Содержание
Вступление……………………………………………………………………3 Классификация эталонов………………………………………………….....4
Требования к эталонам……………………………………………………....7
Структура и состав эталонной базы России……………………………….10
Магнитная индукция………………………………………………………...14
Эталон магнитной индукции………………………………………………..17
Национальный эталон единицы магнитной индукции……………………19
Заключение………………………………………………………………......21
Список литературных источников………………………………………….22
Вступление
Эталон - средство измерений (или комплекс средств измерений), обеспечивающее воспроизведение и (или) хранение единицы, а так же передачу её размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке.
В Федеральном законе N 102-ФЗ от 26.06.2008 г. "Об обеспечении единства измерений" эталону дано следующее определение: эталон единицы величины - техническое средство, предназначенное для воспроизведения, хранения и передачи единицы величины.
Основным назначением эталонов является хранение и воспроизведения единицы физической величины для передачи ее размера другим эталонам и рабочим средствам измерений. Под передачей размера единицы величины понимается приведение размера величины, хранимой средством измерений, к размеру единицы, воспроизводимой эталоном. Эта процедура осуществляется при поверке средств измерений.
Эталон единицы магнитной индукции предназначен для воспроизведения, хранения и передачи размеров единицы магнитной индукции – Тесла.
Явлением электромагнитной индукции называется возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении во времени магнитного потока, пронизывающего контур.
Классификация эталонов
1 Первичный эталон — это эталон, воспроизводящий единицу физической величины с наивысшей точностью, возможной в данной области измерений на современном уровне научно-технических достижений. Первичный эталон может быть национальным (государственным) и международным.
2 Государственный первичный эталон — первичный эталон, признанный решением уполномоченного на то государственного органа в качестве исходного на территории государства.
3 Национальный эталон — эталон, признанный официальным решением служить в качестве исходного для страны.
4 Специальный эталон — эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы в особых условиях (смена характера объекта измерений) и заменяющий для этих условий первичный эталон. Единица, воспроизводимая с помощью специального эталона, по размеру согласована с единицей, воспроизводимой с помощью соответствующего первичного эталона.
5 Международный эталон — эталон, принятый по международному соглашению в качестве международной основы для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами.
6 Эталон копия - применяется вместо государственного эталона для хранения единицы и передачи её размера рабочим эталонам. Эталон копия не всегда является физической копией государственного эталона, а применяется в качестве копии только по метрологическому назначению.
7 Вторичный эталон — эталон, получающий размер единицы непосредственно от первичного эталона данной единицы.
8 Эталон сравнения — эталон, применяемый для сличений эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличены друг с другом.
9 Исходный эталон — эталон, обладающий наивысшими метрологическими свойствами (в данной лаборатории, организации, на предприятии), от которого передают размер единицы подчиненным эталонам и имеющимся средствам измерений.
10 Одиночный эталон - эталон состоящий из одной меры, одного измерительного прибора или одной измерительной установки, обеспечивающих воспроизведение или хранение единицы самостоятельно, без других средств измерений того же типа.
11 Групповой эталон - эталон состоящий из совокупности однотипных мер, измерительных приборов или других средств измерений, применяемых как одно целое для повышения надежности хранения единицы. Размер единицы, хранимой групповым эталоном, определяется как среднее арифметическое их значений, найденных с помощью отдельных мер или измерительных приборов, входящих в групповой эталон.
12 Рабочий эталон — эталон, предназначенный для передачи размера единицы рабочим средствам измерений.
Поверочные схемы представляют собой утвержденные в установленном порядке документы, которые регламентируют средства, методы и точность передачи размера единицы величины oт государственного эталона (национальный, первичный, исходный) к образцовым и рабочим СИ. В настоящее время эти документы составляют па основании ГОСТ 8.061-80 «Поверочные схемы, содержание и построение».
Государственная поверочная схема распространяется на все виды СИ. применяемые в стране. Государственные поверочные схемы определяют передачу размера от эталонов наивысшей точности (псрвичных, национальных) ко вторичным эталонам (образцовым средствам высшего разряда), которые, в свою очередь, являются исходными эталонами для ведомственных метрологических служб. Эти схемы разрабатывает Госстандарт, он же утверждает их. Государственные поверочные схемы документируются в виде государственных стандартов.
