Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Эталоны физических величин. Учебное пособие
.pdf
плотности энергетической яркости оптического излучения и др. Во
Всероссийском научно-исследовательском институте расходометрии
(ФГУП «ВНИИР») (г. Казань, http://vniir.org), в Уральском научноисследовательском институте метрологии (ФГУП «УНИИМ») (г.
Екатеринбург, http://www.uniim.ru/), в Сибирском государственного
ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском
институте метрологии (ФГУП «СНИИМ») (г. Новосибирск,
http://sniim.nsk.ru/index.php) находятся по 6 ГЭ.
Хранение единицы – совокупность операций, обеспечивающих неизменность во времени размера единицы, присущего данному средству измерений. Хранение эталона единицы ФВ предполагает проведение взаимосвязанных операций, позволяющих поддерживать метрологические характеристики эталона в установленных пределах. При
хранении первичного эталона выполняют регулярные исследования,
включая сличения с национальными эталонами других стран с целью
повышения точности воспроизведения единицы и совершенствования
методов передачи размера.
Обеспечение правильной передачи размера единиц ФВ во всех
звеньях метрологической цепи осуществляется посредством поверочных схем. Поверочная схема – это нормативный документ, который
устанавливает соподчинение средств измерений, участвующих в передаче размера единицы от эталона к рабочим средствам измерений с
указанием методов и погрешности, и утвержденный в установленном
порядке. Основные положения о поверочных схемах приведены в
ГОСТ 8.061-80 «ГСИ. Поверочные схемы. Содержание и построение».
Прямая передача размеров единиц величин от эталонов затруднена из-за большого числа находящихся в работе средств измерений. Поэтому используют промежуточные категории средств измерений, которыми являются рабочие средства измерения. Рабочими называют средства измерений, которые применяют для измерений, не
связанных с передачей размера единиц ФВ.
Государственная поверочная схема – схема, распространяющаяся на все средства измерений данной физической величины,
имеющиеся в стране.
Локальная поверочная схема – схема, распространяющаяся на
средства измерений данной физической величины, применяемые в
регионе, отрасли, ведомстве или на отдельном предприятии (в организации).
41
Эталоны предназначены не только для воспроизведения единицы физической величины, но и для передачи ее размера другим
эталонам и рабочим средствам измерений. Под передачей размера
единицы величины понимается приведение размера величины, хранимой средством измерений, к размеру единицы, воспроизводимой эталоном. Эта процедура осуществляется при поверке средств измерений.
Поверка средств измерений – установление органом государственной метрологической службы (или другим уполномоченным органом, организацией) пригодности СИ к применению на основе экспериментально определяемых метрологических характеристик и подтверждения их соответствия установленным обязательным требованиям.
Поверке подвергают СИ, подлежащие государственному метрологическому контролю и надзору и используемые в здравоохранении, охране окружающей среды, обеспечении безопасности труда,
обороны, в торговых, банковских, почтовых операциях, при испытаниях контроля качества продукции и в других важных сферах деятельности.
При поверке рабочих средств измерений используют эталон,
как правило, рабочий эталон, а процедура проведения поверки регламентируется обязательными требованиями, которые устанавливаются
нормативными документами по поверке. В качестве таких документов используются либо методические указания по поверке, либо государственные (национальные) стандарты. Например, ГОСТ 8.355-79.
«Радиометры нейтронов. Методы и средства поверки».
Общие вопросы организации и проведения поверки регламентируются Правилами по метрологии Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ). Например, «ПР 50.2.006-94.
Правила по метрологии. Порядок проведения поверки средств измерений».
Поверку проводят специально обученные специалисты, аттестованные в качестве поверителей органами Государственной метрологической службы.
Результаты поверки средств измерений, признанных годными
к применению, оформляют выдачей свидетельства о поверке, нанесением поверительного клейма на приборы или в техническую документацию (паспорт) прибора. Поверку СИ могут проводить также
метрологические службы юридических лиц, аккредитованные на
42
право поверки средств измерений в государственных метрологических органах.
