Эталонные средства измерений
Министерство образования РФ
Московский государственный университет леса
ЛЕКЦИЯ № 7
Дисциплина:
«МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ И КОНТРОЛЯ»
Тема:
«Измерение и контроль физических величин,
свойств веществ и материалов».
Вопросы:
Основные единицы измерения в системе СИ и их связь с единицами измерения других систем единиц.
Эталонные средства измерений.
Год
Основные единицы измерения в системе СИ и их связь с единицами измерения других систем единиц.
Основные единицы физическихвеличин.
В Российской Федерации используется Международная система единиц (СИ), введенная ГОСТ 8.417-2002. В качестве основных единиц приняты метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела (табл. 1).
Таблица 1.
| Величина | Единица | ||||
| Наименование | Размерность | Наименование | Обозначение | Определение | |
| международное | русское | ||||
| Длина | L | метр | m | м | Метр есть длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1/299792458 s [XVII ГКМВ (1983 г.), Резолюция 1] |
| Масса | М | килограмм | kg | кг | Килограмм есть единица массы, равная массе международного прототипа килограмма [I ГКМВ (1889 г.) и III ГКМВ (1901 г.)] |
| Время | Т | секунда | s | с | Секунда есть время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 [XIII ГКМВ (1967 г.), Резолюция 1] |
| Электрический ток (сила электрического тока) | I | ампер | A | А | 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 m один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 m силу взаимодействия, равную 2 × 10-7 N [МКМВ (1946 г.), Резолюция 2, одобренная IX ГКМВ (1948 г.)] |
| Термодинамическая температура | Θ | кельвин | K | К | Кельвин есть единица термодинамической температуры, равная 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды [XIII ГКМВ (1967 г.), Резолюция 4] |
| Количество вещества | N | моль | mol | моль | Моль есть количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 kg. 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] |
| Сила света | J | кандела | cd | кд | Кандела есть сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540 × 1012Hz, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 W/sr [XVI ГКМВ (1979 г.), Резолюция 3] |
Впервые понятие о системе единиц физических величин ввел немецкий ученый К. Гаусс. По его методу построения систем единиц различных величин сначала устанавливают или выбирают произвольно несколько величин независимо друг от друга. Единицы этих величин называют основными, так как они являются основой построения системы единиц других величин. Основные единицы устанавливают или выбирают таким образом, чтобы, пользуясь закономерной связью между величинами, можно было бы образовать единицы других величин. Под закономерной связью между величинами подразумевается возможность математически выразить зависимость одной величины от других. Единицы, выраженные через основные единицы, называют производными. Полная совокупность основных и производных единиц, установленных таким путем, и является системой единиц физических величин.
|
|
|
|
|
|
Особенности построения системы единиц величин.
Во-первых, метод построения системы не связан с конкретными размерами основных единиц. Устанавливаются и выбираются величины, единицы которых должны стать основой системы размеры производных единиц зависят от размеров основных единиц.
|
|
|
Во-вторых, в принципе построения системы единиц возможно для любых величин, между которыми имеется связь, выражаемая в математической форме в воде уравнения.
В-третьих, выбор величин, единицы которых должны стать основными, ограничивается соображениями рациональности и в первую очередь тем, что оптимальным является выбор минимального числа основных единиц, которое позволило бы образовать максимально большее число производных величин.
Наличие ряда систем единиц физических величин, а также значительного числа внесистемных единиц, неудобства, связанные с пересчетом при переходе от одной системы единиц к другой, требовало унификации единиц измерений. Рост научно-технических и экономических связей между разными странами обусловливал необходимость такой унификации в международном масштабе.
Требовалась единая система единиц физических величин, практически удобная и охватывающая различные области измерений. При этом она должна была сохранить принцип когерентности (равенство единице коэффициента пропорциональности в уравнениях связи между физическими величинами).
|
|
|
На основе соотношения между физическими величинами в математической форме устанавливается соотношение между единицами. Подстановка в формулу единиц основных или производных, связь которых с основными установлена ранее, дает соответствующую производную единицу.
Исходными являются уравнения, определяющие соотношения между физическими величинами. Любое из этих уравнений можно преобразовать так, чтобы в его левой части находилась величина, для которой необходимо определить производную единицу, а в правой – величины, единицы которых являются основными в системе единиц. В зависимости от установленного соотношения величины, находящиеся в правой части уравнения, должны быть записаны с тем или иным показателем степени. Это может быть представлено следующим уравнением:
z = LαMβTγIεΘηNμJλ,
гдеz – физическая величина, для которой определяется производная единица;
L, M, T, I, Θ, N, J – физические величины, единицы которых приняты за основные;
α, β, γ, ε, η, μ, λ – показатели степени, в которой данная величина входит в уравнение, определяющее производную величину. Каждый из показателей степени может быть положительным или отрицательным числом или нулем.
