переданы на хранение в Национальный архив Франции, поэтому их стали называть "метр Архива" и " килограмм Архива". С 1872 г. килограмм стал определяться как равный массе "килограмма Архива".

"Метр Архива" имеет свою интересную историю и связан с тонкими научными исследованиями и экспериментами. Например, принятый в 1791 г. Национальным собранием Франции эталон метра, равный одной десятимиллионной части четверти парижского меридиана, в 1837 г. пришлось пересмотреть. Французские ученые установили, что в четверти меридиана содержится не 10 млн, а 10 млн 856 метров. К тому же известно, что происходят, хотя и незначительные, но все же постоянные изменения формы и размера Земли. В связи с этим ученые Петербургской академии наук в 1872 г. предложили создать международную комиссию для решения вопроса о целесообразности внесения изменений в эталон метра. Комиссия решила не создавать новый эталон, а принять в качестве исходной единицы "метр Архива", хранящийся во Франции. В 1875 г. была принята Международная метрическая конвенция. Этот год метрологи считают вторым рождением метра как основной международной единицы длины.

Уже в XX веке (1967 г.) были опубликованы исследования более точного измерения парижского меридиана, которые показали, что четверть меридиана равна 10 млн 1954,4 метра. Таким образом, "метр Архива" всего на 0,2 короче меридионального метра.

В 1889 г. был изготовлен 31 экземпляр эталона метра из платиноиридиевого сплава. Оказалось, что эталон № 6 при температуре 00 С точно соответствует длине "метра Архива". Именно этот экземпляр эталона по решению I Генеральной конференции по мерам и весам был утвержден как международный эталон метра и хранится в г. Севре (Франция). Остальные 30 эталонов были переданы разным государствам.

Погрешность платиноиридиевых эталонов метра, равная + 1,1 · 10-7 м уже в начале XX в. оценивалась как неудовлетворительная, и в 1960 г. XI Генеральная конференция по мерам и весам выработала другое определение метра – в длинах световых волн, что основано на постоянстве длины волны спектральных

11

линий излучения атомов и является основой криптонового эталона метра. Погрешность криптонового эталона немного меньше, чем платиноиридиевого, и равна 5 · 10-9 м. Однако в космический век и эта точность оказалась недостаточной, а новейшие достижения науки позволили в 1983 г. на XVII Генеральной конференции мер и весов принять новое определение метра как длины пути, проходимого светом за 1/299792458 доли секунды в условиях вакуума. Следует отметить, что на этой же конференции было объявлено точно определяемое современной наукой значение скорости света.

3.2. Эталон массы

Не менее интересна история эталона единицы массы. "Килограмм Архива", который был принят за эталон массы в 1872 г., представляет собой платиновую цилиндрическую гирю, высота и диаметр которой равны по 39 мм. Прототипы (вторичные эталоны) для практического применения были сделаны из платино-иридиевого сплава. За международный прототип килограмма была принята платино-иридиевая гиря, по точности в наибольшей степени соответствующая массе " килограмма Архива". За 100 с лишним лет существования описанного прототипа килограмма, конечно, были попытки создать более современный эталон на основе масс различных элементарных частиц.

Однако, на современном уровне научно-технического прогресса пока не удалось воспроизвести этими новейшими методами массу килограмма с меньшей погрешностью, чем существующая. Отклонения массы эталонов, определяемые при международных сличениях, показывают достаточную степень ее стабильности.

Касаемо перспектив развития эталонов, то за последние годы получены высокие результаты точности и надежности эталонов, создаваемых на основе использования квантовых эффектов, что позволяет предположить возможность создания новых эталонов в недалеком будущем. С использованием квантовых эффектов был создан современный эталон ампера и ома. Квантовые эталоны характеризуются высокой степенью стабильности значений погрешности воспроизведения единиц величин.