Поверка подразделяется на первичную (при выпуске средств
измерений), периодическую (при их эксплуатации), внеочередную, ин-
спекционную (при различных проверках), комплектную (всей измерительной установки или системы целиком), поэлементную (отдельных
элементов установки или системы), выборочную (отдельных экземпляров средств измерений).
Передача размера единицы от эталона к рабочим средствам
измерений регламентируется поверочными схемами.
Поверочная схема для СИ – нормативный документ, устанавливающий соподчинение средств измерений, участвующих в передаче
размера единицы от эталона к рабочим средствам измерений, с указанием методов и погрешности при передаче. Различают государствен-
ные (на все средства измерений данной величины в стране) и локальные поверочные схемы (на средства измерений в регионе, отрасли,
предприятии). Требования к поверочным схемам определены стандартом ГСИ «ГОСТ 8.061-80. Поверочные схемы. Содержание и построение».
В качестве примера стандарта на поверочную схему для
средств измерений конкретного типа можно привести Межгосударственный стандарт ГСИ «ГОСТ 8.033-96. Государственная поверочная
схема для средств измерений активности радионуклидов, потока и
плотности потока альфа-, бета-частиц и фотонов радионуклидных источников».
Средства измерений, не входящие в сферу государственного
метрологического контроля, могут подвергаться калибровке.
Калибровка СИ – совокупность операций, устанавливающих
соотношение между значением величины, полученным с помощью
данного СИ и соответствующим значением величины, определенной с
помощью эталона, с целью определения действительных метрологических характеристик этого СИ.
Результаты калибровки позволяют определять:
•
действительные значения измеряемой величины;
•
поправки к показаниям средств измерений;
•
погрешность средств измерений.
Результаты калибровки удостоверяются калибровочным зна-
ком, наносимым на СИ, или сертификатом о калибровке. Калибровке
присущ ряд особенностей по сравнению с поверкой. Это добровольная процедура, она выполняется любой метрологической службой.
43
При этом аккредитация на право калибровки также является добровольной процедурой.
Отмеченные особенности калибровки являются следствием
разгосударствления процессов контроля за метрологической исправностью средств измерений – отказом от всеобщей обязательности поверки.
Хотя калибровка может проводиться любой метрологической
службой и является добровольной процедурой, для ее проведения необходимо соблюдение определенных условий. Основное из них –
прослеживание измерений, т.е. обязательная передача размера единицы от эталона к калибруемому рабочему средству измерений.
Для организации работ по калибровке в РФ создана Россий-
ская система калибровки (РСК), в которую входят государственные
научные метрологические центры, органы ГМС, метрологические
службы юридических лиц, объединенные целью ОЕИ в сферах, не
подлежащих государственному метрологическому контролю и надзору.
Российская система калибровки базируется на следующих
принципах:
•
обязательность передачи размеров единиц от государственных
эталонов к рабочим СИ;
•
профессионализм и техническая компетентность;
•
самоокупаемость.
Прослеживаемость (привязка к эталонам) подразумевает, что
измерение может быть соотнесено с национальным или международным эталоном, и что это соотношение задокументировано. Измерительный инструмент должен быть откалиброван по эталону, который
сам является прослеживаемым.
Концепция прослеживаемости представляется важной, потому
что дает возможность сравнить точность измерений в соответствии со
стандартизированной процедурой оценки неопределенности измерения. Прослеживаемость измерения и оборудования для испытаний
является требованием ИСО 9001:2000 и может быть оговорена для
контроля за измерительными инструментами.
В Международном словаре основных и общих терминов, используемых в метрологии, прослеживаемость определяется как: свойство результата измерения или значения, посредством которого оно
может быть отнесено с заявленными эталонами, национальными или
международными, через непрерывную цепь сравнений, все из которых имеют указанные значения неопределенности.
44
II. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭТАЛОННОЙ БАЗЫ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Развитие и совершенствование государственных эталонов
Российской Федерации осуществляется в направлении повышения
точности воспроизведения физических величин.
