Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Эталоны физических величин. Учебное пособие
.pdf
В термодинамике показано, что приведенные четыре формулы
определяют одну и ту же температуру, которая получила название
термодинамической. Любой из коэффициентов R, kБ, σ или b, используемые в формулах, можно было бы приравнять единице. Это обеспечило бы разные размерности температуры как производной единицы.
Однако историческое развитие науки и то исключительно
важное место, которое занимает температура в современной физике и
технике, сделали целесообразным выделение ее в ряд основных величин. В связи с введением «лишней» основной единицы возникает новая фундаментальная константа – постоянная Больцмана. Универсальная газовая постоянная, постоянные Стефана-Больцмана и Вина выражаются через постоянную Больцмана и другие константы.
Температура измеряется в Кельвинах. Один Кельвин равен
(1/273,16) части термодинамической температуры тройной точки воды.
По определению, ампер – сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого,
вызывает на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2·10-7 Н.
Поскольку скорость света в вакууме в системе СИ принята
равной 299792458 м/с, то электрическая проницаемость вакуума ε0,
называемая электрической постоянной, также будет константой:
122
−
10854187187,8)(1
µε
000
⋅==
мФc
.
Измерения параметров электромагнитных колебаний с длиной
волны от 0,38 до 0,76 мкм, имеют ту особенность, что в них большую
роль играет ощущение человека, воспринимающего световой поток
посредством глаз. Поэтому световые измерения не вполне объективны. Наблюдателя интересует только та часть потока электромагнитных колебаний, которая напрямую воздействует на глаз. В связи с
этим обычные энергетические характеристики являются не совсем
удобными для описания результатов таких измерений. Между энергетическими и световыми величинами существует однозначная взаимосвязь, и для проведения измерений световых величин не требуется
введения новой основной величины. Однако, учитывая исторически
сложившееся к моменту возникновения системы СИ число основных
единиц ФВ, а также значительное влияние на результаты световых
измерений человека, было принято решение ввести единицу силы
света – канделу. Кандела – сила света в заданном направлении источ-
21
ника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·1012
Гц, энергетическая сила излучения которого в этом направлении составляет (1/683) Вт·ср-1.
Проведенные исследования показали, что средний глаз человека имеет наибольшую чувствительность при длине волны около
0,555 мкм, что соответствует частоте 540·1012 Гц. Эту зависимость
чувствительности глаза от длины волны излучения описывают абсо-
лютной световой эффективностью, которая равна отношению светового потока (т.е. оцениваемой нашим глазом мощности излучения)
к полному потоку излучения (т.е. к полной мощности электромагнитного излучения). Световая эффективность представляет собой величину, позволяющую переходить от энергетических величин к световым. Она измеряется в люменах, деленных на ватт. При существующем определении канделы максимальной световой эффективности
придано точное значение Км = 683 Лм/Вт. Кандела определяется путем косвенных измерений и является производной физической величиной, формально оставаясь основной. Остальные световые величины
– производные и выражаются через введенные ранее ФВ.
Основная единица системы СИ – моль была дополнительно
введена в систему спустя 11 лет после принятия первых шести единиц
на XIV Генеральной конференции по мерам и весам в 1971 г. Моль –
количество вещества системы, содержащей столько же структурных
элементов, сколько содержится в углероде-12 массой 0,0012 кг. При
применении моля структурные элементы должны быть специфицированы и могут являться атомами, молекулами, ионами, электронами и
другими частицами или группами частиц.
Введение этой единицы было встречено научной общественностью неоднозначно. При введении моля был допущен ряд отступлений от принципов образования систем физических величин. Вопервых, не было дано четкого и однозначного определения основополагающего понятия «количество вещества». Под количеством вещества можно понимать как массу того или иного вещества, так и количество структурных единиц, содержащихся в данном веществе. Вовторых, из определения основной единицы неясно, каким образом
возможно получение объективно количественной информации о ФВ при
помощи измерений.
В связи с этим возникает вопрос о функции, выполняемой молем среди основных единиц СИ. Любая основная единица призвана
осуществлять две функции. Воспроизведенная в виде эталона, она
обеспечивает единство измерений не только собственной ФВ, но и
22
производных величин, в формировании размерности которых она
участвует. С формальных позиций при образовании удельных величин моль входит в их размерность. Тем не менее удельную величину
не следует отождествлять с производной ФВ.