С помощью новых методов и средств измерений уточняются фундаментальные физические константы, поэтому точность квантовых эталонов будет возрастать. Ученые полагают, что квантовые эталоны можно будет считать "вечными мерами", так как способность воспроизведения единиц физических величин у таких эталонов не подвержена влиянию внешних условий, географического местонахождения и времени. Если будет создан эталон массы на основе возможностей ядерной физики, то многие существующие эталоны перейдут в разряд "вечных", поскольку размерности их величин связаны так или иначе с массой. В таких условиях изменится и система поверки и калибровки, которая привязана к государственным эталонам, т. е. произойдет децентрализация, что обеспечит экономический эффект.

Ожидается появление возможности создания сравнительно недорогих квантовых эталонов и рабочих средств измерений на основе практического использо-

12

вания эффекта высокотемпературной сверхпроводимости, что послужит началом нового периода в развитии фундаментальной и практической метрологии.

3.3. Эталон времени

Самые точные наручные или настенные часы грешат против эталонного времени в миллиарды раз. Но, в быту не нужна точность до долей микросекунды. Она необходима в исследовании космоса, для создания систем навигации, управления воздушным движением, повышения качества теле- и радиопередач и многих других целей.

Эталон времени особенный. Все остальные эталоны вводятся в действие периодически, для сличения с ними вторичных и рабочих эталонов. Эталон, хранящий шкалу времени, нельзя остановить, как нельзя остановить время. Он работает всегда. Меньше всего он напоминает часы, а оборудование и научные подразделения, которые обеспечивают эксплуатацию эталона, занимают большое здание. Находится оно во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) под Москвой.

Эталон времени – это сложный комплекс, в который входят цезиевые реперы (генераторы, дающие строго определенную частоту) и водородные хранители частоты, хранители шкал времени, приборы для измерения временных интервалов и другая аппаратура. Некоторые составляющие эталона уникальны, например, радио оптический частотный мост, который служит для измерения, частот излучения лазеров. В мире кроме России такой мост есть только в Канаде, Франции, США и Великобритании. Российский государственный эталон времени входит в группу лучших мировых эталонов, его относительная погрешность не превышает 5·10-14, то есть 0,000 000 000 000 05 секунды. За полмиллиона лет эталон даст погрешность в одну секунду.

3.4. Эталон силы тока

Шкала силы электрического тока – аддитивная шкала отношений. Определение ампера менялось дважды. По определению 1893 г., относящемуся к системе международной практической электрической единице, международный ампер – неизменяющийся ток, который, проходя через водный раствор азотнокислого серебра, выделяет 0,001 118 0 г серебра в 1 с. В 1948 при создании системы МКСА вместо международной Практической электрической единицы – международный ампер были введены абсолютные практические электрические единицы. При этом размер ампера и других электрических единиц изменился. Международный ампер, определённый в 1893, стал равен 0,999 85 абсолютного ампера.

Современное определение ампера в СИ: это сила не изменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м друг от друга, вызывал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2 • 10-7 Н. Это

13

определение связало ампер с тремя основными единицами – метром, килограммом и секундой, оно не может быть воплощено в каком-либо техническом устройстве.

Поэтому в большинстве стран в качестве ампера использовались (и частично используются) установки, реализующие ампер путём измерения либо силы (ампер – весы различных конструкций), либо момента сил, действующих на катушку с током, помещённую в магнитное поле другой катушки.

Различные модификации ампер-весов конструктивно похожи. Все они выполняются из немагнитных материалов. К одной чашке весов подвешивается подвижная катушка, коаксиальная с неподвижной, большего диаметра. На другой чашке находится уравновешивающий груз. Обмотки катушек в простейшем случае соединены последовательно.

Отличия сводятся к размерам катушек, числам витков, иногда к схеме подключения. При прохождении через катушки электрического тока подвижная катушка втягивается в неподвижную или выталкивается из неё, и для восстановления равновесия нужно изменить массу уравновешивающего груза. Значение силы электрического тока определяется выражением

mg

I dM , ( 3.1) dx

где m – масса уравновешивающего груза; g – ускорение силы тяжести; М – взаимная индуктивность; х – взаимное смещение катушек.

