Лекции метрология. Антонюк Евгений Михайлович
 Скачать 1.31 Mb.
|
|
ГОСТ 8.417—2002, предписывающий обязательное использование единиц СИ. В нём перечислены единицы физических величин, разрешённые к применению, приведены их международные и русские обозначения и установлены правила их использования. По этим правилам, при договорно-правовых отношениях в области сотрудничества с зарубежными странами, а также в поставляемых за границу вместе с экспортной продукцией технических и других документах разрешается применять только международные обозначения единиц. Применение международных обозначений обязательно также на шкалах и табличках измерительных приборов. 4.1. Система единиц физических величин СИ В России действует ГОСТ 8.417—2002, предписывающий обязательное использование единиц СИ. В нём перечислены единицы физических величин, разрешённые к применению, приведены их международные и русские обозначения и установлены правила их использования. По этим правилам, при договорно-правовых отношениях в области сотрудничества с зарубежными странами, а также в поставляемых за границу вместе с экспортной продукцией технических и других документах разрешается применять только международные обозначения единиц. Применение международных обозначений обязательно также на шкалах и табличках измерительных приборов. Таблицы основных и производных, а также кратных и дольных, а вы можете посмотреть в html-версии. 4.4. Относительные единицы Часто используют для измерения физической величины отношение этой величины к одноименной физической величине. Это отношение является безразмерным . К таким относятся атомные или молекулярные массы химических элементов, которые выражаются по отношению к одной двенадцатой массы углерода-2. Отношения величин выражаются: - в безразмерных единицах, когда отношение равно единицам; - в процентах, когда отношение находится в диапазоне до 10 -2 ; - в промилле, когда отношение находится в диапазоне до 10 -3 ; - в миллионных долях, когда отношение находится в диапазоне до 10 -3 и т.д. 4.5. Логарифмические единицы В виде логарифмических величин выражаются частотный интервал, ослабление, усиление, уровни звукового давления и др. Единицей логарифмической величины является бел (Б), который выражается через логарифм отношения одноименных физических величин: - 1Б = lg(Р 1 /Р 2 ) при Р 2 =10×Р 1 , где Р 1 , Р 2 – одноименные энергетические величины мощности, энергии, плотности энергии и т.п.; - 1Б = 2 lg(F 1 /F 2 ) при F 2 =10 1/2 ×F 1 , где F 1 , F 2 – одноименные величины напряжения, силы тока, давления, напряженности поля и т.п. Для образования логарифмической единицы может использоваться не только десятичный логарифм, а также натуральный или по основанию 2 , если это удобно для решения практической задачи. Часто в измерениях используется дольная единица бела – децибел (дБ) равная 0,1 Б. 5. Эталоны и образцовые средства измерения По мере развития техники и международных связей трудности использования и сравнения результатов измерений из-за различия единиц возрастали, они стали тормозить научно-технический прогресс. Так во второй половине XVIII века в Европе насчитывалось до сотни различных футов, как единиц измерения длины, около полусотни различных миль, свыше 120 различных фунтов. Кроме того, положение сложилось так, что соотношение между дольными и кратными единицами были необычайно разнообразными (Например, 1 фут = 12 дюймам = 304,8 мм). В 1790 г. во Франции было принято решение о создании системы новых мер, “основанных на неизменном прототипе, взятом из природы, с тем, чтобы ее могли принять все нации”. Было предложено считать единицей длины длину десятимиллионной части четверти меридиана Земли, проходящего через Париж. Эту единицу назвали метром. За единицу массы была принята масса 0,001 м3 чистой воды при температуре наибольшей плотности (+4°С); эта единица была названа килограммом. При введении метрической системы была не только установлена основная единица длины , взятая из природы, но и принята десятичная система образования кратных и дольных единиц, что является одним из важнейших ее преимуществ. Однако, как показали последующие измерения, в четверти парижского меридиана содержится не 10 000 000, а 10 000 856 первоначально определенных метров. Но и это число нельзя считать окончательным, так как по мере развития науки более точные измерения дают другие значения. 