конспект метрология. Конспект_Тема_1-7 метра. Во всем мире ежедневно производятся сотни, тысячи миллиардов измерений
 Скачать 4.69 Mb.
|
|
1.1. Правовая подсистема обеспечения единства измерений Правовая подсистема ГСИ – это комплекс взаимосвязанных законодатель- ных и подзаконных актов (в том числе межотраслевых нормативных документов), объединенных общей целевой направленностью и устанавливающих согласован- ные требования к объектам деятельности по обеспечению единства измерений. Основу нормативной базы ГСИ составляет Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений [2] Конституция РФ (ст. 71, р), устанавливает, что в ведении Российской Феде- рации находятся стандарты, эталоны, метрическая система и исчисление времени, и закрепляет централизованное руководство основными вопросами законодатель- ной метрологии (единицы величин, эталоны и связанные с ними другие метроло- гические основы). Сфера государственного регулирования в области обеспечения единства из- мерений (ОЕИ) регламентируется Федеральным законом от 26.06.2008 N 102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений», который устанавливает обязательные требования к измерениям, эталонам единиц величин, стандартным образцам, средствам измерений, единицам величин, выполнению работ и (или) оказанию услуг по обеспечению единства измерений (рис.2). Рисунок 2 Основными объектами регламентации в области обеспечения единства изме- рений являются общие основополагающие метрологические нормы и правила, государственные поверочные схемы (ГПС), методики поверки средств измерений (МП) и методики выполнения измерений (МВИ). По состоянию на 20018 год нормативная база метрологии представлена бо- лее 2800 нормативными документами: 420 национальных и межгосударственных стандартов (ГОСТ Р, ГОСТ), 28 Российских правил по метрологии (ПР), 2186 ре- комендаций государственных метрологических научных центров (МИ) и пр. Государственный реестр средств измерений – это особый документ, кото- рый предназначен для регистрации типов средств измерений. Имеет статус госу- Закон РФ «Об един- стве измерений» Выпуск в обращение СИ Эксплуатация СИ Ремонт СИ Продажа СИ дарственного документа, удостоверяющего, что зарегистрированное средство из- мерений и его изготовитель прошли необходимые формальные и существенные проверочные процедуры, на основании которых данное средство измерений включено в список измерительных устройств, для которых установлены офици- альные технические нормативы и правила метрологической поверки. К применению в сферегосударственного регулирования в области обеспече- ния единства измерений допускаются только средства из госреестра, содержа- щего сведения, приведенные на рис. 3. Рисунок 3 1.2. Организационная подсистема обеспечения единства измерений Организационная подсистема ГСИ является многоуровневой и представлена следующими метрологическими и другими службами обеспечения единства из- мерений (ОЕИ) на государственном, ведомственном и уровне предприятий и ор- ганизаций. Метрологическая служба – служба, создаваемая в соответствии с законода- тельством для выполнения работ по ОЕИ и для осуществления метрологического контроля и надзора. Организационная подсистема имеет иерархическую структуру и включает: головной орган – Федеральное агенство по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт) осуществляющие функции планирования, управления и контроля деятельностью по ОЕИ на государственном и межотраслевом уровне; иные государственные службы ОЕИ; государственные метрологические службы (ГМС) субъектов РФ, образо- ванные по территориальному признаку, осуществляют региональную координа- ция деятельности по ОЕИ; ведомственные метрологические службы осуществляют отраслевую коор- динация деятельности по ОЕИ; метрологические службы юридических лиц, осуществляют деятельность по ОЕИ на уровне предприятий, учреждений, организаций. Государственный реестр средств измерений Утвержденные типы СИ Свидетельства об утверждении СИ Утвержденные еди- ничные экземпляры Гос. центры испыта- ний СИ В состав ГМС входят также семь государственных научных метрологиче- ских центров и центры государственных эталонов, которые специализируются на различных единицах физических величин. К иным государственным службам ОЕИ относятся: Государственная служба времени и частоты и определения параметров вра- щения Земли (ГСВЧ); Государственная служба стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов (ГССО); Государственная служба стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов (ГСССД). 