Эталоны физических величин

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Методические указания

К выполнению лабораторных работ

№ Ф 3-1 «ОЗНАКОМЛЕНИЕ С ВИДАМИ МАТЕРИАЛЬНЫХ ЭТАЛОНОВ. ПОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРЫ ЭТАЛОННОЙ БАЗЫ»

Ф 3-2 «ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНОЙ ПОГРЕШНОСТИ И ОТКЛОНЕНИЯ ОТ ПЛОСКОСТНОСТИ КОНЦЕВЫХ МЕР ДЛИНЫ НА ВЕРТИКАЛЬНОМ ОПТИМЕТРЕ»

Красноярск, 2011

Эталоны физических величин

Государственная система обеспечения единства измерений устанавливает требования к эталонам единиц физических величин и к системе передачи размера единицы каждой величины к рабочим средствам измерений.

Эталоны единиц физических величин - средства измерений (или комплексы средств измерений), обеспечивающие воспроизведение и (или) хранение единиц с целью передачи их размеров рабочим средствам измерений. Передача размеров осуществляется с помощью поверочных схем.

В настоящее время в стране действует примерно 130 эталонов единиц физических величин. Эталоны единиц классифицируют по ряду признаков. Соответственно делению физических величин различают эталоны основных и производных единиц, а по точности воспроизведения единиц и подчиненности - первичные (исходные) и вторичные.

Первичные эталоны воспроизводят и (или) хранят единицы и передают их размеры с наивысшей точностью, достижимой в данной области измерений. Разновидностью первичных эталонов являются специальные эталоны, предназначенные для воспроизведения единиц в установленных особых условиях (сверхвысокие частоты, малые и большие энергии, давления, температуры и т. п.). Первичные и специальные эталоны, официально утвержденные в качестве исходных для страны, называют государственными, на каждый из них утверждают государственный стандарт.

К вторичным эталонам относят эталоны - копии, эталоны сравнения и рабочие эталоны. Эталоны - копии предназначены для передачи размера единицы рабочим эталонам, которые служат для поверки образцовых и наиболее точных рабочих средств измерений. Эталоны сравнения предназначены для взаимного сличения эталонов, которые не могут быть непосредственно сличены друг с другом.

По своему составу эталоны могут быть одиночные и групповые. Одиночный эталон представляет собой одну меру (прибор или установку), а групповой эталон состоит из однотипных мер (измерительных устройств), воспроизводящих размер единицы в виде среднего арифметического результатов воспроизведения каждым из элементов этой совокупности.

Кроме национальных эталонов, имеются международные эталоны, принадлежащие группе стран и предназначенные для поддержания единства измерений в международном масштабе путем периодического сличения национальных эталонов с международным и между собой.

Государственный первичный эталон единицы массы - килограмма состоит из национального прототипа килограмма (гири из платино-иридевого 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, используя счет 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 крипто-на-86. Эталон обеспечивает воспроизведения метра с средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 5^.10 ^-9.

Государственный первичный эталон единицы времени - комплекс средств, воспроизводящих секунду в виде 192 631 770 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 1983г. 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 = ct

где l - путь, проходимый излучением, с =299 792 548 м/с - скорость света (излучения); t - время.

Государственный первичный эталон единицы силы постоянного 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 стороны - 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.

Для поддержания единства измерений можно ограничиваться 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 входит: мера напряжения на основе эффекта Джозефсона (возникновение напряжения между разделенными тонким слоем диэлектрика двумя сверхпроводниками в высокочастотном электромагнитном поле); группа насыщенных нормальных элементов для хранения размера единицы, компенсатор постоянного тока для сличения нормальных элементов. Эталон воспроизводит размер вольта с относительным средним квадратичным отклонением результата измерения, не превышающим 5^.10^-8 при относительной неисключенной систематической погрешности, не превышающей 1^.10^-6.

Государственный эталон единицы сопротивления воспроизводит Ом с помощью 10 манганиновых катушек сопротивления с относительным среднеквадратическим 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 среднеквадратическим 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.