5.1. Единица длины В 1983 г. на XVIII Генеральной конференции по мерам и весам было принято определение метра. По этому определению единица длины — метр — представляет собой расстояние, проходимое светом за 1/299792458 долю секунды. Введению такого определения способствовало внедрение в эталонную технику лазеров. При этом размер единицы длины не изменился. Основными нововведениями были: переход от крептоновой лампы к лазерному излучению в источнике света на эталонных установках; использование в качестве основного постулата постоянство скорости света с= 2,997925 108 м/с; объединение в одном эталоне воспроизведения размера трех величин: длины, времени и частоты; использование в эталоне источников света на пяти различных длинах волн. Для воспроизведения единицы длины используется интерферометр Майкельсона. В интерферометре входящий световой пучок расщепляется на два, направленные по разным путям. На выходе световые пучки сходятся. В зависимости от разности оптических длин пройденных путей можно определить разность хода как Δ=(n–1)l, где n — показатель преломления среды, l — геометрическая длина пути. Условие максимума интерференционной картины — Δ= l 1 – l 2 = kλ, где λ — длина волны лазера. Условие минимума — Δ = l 1 – l 2 = (2k–1)×λ/2. 5.2. Единица массы В качестве основной механической единицы XI Генеральной конференцией по мерам и весам была утверждена единица массы — килограмм. Килограмм — масса вещества, равная массе прототипа килограмма. Прототип килограмма находится в Международном бюро по мерам и весам в Севре под Парижем. Он представляет собой цилиндр из сплава 90% платины и 10% иридия диаметром 39 мм и такой же высоты. Для обеспечения единства измерений массы было изготовлено большое количество прототипов массы. Точность изготовления прототипов обеспечена на уровне 10 -8 относительной погрешности. Прототипы аттестованы в Международном бюро по мерам и весам. В Россию в 1889 году был направлен прототип №12, который хранится во Всероссийском НИИ метрологии им. Д.И.Менделеева в Санкт-Петербурге. По определению первоначально прототип массы должен был совпадать с массой одного кубического дециметра воды при ее наибольшей плотности при температуре 3,98 °С и давлении 101325 Па. Однако было определено, что максимальная плотность воды равна 0,999972 г/см³, т.е. прототип массы оказался на 28 мкг больше. 5.3. Единица времени Измерение времени человек естественно связывал с движением Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца. Так, продолжительность суток разбивается на часы, минуты, секунды — t = 24×60×60 = 86400 с. Однако, продолжительность суток в разное время года разное, поскольку Земля движется вокруг Солнца по эллиптической орбите. Международным бюро по мерам и весам в 1956 г. было принято определение так называемой «эфемеридной секунды»: 1 с = (1/31556925,9747) тропического года 1900. В 1967 г. Международный комитет по мерам и весам принял определение единицы времени: единица времени — одна секунда — равна продолжительности 9,192631770×109 колебаний излучения при квантовом переходе между линиями сверхтонной структуры атома цезия 133 Cs, соответствующих переходу [F = 4; m F = 0] [F = 3; m F =0] основного состояния ²S 1/2 Эталон единицы времени реализован на установке для наблюдения резонанса в атомном цезиевом пучке — установке для воспроизведения единицы частоты системы СИ – Герца. Зафиксировав резонанс атомного пучка на частоте 9 192 631 770 Гц, эталон воспроизводит единицу времени — секунду. 5.4. Единица силы тока Введение произвольной электрической единицы в практику измерений впервые было предложено на Международном конгрессе электриков в Чикаго в 1893 г. Было предложено ввести две абсолютные практические единицы электрических величин: 1 Вольт и 1 Ампер для измерения напряжения (разности потенциалов) и силы постоянного электрического тока. На практике силу постоянного электрического тока определяли по тем действиям, которые он оказывал на окружающую среду. Ампер — сила, не изменяющегося во времени электрического тока, который, протекает в вакууме по двум бесконечным и параллельным проводникам пренебрежимо малого круглого поперечного сечения, находящимся друг от друга на расстоянии один метр, создают электрическую силу, действующую на эти проводники и равную 2×10 -7 Н на каждый метр их длины. В 1948 г. в основу эталона Ампера были положены токовые весы . Последние представляют собой рычажные равноплечие весы, в которых подвешенная подвижная катушка уравновешивается грузом. Подвижная катушка входит в неподвижную коаксиально расположенную катушку. При прохождении по этим последовательно соединенным катушкам постоянного электрического тока подвижная катушка опускается. Для достижения равновесия на противоположное плечо необходимо положить груз. По его массе и судят о силе электрического тока. Погрешность такого эталона не превышает 10 -3 %. 