Выше приведенное выражение называют размерностьюфизической величины, оно отражает связь величины z с основными величинами системы, в котором коэффициент пропорциональности принят равным единице.
Рассмотрим главнейшие системы единиц физических величин.
Первоначально были созданы системы единиц, основанные на трех единицах. Эти системы охватывали большой круг величин, условно называемых механическими. Из всех этих систем предпочтение отдается системам, построенных на единицах длины – массы – времени как основных. Одной из систем, построенных по этой схеме для метрических единиц, является система метр – килограмм – секунда (МКС).
Система СГС. Система единиц физических величин СГС, в которой основными единицами являются сантиметр как единица длины, грамм как единица массы и секунда как единица времени.
Система МКС и СГС в части единиц механических величин когерентны.
Система МКГСС. Применение килограмма как единицы веса, а в последующем как единицы силы вообще, привело в конце XIX века к формированию системы единиц физических величин с тремя основными единицами: метр - единица длины, килограмм-сила - единица силы и секунда - единица времени. Удобство этой системы заключалось в том , что применение в качестве одной из основных – единицы силы – упрощало вычисления и выводы зависимостей для многих величин, применяемых в технике. Недостатком же являлось то, что единица массы в ней получалась производной и численно равной ~9,81 кг, - это нарушает метрический принцип десятичности мер. Второй недостаток – сходность наименования единицы силы – килограмм-сила и метрической единицы массы – килограмма, что часто приводит к путанице. Третьим крупным недостатком системы МКГСС является ее несогласованность с практическими электрическими единицами.
Некоторое время применялась система единиц метр – тонна – секунда, но от нее отказались.
Поскольку системы механических величин охватывали не все физические величины, для отдельных отраслей науки и техники системы единиц расширялись путем добавления еще одной основной единицы. Так появилась система тепловых единиц метр – килограмм – секунда – градус температурной шкалы (МКГС). Система единиц для электрических и магнитных измерений получена добавлением единицы силы тока – ампера (МКСА). Система световых единиц содержит в качестве четвертой основной единицы – канделу – единицу силы света.
Производныеединицы физических величин образуются с помощью простейших уравнений между единицами величин, в которых числовые коэффициенты равны единице. Так, для линейной скорости в качестве определяющего уравнения можно воспользоваться выражением для скорости равномерного прямолинейного движения 
.
При длине пройденного пути (в метрах) и времени t, за которое пройден этот путь (в секундах), скорость выражается в метрах в секунду (м/с). Поэтому единица скорости СИ - метр в секунду - это скорость прямолинейно и равномерно движущейся точки, при которой она за время 1 с перемещается на расстояние 1 м.
Если в определяющее уравнение входит числовой коэффициент, то для образования производной единицы в правую часть уравнения следует подставлять такие числовые значения исходных величин, чтобы числовое значение определяемой производной единицы было равно единице. Например, единица кинетической энергии СИ - килограмм-метр в квадрате на секунду в квадрате - это кинетическая энергия тела массой 2 кг, движущегося со скоростью 1 м/с, или кинетическая энергия тела массой 1 кг, движущегося со скоростью 
м/с. Эта единица имеет особое наименование - джоуль (сокращенное обозначение Дж).
Таблица 2.