1.3. Государственный метрологический контроль и надзор Закон РФ «Об обеспечении единства измерений» разделил понятия «Госу- дарственный метрологический контроль» (ГМК) и «Государственный метрологи- ческий надзор» (ГМН). Для пояснения этих понятий рассмотрим общие понятия, связанные с кон- тролем. Контроль – это управление каким-либо объектом и принятие решений. «Объект» – чем управляют, «Субъект» – кто управляет. Применительно к обеспе- чению единства измерений можно дать следующие определения: Контроль – сравнение фактических (текущих) значений характеристик кон- тролируемого объекта с заданными значениями этих характеристик, в данном случае объектом являются средства измерений. Надзор – наблюдение за исполнением Субъектом обязательных требований (предписаний). Любое предприятие может установить некие обязательные требования, дей- ствующие в пределах данного предприятия. Тогда метрологический надзор и мет- рологический контроль могут осуществляться силами самого предприятия. Если обязательные требования задаются законодательно либо норматив- ными правовыми документами федерального уровня, а контроль и надзор осу- ществляются лицами, уполномоченными государственными органами, то это «государственный». ОБЪЕКТ Средства измерений Метрологические характеристики СУБЪЕКТ Государственные, ведомственные, метрологиче- ские службы предприятий, юридические лица, индивид. предприниматели К ГМК относят процедуры утверждения типа средств измерений, поверки средств измерений, лицензирования деятельности по изготовлению, ремонту, продаже и прокату средств измерений (рис.4). Рисунок 4 К ГМН относят процедуры проверок соблюдения требований Закона «Об единстве измерений», нормативных документов ГСИ (рис.5). Рисунок 5 1.4. Техническая подсистема обеспечения единства измерений Техническую подсистему ГСИ составляют: совокупность межгосударственных, государственных эталонов и эталонов единиц величин и шкал измерений; совокупность военных эталонов – резерва государственных эталонов; совокупность стандартных образцов состава и свойств веществ и материа- лов; совокупность стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов; средства измерений и испытательное оборудование, необходимое для осу- ществления метрологического контроля и надзора; Государственный метро- логический контроль Государственные испытания, утвер- ждение типов средств измерений Поверка, аттеста- ция, калибровка средств измерений Аккредитация юр. лиц на право прове- дение гос. испыта- ний, поверки и ка- либровки средств измерений Лицензирование де- ятельности физ. и юр. лиц по прокату и продаже средств измерений Государственный метро- логический надзор за выпуском, состо- янием и примене- нием средств изме- рений за количеством то- варов, отчуждаемых при совершении торговых операций за количеством фа- сованных товаров в упаковках любого вида при их расфа- совке, продаже и импорте за применением ме- тодик выполнения измерений, соблю- дением метрологи- ческих правил и норм совокупность специальных зданий и сооружений для проведения высоко- точных измерений в метрологических целях; совокупность научно-исследовательских, эталонных, испытательных, пове- рочных, калибровочных и измерительных лабораторий (в том числе передвиж- ных) и их оборудования. 2. ЭТАЛОНЫ ЕДИНИЦ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН И ИХ ВИДЫ В соответствии с основным уравнением измерений результат измерения х представлен в виде: x = NQ, где; N – действительное число; Q – единица измерения величины x. Для практического выполнения любого измерения недостаточно определить значение единицы физической величины, которая должна быть общепризнанной и воспроизводиться с наивысшей достижимой на данный момент точностью, необходимо в том или ином виде обеспечить передачу ее размера рабочим сред- ствам измерений. В техническом плане эта задача решается созданием и применением этало- нов физической величины, которые во многом определяют современный уровень развития экономики в целом, что подтверждается историей развития эталонов. Из основного уравнения измерений следует, что измерение с большей точ- ностью, чем точность воспроизведения единицы физической величины эталоном невозможно. 