Освоение метрологией новых областей, увеличение числа
допущенных к применению единиц величин (на сегодняшний день их
более двух тысяч), увеличение числа эталонов ставят вопросы
совершенствования эталонной базы страны.
Основные тенденции совершенствования и расширения
эталонной базы:
• применение для метрологических целей квантовых эффектов и
устойчивых природных явлений, открывающее перспективы для
создания естественных эталонов, исключающих всякую возможность
утраты эталонов единиц физических величин, принятых по
соглашению;
• переход от единичных эталонов к комплексным, т.е. эталонам,
воспроизводящим не одну, а несколько единиц физических величин и
построенным на основе определенной фундаментальной физической
константы или одного стабильного физического явления.
Квантовые эталоны характеризуются высокой степенью
стабильности значений погрешности воспроизведения единиц. С
помощью новых методов и средств измерений уточняются
фундаментальные физические константы. В дальнейшем точность
квантовых эталонов будет возрастать.
Примером реализации такого подхода является
государственный эталон единицы электрического напряжения на
основе квантового эффекта Джозефсона и государственный эталон
единицы электрического сопротивления на основе квантового
эффекта Холла.
В 1998 г. создан единый эталон частоты, времени и длины на
основе общего физического процесса распространения
электромагнитных волн в вакууме.
При создании эталона массы на основе возможностей ядерной
физики многие существующие эталоны перейдут в разряд «вечных»,
поскольку размерности их величин связаны так или иначе с массой.
При этом изменятся системы поверки и калибровки средств
измерений, которые привязаны к государственным эталонам, т.е.
произойдет ее децентрализация, что обеспечит значительный
45
экономический эффект.
Государственные эталоны основных единиц физических величин.
Среди всех государственных эталонов особое место занимают
эталоны основных единиц физических величин, т.е. независимых
единиц в Международной системе СИ. В настоящее время созданы и
функционируют государственные эталоны для первых шести
основных единиц. Все производные единицы системы выражаются
через основные единицы посредством соответствующих уравнений.
Государственные эталоны основных единиц, осуществляя
воспроизведение этих единиц, тем самым обеспечивают возможность
воспроизведения всех производных единиц.
2.1. Эталон единицы длины (метр)
Метр – один из первых официально утвержденных эталонов,
прототип метра, изготовленного во Франции.
В 1791 г. Национальным собранием Франции за метр была
принята одна десятимиллионная часть четверти длины Парижского
меридиана. В 1799 г. на основе ее измерения был изготовлен эталон
метра в виде платиновой концевой меры, представлявший собой
линейку шириной около 25 мм, толщиной около 4 мм с расстоянием
между концами 1 м. Этот эталон метра передали на хранение в
Национальный архив Франции, поэтому назвали его «метр Архива».
В 1837 г. эталон метра был пересмотрен, так как французские ученые
установили, что в четверти меридиана содержится не 10 миллионов, а
10 миллионов 856 метров. К тому же происходят, хотя и
незначительные, но постоянные изменения формы и размера Земли (в
1967 г. результаты точного измерения Парижского меридиана
показали, что четверть меридиана равна 10 миллионам 1954,4 метров.
Таким образом, «метр Архива» всего на 0,2 мм короче
меридионального метра). 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 длины «метр Архива», хранящегося во Франции. В 1875 г.
была принята Международная метрическая конвенция, которую
подписала и Россия. В 1889 г. был изготовлен 31 экземпляр эталона
метра в виде штриховой меры из сплава платины и иридия. Он
представлял собой брусок из сплава иридия и платины длиной 102 см,
имеющий в поперечном сечении форму буквы X, вписанную в
46
воображаемый квадрат, сторона которого равна 20 мм. Оказалось, что
эталон № 6 при температуре 0°С точно соответствует длине «метра
Архива». Именно этот экземпляр эталона по решению 1-й
Генеральной конференции по мерам и весам был утвержден как
международный эталон метра. Он хранится в г. Севр (Франция). Метр
определялся как расстояние между осями двух соседних штрихов
платиноиридиевого бруска при условии, что этот брусок находится
при нормальном давлении и поддерживается двумя роликами
диаметром не менее 10 мм, расположенными симметрично в одной
продольной плоскости на расстоянии 571 мм один от другого.