| Величина | Единица измерения | |||
| Наименование | Размерность | Наименование | Обозначение | Выражение через основные и производные единицы СИ |
| Плоский угол | — | радиан | рад | м·м-1 = 1 |
| телесный угол | — | стерадиан | ср | м2·м-2= 1 |
| Частота | Т-1 | герц | Гц | с-1 |
| Сила, вес | LMT-2 | ньютон | Н | м·кг·с-2 |
| Давление, механическое напряжение | L-1MT-2 | паскаль | Па | м-1 ·кг·с-2 |
| Энергия, работа, количество теплоты | L2MT-2 | джоуль | Дж | м2·кг·с-2 |
| Мощность | L2МТ-3 | ватт | Вт | м2·кг·с-3 |
| Количество электричества | TI | кулон | Кл | с·А |
| Электрическое напряжение, потенциал, электродвижущая сила | L2MT-3I-1 | вольт | В | м2·кг·с-3·А-1 |
| Электрическая емкость | L-2M-lT4I2 | фарад | Ф | м-2·кг-1·с4·А2 |
| Электрическое сопротивление | L2MТ-3I-2 | ом | Ом | м2·кг·-3А-2 |
| Электрическая проводимость | L-2M-1T3I2 | сименс | См | м-2·кг-1с-3А2 |
| Поток магнитной индукции | L2MT-2 I-l | вебер | Вб | м2·кг·с-2 ·А-1 |
| Магнитная индукция | MT-2I-l | тесла | Тл | кг·с-2-А-1 |
| Индуктивность | L2MT-2I-2 | генри | Гн | м2·кг·с-2·А-2 |
| Световой поток | J | люмен | лм | кд·ср |
| Освещенность | L-2J | люкс | лк | м-2·кд·ср |
| Активность радионуклида | T-1 | беккерель | Бк | с-1 |
| Поглощенная доза ионизирующего излучения | L2T2 | грей | Гр | м2·с-2 |
| Эквивалентная доза излучения | L2T2 | зиверт | Зв | м2·с-2 |
Производные физические величины делятся на:
- пространственно-временные (площадь, объем, скорость, ускорение, частота и др.);
- механические (плотность, сила, давление, работа, энергия, мощность и др.);
- теплофизические (количество теплоты, теплоемкость системы, энтропия системы, тепловой поток, теплопроводность и др.);
- магнитные (магнитный поток, магнитная индукция, напряженность магнитного поля, индуктивность, намагниченность и др.);
- акустические (звуковое давление, звуковая энергия, звуковая мощность, интенсивность звука, плотность звуковой энергии и др.);
- оптические (энергия излучения, поток излучения, световой поток, световая энергия, освещенность и др.);
- электрические (электрическое напряжение, электрическое сопротивление, электрическая емкость, электродвижущая сила, напряженность электрического поля и др.);
- ионизирующих излучений (энергия ионизирующего излучения, поток энергии ионизирующего излучения, доза излучения, мощность поглощенной дозы, интенсивность излучения и др.);
- относящиеся к атомным и ядерным процессам(радиоактивность, масса покоя электрона, Боровский радиус, элементарный заряд, энергия Хартри и др.);
- физико-химические (абсолютная адсорбция, количество вещества, молярная масса, молярная доля, молярная концентрация и др.);
- радиотехнические (угловая частота, коэффициент мощности, коэффициент отражения, мощность, напряжение и др.).
Эталонные средства измерений.
Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, в которых должны быть проградуированы все существующие средства измерений одной и той же физической величины.
Это достигается путем точного воспроизведения и хранения в специализированных учреждениях установленных единиц физических величин и передачи их размеров применяемым средствам измерения с помощью эталонов.
Эталон– средство измерения (или комплекс средств измерений), обеспечивающее воспроизведение и (или) хранение единицы физической величины с наивысшей точностью для данного уровня развития измерительной техники с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений.
Эталон должен обладать взаимосвязанными свойствами: воспроизводимостью, неизменностью и сличаемостью.
Воспроизводимость— возможность воспроизведения единицы физической величины (на основе ее теоретического определения) с наименьшей погрешностью для существующего уровня развитияизмерительной техники. Это достигается постоянным исследованием эталона в целях определения систематических погрешностей и их исключения путем введения соответствующих поправок.
Неизменность — свойство эталона удерживать неизменным размер воспроизводимой им единицы в течение длительного интервала времени, при этом все изменения, зависящие от внешних условий, должны быть строго определенными функциями величин, доступных точному измерению. Реализация этих требований привела к идее создания «естественных» эталонов различных величин, основанных на физических постоянных.
Сличаемостъ — возможность обеспечения сличения нижестоящих по поверочной схеме, в первую очередь вторичных эталонов, с наивысшей точностью для существующего уровня развития техники измерения. Это свойство предполагает, что эталоны по своему устройству и действию не вносят каких-либо искажений в результаты сличений и сами не претерпевают изменений при проведении сличения.
По своему метрологическому назначению эталоны делятся на первичные, специальные и вторичные.
Первичный эталонобеспечивает воспроизведение и хранение единицы физической величины с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же величины) точностью. Первичные эталоны — это уникальные средства измерений, которые представляют собой сложнейшие измерительные комплексы, созданные с учетом новейших достижений науки и техники. Первичные эталоны составляют основу государственной системы обеспечения единства измерений.
Специальный эталон обеспечивает воспроизведение единицы физической величины в особых условиях, в которых прямая передача размера единицы от первичного эталона с требуемой точностью не осуществима и для этих условий заменяет первичный эталон.
