Эталоны единиц электрических величин

 Эталоны единиц электрических величин. Средства измерений, предназначенные для воспроизведения и хранения единиц измерений, поверки и градуировки приборов делятся на эталоны и образцовые средства измерения. Эталон — средство измерения (или комплекс средств измерений), обес­печивающее воспроизведение и (или) хранение единицы физической вели­чины с наивысшей точностью для данного уровня развития измерительной техники с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений. Классификация, назначение и общие требования к созданию, хранению и применению эталонов устанавливаются соответст­вующими стандартами. Перечень эталонов не повторяет перечня физических величин. Для ряда единиц эталоны не создаются из-за того, что нет возможности непосредст­венно сравнивать соответствующие физические величины, например, нет эталона площади. Не создаются эталоны и в том случае, когда единица фи­зической величины воспроизводится с достаточной точностью на основе сравнительно простых средств измерений других физических величин. Конструкция эталона, его физические свойства и способ воспроизведения единицы определяются физической величиной, единица которой воспроиз­водится, и уровнем развития измерительной техники в данной области изме­рений. Эталон должен обладать, по крайней мере, тремя взаимосвязанными свойствами: неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью. Неизменность — свойство эталона удерживать неизменным размер воспроизводимой им единицы физической величины 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 созданию «естествен­ных» эталонов различных величин, основанных на физических постоянных. Воспроизводимость — возможность воспроизведения единицы физиче­ской величины с наименьшей погрешностью для существующего уровня развития измерительной техники. Сличаемостъ — возможность сличения с эталоном других средств изме­рений, нижестоящих по поверочной схеме, в первую очередь вторичных эта­лонов, с наивысшей точностью для существующего уровня развития техники измерения. Эталоны классифицируют в зависимости от метрологического назначе­ния. Это назначение предполагает оснащение метрологической службы пер­вичными, специальными, государственными, национальными, международ­ными и вторичными эталонами . ^ Первичный эталон — эталон, обеспечивающий воспроизведение едини­цы с наивысшей в стране точностью. Первичные эталоны — это уникальные средства измерений, часто представляющие собой сложнейшие измеритель­ные комплексы. Они составляют основу государственной системы обеспече­ния единства измерений. Первичный эталон может быть специальным, государственным, нацио­нальным и международным. ^ Специальный эталон — эталон, обеспечивающий воспроизведение еди­ницы в особых условиях и заменяющий для этих условий первичный эталон. Он служит для воспроизведения единицы в условиях, когда первичный эта­лон нельзя использовать, и прямая передача размера единицы от первичного эталона с требуемой точностью технически неосуществима (например, на высоких и сверхвысоких частотах, в начале и конце участков диапазонов измерений и т. д.). Первичные и специальные эталоны являются исходными для страны, их утверждают в качестве государственных. Государственный — это первичный (или специальный) эталон, признан­ный решением уполномоченного Государственного органа в качестве исход­ного на территории государства. Государственные эталоны создают, хранят и применяют центральные метрологические научные институты страны, а утверждает Госстандарт. Точность воспроизведения единицы должна соот­ветствовать уровню лучших мировых достижений и удовлетворять потреб­ностям науки и техники. В состав государственных эталонов включают сред­ства измерений, с помощью которых воспроизводят и (или) хранят единицу физической величины, контролируют условия измерений и неизменность воспроизводимого или хранимого размера единицы физической величины, осуществляют его передачу. Погрешности государственных первичных и специальных эталонов ха­рактеризуются неисключенной систематической погрешностью (НСП), слу­чайной погрешностью и нестабильностью.