5.4. Единица силы тока Введение в метрологическую практику эталона Вольта на основе эффекта Джозефсона и эталона Ома на основе эффекта Холла позволили повысить точность воспроизведения тока на два порядка. Современный эталон ампера состоит из двух комплексов: - комплекса для установления размера Ампера через Вольт и Ом с использованием эффектов Джозефсона и Холла, который включает всебя меру напряжения, меру электрического сопротивления, сверхпроводящий компаратор тока и регулируемые источники тока; - комплекса для установления размера Ампера через Фарад, Вольт, секунду, включает блок с набором мер постоянной емкости, интегратор, измерительный блок с частотомером, цифровым вольтметром и компаратором. Эталон обеспечивает воспроизведение единицы силы тока со средним квадратическим отклонением результата измерений не превышающим 5×10 -8 А при номинальном значении силы тока 1А и систематической погрешностью не превышающей 2×10 -8 А при номинальном значении силы тока 1×10 -3 А. 5.5. Единица термодинамической температуры Термодинамическая температура является универсальной физической величиной, она характеризует состояние многих физических тел и процессов. Единица термодинамической температуры – Кельвин определяется как 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. На эталонном уровне строится шкала термодинамической температуры, при этом используются температуры плавления и затвердевания чистых веществ. Тройная точка воды это такое состояние чистой воды, когда лед, жидкая вода и водяной пар находятся в тепловом равновесии. В условиях вакуума над тающим льдом устанавливается равновесное давление водяного пара, равное р=611 Па. Этому состоянию приписано значение термодинамической температуры Т=273,16 К точно. Точка замерзания воды при нормальном атмосферном давлении р=101325 Па (1 атм.) расположена ниже тройной точки воды на 0,00993 К. XIII Генеральная ассамблея по мерам и весам в 1976 г. наряду с абсолютной термодинамической шкалой утвердила в качестве производной шкалу Цельсия , определив температуру как t °C = (T–237,15) K. 5.5. Единица термодинамической температуры В 1990 г. был утвержден последний состав Международной температурной шкалы (МТШ–90). Реперные точки МТШ–90 делятся на определяющие и вторичные. Список определяющих реперных точек приведен в таблице ниже. Определяющие реперные точки — это точки температурной шкалы, для которых результаты измерений в разных странах хорошо совпали между собой. Вторичные реперные точки охватывают более широкий диапазон температур. Шкала вторичных реперных точек содержит 27 значений. Самая высокая температура – температура затвердевания вольфрама — 3666 К. На практике для точных измерений температуры используются платиновые термометры сопротивления или термопары, которые градуируются по реперным точкам. От платиновых термометров сопротивления и термопар размер единицы температуры передается образцовым и рабочим термометрам менее высокого класса точности. Таблицу реперных точек МТШ-90 можно посмотреть в html-версии. 5.6. Единица силы света В 1967 году XIII Генеральная конференция по мерам и весам утвердила единицу силы света – канделу. Кандела – сила света в направлении нормали к отверстию абсолютно черного тела, имеющего температуру затвердевания платины Т=2045 К и площадь 1/60 см² при давлении 101325 Па. Ранее эталон единицы силы света канделы представлял комплекс, в котором платина, расплавленная индукционной печью, нагревает керамическую трубку диаметром 2мм и длиной 40 мм. Излучение из трубки фокусируется на вход фотометра. Фотометр позволяет производить измерение энергии излучения на различных длинах волн. Такая структура имеет существенные источники погрешности: невозможно создать идеальный черный излучатель, поэтому коэффициент излучения всегда меньше единицы; температура излучающей полости несколько ниже температуры платины вследствие теплопроводности и неоднородности затвердевания платины; в оптической системе теряется часть световой энергии. Введение поправок делает возможным воспроизведение единицы силы света с точностью 0,1-0,2%. В настоящее время воспроизведение единицы силы света с точностью 0,1% возможно с помощью источника (чаще всего используется вольфрамовая ленточная лампа накаливания, которая подбором силы тока излучает как черное тело с температурой 2045 К) и фотоприемника, рассчитанного на измерение энергетической мощности излучения на длине волны 555 нм. Измерения ведутся в единицах механической мощности – ваттах, а световой поток определяется через механический эквивалент света, равный 683 люмена на ватт (люмен – единица измерения светового потока). 