Первичный или специальный эталон, официально утвержденные в качестве исходного для страны, называются государственным эталоном. Его утверждение проводит главный метрологический орган страны — Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии.
Вторичные эталоны являются частью подчиненных средств хранения единиц и передачи их размеров, создаются и утверждаются в тех случаях, когда это необходимо для организации поверочныхработ, а также для обеспечения сохранности и наименьшего износа государственного эталона.
Вторичные эталоны по своему метрологическому назначению подразделяются на эталоны-копии, эталоны сравнения и эталоны-свидетели.
Эталон-копия — предназначен для передачи размера единицырабочим эталонам. Эталон-копия представляет собой копию государственного эталона только по метрологическому назначению, поэтому он всегда является его физической копией.
Эталон сравнения — применяется для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличаемы друг с другом.
Эталон-свидетель - предназначен для проверки сохранности и неизменности государственного эталона и замены его в случае порчи или утраты.
Рабочий эталон - применяется для передачи размера единицы от эталона-копии образцовым средствам измерения и в отдельных случаях — наиболее точным рабочим средствам измерений.
Погрешности первичных эталонов характеризуются неисключенной систематической погрешностью, случайной погрешностью и нестабильностью. Неисключенная систематическая погрешность 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.
Оценки погрешностей вторичных эталонов характеризуются отклонением размеров хранимых ими единиц от размера единицы, воспроизводимой первичным эталоном.
Рабочие эталоны при необходимости подразделяют на 1-й, 2-й и последующие разряды, определяющие порядок их соподчинения в соответствии с поверочной схемой. При этом рабочие средства измерений 1-го разряда считаются исходными и подлежат поверке непосредственно по рабочим эталонам 1-го разряда. Рабочие средства измерений 2-го, 3-го и последующих разрядов являются подчиненными и подлежат поверке по рабочим эталонам 1-го, 2-го и последующих разрядов соответственно.
Различным видам измерений, исходя из требований практики и уровня точности измерений, устанавливают различное число разрядов рабочих эталонов, определяемых соответствующими стандартами на поверочные схемы для данного вида измерений.
На рис. 5 показана метрологическая последовательность передачи размеров единиц физических величин от первичного эталона рабочим, от рабочих эталонов – рабочим мерам и измерительным приборам (рабочим средствам измерений).
Рис. 1. Структура передачи размеров единиц физических величин.
Обеспечение правильной передачи размера единиц физических величин во всех звеньях метрологической цепи осуществляется посредством поверочных схем. Поверочная схема – нормативный документ, который устанавливает соподчинение средств измерений, участвующих в передаче размера единицы от эталона к рабочим средствам измерений с указанием методов и погрешности, и который утвержден в установленном порядке. Поверочные схемы делят на государственные, ведомственные и локальные.
Государственная поверочная схема распространяется на все имеющиеся средства измерений данной физической величины.
Ведомственная поверочная схема распространяется на средства измерений данной физической величины, подлежащие ведомственной поверке.
Локальная поверочная схема распространяется на средства измерений данной физической величины, подлежащие поверке в отдельном органе метрологической службы.
Государственную поверочную схему разрабатывают в виде национального стандарта, состоящего из ее чертежа и текстовой части, содержащей пояснения к чертежу. Ведомственную и локальную поверочные схемы оформляют в виде чертежа. Ведомственные поверочные схемы не должны противоречить государственным поверочным схемам. Поверочная схема устанавливает передачу размера единиц одной или нескольких взаимосвязанных величин.
Чертежи поверочной схемы состоят из полей, расположенных друг под другом, и имеют наименования: «Эталоны», «Рабочие эталоны n-го разряда», «Рабочие средства измерений». Упрощенная структура чертежа поверочной схемы дана на рис. 2.
Рис. 2. Упрощенная структура чертежа поверочной схемы.
На чертежах поверочной схемы должны быть указаны:
· наименования средств измерений и методов поверки;
· номинальные значения физических величин или их диапазоны;
· допускаемые значения погрешностей средств измерений;
· допускаемые значения погрешностей методов поверки.
Методы поверки (градуировки) средств измерений (на рис. 6 обозначены как СИ) поверочной схемы делятся на прямые или косвенные, непосредственные, сличение при помощи средств сравнения (например, компаратора). Наименования СИ заключают в прямоугольники, а методов поверки — в горизонтальные овалы; передачу размеров единиц «сверху вниз» изображают сплошными линиями, соединяющими объекты поверки с соответствующими средствами, откуда передается размер единицы.
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 1983; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!