Удельные величины отличаются от соответствующих ФВ
только количественно. Они представляют тот же количественный аспект измеряемого свойства, только отнесенный либо к единице массы,
либо к единице объема, либо в рассматриваемом случае – к молю. Отсюда следует, что моль не выполняет одну из самых главных функций
единицы основной ФВ. Не выполняет моль и функции обеспечения
единства измерений количества вещества. В большинстве публикаций
подчеркивается, что моль является расчетной единицей и эталона для
его воспроизведения не существует. Нет также ни одного метода и
средства, предназначенного для измерения моля в соответствии с его
определением. Все это свидетельствует о том, что следует ожидать
исключения моля из числа основных единиц ФВ.
Из произвольных единиц следует выделить радиан и стерадиан.
Радиан – это единица измерения плоского угла – угла между
двумя радиусами окружности, длина дуги которой равна радиусу.
На практике часто используется градус (1° = (2π/360) рад = 0,017453 рад),
минута (1' = 1°/60 = 2,9088·10-4 рад) и секунда (1" = 1'/60 = 4,8481·10-6 рад).
Соответственно
1 рад = 57°17'45" = 57,2961° = (3,4378·103)' = (2,0627·105)".
Стерадиан – это единица измерения угла – угла с вершиной в
центре сферы, вырезающего на поверхности площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.
Во всех системах единиц плоский φ и телесный Ω углы вводятся посредством уравнений
ϕ
; RSRI =Ω=
2
, (8)
где I – длина дуги, вырезаемой центральным плоским углом j на окружности радиуса R; S – площадь, вырезаемая центральным телесным
углом на шаре с радиусом R. В соответствии с этими определениями у
обоих углов нет размерности в любой системе единиц: [φ] = L/L, [Ω] =
L2/L2.
Для описания акустических величин не требуется вводить новые основные величины, следовательно, все используемые в акустике
ФВ являются производными.
С учетом физики электромагнитных явлений к уравнениям
23
механики необходимо добавить: уравнение закона Кулона (основной
закон электростатики), уравнение связи между электрическим током и
электрическим зарядом, и уравнение закона Ампера (основной закон
электродинамики). В этих уравнениях введены четыре новые физические величины: электрический ток I, электрический заряд q, магнитная проницаемость µ0, µ и диэлектрическая проницаемость ε0, ε. Следовательно, в данном случае N-n = 1. Под µ и ε понимаются относитель-
ные проницаемости, а под µ0 и ε0 – абсолютные проницаемости вакуума.
Для получения оптимальной системы электромагнитных единиц достаточно было к трем выбранным в механике основным единицам добавить одну электромагнитную, выбрав ее из четырех вновь
введенных величин. При выборе учитывался ряд важных моментов.
Во-первых, к моменту становления СИ в физике, электро- и радиотехнике широко использовались так называемые практические единицы: кулон, ампер, вольт, джоуль и др. Их желательно было сохранить. Во-вторых, необходимо было объединить указанные единицы с
механическими и тепловыми кратными и дольными единицами существовавшей системы СГС, создав единую для всех областей науки
систему единиц.
В международной системе (СИ) за основную единицу выбрана единица абсолютной магнитной проницаемости µ0 = 4π·10-7 Гн/м, называемая
магнитной постоянной. Однако формально основной единицей считается
ампер. Это связано с тем, что при выборе основной единицы путем постулирования ее истинного значения оказывается невозможным материализовать данную единицу в виде эталона. Поэтому реализация такой единицы
осуществляется через какую-либо производную единицу. Так, единица скорости материализуется эталоном метра, а единица магнитной проницаемости – эталоном ампера.
В последние десятилетия ученые-метрологи проявляют все
больший интерес к разработке естественной системы единиц, где за
основные единицы были бы приняты известные фундаментальные
физические константы (ФФК). В качестве таких единиц рассматриваются: постоянная Планка, скорость света, гравитационная постоянная,
постоянная Больцмана, система Хартри и другие.
Подобные попытки были предприняты в XIX в. (Дж. Стоун,
М. Планк), однако уровень науки и технологий того времени был недостаточен для практической реализации этих идей.
24
1.3. Эталоны, основные понятия и определения
В соответствии с Законом РФ «Об обеспечении единства
измерений» эталон (фр. etalon – образец, мерило) единицы величины –
средство измерений, предназначенное для воспроизведения и
хранения единицы величины (или кратных значений единицы
величины) с целью передачи ее размера другим средствам измерений
данной величины.
Сведения о размере единицы предаются во время поверки
средств измерения. Поверка средств измерения осуществляется с
целью утверждения их пригодности.
Материальную и техническую основу обеспечения единства
измерений составляет эталонная база страны – совокупность эталонов.