Неисключенная систематическая погрешность описывается границами, в которых она находится; случайная погрешность определяется средним квадратическим отклонением результата измерений при воспроизведении единицы с указанием числа независимых измерений (понятия «неисключенная систематическая погрешность» и «среднее квадратическое отклонение» будут введены в гл. 2). Нестабиль­ность эталона задается изменением размера единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном, за определенный промежуток времени. Национальный — эталон, признанный официальным решением в качестве исходного для страны. Международный —- эталон, принятый по международному соглашению в качестве международной основы для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами. ^ Вторичный эталон — эталон, значение которого устанавливают по пер­вичному эталону. Вторичные эталоны являются частью подчиненных средств хранения единиц и передачи их размеров, создаются и утверждаются в тех случаях, когда это необходимо для организации поверочных работ, а также для обеспечения сохранности и наименьшего износа государственного эта­лона. По метрологическому назначению вторичные эталоны делятся на эта­лоны-свидетели, эталоны-копии, эталоны сравнения и рабочие эталоны. Эталон-свидетель служит для проверки сохранности и неизменности го­сударственного эталона и замены его в случае порчи или утраты. В настоя­щее время только эталон килограмма имеет эталон-свидетель. Эталон-копия предназначен для передачи размера единицы рабочим эталонам. Он создается в случае необходимости проведения большого числа поверочных работ с целью предохранения первичного или специального эта­лона от преждевременного износа. Эталон-копия представляют собой копию государственного эталона только по метрологическому назначению, поэтому он не всегда является его физической копией. ^ Эталон сравнения применяется для взаимного сличения эталонов, ко­торые по тем или иным причинам нельзя непосредственно сравнивать друг с другом (например, международные сличения эталонов). ^ Рабочие эталоны предназначены для поверки образцовых и наиболее точных рабочих средств измерений. Рабочие эталоны применяются во мно­гих территориальных метрологических центрах. Оценки погрешностей вторичных эталонов характеризуют отклонением размеров хранимых ими единиц от размера единицы, воспроизводимой пер­вичным эталоном. Передача размеров единиц физических величин от эталонов рабочим ме­рам и измерительным приборам осуществляется с помощью рабочих этало­нов (до недавнего времени в Российской Федерации вместо термина «рабо­чие эталоны» использовалось понятие «образцовые средства измерений», которое в других странах не применяют). Рабочие эталоны при необходимости подразделяются на 1-й, 2-й и т. д. разряды, определяющие порядок их соподчинения в соответствии с повероч­ной схемой. Различным видам измерений устанавливают, исходя из требова­ний практики, различное число разрядов рабочих эталонов, определяемых стандартами на поверочные схемы для данного вида измерений. ^ Эталоны основных электрических величин Основной единицей электрических величин является единица силы тока- ампер (А). Производные от ампера единицы электрических величин: •единица электродвижущей силы (ЭДС) и электрического напряжения —-вольт (В); •единица частоты — герц (Гц); •единица электрического сопротивления — ом (Ом); •единица индуктивности и взаимной индуктивности двух катушек — ген­ри (Гн); •единица электрической емкости — фарад (Ф). Все перечисленные единицы воспроизводятся и хранятся посредством Государственных первичных эталонов. Эталон единицы силы электрического тока. Еще недавно государст­венным первичным эталоном ампера был комплекс средств измерений, куда входили токовые весы и мера электрического сопротивления, применяемая при передаче размера ампера (эталон сравнения). В токовых весах, представляю­щих собой рычажные равноплечие весы, с одной стороны на коромысло дейст­вует сила взаимодействия двух соленоидов (катушка индуктивности), один из которых подвижен и подвешен к этому коромыслу, с другой стороны — гиря известной массы. При протекании по катушкам постоянного тока возникает сила их индуктивного взаимодействия, которая уравновешивается силой тяжести. Итак, при равновесии весов сила тока определяется массой гири, ускоре­нием ее свободного падения в месте расположения весов, постоянной элек­тродинамической системы, которая зависит от формы и размеров соленои­дов, диаметра сечения их провода, значения относительной магнитной про­ницаемости среды и прочее, т.