Лекции по метрологии. Часть 5: Эталоны, образцовые и рабочие меры
ЭТАЛОНЫ. ОБРАЗЦОВЫЕ И РАБОЧИЕ МЕРЫ
Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, в которых проградуированы все средства измерений одной и той же физической величины.
Единство измерений достигается путем точного воспроизведения и хранения установленных единиц физических величин и передачи их размеров применяемым средствам измерений.
Размеры единиц воспроизводятся, хранятся и передаются с помощью эталонов и образцовых средств измерений.
Высшим звеном в метрологической цепи передачи размеров единиц измерений являются эталоны.
Эталоны
Эталоном единицы величины называют средство измерений, предназначенное для воспроизведения и хранения единицы величины (или кратных либо дольных значений единицы величины) с целью передачи ее размера другим средствам измерений данной величины.
Эталоны делят на первичные, специальные и вторичные.
Первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы с наивысшей в
стране точностью (по сравнению с другими эталонами той же единицы). Первичный эталон основной единицы должен воспроизводить единицу в соответствии с ее определением.
Специальный эталон обеспечивает воспроизведение единицы в особых условиях и заменяет для этих условий первичный эталон. При этом единица, воспроизводимая специальным эталоном, должна быть согласована по размеру с единицей, воспроизводимой с помощью соответствующего первичного эталона. Первичные и специальные эталоны, официально утвержденные в качестве исходных средств измерений в стране, называются государственными.
Например, в России в настоящее время действуют три государственных эталона единицы электрического напряжения: государственный первичный эталон единицы постоянного напряжения (ГОСТ 8.027—81), государственный специальный эталон единицы переменного напряжения в диапазоне частот 20 Гц — 30 МГц (ГОСТ 8.184 — 76) и государственный специальный эталон единицы переменного напряжения в диапазоне частот 30 — 3000 МГц (ГОСТ 8.072—82).
Вторичным называют эталон, для которого размер воспроизводимой им единицы устанавливают по первичному эталону. Вторичные эталоны делят на рабочие эталоны, эталоны-свидетели, эталоны-копии и эталоны сравнения. Рабочий эталон предназначается для передачи размера единицы образцовым средствам измерений высшей точности; эталон-свидетель — для проверки сохранности государственного эталона и замены его в случае порчи или утраты; эталон-копия — для передачи размера единицы рабочим эталонам, он не всегда является физической копией государственного эталона. Эталон сравнения (эталон-переносчик, транспортируемый эталон) предназначен для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличены друг с другом, например, при международных сличениях, при необходимости транспортирования эталона и т. д.
В области электрических и электронных измерений в настоящее время действуют более 50 государственных первичных и специальных эталонов. Они эксплуатируются во многих научно-исследовательских метрологических институтах страны [6].
Такое количество эталонов, существенно превышающее число единиц электрических величин, объясняется технико-экономической целесообразностью централизованного воспроизведения единиц с помощью эталонов в специальных условиях, определяемых в основном широким диапазоном частот электронных средств измерений.
Децентрализованное воспроизведение производных единиц электрических величин посредством косвенных измерений, выполняемых в органах метрологической службы с помощью образцовых средств измерений, применяется относительно редко.
Следует отметить, что создание и совершенствование эталонов является чрезвычайно сложной задачей, требующей больших усилий коллективов ученых, инженеров, конструкторов и производственников. Это объясняется, в первую очередь, высокой точностью эталонов единиц электрических величин, превышающей в десятки раз точность рабочих средств измерений. К тому же требования к точности воспроизведения единиц величин непрерывно растут. В современных эталонах все большее применение находят новейшие достижения физики, химии, технологии. Это требует высокой квалификации специалистов, применяющих эталоны. Для ведения работ с эталонами Госстандартом назначается ученый хранитель из числа наиболее квалифицированных специалистов в данной области измерений. Работа с эталонами производится в соответствии с правилами их хранения и применения, в которых указываются порядок применения, наблюдения за правильностью хранения, проведения исследований и сличений эталонов, в том числе и международных.
Кроме национальных эталонов единиц, существуют и международные эталоны Международного бюро мер и весов (МБМВ), которое проводит систематические международные сличения эталонов национальных метрологических организаций разных стран с международными эталонами и между собой.
Государственный первичный эталон единицы массы — килограмма состоит из национального прототипа килограмма (гири из платиново-иридиевого сплава) и эталонных весов, предназначенных для передачи размера единицы массы вторичным эталонам. Среднее квадратическое отклонение относительной погрешности воспроизведения эталоном единицы массы равно 7×10-9.