В процессе исследования все величины правой части определяются возможно точнее. Поэтому можно рассчитать значение м, соответствующее, например, силе электрического тока в 1А, а включив в цепь катушек эталонный резистор, можно откалибровать эталонные меры ЭДС. Из приведённого описания ампер-весов следует, что если через катушки пропустить электрический ток, сила которого определена с высокой степенью точности независимым методом, то можно рассчитать значение m, т. е. прокалибровать меру массы, не обращаясь к эталону килограмма.

Разрабатываются квантовые эталоны ампера, основанные на измерении магнитной индукции методом ЯМР. В 1992 утверждён национальный эталон ампера России, размер которого определяется с использованием квантовых эталонов вольта и ома, основанных на квантовом Холла эффекте. Он воспроизводит некоторые интервалы шкалы силы постоянных токов. В результате погрешности эталона ампера снизились на два порядка.

3.5. Эталон температуры

Температура является важной величиной, играющей в науке, промышленности, жизни людей иногда определяющую роль. До 40 % всех измерений составляют измерения температуры. При этом возрастают требования к точности температурных явлений.

Температура окружающей среды представляет собой активную величину. Это вносит в измерения существенные особенности начиная с определения ак-

14

тивной физической величины: обычно определение активной физической величины основано на взаимодействии каких-либо процессов.

Вопределение единицы термодинамической температуры «заложено» взаимодействие различных состояний воды, находящихся в термодинамическом равновесии: Кельвин – 1/273,6 часть температуры тройной точки воды. Это определение позволяет построить термодинамическую температурную шкалу.

Особенность термодинамической температуры состоит также в том, что она является неаддитивной физической величиной. Поэтому, если для эталонов длины, массы и других аддитивных величин можно опираться на воспроизведение размеров установленных единиц (метр, килограмм и др.), то для температуры воспроизведения одной эталонной точки не позволит точно устанавливать другие температурные точки. Таким образом, для измерения температуры требуется осуществить точное воспроизведение многих температурных точек, совокупность которых образует температурную шкалу. Температуры, определяемые по этой шкале, должны максимально совпадать с термодинамической шкалой температуры Кельвина.

Сформулированным требованиям на современном этапе термометрических исследований отвечает Международная температурная шкала 1990 г. При этом основной реперной точкой шкалы Кельвина остается тройная точка воды. Эталон, воспроизводящий размер Кельвина, очевидно, был и остается основным «держателем» единицы температуры.

Всвое время Кельвин и позже Д. И. Менделеев обосновали целесообразность построения термодинамической шкалы температуры по одной реперной точке, поскольку такая шкала позволяет определять абсолютную температуру точнее, чем в случае шкалы с двумя реперными точками. В первом случае определенное числовое значений приписывается только одной экспериментально получаемой точке шкалы. При этом тройная точка воды может быть воспроизведена с погрешностью не хуже 0,000 05 °С, т. е. с наивысшей точностью, полученной при измерении температуры. Это тепловое равновесие воды

втвердой, жидкой газообразной фазах и использовано для построения исходного эталона температуры.

Принятым в 1993 г. постановлением Госстандарта России температурная шкала МТШ-90 поддерживается двумя государственными (первичными) эталонами единицы температуры.

Государственный первичный эталон в диапазоне температур 0,8 – 273,16 К хранится во ВНИИФТРИ. Эталон имеет ряд измерительных установок: в

диапазонах 0,8 – 4,2 К; 4,2 – 13,81 К и выше.

Для наилучшего приближения к термодинамической температурной шкале в указанных диапазонах измерений используется газовый термометр. В эталонных установках, воспроизводящий температуру выше 13,81 К, используются платиновые термометры сопротивления.