5.7. Единица количества вещества Для удобства описания химических процессов в систему СИ введена химическая основная единица — моль. Моль — количество вещества, имеющее столько структурных единиц, сколько их содержится в 12 граммах моноизотопа углерода С 12 . Из определения видно, что точно это значение не установлено. По физическому смыслу оно равно постоянной Авогадро — числу атомов в грамм-эквиваленте углерода. Эта величина практически дублирует основную единицу массы килограмм. Необходимо также отметить, что до сих пор не существует реализации эталона этой единицы. Многочисленные попытки независимого воспроизведения моля приводили к тому, что накопление точно измеренного количества вещества сводилось к необходимости выхода на другие эталоны физических величин. Например, попытка электрохимического выделения какого-либо вещества приводит к необходимости измерения массы и силы электрического тока; точное измерение числа атомов в кристаллах — к измерению линейных размеров кристалла и его массы, и др. 6.1. Система обеспечения единства измерений Обеспечение единства измерений является одной из основных задач метрологии. Под единством измерений понимается такая технология организации и проведения измерений, при которой результаты измерений выражаются в известных единицах, размеры которых могут быть воспроизведены с помощью образцовых средств (эталонов), и погрешности которых могут быть определены с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы. Единство измерений должно обеспечиваться при решении любых задач науки и техники, при измерениях с любой точностью. На государственном уровне единство измерений обеспечивается с помощью государственных и ведомственных служб, деятельность которых регламентируется стандартами Государственной системы обеспечения единства измерений. В Российской Федерации принят « Закон Российской Федерации об обеспечении единства измерений» , который устанавливает правовые основы обеспечения единства измерений. Закон регулирует отношения государственных органов управления с юридическими и физическими лицами по вопросам изготовления, выпуска, эксплуатации, ремонта, продажи средств измерений и направлен на защиту прав и законных интересов граждан, установленного правопорядка и экономики страны от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений. 6.1. Система обеспечения единства измерений В соответствии с Законом: Единство измерений — состояние измерений, характеризующееся тем, что их результаты выражены в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам единиц, воспроизводимых первичными эталонами, а погрешности результатов измерений известны и с заданной вероятностью не выходят за установленные пределы. Понятие «единство измерений» охватывает важнейшие задачи метрологии: унификацию единиц, разработку системы воспроизведения единиц и передачи их размеров рабочим средствам измерений с установленной точностью, проведение измерений с требуемой точностью и др. Единство измерений должно выдерживаться при любой точности измерений, необходимой отрасли экономики. Обеспечение единства измерений является задачей метрологических служб. Метрологическая служба — служба, создаваемая в соответствии с законодательством для выполнения работ по обеспечению единства измерений и для осуществления метрологического контроля и надзора. Закон определяет, что Государственная метрологическая служба находится в ведении Госстандарта России и включает: государственные научные метрологические центры; органы Государственной метрологической службы на территории республик в составе Российской Федерации, автономной области, автономных округов, краев, областей, городов Москвы и Санкт-Петербурга. Государственная система обеспечения единства измерений – комплекс нормативных документов межрегионального и межотраслевого уровней, устанавливающих правила, нормы, требования, направленные на достижение и поддержание единства измерений в стране (при требуемой точности), утверждаемых Госстандартом страны. 6.2. Передача размеров единиц физических величин Обеспечение правильной передачи размера единицы физической величины осуществляется с помощью поверочной схемы. Поверочная схема — нормативный документ, устанавливающий соподчинение средств измерений, участвующих в передаче размера единицы от эталона рабочим средствам измерения (с указанием метода и погрешности при передаче). Поверочная схема строится в соответствии с ГОСТ 8.061-80 «ГСИ. Поверочная схема. Содержание и построение» и рекомендациями МИ 83-76 «Методика определения параметров поверочных схем». Различают государственные и локальные поверочные схемы. Государственная поверочная схема — поверочная схема, распространяющаяся на все средства измерений данной физической величины, имеющиеся в стране. Она разрабатывается в виде государственного стандарта, состоящего из чертежа поверочной схемы и текста, содержащего пояснения к чертежу. Локальная поверочная схема — поверочная схема, распространяющаяся на средства измерения данной физической величины, применяемая в регионе, отрасли, ведомстве или на отдельном предприятии (в организации). Локальная поверочная схема не должна противоречить государственной. Она не может быть составлена при отсутствии государственной поверочной схемы. Поверочная схема включает эталон, объект поверки (средство измерений), метод поверки. 