ккк. I. метрологиягл. Основные понятия и термины метрологии. Воспроизведение единиц фв и единство измерений
 Скачать 0.49 Mb.
|
|
кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. [XIII ГКМВ (1967 г.), Резолюция 4] Остальные тепловые единицы образуются на основании известных уравнений связи между ними и введенными ранее физическими величинами. 20 Для описания акустических величин не требуется вводить новые величины, следовательно, все используемые в акустике ФВ являются производными. В физике электромагнитных явлений к уравнениям 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 m 0 , m и диэлектрическая проницаемость e 0 , e. Следовательно, в данном случае N - п = 1. Под m и e понимаются относительные проницаемости, а под m 0 и e 0 — 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. В системе СИ за основную единицу выбрана единица абсолютной магнитной проницаемости m 0 = 4 p´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. По определению, ампер [A] - Ампер есть сила неизменяющегося 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 один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2·10 –7 Н [МКНВ (1946 г.), Резолюция 2, одобренная IX ГКМВ (1948 г.)] Поскольку скорость света в вакууме в системе СИ принята равной 299.792.458 м/с, то электрическая проницаемость вакуума e 0 называемая электрической постоянной, также будет точной постоянной: 21 e 0 = 1/( m 0 с 2 0 ) = 8,854187187 ´10 -12 Ф/м. Световые измерения, т.е. измерения параметров электромагнитных колебаний с длиной волны от 0,38 до 0,76 мкм, имеют ту особенность, что в них очень большую роль играет ощущение человека, воспринимающего световой поток посредством глаз. Поэтому световые измерения не вполне объективны. Между электромагнитными и световыми величинами существует однозначная взаимосвязь, и, строго говоря, 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 субъекта измерений — человека, было принято решение ввести единицу силы света — канделлу. Канделла [кд] — есть сила света [J] в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·10 12 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср [XVI ГКМВ (1979 г.), Резолюция 3]. Проведенные исследования показали, что средний глаз человека имеет наибольшую чувствительность при длине волны около 0,555мкм, что соответствует частоте 540 ´10 12 Гц. Эту зависимость чувствительности глаза от длины волны излучения описывают абсолютной световой эффективностью, которая равна отношению светового потока (оцениваемой нашим глазом мощности излучения) к полному потоку излучения (к полной мощности электромагнитного излучения). Световая эффективность представляет собой величину, позволяющую переходить от энергетических величин к световым. Она измеряется в люменах, деленных на ватт. Максимальной световой эффективности придано точное значение К м =683Лм/Вт, тем самым она возведена в ранг фундаментальных констант. В связи с этим канделла определяется путем косвенных измерений и, следовательно, является производной ФВ, формально оставаясь основной. Остальные световые величины - производные и выражаются через введенные ранее ФВ. Последняя основная единица системы СИ — моль была дополнительно введена в систему спустя 11 лет после введения первых шести единиц на XIV 22 Генеральной конференции по мерам и весам в 1971г. Моль [моль] — количество вещества [N] системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится в углероде - 12 массой 0,012 кг. При применении моля структурные элементы должны быть специфицированы и могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами и другими частицами или специфицированными группами частиц [XIV ГКМВ (1971 г.), Резолюция 3]. Введение этой единицы было встречено научной общественностью очень неоднозначно. Дело в том, что при введении моля допущен ряд отступлений от принципов образования систем ФВ. Во-первых, не было дано четкого и однозначно определения понятия "количество вещества''. Под количеством вещества можно понимать как массу вещества, так и количество его структурных единиц, содержащихся в веществе. Во-вторых, из определения основной единицы неясно, каким образом возможно получение объективной количественной информации о ФВ при помощи измерений. В этой связи 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 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 количест- венно. Они представляют тот же количественный аспект измеряемого свойства, только отнесенный либо к единице массы, либо к единице объема, либо в расс- матриваемом случае к молю. Отсюда следует, что моль не выполняет одну из самых главных функций единицы основной ФВ. Не выполняет моль и функции обеспечения ЕИ количества вещества. В большинстве публикаций подчеркива- ется, что моль является расчетной единицей и эталона для его воспроизведения не существует. Нет также ни одного метода и средства, предназначенного для 23 измерения моля в соответствии с его определением. Все это свидетельствует о том, что следует ожидать исключения моля из числа основных единиц ФВ. В системе СИ из числа производных единиц