Остальные 30 эталонов были переданы разным государствам. Россия
получила эталоны № 28 и № 11, причем в качестве государственного
был принят эталон № 28.
Погрешность данных эталонов метра, равная 1·10-7 м, уже в
начале XX в. оценивалась как неудовлетворительная. Кроме того,
необходимость использования естественного и неразрушимого
эталона привела к принятию в 1960 г. на 11-й Генеральной
конференции по мерам и весам другое определение метра – в длинах
световых волн, что основано на постоянстве длины волны
спектральных линий излучения атомов. В новом эталоне метр
определялся как длина, равная 1650763,73 длины волны в вакууме
излучения, соответствующего переходу между уровнями 2р10 и 5d5
атома криптона-86. Погрешность криптонового эталона меньше, чем
платиноиридиевого, и равна 1·10-8 м.
Дальнейшие исследования позволили создать более точный
эталон метра, основанный на измерении длины волны в вакууме
монохроматического излучения, генерируемого стабилизированным
лазером. В 1983 г. на 17-й Генеральной конференции по мерам и
весам было принято новое определение метра: длина пути,
проходимого светом в вакууме за (1/299792458) доли секунды. По
определению и способу воспроизведения эталон метра стал
зависимым, получающим размер от эталона секунды, но при этом
метр сохраняет роль основной единицы при образовании
размерностей других производных величин.
Государственный первичный эталон единицы длины (метр)
(
номер по реестру ГЭТ 2-98) был создан во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева
(1960-1985 гг.), утвержден Постановлением Госстандарта СССР №
116 от 3.10.1985.
В состав эталона входят:
• источник эталонного излучения He-Ne/J2 – лазеры,
47
стабилизированные по линии насыщенного поглощения в
молекулярном йоде-127;
• установка для измерения отношений длин волн источников
излучения;
• интерференционный компаратор с лазерным
интерференционным рефрактометром.
Метрологическая характеристика эталона:
Диапазон измерений, м 0...1,0
Случайная погрешность 2·10
Систематическая погрешность 1,5·10
-11
-11
Эталон обеспечивает передачу размера длины вещественным
мерам длины, измерителям и преобразователям линейных
перемещений в диапазонах: 1·10-3...1,0 м; 1·10-6...1·10-3 м; 5·10-9...1·10-6
м. Он обеспечивает передачу размера длины эталонам Армении,
Белоруссии, Болгарии, Венгрии, Индии, Казахстана, Кубы, Латвии,
Литвы, Польши, Словакии, Украины, Чехии.
Область применения эталона: метрологическое обеспечение
единства измерений в машиностроении, судостроении, авиа- и
ракетостроении, электронной, космической, оборонной технологиях, а
также научные исследования.
2.2. Эталон единицы массы (килограмм)
Килограмм – как и эталон метра, был одним из первых
эталонов, изготовленный и утвержденный во Франции, и переданный
в 1799 г. на хранение в Национальный архив Франции, получивший
название «килограмм Архива». С 1872 г. килограмм стал
определяться как равный массе «килограмма Архива». Этот эталон
представляет собой платиновую цилиндрическую гирю, высота и
диаметр которой равны 39 мм. Он хранится в Международном бюро
мер и весов на кварцевой подставке под двумя стеклянными
колпаками в стальном шкафу особого сейфа, находящегося в
термостатированном помещении. Прототипы килограмма для
практического применения были изготовлены из платиноиридиевого
сплава. За международный прототип килограмма была принята
платиноиридиевая гиря, по точности в наибольшей степени
соответствующая массе «килограмма Архива».