При введении новой температурной шкалы были достигнуты некоторые усовершенствования в области измерений температуры: повышена точность измерений, расширен диапазон действий в области низких температур от 13,8 К

15

до 0,65 К. Новая шкала в отличие от МПШТ-68 достаточно «гладкая» в результате использования платинового термометра сопротивления в качестве интерполяционного прибора в диапазоне от 13,8 К до 1235 К. при измерении в диапазоне температур выше 1337,33 К (точка плавления золота) используется фотоэлектрическая аппаратура.

3.6. Эталон количества вещества

Как такового эталона количества вещества не существует. Стоит коснуться вопроса об одной из семи основных единиц СИ – моле, поскольку до последнего времени не сложилось однозначное мнение о роли этой единицы в системе обеспечения единства измерений. Эта единица определена как «количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 1,012 кг».

Это определение существенно отличается в своей логике от определения размеров всех других единиц хотя бы в том, что не дает однозначного ответа на вопрос, какому же числу должно быть равно «количество структурных элементов». Для определения такой единицы оно недопустимо, так как лишает возможности оценить точность, с которой может быть известен размер единицы, хотя бы теоретически, на момент ее принятия.

Сучетом этой «недосказанности» определения принимают, что это «количество структурных элементов» совпадает с постоянной Авогадро по углеродной шкале (6,0220 ± 0,0002) • 1023 моль-1. Само понятие количества вещества основывается на представлении о дискретной его структуре и по логике должно выражаться в «штуках чего-то», т. е. в условных величинах. В этом своем качестве моль находится ближе к единицам исчисления или учета объектов, чем к единицам физических величин.

Сучетом этих замечаний представляется, что в число основных единиц системы СИ моль был введен поспешно. Принимая во внимание всю специфику этой единицы, правильнее было бы относить ее к дополнительным наряду с единицами, например, плоского и телесного углов. В научной литературе подобная точка зрения уже высказывалась.

Отнесение моля к основным единицам тем более неправомерно, поскольку до настоящего времени во всем мире его размер не воспроизведен в виде эталона, что противоречит статусу основных единиц, воспроизведенные размеры которых служат основой для воспроизведения размеров остальных производных единиц, определяемых через соответствующие основные единицы на основании уравнений связи.

Вопрос о практическом воспроизведении размера моля затрагивался в научной печати, но практические шаги в этом направлении авторам неизвестны. Можно только отметить, что неясности возникали как в обоснованном выборе вещества для воспроизведения размера моля, так и, в частности, технических возможностях передачи этого размера нижестоящим образцовым средствам измерений, что является принципиально важным условием создания эталона. Не исключено, что с этой величиной может сложиться ситуация, сходная

16

с воспроизведением и передачей размера единицы температуры, где наряду с теоретическим определением единицы сложилась практическая шкала, основанная на технически воспроизводимых реперных точках и интерполяционных приборах.

3.7. Эталон единицы силы света

Шкала силы света – аддитивная шкала отношений. Определения канделы и соответствующие эталоны менялись. Первоначальные эталоны единицы силы света (свечи) представляли собой свечи, приготовленные из определенных материалов, затем лампы с жидким горючим с лучшими по сравнению со свечами метрологическими характеристиками.

Международной фотометрической комиссией и международной комиссией по освещению (МКО) создан (1921) международный эталон силы света – международная свеча – группа постоянно возобновлявшихся электрических ламп накаливания с угольной нитью.

В1937 были созданы эталонные источники света, удовлетворяющие требованиям международной спецификации, в виде полных излучателей как модели абсолютно чёрного тела с приписанной яркостью 60 кд/см2 при температуре затвердевания платины. Таким образом, был вновь осуществлён переход к децентрализованному воспроизведению свечи (название в СИ – кандела) на более высоком уровне точности. При этом определении канделы и связь световых и энергетических величин оставалась неоднозначной, по мере совершенствования техники измерений и международных сличений неоднозначность связи проявлялась всё заметнее. В 1979 г. на XVI ГКМВ принято новое определение канделы: сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматический свет с частотой 540 • 1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/б83 Вт.ср-1. Так была установлена однозначная связь световых и энергетических величин, а максимальная световая эффек-

тивность Кт = 683 лм/Вт фактически возведена в ранг точных (не имеющих погрешности) метрологических констант.