Государственные эталоны являются средствами измерений, и
процесс передачи размера единицы включает выполнение измерений.
Именно на уровне предельной точности измерений физических
величин, обеспечиваемой государственными эталонами, достигается
прогресс научных исследований в области естественных и технических наук, который обусловливает наиболее ощутимые сдвиги в
развитии технологии производства продукции. Это требует создания
принципиально новых методов измерения и аппаратуры на основе
использования современных отечественных и зарубежных
достижений естественных наук, промышленности, точного
приборостроения.
Эталоны являются национальным достоянием, ценностями
особой государственной значимости вследствие их важности как
уникальных и особо точных научных объектов в стране.
Единство измерений – состояние измерений, при котором их
результаты выражены в узаконенных единицах, размеры которых
равны размерам единиц, воспроизводимых первичными эталонами, а
погрешности результатов измерений известны с заданной
вероятностью и не выходят за установленные пределы. Понятие
«единство измерений» 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. 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
25
по обеспечению единства измерений регламентируется стандартами
Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ),
нормативными документами органов метрологической службы и
Законом РФ «Об обеспечении единства измерений».
Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, в которых проградуированы все существующие
средства измерений (СИ) одной и той же величины. Это достигается
путем точного воспроизведения и хранения в специализированных
учреждениях установленных единиц ФВ и передачи их размеров применяемым средствам измерения.
Высшим звеном в метрологической цепи передачи размеров
единиц измерений являются эталоны. Более точные средства измерения передают сведения о размере единицы; таким образом образуется
цепочка, в каждом следующем звене которой точность этих сведений
меньше, чем в предыдущем.
Эталон (стандарт измерения) может быть физической мерой,
измерительным инструментом, стандартным образцом или измерительной системой, предназначенной для того, чтобы определять, реализовывать, сохранять или воспроизводить единицу или одно или более значений величины. Например, единице массы придана физическая форма в виде металлического цилиндра весом 1 кг.
26
метрологии
Законы и постановления
Правительства РФ
Метрологические
институты
Федеральное агентство
по техническому
регулированию и
Потребители
Создание и хранение
государственных
эталонов, реализующих
единицы измерения
Передача размеров
единиц
Метрологическая
экспертиза проектов и
программ
Постановления и решения
Национальные стандарты
и нормативные документы
Поверка и калибровка
средств измерений
Испытания,
сертификация,
аккредитация
Промышленность
Бизнес-сообщество
Здравоохранение
Экология
Наука
Транспорт и связь
Энергетика
Геодезия и картография
Безопасность государства
Рис. 1 – Структура системы обеспечения единства измерений
на основе государственных эталонов единиц физических величин
в Российской Федерации
Эталон – средство измерений (комплекс средств измерений),
предназначенное для передачи размера единицы физической
величины нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений и
утвержденное в качестве эталона в установленном порядке.
Конструкция эталона, его физические свойства и способ
воспроизведения единицы определяются физической величиной,
единица которой воспроизводится, в соответствии с уровнем развития
измерительной техники в данной области измерений. Классификация,
назначение и общие требования к созданию, хранению, применению
эталонов, контролю их состояния устанавливают ГОСТ 8.057-80
«
ГСИ. Эталоны единиц физических величин. Основные положения» и
ГОСТ 8.372-80 «ГСИ. Эталоны единиц физических величин. Порядок
разработки, утверждения».
Эталон должен обладать тремя основными свойствами: неиз-
27
менностью, воспроизводимостью и сличаемостью.
Неизменность – свойство эталона удерживать неизменным
размер воспроизводимой 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 введением соответствующих поправок.
Сличаемость – возможность сличения с эталоном других
средств измерений, нижестоящих по поверочной схеме, с наивысшей
точностью для существующей техники измерения. Это свойство
предполагает, что эталоны по своему устройству и действию не
вносят каких-либо искажений в результаты сличений и сами не
претерпевают изменений в результате сличений.
Перечень эталонов не повторяет перечень физических
величин. Для ряда единиц эталоны не создаются из-за того, что отсутствует возможность непосредственно сравнить соответствующие
физические величины (например, отсутствует эталон площади).
Эталоны не создаются в том случае, когда единица физической
величины воспроизводится с достаточной точностью на основе
сравнительно простых средств измерений других физических
величин.
По назначению эталоны подразделяются на первичные и
специальные.
Первичный эталон – эталон, обеспечивающий
воспроизведение единицы с наивысшей в стране (по сравнению с
другими эталонами той же единицы) точностью.