2.1. История развития эталонов единиц физических величин По мере развития техники и международных связей трудности использова- ния и сравнения результатов измерений из-за различия применяемых единиц воз- растали, они стали тормозить научно-технический прогресс. Так во второй поло- вине XVIII века в Европе насчитывалось до сотни различных футов, как единиц измерения длины, около полусотни различных миль, свыше 120 различных фун- тов. Кроме того, положение сложилось так, что соотношение между дольными и кратными единицами были необычайно разнообразными (например, 1 фут = 12 дюймам = 304,8 мм). В 1795 г. во Франции была принята метрическая система мер. Было предло- жено считать единицей длины длину десятимиллионной части четверти мериди- ана Земли, проходящего через Париж. Эту единицу назвали метром. За единицу массы была принята масса 0,001 м 3 чистой воды при температуре наибольшей плотности (+4 о С); эта единица была названа килограммом. При введении метри- ческой системы была не только установлена основная единица длины, взятая из природы, но и принята десятичная система образования кратных и дольных еди- ниц, что является одним из важнейших ее преимуществ. В 1872 г. Международной комиссией по прототипам было решено перейти от единицы длины и массы, основанных на естественных эталонах, к единицам, основанным на условных материальных эталонах (прототипах). В 1875 г. была созвана дипломатическая конференция, на которой 17 госу- дарств подписали Метрическую конвенцию. В соответствии с этой конвенцией: устанавливались международные прототипы метра и килограмма; создавалось Международное бюро мер и весов - научное учреждение, сред- ства на содержание которого обязались выделять государства, подписавшие кон- венцию; учреждался Международный комитет мер и весов, состоящий из ученых разных стран; устанавливался созыв один раз в шесть лет Генеральных конференций по мерам и весам. Были изготовлены образцы метра и килограмма из сплава платины и иридия. Прототип метра представлял собой платин-иридивую штриховую меру общей длиной 102 см, на расстояниях 1 см от концов которой были нанесены штрихи, определяющие единицу длины - метр. В 1889 г. в Париже состоялась I-я Генеральная конференция по мерам и ве- сам, утвердившая международные прототипы метра и килограмма, которые были переданы на хранение Международному бюро мер и весов. До возникновения современной системы СИ в 1960 году несколько десяти- летий базовыми единицами считали сантиметр, грамм, секунда (система СГС), потом в качестве базовых величин были выбраны метр, килограмм и секунда (МКС). В 1939 году предложили к ним добавить ампер и в 1946 году была утвер- ждена система единиц МКСА. В 1954 г. на Генеральной конференции по мерам базовыми единицами в до- полнение к метру, килограмму и секунде стали ампер, кельвин и кандел. В 1960 году появилось название International System of Units (SI). В результате споров и дискуссий между физиками и химиками 14-я конфе- ренция проголосовала за базовую единицу количества вещества и в 1971 году моль вошёл в систему СИ, став седьмой основной единицей. Применение эталонов и договорённости между многими странами мира об их применении имели огромное значение и влияние на развитие международной торговли, сыграли важную роль в науке и в производстве. Но постепенно у учё- ных накопились претензии к выбранным в качестве эталонов физическим объек- там. Нужна большая точность и стабильность эталонов. В 2019 году вступили в силу кардинальные изменения в определении основ- ных единиц системы СИ состоящие в том, что основные единицы стали опреде- ляться через фиксированные значения фундаментальных физических постоян- ных. При этом величины всех единиц остались неизменными, однако из их опре- делений окончательно исчезла привязка к материальным эталонам. Подобные из- менения предлагались давно, однако лишь к началу XXI века это стало возможно. Окончательное решение об изменениях было принято XXVI Генеральной конфе- ренцией по мерам и весам в 2018 году. 2.2. Виды эталонов единиц физических величин Эталон единицы физической величины (эталон)– средство измерений (или комплекс средств измерений), предназначенное для воспроизведения и (или) хра- нения единицы и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме сред- ствам измерений и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке. Конструкция эталона, его физические свойства и способ воспроизведения единицы определяются физической величиной, единица которой воспроизво- дится, и уровнем развития измерительной техники в данной области измерений. Эталон должен обладать следующими основными свойствами: Неизменность – свойство эталона удерживать неизменным размер воспроиз- водимой единицы в течение длительного интервала времени. Воспроизводимость – возможность воспроизведения единицы физической величины с наименьшей погрешностью для