По решению 1-й Генеральной конференции по мерам и весам
из 43 экземпляров прототипов килограмма России по жребию были
переданы № 12 и № 26 в 1889 г. Копии изготовлены фирмой «Джон-
48
сон, Матей и К°» из платиноиридиевого сплава (90% Pt и 10% Ir) в
виде прямого круглого цилиндра с высотой, равной диаметру. Прототип № 12 стал государственным эталоном килограмма, причем среднее квадратическое отклонение (СКО) при сличении его с международным протипом килограмма не превышало 2·10-9. На XI ГКМВ в
1960 г., где была принята Международная система единиц (СИ), килограмм как единица массы вошел в число основных единиц СИ. На
эталонных весах один раз в 10 лет с помощью манипуляторов вторичные эталоны дистанционно сличаются с эталонной гирей.
Государственный первичный эталон единицы массы
(килограмм) (номер по реестру ГЭТ 3-84) утвержден Постановлением
Госстандарта СССР №4109 от 6.12.1984, хранится во ВНИИМ
им. Д.И. Менделеева. Эталон предназначен для воспроизведения,
хранения и передачи размера единицы массы, получаемого на
основании периодических сличений с международным прототипом
килограмма.
В состав эталона входят:
• национальный прототип килограмма – копия № 12
международного прототипа килограмма;
• национальный прототип килограмма – копия № 26
международного прототипа килограмма;
• эталонная гиря массой 1 кг и набор эталонных гирь массой от
1 до 500 г из платиноиридиевого сплава;
• эталонные весы-компараторы с наибольшими пределами
взвешивания 1 кг, 200, 25 и 3 г.
Метрологическая характеристика эталона:
Номинальное значение, кг 1
Случайная погрешность компарирования 8·10-9
Погрешность сличения с международным прототипом 2,4·10-9
Область применения эталона: метрологическое обеспечение
единства измерений во всех областях науки и производственной
деятельности: машиностроение, приборостроение, микроэлектроника,
транспорт, оборонная промышленность, научные исследования,
системы контроля и учета продукции, сельское хозяйство и пр.
Как показывают результаты международных сличений, за сто
с лишним лет масса эталонной гири увеличилась на 0,017 мг. Это
объясняется адсорбцией соединений из окружающей среды,
оседанием пыли на поверхности гири и образованием тонкой пленки
продуктов коррозии. Принципиальной особенностью всей
централизованной системы эталонов массы, основанной на
49
международном прототипе, является то, что она не опирается на
физические процессы или константы. В перспективе предполагается
перейти к воспроизведению единицы массы через счетное число
атомов какого-нибудь химического элемента, например, изотопа
кремния-28.
Известно, что масса тела как физическая величина была введена Ньютоном и характеризует, с одной стороны, реакцию тела на
воздействие внешних сил (инертная масса), а с другой стороны, величину гравитационного взаимодействия тела с другими телами (гравитационная масса). Согласно экспериментально с высокой точностью
подтвержденному (до 1013) принципу эквивалентности (сформулированному Эйнштейном) инертная масса и гравитационная масса пропорциональны друг другу. В условиях Земли не было обнаружено никаких отклонений от этого закона, поэтому новых единиц измерения
для инерционной массы не вводят (используют единицу измерения
гравитационной массы, т.е. килограмм) и коэффициент пропорциональности считают равным единице, что позволяет говорить о равен-
стве инертной и гравитационной масс. Масса оказалась наиболее
сложной физической величиной, так как механизм возникновения
массы любого тела (природа массы) остается невыясненным до конца
даже в рамках современных теорий фундаментальных взаимодействий.
Отклонения массы эталонов, определяемые при
международных сличениях, показывают достаточную степень ее
стабильности. В табл. 7 приведены результаты двух международных
сличений эталона массы.
Таблица 7
Результаты международных сличений эталона массы
Отклонение массы
Организация,
страна
МБМВ 31 +0,162 +0,128 -0,034
Италия 5 +0,018 +0,018 0,000
Япония 6 +0,169 +0,170 +0,001
Франция 35 +0,191 +0,183 -0,008
Россия 12 +0,068 +0,085 +0,017
США 20 -0,019 -0,019 +0,020
Швейцария 38 +0,214 +0,214 +0,031
Номер
эталона
эталона, мг
Первое
сличение
Второе
сличение
Разность
массы
эталонов,
мг
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]