В настоящее время ведутся работы по созданию «естественного» эталона единицы массы, например, с использованием подсчета числа молекул.
Государственный первичный эталон единиц длины — комплекс средств, воспроизводящих метр в виде 1650763,73 длин волн излучения в вакууме, соответствующего переходу между определенными уровнями атома криптона-86. Эталон обеспечивает воспроизведение метра с относительным средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 5×10 -9.
Государственный первичный эталон единицы времени — комплекс средств, воспроизводящих секунду в виде 9192631770 периодов колебаний электромагнитного излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Этот эталон является также эталоном единицы частоты — герца. Он обеспечивает воспроизведение единиц с относительным средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 1×10-13, при неисключенной относительной систематической погрешности, не превышающей 1×10-12
Появление высокостабильных лазеров позволило осуществить согласованное определение метра и секунды на основе одной линии излучения. В связи с этим в 1983 г. XVII Генеральной конференцией по мерам и весам принято решение о новом определении метра, в соответствии с которым метр определен как длина пути, проходимого светом за 1/299 792 548 долю секунды. В настоящее время ведутся работы по созданию единого эталона единиц времени, частоты и длины. При этом используется фундаментальная зависимость l = c×t, где l — путь, проходимый излучением; c = 299792548 м/с — скорость света (излучения); t — время.
Государственный первичный эталон единицы силы постоянного электрического тока — ампера — это комплекс средств, в состав которых входят токовые весы. В токовых весах, представляющих собой рычажные равноплечие весы, с одной стороны на коромысло действует сила взаимодействия двух соленоидов, обтекаемых постоянным током, а с другой — гиря известной массы. При равновесии весов сила тока определяется через массу гири, ускорение свободного падения в месте расположения весов и постоянную электродинамической системы (двух соленоидов), зависящую от формы и размеров соленоидов, диаметра сечения провода соленоидов, значения относительной магнитной проницаемости среды и т.д. Таким образом, ампер воспроизводится через основные единицы — метр, килограмм и секунду. Эталон воспроизводит размер ампера с относительным средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 4×10 -6, при относительной систематической погрешности, не превышающей 8×10 -6.
Из двух дополнительных единиц СИ (радиана и стерадиана) с помощью эталона воспроизводится единица плоского угла — радиан.
Воспроизведение радиана осуществляется методом калибровки, исходя из того, что сумма всех центральных смежных углов многогранной призмы равна 2л рад (360°).
Государственный первичный эталон единицы плоского угла состоит из 36-гранной призмы, эталонной угломерной автоколлимационной установки, включающей фотоэлектрические автоколлиматоры с электронным цифровым отсчетным устройством, позволяющим выполнять измерения в пределах от -6" до +6", и системы для установки и поворота многогранной призмы.
Цена отсчетного устройства автоколлиматора 0,01". Среднее квадратическое отклонение результата измерения не превышает 0,02".
Для поддержания единства измерений можно ограничиться созданием эталонов только основных величин. Однако для облегчения выполнения этой задачи созданы эталоны производных единиц. Рассмотрим некоторые эталоны производных единиц электрических величин.
В состав государственного эталона вольта входят: мера напряжения на основе эффекта Джозефсона (возникновение напряжения между двумя разделенными тонким слоем диэлектрика сверхпроводниками в высокочастотном электромагнитном поле); группа насыщенных нормальных элементов (см. п. 5.3) для хранения размера единицы, компенсатор постоян-ного тока для сличения нормальных элементов. Эталон воспроизводит размер вольта с относительным средним квадратическим отклонением результата измерения, не превышающим 5×10-8, при относительной не исключенной систематической погрешности, не превышающей 1×10 -6.
Государственный эталон единицы сопротивления воспроизводит ом с помощью 10 манганиновых катушек сопротивления с относительным средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 1×10 -7, при неисключенной относительной систематической погрешности, не превышающей 5×10 -7.
Государственный эталон единицы емкости воспроизводит фарад с помощью конденсатора с относительным средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 7×10-7, при неисключенной относительной систематической погрешности, не превышающей 13×10 -7.
Государственный эталон единицы индуктивности воспроизводит генри с помощью четырех катушек индуктивности с относительным средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 1×10 -5, при неисключенной относительной систематической погрешности, не превышающей 1×10 -5.
Единицы магнитных величин воспроизводятся с помощью соответствующих эталонов. У нас в стране имеются первичные эталоны магнитной индукции, магнитного потока и магнитного момента.
Для передачи размера единиц магнитных величин от первичных эталонов рабочим средствам измерений используют рабочие эталоны, образцовые меры магнитных величин и образцовые средства измерений.