следует отметить радиан и стерадиан до 1995 г. Относившихся к дополнительным единицам. Радиан [рад]— это единица измерения плоского угла — угла между двумя радиусами окружности, длина дуги которой равна радиусу. На практике часто используется градус (1 о = 2 p/360рад = 0,017453рад), минута и секунда. Соответственно 1рад = 57°17'45" = 57,2961° =(3,4378 ´10 3 )’ = (2,0627 ´10 5 )". Стерадиан [ср]— это единица измерения телесного угла — угла с вершиной в центре сферы, вырезающий на поверхности площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы. Во всех системах единиц плоский j и телесный W углы вводятся посредством уравнений j = I/R; W = S/R 2 , 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: [ j]=L/L, [W]=L 2 /L 2 Правила написания обозначений единиц ГОСТ 8.417-2002 Буквенные обозначения единиц печатают прямым шрифтом. В обозначениях единиц точку как знак сокращения не ставят. Обозначения единиц помещают за числовыми значениями величин и в строку с ними (без переноса на следующую строку). Числовое значение, представляющее собой дробь с косой чертой, стоящее перед обозначением единицы, заключают в скобки. Между последней цифрой числа и обозначением единицы оставляют пробел. Правильно: 100 kW; 100 кВт 80 % 20 °C (1/60) s –1 Неправильно: 100kW; 100кВт 80% 20°C 1/60s –1 24 Исключения составляют обозначения в виде знака, поднятого над строкой, перед которыми пробел не оставляют. Правильно: Неправильно: 20°. 20 °. При наличии десятичной дроби в числовом значении величины обозначение единицы помещают за всеми цифрами. При указании значений величин с предельными отклонениями числовые значения с предельными отклонениями заключают в скобки и обозначения единиц помещают за скобками или проставляют обозначение единицы за числовым значением величины и за ее предельным отклонением. Правильно: Неправильно: (100,0 ± 0,1) kg; (100,0 ± 0,1) кг 50 g ± 1 g; 50 г ± 1 г. 100,0 ± 0,1 kg; 100,0 ± 0,1 кг 50 ± 1 g; 50 ± 1 г. Допускается применять обозначения единиц в пояснениях обозначений величин к формулам. Помещать обозначения единиц в одной строке с формулами, выражающими зависимости между величинами или между их числовыми значениями, представленными в буквенной форме, не допускается. Правильно: Неправильно: = 3,6 s/t, где — скорость, km/h; s — путь, m; t — время, s. = 3,6 s/t km/h, s — путь, m; t — время, s. Буквенные обозначения единиц, входящих в произведение, отделяют точками на средней линии как знаками умножения. Не допускается использовать для этой цели символ «х». Правильно: Неправильно: N·m; Н·м A·m 2 ; А·м 2 Pa·s; Па·с. Nxm; Нxм Axm 2 ; Аxм 2 Paxs; Паxс. В машинописных текстах допускается точку не поднимать Допускается буквенные обозначения единиц, входящих в произведение, отделять пробелами, если это не вызывает недоразумения. 25 В буквенных обозначениях отношений единиц в качестве знака деления используют только одну косую или горизонтальную черту. Допускается применять обозначения единиц в виде произведения обозначений единиц, возведенных в степени (положительные и отрицательные). При применении косой черты обозначения единиц в числителе и знаменателе помешают в строку, произведение обозначений единиц в знаменателе заключают в скобки. Правильно: Неправильно: W/(m·K); Вт(м·К). W/m·K; Вт/м·К. При указании производной единицы, состоящей из двух и более единиц, не допускается комбинировать буквенные обозначения и наименования единиц, т. е. для одних единиц указывать обозначения, а для других — наименования. Правильно: Неправильно: 80 км/ч 80 километров в час. 80 км/час 80 км в час. Обозначения кратных и дольных единиц исходной единицы, возведенной в степень, образуют добавлением соответствующего показателя степени к обозначению кратной или дольной единицы исходной единицы, причем показатель означает возведение в степень кратной или дольной единицы (вместе с приставкой). Примеры 1. 5 km 2 = 5(10 3 m) 2 = 5·10 6 m 2 2. 250 cm 3 /s = 250(10 –2 m) 3 /s = 250·10 –6 m 3 /s 3. 0,002 сm –1 = 0,002(10 –2 m) –1 = 0,002·100 m –1 = 0,2 m –1 1.4. Воспроизведение единиц физических величин и передача их размеров При проведении измерений необходимо обеспечить их единство. Под единством измерений понимается ФЗ №102 состояние измерений, при котором их результаты выражены в допущенных к применению в РФ единицах величин, а показатели точности измерений не выходят за установленные границы; ГОСТ Р 8000-2000: Состояние измерений, при котором их результаты выражены в узако- 26 ненных единицах величин и погрешности измерений не выходят за установлен- ные границы с заданной вероятность; РМГ 29-99: Состояние измерений, характе- ризующееся тем, что их результаты выражаются 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. ЕИ должно обеспечиваться при любой точности, необходимой науке и технике. На государственном уровне деятельность по обеспечению единства измерений регламентируется ФЗ №102 «Об обеспечении единства измерений», НД Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ). Обеспечение единства измерений: Деятельность, направленная на установ- ление и применение научных, правовых, организационных и технических основ, правил, норм и средств, необходимых для достижения заданного уровня ЕИ. Система обеспечения единства измерений: Совокупность субъектов, норм, средств и видов деятельности, достаточная для обеспечения заданного уровня единства измерений. Государственная система обеспечения единства измерений: Государственная система управления субъектами, нормами, средствами и видами деятельности по обеспечению заданного уровня единства измерений в РФ. Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, в которых проградуированы все существующие СИ одной и той же величины. Это достигается путем точного воспроизведения и хранения установленных единиц ФВ и передачи их размеров применяемым СИ. Воспроизведение единицы физической величины — Совокупность операций по материализации единицы ФВ с помощью государственного первичного эталона. Различают воспроизведение основных и производных единиц. Передача размера единицы — это приведение размера единицы, хранимой поверяемым СИ, к размеру единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном, осуществляемое при поверке или калибровке. Размер единицы передается "сверху вниз" — от более точных СИ к менее точным. 27 Хранение единицы — совокупность операций, обеспечивающих неизменность во времени размера единицы, присущего данному СИ. Эталон РМГ 29-99 — СИ (или комплекс СИ), предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы ФВ и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме СИ и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке. Эталон ФЗ №102 - техническое средство, предназначенное для воспроизведения, хранения и передачи единицы величины. Перечень эталонов не повторяет перечня ФВ. Для ряда единиц эталоны не создаются из-за того, что нет возможности непосредственно сравнивать соответствующие ФВ, например, нет эталона площади. Не создаются эталоны и в том случае, когда единица ФВ воспроизводится с достаточной точностью на основе сравнительно простых средств измерений других ФВ. Эталон должен обладать, по крайней мере, тремя взаимосвязанными свойствами: неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью. Неизменность — свойство эталона удерживать неизменным размер, воспроизводимой им единицы, в течение длительного интервала времени. Воспроизводимость — возможность воспроизведения единицы ФВ (на основе ее теоретического определения) с наименьшей погрешностью для существующего уровня развития измерительной техники. Сличаемостъ — возможность сличения с эталоном других СИ, нижестоящих по поверочной схеме. 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. Различают следующие виды эталонов (РМГ 29-99): • первичный эталон — обеспечивает хранение и воспроизведение ФВ с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же единицы) точностью. Они составляют техническую основу ГСИ; • государственный или национальный — это первичный или специальный эталон, признанный решением уполномоченного на то государственного органа в 28 качестве исходного на территории государства. ГЭ подлежат периодическим сличениям с ГЭ-ми других стран. Термин "национальный эталон" применяется в случаях проведения сличения эталонов, принадлежащих отдельным государствам, с международным эталоном или при проведении так называемых круговых сличений эталонов ряда стран; • международный — эталон, принятый по международному соглашению в качестве международной основы для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами; • вторичный — эталон, получающий размер единицы непосредственно от первичного эталона данной единицы. Вторичные эталоны создаются и утверждаются в тех случаях, когда это необходимо для организации поверочных работ, а также для обеспечения сохранности и наименьшего износа государственного эталона. Вторичные эталоны по назначению делят на эталоны сравнения, рабочие эталоны, эталоны-свидетели и эталоны-копии; • эталон сравнения — применяется для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличены друг с другом; • эталон-свидетель служит для проверки сохранности и неизменности государственного эталона и замены его в случае порчи или утраты. Известно, что в настоящее время только эталон килограмма имеет эталон-свидетель; • эталон-копия предназначен для передачи размера единицы рабочим эталонам. Его создают в случае необходимости проведения большого числа поверочных работ с целью предохранения первичного или специального эталона от преждевременного износа. Эталон-копия представляет собой копию государственного эталона только по метрологическому назначению. • рабочий эталон — применяется для передачи размера единицы ФВ рабочим средствам измерений. Это самые распространенные эталоны. Термин рабочий эталон заменил собой термин образцовое средство измерений (ОСИ), что сделано в целях упорядочения терминологии и приближения ее к международной. 