существующего уровня развития из- мерительной техники. Сличаемость – возможность обеспечения сличения с эталоном других средств измерения, нижестоящих по поверочной схеме, в первую очередь вторич- ных эталонов, с наивысшей точностью для существующего уровня развития из- мерительной техники. Различают первичный и вторичные эталоны. Первичный эталон – эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же единицы) точно- стью. Это уникальное средство измерений, часто представляющее собой сложный измерительный комплекс, созданное на основе новейших достижений науки и техники. Государственный эталон – первичный эталон, признанный решением упол- номоченного на то государственного органа в качестве исходного на территории государства. Утверждение производит главный метрологический орган страны. Точность воспроизведение единицы физической величины соответствует уровню новейших достижений науки и техники. Государственные эталоны подлежат пе- риодическому сличению с первичным эталоном и государственными эталонами других стран. В составе эталонной базы России 162 государственных первичных эталона. Вторичный эталон – эталон, получающий размер единицы непосредственно от первичного эталона данной единицы. Вторичные эталоны являются частью подчиненных средств хранения единиц и передачи их размеров, предназначены для организации поверочных работ, а также для обеспечения сохранности и наименьшего износа государственного эталона. Вторичные эталоны по своему метрологическому назначению делятся на: эталон сравнения – эталон, предназначенный для сличения эталонов, кото- рые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличены друг с другом; эталон-свидетель – предназначен для проверки сохранности и неизменности первичного или государственного эталона и замены его в случае порчи или утраты; рабочий эталон – эталон, предназначенный для передачи размера единицы рабочим средствам измерений. Рабочие эталоны применяются во многих терри- ториальных метрологических органах, лабораториях министерств и ведомств. Погрешности государственных эталонов характеризуются неисключенной систематической погрешностью и случайной погрешностью. Для вторичного эта- лона указывается суммарная погрешность, включающая случайные составляю- щие погрешности сличаемых эталонов и погрешности передачи размеров еди- ницы физической величины от первичного эталона, а также систематическую со- ставляющую погрешности самого вторичного эталона. 2.3. Эталоны основных единиц системы СИ Рассмотрим реализацию эталонов основных единиц физических величин си- стемы СИ на данный момент. Единица длины.В 1983 г. на XVIII Генеральной конференции по мерам и ве- сам 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 криптоновой лампы к лазер- ному излучению в источнике света на эталонных установках; использование в ка- честве основного постулата постоянство скорости света с= 2,997925 10 8 м/с; объ- единение в одном эталоне воспроизведения размера трех величин: длины, времени и частоты; использование в эталоне источников света на пяти различных длинах волн. Единица массы.До 2019 года эталоном килограмма был прототип в виде ци- линдра из сплава 90% платины и 10% иридия диаметром 39 мм и такой же высоты. С 20 мая 2019 года килограмм определяется через фундаментальную кон- станту – постоянную Планка. Теперь килограмм будет определяться количеством энергии, необходимой для того, чтобы сдвинуть с места объект весом в кило- грамм. Новый эталон массы можно реализовать с помощью весов Киббла. Единица времени. Измерение времени человек естественно связывал с дви- жением Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца. Так, продолжительность суток разбивается на часы, минуты, секунды – t = 24·60·60 = 86400 с. Международным бюро по мерам и весам в 1956 г. было принято определение так называемой «эфемеридной секунды»: 1 с = (1 / 31556925,9747) тропического года 1900. Такое определение сохранялось до тех пор, пока не встала проблема опреде- ления единицы времени с относительной погрешностью не хуже 10 -10 В 1967 г. Международный комитет по мерам и весам принял определение единицы времени: единица времени одна секунда – равна продолжительности 9,192631770·10 9 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 2 S 1/2 Эталон единицы времени реализован на установке для наблюдения резо- нанса в атомном цезиевом пучке – установке для воспроизведения единицы ча- стоты системы СИ – Герца. Зафиксировав резонанс атомного пучка на частоте 9 192 631 770 Гц, эталон воспроизводит единицу времени – 1 секунду. |