е. ампер воспроизводится через основные еди­ницы — метр, секунду, килограмм. В связи с введением в метрологическую практику эталона вольта на ос­нове эффекта Джозефсона и эталона ома на основе эффекта Холла назначе­ние ампер-весов утратило смысл. Был разработан новый эталон ампера, ко­торый состоит из двух комплексов. В первом ампер установлен через вольт и ом с применением квантовых эффектов Джозефсона и Холла, а в другом — через фарад, вольт и секунду с использованием методов электрометрии. Со­временный государственный первичный эталон ампера состоит из аппара­туры, выполненной на основе: •квантовых эффектов Джозефсона и Холла, включая меру напряжения, меру электрического сопротивления, сверхпроводящий компаратор тока и регулируемые источники тока; •использования методов электрометрии, включая входной блок с набо­ром мер постоянной емкости, интегратор, измерительный блок с частотоме­ром, цифровым вольтметром и компаратором. Государственный первичный эталон ампера воспроизводит значение силы постоянного электрического тока и обеспечивает передачу размера ампера в диапазоне 10^-16...30 А. Эталон воспроизводит единицу силы тока со средним квадратическим отклонением результата измерений не более 5^.10^-8 А при номинальных значениях силы тока 10^-2...2^.10^-4 А. Неисключенная система­тическая погрешность не должна превышать 2-10^-8А при номинальных зна­чениях силы постоянного тока 10^-3 и 1 А. Для воспроизведения и хранения единицы силы переменного тока разра­ботаны два государственных специальных эталона. ^ Государственный эталон силы переменного тока для диапазона частот 40... 10⁵ Гц и значений токов 0,01... 10 А воспроизводит ампер со средним квадратическим отклонением не более 10^-4 А при неисключенной системати­ческой погрешности, не превышающей 2-10^-4 А. Государственный эталон силы переменного тока для диапазона частот 0,1..300 МГц и значений токов 3...100 А воспроизводит ампер со средним квадратическим отклонением не более 5-10^-4 А при неисключенной система­тической погрешности, не превышающей 8,5'10^-4А. ^ Эталон единицы электродвижущей силы и напряжения. Государст­венный первичный эталон вольта обеспечивает воспроизведение единицы ЭДС и электрического напряжения со средним квадратическим отклонением не более 5-10^-8 В, при неисключенной систематической погрешности, не превышающей 10^-6 В. Для воспроизведения и хранения единицы напряжения переменного тока раз­работаны и используются два государственных специальных эталона. ^ Государственный первичный эталон напряжения переменного тока для значений 0,1 ...10 В в диапазоне частот 20...3^.10⁷Гц воспроизводит единицу напряжения со средним квадратическим отклонением не более 5^.10^-5 В при неисключенной систематической погрешности, не превышающей значения в 3^.10^-4 В. ^ Государственный первичный эталон напряжения переменного тока для значений 0,1... 1 В в диапазоне частот 30...3000 МГц воспроизводит вольт со средним квадратическим отклонением не более 5^.10^-3 В при неисключен­ной систематической погрешности, не превышающей 2^.10^-2 В. ^ Эталон единиц времени и частоты. Единица времени — секунда (с) входит в число основных единиц СИ, а единица частоты — герц (Гц) — в число производных единиц. Если обозначить частоту гармонических колеба­ний f а их период Т, то f= 1/T(1/с). ^ Государственный первичный эталон времени обеспечивает воспроизве­дение значений интервалов времени 10^-9...10⁸ с в диапазоне частот 1...10^-14 Гц со средним квадратическим отклонением не более 5-10^-14 с при неисклю­ченной систематической погрешности, не превышающей 2-10^-13 с. ^ Эталон единицы электрического сопротивления. Государственный пер­вичный эталон ома обеспечивает воспроизведение единицы электрического сопротивления со средним квадратическим отклонением не более 10^-7 Ом при неисключенной систематической погрешности, не превышающей 5^.10^-7 Ом. ^ Эталон единицы электрической емкости. Государственный первичный эталон электрической емкости воспроизводит фарад со средним квадратиче­ским отклонением не более 2-10^-7 Ф при неисключенной систематической по­грешности, не превышающей 5 • 10^-7 Ф. В диапазоне частот 1...100 МГц эталон воспроизводится со средним квадратическим отклонением не более 3^.10^-5 Ф при неисключенной систематической погрешности, не превышающей 10^-4 Ф. ^ Эталон единицы индуктивности. Государственный первичный эталон единицы индуктивности осуществляет передачу генри на частоте 1 кГц со средним квадратическим отклонением не более 10^-6Гн при неисключенной систематической погрешности, не превышающей 5^.10^-6 Гн.

