Воспроизведение единиц физических величин и передача их размеров

Воспроизведение единиц физических величин и передача их размеров

При проведении измерений необходимо обеспечить их единство. Под единством измерений понимается характеристика качества измерений, заключающаяся в том, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам воспроизводимых величин, а погрешности результатов измерений известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы.

Понятие «единство измерений» довольно емкое. Оно охватывает важнейшие задачи метрологии: унификацию единиц физических величин, разработку систем воспроизведения величин и передачи их размеров рабочим средствам измерений с установленной точностью и ряд других вопросов. Единство измерений должно обеспечиваться при любой точности, необходимой науке и технике. На достижение и поддержание на должном уровне единства измерений направлена деятельность государственных и ведомственных метрологических служб, проводимая в соответствии с установленными правилами, требованиями и нормами. На государственном уровне деятельность по обеспечению единства измерений регламентируется стандартами Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ) или нормативными документами органов метрологической службы.

Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, в которых проградуированы все существующие средства измерений одной и той же величины. Это достигается путем точного воспроизведения и хранения в специализированных учреждениях установленных единиц физических величин и передачи их размеров применяемым средствам измерений.

Воспроизведение единицы физической величины – это совокупность операций по материализации единицы физической величины с наивысшей точностью посредством государственного эталона или исходного образцового средства измерения. Различают воспроизведение основной и производной единиц.

Воспроизведение основной единицы физической величины - это воспроизведение единицы путем создания фиксированной по размеру физической величины в соответствии с определением единицы.

Воспроизведение производной единицы – это определение значения физической величины в указанных единицах на основании косвенных измерений других величин, функционально связанных с измеряемой.

Передача размера единицы – это приведение размера единицы, хранимой поверяемым средством измерений, к размеру единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном, осуществляемое при поверке или калибровке. Размер единицы передается «сверху вниз» - от более точных средств измерений к менее точным средствам.

Хранение единицы – это совокупность операций, обеспечивающих неизменность во времени размера единицы, присущего данному средству измерений.

Средства измерения

Средством измерения называют техническое средство (или их комплекс), используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики. Средства измерения позволяют не только обнаружить (как индикаторы), но и измерить физическую величину.

К средствам измерения относятся:

·  меры;

·  измерительные преобразователи;

·  измерительные приборы;

·  измерительные комплексы и системы;

·  измерительные принадлежности.

Мерой называют средство измерения, предназначенное для воспроизведения физических величин заданного размера. К мерам относятся: гири, концевые меры длины и т. п. На практике используют однозначные и многозначные меры, а так же наборы и магазины мер. Однозначные меры воспроизводят величины только одного размера (гири). Многозначные меры воспроизводят несколько размеров физической величины (миллиметровая линейка – измерения в миллиметрах и сантиметрах).

Наборы и магазины мер представляют собой объединение однозначных и многозначных мер для получения возможности воспроизведения некоторых промежуточных или суммарных значений величин.

К однозначным мерам относятся стандартные образцы и стандартные вещества.

Стандартный образец – это необходимым образом оформленная проба вещества (материала), которая подвергается метрологической аттестации с целью установления количественного значения определяемой характеристики. К подобным образцам относятся наборы минералов с конкретными значениями твердости для определения этого параметра у различных материалов.

Стандартные образцы используются для градуировки, поверки и калибровки химического состава и различных свойств материалов (механических, теплофизических, оптических и др.). Стандартные образцы как мера с установленной погрешностью (классом точности) применяются непосредственно для контроля качества сырья и промышленной продукции путем сличения. По существу стандартные образцы служат для поддержания единства измерений, т. е. являются средствами измерений.

Классификация стандартных образцов может проводиться по нескольким признакам.

1. По разновидности характеристики, по которой проводится аттестация:

·  образцы свойств материалов (веществ);

·  образцы состава материалов (веществ).

2. По методу анализа (сличения) объектов контроля со стандартным образцом различают стандартные образцы для химического, спектрального, рентгеновского, спектроскопического и других видов анализа.