Первичные эталоны представляют собой уникальные средства
измерений, например, сложнейшие измерительные комплексы, созданные с учетом новейших достижений науки и техники. Они составляют основу государственной системы обеспечения единства измерений и подразделяются на специальные, национальные (государственные) и международные.
Однако некоторые физические величины приходится измерять
28
в различных условиях, в связи с этим появилось множество методов
измерений и видов средств измерений, приспособленных для данных
условий. Измеряются также величины, изменяющиеся во времени.
Условия измерений (давление, температура и т.д.) могут значительно
отличаться от стандартных. Возникает необходимость в эталонах не
только для классических, но и для других встречающихся в
воспроизведении единиц – специальные эталоны. Если прямая
передача единицы от первичного эталона технически неосуществима,
либо приводит к большой погрешности, целесообразно создание
специального эталона. Передача от этого эталона не сопряжена с
переходом от одних условий к другим, резко отличным от первых, и
поэтому может выполняться с необходимой точностью.
Специальный эталон – эталон, обеспечивающий воспроизведение
единицы в особых условиях и заменяющий для этих условий
первичный эталон (высокие и сверхвысокие частоты, малые и
большие энергии, давление или температуры, особые состояния
вещества). Он служит для воспроизведения единицы физической
величины в условиях, когда нельзя использовать первичный эталон.
Прямая передача размера единицы от первичного эталона с требуемой
точностью технически неосуществима.
В случае, когда одним первичным эталоном технически нецелесообразно обслуживать весь диапазон измеряемой величины, создают несколько первичных эталонов, охватывающих части этого диапазона. Для обеспечения единства измерений проводят согласование
размеров единиц, воспроизводимых «соседними» первичными эталонами.
Первичные и специальные эталоны являются исходными для
страны, и им присваивают наименования «Государственный первичный эталон» и «Государственный специальный эталон».
Государственный первичный эталон (государственный
эталон) – первичный эталон, официально утвержденный
Федеральным агентством по техническому регулированию и
метрологии в качестве исходного на территории государства. В состав
государственных эталонов включаются средства измерения, с
помощью которых воспроизводят и (или) хранят единицу ФВ,
контролируют условия измерений и неизменность воспроизводимого
или хранимого размера единицы.
Пример – Государственные эталоны метра, килограмма,
секунды, ампера, кельвина, канделы, ньютона, паскаля, вольта,
29
беккереля.
Уникальность и исключительная значимость государственных
эталонов предъявляют к ним ряд требований организационного и
правового характера, таких как постоянство места хранения и
применения эталона (метрологические институты); официальное
назначение постоянных ученых-хранителей эталонов из числа
высококвалифицированных специалистов-метрологов; создание ряда
необходимых вторичных эталонов, обеспечивающих максимальную
сохранность государственных эталонов и неизменность их
метрологических характеристик; особый порядок официального
утверждения в ранге государственного.
В соответствии с законом РФ «Об обеспечении единства
измерений» государственные эталоны являются «исключительной
федеральной собственностью» и находятся в ведении Федерального
агентства по техническому регулированию и метрологии.
На каждый государственный эталон утверждается
государственный стандарт. Все ГЭ занесены в Государственный
реестр эталонов и представляют собой комплексы средств измерений
и вспомогательных устройств, обеспечивающих воспроизведение и в
необходимых случаях хранение единицы физической величины, а
также передачу размера единицы вторичным эталонам. Состав
эталона устанавливается при его разработке с учетом новейших
достижений в области измерительной техники.
Так, в России в настоящее время действуют несколько государственных эталонов единицы электрического напряжения: государственный первичный эталон единицы постоянного напряжения
(ГОСТ 8.027-81), государственный специальный эталон единицы переменного напряжения в диапазоне частот 20 Гц − 30 МГц (ГОСТ 8.184-
76) и государственный специальный эталон единицы переменного напряжения в диапазоне частот 30-3000 МГц (ГОСТ 8.072-82).
Большая часть государственных эталонов России выполняет
функции межгосударственных эталонов СНГ.
Государственные эталоны обеспечивают качество измерений
во всех областях науки и техники (механика, акустика,
термодинамика, электромагнетизм, электротехника, радиотехника,
электроника, оптика, светотехника, ионизирующие излучения,
ядерная техника), кроме того, гарантируют уровень социальных
областей деятельности человека (охрана окружающей среды,
энергоресурсосбережение, безопасность). Так, государственный
эталон единиц активности радионуклидов, потока и плотности потока
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]