Электрические величины и единицы их измерения.

Электрическим током (I) называется направленное движение электрических зарядов (ионов — в электролитах, электронов проводимости в металлах). Необходимым условием для протекания электрического тока является замкнутость электрической цепи. Электрический ток измеряется в амперах (А). Производными единицами измерения тока являются: 1 килоампер (кА) = 1000 А; 1 миллиампер (мА) 0,001 А; 1 микроампер (мкА) = 0,000001 А. Человек начинает ощущать проходящий через его тело ток в 0,005 А. Ток больше 0,05 А опасен для жизни человека. Электрическим напряжением (U) называется разность потенциалов между двумя точками электрического поля. Единицей разности электрических потенциалов является вольт (В). 1 В = (1 Вт) : (1 А). Производными единицами измерения напряжения являются: 1 киловольт (кВ) = 1000 В; 1 милливольт (мВ) = 0,001 В; 1 микровольт (мкВ) = 0,00000 1 В. Сопротивлением участка электрической цепи называется величина, зависящая от материала проводника, его длины и поперечного сечения. Электрическое сопротивление измеряется в омах (Ом). 1 Ом = (1 В) : (1 А). Производными единицами измерения сопротивления являются: 1 килоОм (кОм) = 1000 Ом; 1 мегаОм (МОм) = 1 000 000 Ом; 1 миллиОм (мОм) = 0,001 Ом; 1 микроОм (мкОм) = 0,00000 1 Ом. Электрическое сопротивление тела человека в зависимости от ряда условий колеблется от 2000 до 10 000 Ом. Удельным электрическим сопротивлением (ρ) называется сопротивление проволоки длиной 1 м и сечением 1 мм2 при температуре 20 °С. Величина, обратная удельному сопротивлению, называется удельной электрической проводимостью (γ). Мощностью (Р) называется величина, характеризующая скорость, с которой происходит преобразование энергии, или скорость, с которой совершается работа. Мощностью генератора называется величина, характеризующая скорость, с которой механическая или другая энергия преобразуется в генераторе в электрическую. Мощностью потребителя называется величина, характеризующая скорость, с которой происходит преобразование электрической энергии в отдельных участках цепи в другие полезные виды энергии. Системной единицей мощности в СИ является ватт (Вт). Он равен мощности, при которой за 1 секунду выполняется работа в 1 джоуль: 1Вт = 1Дж/1сек Производными единицами измерения электрической мощности являются: 1 киловатт (кВт) = 1000 Вт; 1 мегаватт (МВт) = 1000 кВт = 1 000 000 Вт; 1 милливатт (мВт) = 0,001 Вт; о1i 1 лошадиная сила (л. с.) = 736 Вт = 0,736 кВт. Единицами измерения электрической энергии являются: 1 ватт-секунда (Вт сек) = 1 Дж = (1 Н) (1 м); 1 киловатт-час (кВт ч) = 3,б 106 Вт сек. Пример. Ток, потребляемый электродвигателем, присоединенным к сети 220 В, составлял 10 А в течение 15 минут. Определить энергию, потребленную двигателем. Вт*сек, или, разделив эту величину на 1000 и 3600, получим энергию в киловатт-часах: W = 1980000/(1000*3600) = 0,55кВт*ч

Таблица 1. Электрические величины и единицы

Наименование	Обозначение латинским шрифтом	Единицы измерения
		Наименование	Обозначение русским шрифтом
Напряжение Электродвижущая сила Ток Сопротивление активное Сопротивление реактивное Сопротивление полное Мощность активная Мощность реактивная Мощность полная Энергия	U, u E, e I, i R, r X, x Z, z P Q S W	Вольт Вольт Ампер Ом Ом Ом Ватт Вольт-ампер реактивный Вольт-ампер Ватт-секунда или джоуль	В В А Ом Ом Ом Вт вар ВА Вт*сек, дж

Класс точности измерительного прибора — это обобщенная характеристика, определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами, влияющими на точность, значения которых установлены в стандартах на отдельные виды средств измерений. Класс точности средств измерений характеризует их свойства в отношении точности, но не является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых при помощи этих средств.

Для того чтобы заранее оценить погрешность, которую внесет данное средство измерений в результат, пользуются нормированными значениями погрешности. Под ними понимают предельные для данного типа средства измерений погрешности.

Погрешности отдельных измерительных приборов данного типа могут быть различными, иметь отличающиеся друг от друга систематические и случайные составляющие, но в целом погрешность данного измерительного прибора не должна превосходить нормированного значения. Границы основной погрешности и коэффициентов влияния заносят в паспорт каждого измерительного прибора.

Основные способы нормирования допускаемых погрешностей и обозначения классов точности средств измерений установлены ГОСТ.

На шкале измерительного прибора маркируют значение класса точности измерительного прибора в виде числа, указывающего нормированное значение погрешности. Выраженное в процентах, оно может иметь значения 6; 4; 2,5; 1,5; 1,0; 0,5; 0,2; 0,1; 0,05; 0,02; 0,01; 0,005; 0,002; 0,001 и т. д.

Если обозначаемое на шкале значение класса точности обведено кружком, например 1,5, это означает, что погрешность чувствительностиδs=1,5%. Так нормируют погрешности масштабных преобразователей (делителей напряжения, измерительных шунтов, измерительных трансформаторов тока и напряжения и т. п.).

Это означает, что для данного измерительного прибора погрешность чувствительности δs=dx/x — постоянная величина при любом значении х. Граница относительной погрешности δ(х) постоянна и при любом значении х просто равна значению δs, а абсолютная погрешность результата измерений определяется как dx=δsx

Для таких измерительных приборов всегда указывают границы рабочего диапазона, в которых такая оценка справедлива.