Государственный эталон России представляет собой первичный фотометр, созданный на основе неселективного радиометра, спектральная чувствительность которого скорректирована специальным жидкостным фильтром.

Всостав эталона входят также системы определения спектрального распределения излучения по температуре, определения спектрального коэффициента пропускания светофильтров, регистрации и обработки измерительной информации и передачи размера единицы. Первичный эталон воспроизводит единицу силы света в диапазоне 30110 кд с погрешностью < = 0,1 . 10-2 .

Последовательно осуществляют два режима при температурах T1 и Т2 (Т2 > T1) и неселективным радиометром измеряют отношение интегральных по спектру излучения энергетических яркостей L1 и L2, а также (с использованием монохроматора) отношение спектральных плотностей энергетических ярко-

стей L1,l и L2,l на длине волны l. В соответствии с этим законом и с учётом закона Стефана-Больцмана получаются соотношения

17

,

(3.2)

где c2 = hc/k. Преобразование этих соотношений даёт формулы для искомых значений температур:

(3.3)

3.8. Эталон единицы плоского угла

Эталон плоского угла – радиан. Шкала плоских углов - ограниченная абсолютная. Государственный эталон России воспроизводит значения углов не в радианах, а в градусах, 1 рад = 57,295 79° (угловые градус, минута и секунда относятся к единицам, используемым наравне с единицами СИ). Погрешность эталона не превышает 0,02'' или 5.10-6 рад. Основа эталона - 36-гранная кварцевая призма. В его состав входит также угломерная автоколлимационная установка, состоящая из фотоэлектрического автоколлиматора с электронным цифровым отсчётным устройством для установки и поворота 36-гранной призмы.

Основные причины принятия при построении эталона градусной, а не радианной меры следующие: технологически легче изготовить и метрологически аттестовать призму, имеющую пары взаимно параллельных граней, чем клин, с углом при вершине в 1 рад; средства измерений, проградуированные в радианах, не выпускаются, так как наиболее употребительные в технике и быту углы (90°, 60°, 45°, 30°) не выражаются целочисленно в радианной мере.

3.9. Эталон телесного угла

Эталон телесного угла – стерадиана – не существует, нет и средств измерений для телесных углов. Телесные углы определяют путём измерения плоских углов; при телесном угле в 1 ср плоский угол при вершине конуса составляет 65°32'. Значение телесных углов Ω с осевой симметрией определяется по формуле

где a – плоский угол при вершине конуса в градусах.

Внастоящее время (с 1996 г.) радиан и стерадиан отнесены к основным (дополнительным) единицам СИ.

4.Поверка и метрологическая надёжность средств измерений

Взависимости от целей и назначения результатов поверки различают первичную, периодическую, внеочередную, инспекционную и экспертную поверки средств измерений.

Первичную поверку проводят при выпуске средств измерений из производства или ремонта, а также при их ввозе по импорту, прошедших государственные приемочные испытания. Импортные средства измерений не подлежат

18

первичной поверке в случае, когда результаты поверки, проведенной в других странах, признаны Госстандартом в соответствии с международными соглашениями о взаимном признании результатов испытаний и поверки. Допускается выборочная первичная поверка средств измерений.

Периодическая поверка средств измерений проводится через межповерочные интервалы, установленные с учетом обеспечения их пригодности к применению в период между поверками. Эту поверку проводят при эксплуатации и хранении средств согласно графику поверки.

Межповерочные интервалы устанавливаются при проведении государственных приемочных испытаний или метрологической аттестации средств измерений, исходя из показателей надежности. Они должны гарантировать метрологическую исправность средств в период между поверками.