7.1. Классификация измерений Существующее многообразие измерительных экспериментов для нахождения значения физических величин определяется как большим количеством этих величин, характером их изменения во времени, так и различными требованиями к качеству получаемых результатов. Классификация измерений позволяет структурировать множество измерительных процедур с целью их эффективной организации и использования. Измерение — совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины. Измерения могут быть классифицированы по следующим признакам: - способу получения результата измерений — прямые, косвенные, совместные и совокупные измерения; - отношению к изменению измеряемой величины – статические и динамические измерения; - характеристике точности – равноточные и неравноточные измерения; - числу измерений в ряду измерений – однократные и многократные измерения; - выражению результата измерений – абсолютные и относительные измерения; - метрологическому назначению – технические и метрологические измерения. 7.1. Классификация измерений По способу получения результатов измерения Прямые Косвенные Совокупные Совместные По отношению к изменению измеряемой величины Статические Динамические По характеристике точности Равноточные Неравноточные Рис. 7.1а. Классификация измерений 7.1. Классификация измерений Рис. 7.1б. Классификация измерений По числу измерений в ряду Однократные Многократные По выражению результата измерений Абсолютные Относительные По метрологическому назначению Технические Метрологические 7.2. Прямые измерения Прямое измерение — измерение, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно в результате выполнения измерительного эксперимента. Например, измерение длины микрометром, силы тока амперметром, электрического сопротивления омметром. 7.3. Косвенные измерения Косвенное измерение — определение искомого значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. При косвенном измерении значение искомой величины y связано с измеряемыми некоторой функциональной зависимостью y = F(х 1 , х 2 , х 3 , …, х n ), где х 1 , х 2 , х 3 , …, х n – значения величин, полученных с помощью прямых измерений. Например , значение сопротивления резистора R определяют из уравнения R = U/I, в которое подставляют значения напряжения U на резисторе и тока I через него. Измеряем силу тока миллиамперметром I=40 мА Измеряем напряжение вольтметром U=84 В Находим сопротивление R x =U/I=84/40∙10 -3 =2100 Ом Схема косвенного измерения сопротивления (измерения силы тока и напряжения прямые) 1 2 3 7.3. Косвенные измерения – пример. Рис. 7.2. Пример косвенных измерений 7.4. Совместные измерения Совместные измерения — проводимые одновременно измерения двух или нескольких не одноименных величин для определения зависимости между ними. По сути, совместные измерения – это одновременно проводимые косвенные измерения. При этом решают следующую систему уравнений: где y i — искомые величины, x ij — значения измеренных величин. Водный термометр Терморезистор 7.4. Совместные измерения – пример Например, для нахождения зависимости сопротивления резистора от температуры, определяемой выражением R t =R 0 (1+ A t ), измеряют сопротивление резистора при двух различных температурах, составляют систему из двух уравнений и находят значения параметров R 0 , A. Сначала измеряем сопротивление резистора при температуре t 1 и t 2 : Далее составляем систему уравнений: R t1 =R 0 (1+ At 1 ) R t2 =R 0 (1+ At 2 ) где t 1 , t 2 — температуры в градусах Цельсия, R t2 , R t1 — сопротивления резистора при температуре t 1 и t 2 соответственно. R 0 и A — искомые параметры. Рис. 7.3. Пример совместных измерений 7.5. Совокупные измерения Совокупные измерения — проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях. Например, выполняют прямые измерения сопротивлений резисторов соединенных треугольником, а затем по результатам этих измерений рассчитывают значения сопротивлений самих резисторов. Рис. 7.4. Схема совокупных измерений 7.6. Статические измерения Статическое измерение — измерение физической величины, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения. Пример : измерение неизменяющейся частоты синусоидального сигнала с помощью электронного осциллографа. Рис. 7.5. Пример статического измерения 7.7. Динамические измерения Динамическое измерение — измерение изменяющейся во времени физической величины. Пример: измерение мгновенных значений, изменяющегося во времени напряжения, с помощью электронного осциллографа. Рис. 7.6. Пример динамического измерения |