3. По агрегатному состоянию стандартные образцы могут быть в твердом, жидком и газообразном состоянии.

4. По метрологическому назначению стандартные образцы могут быть предназначены для градуировки, поверки, контроля качества вещества и т. д.

Большое значение имеет категория стандартных образцов для установления чистоты веществ. Понятие «особо чистых веществ» связано с производством многих материалов современной техники, медицины и т. д. Стандартные образцы подвергаются специальным испытаниям, по результатам которых они получают свидетельства (сертификат) и вносятся в государственный реестр стандартных образцов, а он в свою очередь является составной частью (разделом) Государственного реестра средств измерений. В сертификате стандартного образца обязательно указывается срок годности, поскольку практически все вещества и материалы со временем изменяются вследствие взаимодействия факторов окружающей среды на их свойства. А от этого зависит достоверность результатов измерений.

В России действует Государственная служба стандартных образцов (ГССО) в составе НПО «ВНИИМ им. ». Главная цель этой службы – обеспечение любой организации, нуждающейся в проведении контроля качества своей продукции с помощью стандартных образцов, образцами и изготовление новых образцов по заявкам заинтересованных юридических лиц.

Измерительный преобразователь – это средство измерений, которое служит для преобразования сигнала измерительной информации в форму, удобную для обработки и хранения, а также передачи информации в показывающее устройство. Сигнал преобразователя не поддается непосредственному восприятию наблюдателем. Преобразуемую величину называют входной, а результат преобразования – выходной величиной.

Измерительные приборы – это средства измерений, которые позволяют получить измерительную информацию в форме, удобной для восприятия пользователем. Различают измерительные приборы прямого действия и приборы сравнения.

Приборы прямого действия отображают измеряемую величину на показывающем устройстве, имеющем соответствующую градуировку в единицах этой величины (амперметры, вольтметры).

Приборы сравнения предназначаются для сравнения измеряемых величин с величинами, значения которых известны. Такие приборы широко используются в научных целях и на практике для измерения таких величин, как яркость источников излучения, давление сжатого воздуха и др.

Измерительные установки и системы – это совокупность средств измерений, объединенных по функциональному признаку со вспомогательными устройствами, для измерения одной или нескольких физических величин объекта измерения. Обычно такие системы автоматизированы. Такие системы используются обычно для контроля.

Измерительные принадлежности – это вспомогательные средства измерений величин. Они необходимы для вычисления поправок к результатам измерений, если требуется высокая точность.

Особым средством измерений является эталон.

Эталоны и их классификация

Эталон – это высокоточная мера, предназначенная для воспроизведения и хранения единицы величины с целью передачи его размера другим средствам измерений. От эталона единица величины передается разрядным эталонам, а от них рабочим средствам измерений.

Классификацию, назначение и общие требования к созданию, хранению и применению эталонов устанавливает ГОСТ 8.057.

Перечень эталонов не повторяет перечня ФВ. Эталон должен обладать, по крайней мере, тремя взаимосвязанными свойствами: неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью.

Неизменность – это свойство эталона удерживать неизменным размер воспроизводимой им единицы в течение длительного интервала времени. При этом все изменения, зависящие от внешних факторов, должны быть строго определенными функциями величин, доступных точному измерению. Реализация этих требований привела к идее создания «естественных» эталонов различных величин, основанных на физических постоянных.

Воспроизводимость – возможность воспроизведения единицы физической величины (на основе ее теоретического определения) с наименьшей погрешностью для существующего уровня развития измерительной техники. Это достигается путем постоянного исследования эталона в целях определения систематических погрешностей и их исключения путем введения поправок.

Сличаемость – возможность сличения с эталоном других средств измерений, нижестоящих по поверочной схеме, в первую очередь вторичных эталонов. Это свойство предполагает, что эталона по своему устройству и действию не вносят каких-либо искажений в результаты сличения и сами не претерпевают изменений в результате сличения.