Годовые календарные графики периодической поверки утверждаются руководством предприятия. Графики составляются отдельно для СИ, представленных на поверку в Государственную метрологическую службу и метрологическую службу субъектов хозяйствования. Средства измерений, находящиеся на хранении, срок которого превышает межповерочный интервал, не подвергаются периодической поверке при условии соблюдения нормативных требований к их консервации, условий хранения, вида консервации и упаковки. Такие средства подвергаются поверке перед началом эксплуатации.

В метрологической практике имеются сигнализирующие средства (индикаторы), которые не относятся к средствам измерений и не поверяются. Право перевода средств измерений в разряд индикаторов предоставлено метрологическим службам субъектов хозяйствования.

Средства измерений, используемые в учебных целях, периодической поверке не подвергаются, и на них наносится обозначение «У», использовать такие средства для измерений запрещено.

Внеочередная поверка средств измерений проводится органами метрологической службы субъектов хозяйствования при эксплуатации и хранении их независимо от срока периодической поверки в следующих случаях:

при необходимости подтверждения годности к применению; при вводе их в эксплуатацию после длительного хранения; при корректировке межповерочных интервалов; при контроле результатов периодической поверки;

при повреждении поверительного клейма, пломбы или утере документа, подтверждающего, что средство измерений прошло необходимую поверку;

при применении их в качестве комплектующих, передаче на длительное хранение или отправке потребителю по истечении половины межповерочного интервала на них.

Внеочередную поверку рекомендуется проводить перед началом эксплуатации новых и средств, поступивших из ремонта, со склада, после хранения и после транспортировки.

Инспекционная поверка проводится выборочно при осуществлении государственного метрологического надзора и контроля со стороны субъектов хо-

19

зяйствования за состоянием и применением средств измерений для выявления их пригодности к применению, оценки качества поверочных работ и правильности назначения межповерочных интервалов согласно условиям эксплуатации. Результаты инспекционной поверки указываются в акте поверки состояния и применения.

При неудовлетворительном состоянии средств поверительные клейма погашают, свидетельства аннулируют, а в паспортах или эксплуатационной документации делают запись о непригодности СИ к применению.

Экспертную поверку осуществляют при проведении метрологической экспертизы средств измерений органами государственной метрологической службы. Эту поверку проводят с целью обосновать заключения о пригодности средств измерений к применению по письменному требованию милиции, су- дебно-следственных органов и Госарбитража, а также по заявкам предприятий и организаций с указанием причины.

Если данные экспертной поверки свидетельствуют о злоупотреблениях, руководитель органа государственной метрологической службы обязан сообщить об этом в следственные органы. Результаты экспертной поверки отражаются в заключении, которое утверждается руководителем органа государственной метрологической службы.

4.1. Структура поверочной схемы

Поверку осуществляют по поверочным схемам, которые устанавливают систему передачи размера единицы физической величины от государственного эталона к рабочим средствам измерений.

Поверочная схема – это утвержденный в установленном порядке документ, устанавливающий средства, методы и точность передачи размеров единиц от эталона или исходного образцового СИ рабочим СИ. Требования к содержанию и построению схем установлены ГОСТ 8.061-80. Схемы подразделяются на государственные, ведомственные и локальные.

Государственные поверочные схемы разрабатываются Главным центром государственных эталонов, являющимся хранителем государственного эталона единицы данной величины и утверждаются в качестве государственного стандарта. Нижестоящие поверочные схемы разрабатываются субъектами хозяйствования. Поверочная схема должна включать не менее двух ступеней передачи размера единицы. В поверочной схеме должна быть представлена передача размера только одной физической величины. Схемы должны состоять из текстовой части и чертежа.

Текстовая часть схемы состоит из вводной части и пояснений к элементам поверочной схемы, несущим дополнительную информацию. Вводная часть охватывает назначение ГПЭ и ГПС, основные МХ эталона и порядок передачи размера единицы физической величины от первичного эталона при помощи вторичных эталонов и образцовых средств измерений рабочим средствам.

В тексте приводится научно-техническое обоснование поверочных схем с позиций оптимальности структуры схемы, т. е. образцовых средств, числа сту-

20