Если на шкале измерительного прибора цифра класса точности не подчеркнута, например 0,5, это означает, что прибор нормируется приведенной погрешностью нуля δо=0,5 %. У таких приборов для любых значений х граница абсолютной погрешности нуля dx=dо=const, а δо=dо/хн. 

При равномерной или степенной шкале измерительного прибора и нулевой отметке на краю шкалы или вне ее за хн принимают верхний предел диапазона измерений. Если нулевая отметка находится посредине шкалы, то хн равно протяженности диапазона измерений, например для миллиамперметра со шкалой от -3 до +3 мА, хн= 3 - (-3)=6 А.

Однако будет грубейшей ошибкой полагать, что амперметр класса точности 0,5 обеспечивает во всем диапазоне измерений погрешность результатов измерений±0,5 %. Значение погрешности δо увеличивается обратно пропорционально х, то есть относительная погрешность δ(х) равна классу точности измерительного прибора лишь на последней отметке шкалы (при х = хк). При х = 0,1хк она в 10 раз больше класса точности. При приближении х к нулю δ(х) стремится к бесконечности, то есть такими приборами делать измерения в начальной части шкалы недопустимо.

На измерительных приборах с резко неравномерной шкалой (например на омметрах) класс точности указывают в долях от длины шкалы и обозначают как 1,5 с обозначением ниже цифр знака "угол".

Если обозначение класса точности на шкале измерительного прибора дано в виде дроби (например 0,02/0,01), это указывает на то, что приведенная погрешность в конце диапазона измерений δпрк = ±0,02 %, а в нуле диапазона δпрк = -0,01 %. К таким измерительным приборам относятся высокоточные цифровые вольтметры, потенциометры постоянного тока и другие высокоточные приборы. В этом случае

δ(х) = δк + δн (хк/х - 1),

где хк - верхний предел измерений (конечное значение шкалы прибора), х — измеряемое значение. 

Класс точности — основная метрологическая характеристика прибора, определяющая допустимые значения основных и дополнительных погрешностей, влияющих на точность измерения.

Погрешность может нормироваться, в частности, по отношению к:

• результату измерения (по относительной погрешности)

в этом случае, по ГОСТ 8.401-80 (взамен ГОСТ 13600-68), цифровое обозначение класса точности (в процентах) заключается в кружок.

• длине (верхнему пределу) шкалы прибора (по приведенной погрешности)

Для стрелочных приборов принято указывать класс точности, записываемый в виде числа, например, 0,05 или 4,0. Это число дает максимально возможную погрешность прибора, выраженную в процентах от наибольшего значения величины, измеряемой в данном диапазоне работы прибора. Так, для вольтметра, работающего в диапазоне измерений 0 — 30 В, класс точности 1,0 определяет, что указанная погрешность при положении стрелки в любом месте шкалы не превышает 0,3 В. Соответственно, среднее квадратичное отклонение s прибора составляет 0,1 В.

Относительная погрешность результата, полученного с помощью указанного вольтметра, зависит от значения измеряемого напряжения, становясь недопустимо высокой для малых напряжений. При измерении напряжения 0,5 В погрешность составит 60 %. Как следствие, такой прибор не годится для исследования процессов, в которых напряжение меняется на 0,1 — 0,5 В.

Обычно цена наименьшего деления шкалы стрелочного прибора согласована с погрешностью самого прибора. Если класс точности используемого прибора неизвестен, за погрешность s прибора всегда принимают половину цены его наименьшего деления. Понятно, что при считывании показаний со шкалы нецелесообразно стараться определить доли деления, так как результат измерения от этого не станет точнее.

Следует иметь в виду, что понятие класса точности встречается в различных областях техники. Так в станкостроении имеется понятие класса точности металлорежущего станка, класса точности электроэрозионных станков (по ГОСТ 20551).

Обозначения класса точности могут иметь вид заглавных букв латинского алфавита, римских цифр и арабских цифр с добавлением условных знаков. Если класс точности обозначается латинскими буквами, то класс точности определяется пределами абсолютной погрешности. Если класс точности обозначается арабскими цифрами без условных знаков, то класс точности определяется пределами приведённой погрешности и в качестве нормирующего значения используется наибольший по модулю из пределов измерений. Если класс точности обозначается арабскими цифрами с галочкой, то класс точности определяется пределами приведённой погрешности, но в качестве нормирующего значения используется длина шкалы. Если класс точности обозначается римскими цифрами, то класс точности определяется пределами относительной погрешности.

Аппараты с классом точности 0,5 (0,2) начинают работать в классе от 5 % загрузки. а 0,5s (0,2s) уже с 1 % загрузки