Различают следующие виды эталонов

·  первичный эталон – это эталон, воспроизводящий единицу физической величины с наивысшей точностью, возможной в данной области измерений на современном уровне научно-технических достижений. Первичные эталоны – это уникальные средства измерений, составляющие основу государственной системы обеспечения единства измерений;

·  международный – эталон, принятый по международному соглашению в качестве международной основы для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами;

·  государственный или национальный – это первичный или специальный эталон, официально утвержденный в качестве исходного для страны. В России национальные эталоны утверждает Госстандарт РФ. Международные эталоны хранит и поддерживает Международное бюро мер и весов (МБМВ);

·  вторичный – соподчинен первичному эталону, хранит размер единицы, полученной путем сличения с первичным эталоном соответствующей физической величине. Вторичные эталоны являются средствами хранения и передачи размеров единиц физических единиц. Вторичные эталоны создаются и утверждаются в тех случаях, когда это необходимо для поверочных работ, а также для обеспечения сохранения и меньшего износа государственного эталона. Вторичные эталоны (их иногда называют «эталоны-копии») могут утверждаться либо Госстандартом РФ, либо государственными научными метрологическими центрами, что связано с особенностями их использования;

·  эталон сравнения – применяется для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличаемы друг с другом;

·  рабочий эталон воспроизводят размер единицы от вторичных эталонов и в свою очередь служат для передачи размера менее точному рабочему эталону и рабочим средствам измерений.

Принятый в 1791 г. Национальным собранием Франции эталон метра, равный одной десятимиллионной части четверти дуги парижского меридиана, в 1837 г. пришлось пересмотреть, так как было установлено, что в четверти меридиана содержится не 10 млн., а 10млн. 856 метров. Международная комиссия приняла решение не создавать новый эталон, а принять в качестве исходной единицы длины «метр Архива», хранящийся во Франции. В 1889 г. был изготовлен 31 экземпляр эталона метра из платиноиридиевого сплава. Оказалось, что эталон № 6 при температуре 0оС точно соответствует длине метра Архива. Именно этот экземпляр эталона был утвержден как международный эталон метра. Остальные 30 эталонов были переданы различным государствам. В настоящее время платиноиридиевые эталоны заменяются криптоновыми эталонами, имеющими намного меньшую погрешность.

Перспективы развития эталонов связаны с современным развитием физики. С использованием квантовых эффектов был создан современный эталон ампера и ома. Квантовые эталоны характеризуются высокой степенью стабильности значения погрешности воспроизведения единиц величин.

С помощью новых методов и средств измерений уточняются фундаментальные физические константы, поэтому точность квантовых эталонов будет возрастать. Ожидается появление возможности создания сравнительно недорогих квантовых эталонов и рабочих средств измерений на основе практического использования эффекта высокотемпературной сверхпроводимости, что послужит началом нового периода в развитии фундаментальной и практической метрологии

Основы технических измерений

Классификация измерений

Все измерения можно разделить на несколько видов:

По способу получения результатов:

1)  Прямые измерения: искомую величину Q=x получают прямо по показаниям приборов.

2)  Косвенные измерения: измеряемую величину можно представить как функциональную зависимость от двух или более величин, измеренных прямыми методами:

a = f (x1, x2…)

Прямые измерения предпочтительны, поэтому стараются создать приборы и установки, которые могли бы проводить прямые измерения.

3)  Совокупные измерения: повторные измерения одноименных величин при разных сочетаниях этих величин; составление систем совокупных уравнений (системы являются обычно переопределенными).

4)  Совместные измерения: прямым и косвенным методом одновременно измеряются две или более разноименных величин. Цель: нахождение функциональной зависимости между величинами. При проведении таких измерений составляют и решают системы совместных уравнений.

По точности измерений:

1)  Измерения максимально высокой точности, выполняемые при работе с эталонами.

2)  Измерения с заданным уровнем точности (выполняются при поверочных и калибровочных работах).