29 При необходимости рабочие эталоны подразделяют на разряды (1-й, 2-й, ..., n-й), как это было принято для ОСИ. В этом случае передачу размера единицы осуществляют через цепочку соподчиненных по разрядам рабочих эталонов. При этом от последнего рабочего эталона в этой цепочке размер единицы передают рабочему средству измерений В зависимости от количества СИ, входящих в эталон, различают: • одиночный эталон, в составе которого имеется одно СИ (мера, измерительный прибор, эталонная установка) для воспроизведения и (или) хранения единицы; • групповой эталон, в состав которого входит совокупность СИ одного типа, номинального значения или диапазона измерений, применяемых совместно для повышения точности воспроизведения единицы или ее хранения; • эталонный набор, состоящий из совокупности СИ, позволяющий воспроизводить и (или) хранить единицу в диапазоне, представляющем объединение диапазонов указанных средств. Например, эталонные разновесы (набор эталонных гирь), эталонные наборы ареометров. Способы выражения погрешности эталонов устанавливает ГОСТ 8.381-80. Погрешности государственных первичных и специальных эталонов характеризуются неисключенной систематической погрешностью (НСП) и нестабильностью. НСП описывается границами, в которых она находится. Случайная погрешность определяется средним квадратическим отклонением (СКО) результата измерений при воспроизведении единицы с указанием числа независимых измерений. Нестабильность эталона задается изменением размера единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном, за определенный промежуток времени. Обеспечение правильной передачи размера единиц ФВ осуществляется посредством поверочных схем. Поверочная схема — это нормативный документ, который устанавливает соподчинение средств измерений, участвующих в передаче размера единицы от эталона к рабочим СИ с указанием методов и погрешности при передаче (и утвержденный в установленном порядке). 30 Государственная поверочная схема - поверочная схема, распространяющаяся на все СИ данной ФВ, имеющиеся в стране. Она разрабатывается в виде государственного стандарта, состоящего из чертежа поверочной схемы и текстовой части, содержащей пояснения к чертежу. Локальная поверочная схема распространяется на СИ данной ФВ, применяемые в данном регионе, отрасли или на отдельном предприятии (организации). Локальные поверочные схемы не должны противоречить государственным поверочным схемам для СИ одних и тех же ФВ. Поверка — это операция, проводимая официально уполномоченным органом и заключающаяся в установлении пригодности СИ к применению на основании экспериментально определенных МХ и подтверждения их соответствия установленным обязательным требованиям. Основной МХ, определяемой при поверке СИ, является его погрешность. Она находится на основании сравнения поверяемого СИ с более точным СИ - рабочим эталоном. Различают поверки: первичную, периодическую, внеочередную, инспекционную, комплексную, поэлементную и выборочную. СИ, признанное годным к применению, оформляется выдачей свидетельства о поверке, нанесением поверительного клейма или иными способами, устанавливаемыми нормативно-техническими документами. В ряде случаев поверку называют градуировкой. Градуировка СИ — определение градуировочной характеристики СИ. Градуировочная характеристика СИ зави- симость между значениями величин на входе и выходе СИ, - полученная экспери- ментально (нанесение отметок на шкалу, соответствующих показаниям рабочего эталона или определение по его показаниям уточненных значений величины). Если СИ не подлежит обязательному метрологическому контролю и надзору, то оно подвергаются калибровке. Калибровка — это совокупность операций, устанавливающих соотношение между значением величины, полученной с помощью данного СИ, и соответствующим значением величины, определенной с помощью эталона с целью определения действительных МХ этого средства измерений. 31 По результатам калибровки определяют действительное значение измеряемой величины, показываемое данными СИ, или определяют поправки к его показаниям, или оценивают погрешность этих средств. Поверка измерительных приборов проводится методом: • непосредственного сравнения измеряемых величин и величин, воспроизводимых рабочими эталонами соответствующего класса точности; • непосредственного сличения показаний поверяемого и образцового прибора при измерении одной и той же величины. Основой данного метода служит одновременное измерение одного и того же значения ФВ поверяемым и образцовым СИ. Разность показаний этих приборов равна абсолютной погрешности поверяемого СИ. Существуют и другие методы поверки, которые, используются реже. Для ряда областей измерений, и в первую очередь для физико-химических измерений, перспективным средством повышения эффективности поверочных работ является применение стандартных образцов (СО). Согласно ГОСТ 8.315- 97, стандартный образец состава и свойств веществ и материалов — это средство измерений в виде вещества (материала), состав или свойства которого установлены аттестацией. Можно дать и другое определение: стандартный образец — образец вещества (материала) с установленными в результате метрологической аттестации значениями одной или более величин, характеризующими свойство или состав этого вещества (материала). |