3)  Технические измерения в условиях производства и научных исследований.

По методам выполнения:

1)  Непосредственная оценка: по показанию прибора.

2)  Сравнение с мерой (с гирькой, с линейкой, концевой мерой длины и др.)

3)  Измерения методом противопоставления: компенсационные методы.

4)  Дифференциальный или разностный метод: измеряемая величина сравнивается с известной мерой находящейся в тех же условиях.

5)  Метод совпадения: используемый, например, в штангенциркулях.

Шкалы измерений

Шкала измерений - это упорядоченная совокупность значений физической величины, которая служит основой для ее измерения.

Пример.

В шкале Цельсия за начало отсчета принята температура таяния льда, а в качестве основного интервала (опорной точки) – температура кипения воды. Одна сотая часть этого интервала является единицей температуры (градус Цельсия). В температурной шкале Фаренгейта за начало отсчета принята температура таяния смеси льда и нашатырного спирта (либо поваренной соли), а в качестве опорной точки взята нормальная температура тела человека. За единицу температуры (градус Фаренгейта) принята 1/96 часть этого интервала. По этой шкале температура таяния льда равна +36 оF, а температура кипения воды +212 оF. Таким образом, если по шкале Цельсия разность между температурой кипения воды и таяния льда составляет 100 оС, то по Фаренгейту она равна 180 оС. На этом примере видно значение принятой шкалы, как в количественном значении, так и аспекте обеспечения единства измерений. В данном случае требуется находить отношение размеров единиц, чтобы можно было сравнить результаты измерений, т. е. t= F/ t о С.

В метрологической практике известно несколько разновидностей шкал: шкала наименований, шкала порядка, шкала интервалов, шкала отношений и др.

Шкала наименований (шкала классификации или номинативная)– это своего рода качественная, а не количественная шкала; она не содержит нуля и единиц измерения. Процесс измерения заключается в визуальном сравнении образца с объектом. Нумерация объектов по шкале наименований осуществляется по принципу: «не приписывай одну и ту же цифру разным объектам». Числа, приписанные объектам, нельзя применять для суммирования или других математических операций. В данных шкалах отсутствуют понятия нуля, «больше» или «меньше» и единицы измерения. Примером шкал наименований являются широко распространенные атласы цветов, предназначенные для идентификации цвета.

Шкала порядка (шкала рангов) характеризует значение измеряемой величины в баллах (шкала землетрясений, силы ветра, твердости физических тел). Такие шкалы являются монотонно возрастающими или монотонно убывающими и позволяют установить отношения больше/меньше между величинами, характеризующими указанное свойство. Определение значения величин при помощи шкал порядка нельзя считать измерением, так как на этих шкалах не могут быть введены единицы измерения. Операцию по приписыванию числа требуемой величине следует считать оцениванием. Оценивание по шкалам порядка является неоднозначным и весьма условным.

Шкала интервалов (шкала разностей) имеет условное нулевое значение, а единица измерений устанавливается по согласованию. Например, шкала массы (веса) начинаясь от нуля, может быть градуирована по-разному в зависимости от требуемой точности взвешивания (сравните бытовые и аналитические весы).Другой пример – шкала Цельсия.

Шкалы отношений описывают свойства эмпирических объектов, которые удовлетворяют отношениям эквивалентности, порядка и аддитивности, а в ряде случаев и пропорциональности. Их примерами являются шкалы массы, термодинамической температуры. С формальной точки зрения шкала отношений является шкалой интервалов с естественным началом отсчета. К значениям, полученным по этой шкале, применимы все арифметические действия, что имеет большое значение при измерении физических величин.

Абсолютные шкалы обладают всеми признаками шкал отношений, но дополнительно имеют естественное однозначное определение единицы измерения, не зависящее от принятой системы единиц измерения. Такие шкалы соответствуют относительным величинам: коэффициенту усиления. Ослабления и др. Для образования многих производных единиц в системе SI используются безразмерные и счетные единицы абсолютных шкал.