Рисунок 1- Общий вид государственной поверочной схемы
Эталонная база РФ насчитывает 118 государственных эталонов и более 300 вторичных эталонов. Государственные эталоны служат для воспроизведения физических величин, поэтому структура эталонной базы соответствует структуре единиц СИ. Основа этой базы — эталоны основных единиц СИ кроме эталона единицы количества вещества (моль). Одной из причин того, что эталон единицы количества вещества не создан, является недостаточная четкость определения этой единицы и отсутствует метод ее измерения в соответствии с определением. Тем более, эту единицу трудно назвать основной, так как в ее определение связано с единицей массы. Вполне возможно, что эта единица будет переведена в разряд специальных единиц массы.
Крупнейшие хранители эталонов РФ - метрологические институты Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева (ФГУП ВНИИМ) и Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ФГУП ВНИИФТРИ).
Кроме национальных эталонов единиц существуют международные эталоны, хранимые в Международном бюро мер и весов (МБМВ). Программой деятельности МБМВ предусмотрены систематические международные сличения национальных эталонов крупнейших метрологических лабораторий разных стран с международными эталонами и между собой.
По инициативе международных метрологических организаций в октябре 1999г. директора национальных метрологических институтов большинства стран мирового сообщества - членов Метрической конвенции подписали "Договоренность" о взаимном признании национальных эталонов и сертификатов на измерения и калибровки, выдаваемых национальными метрологическими институтами". Согласно этому документу степень эквивалентности национальных эталонов будет определяться на основе результатов их международных сличений друг с другом, проводимых под эгидой консультативных комитетов Международного комитета по мерам и весам и региональных метрологических организаций и являющихся юридической основой признания эквивалентности сличаемых эталонов и соответственно правильности измерений и сертификационных испытаний в странах - участников ключевых сличений.
Основные единицы СИ:
1 Длина, метр;
2 Масса, килограмм;
3 Время, секунда;
4 Сила тока, ампер;
5 Термодинамическая температура, кельвин;
6 Сила света, кандела;
7 Количество вещества, моль.
Требования к эталонам
Главная функция и одновременно главная отличительная особенность любого государственного эталона состоит в том, что он воспроизводит единицу данной физической величины, ибо государственный эталон является исходным, т. е. "самым образцовым" (в рамках государственной системы обеспечения единства измерений) образцом единицы, а под воспроизведением единицы и понимается осуществление материализации единицы, наилучшим образом соответствующей ее определению, т. е. ее исходная материализация. Все остальные средства измерений получают размер единицы от соответствующего государственного эталона и, в лучшем случае, обеспечивают хранение этой единицы. Государственные эталоны обеспечивают также хранение единицы, т. е. обеспечивают неизменность ее размера во времени, с тем, чтобы в любой момент времени от государственного эталона можно было бы передавать по возможности один и тот же размер единицы.
Основные функции государственного эталона (воспроизведение и хранение единицы), зафиксированные в его определении по основополагающему стандарту (ГОСТ 8.057 - 80), определяют основные требования и к метрологическим параметрам, и к составу, и к условиям хранения и применения государственных эталонов.
Прежде всего, условие наилучшего соответствия овеществленной государственным эталоном единицы ее определению и статус исходного средства измерений в стране неизбежно означает требование наивысшей точности государственного эталона среди всех средств измерений данной физической величины, изготовляемых и используемых в стране. Отсюда следует требование предельно возможной тщательности изготовления основных узлов и элементов государственных эталонов, а также жесткие требования к идеальности условий хранения государственных эталонов, максимально исключающие влияние внешних воздействий, так как только при этом можно достичь максимальной точности измерений (воспроизведения единицы). В ряде случаев это приводит к необходимости создания специальных инженерно-технических сооружений. Очевидным требованием к составу государственных эталонов, вытекающим из выполняемых ими функций, является наличие средств, непосредственно воспроизводящих единицу физической величины (наличие стабильного "генератора" физической величины), а также средств и методов, позволяющих поддерживать этот размер максимально длительное время.
По номенклатуре метрологических параметров, фиксируемых для государственных эталонов при их утверждении, для большинства эталонов указываются характеристики погрешности воспроизведения единицы в виде двух составляющих:
1 Оценки случайной погрешности воспроизведения единицы в виде среднего квадратического отклонения результата измерения (СКО);
2 Оценки неисключенной систематической погрешности воспроизведения единицы (НСП).
Способы выражения погрешностей устанавливает ГОСТ 8.881 - 80 «ГСИ. Эталоны. Способы выражения погрешностей».
Немаловажное значение имеет также стабильность эталона во времени.
Все это неизбежно влечет за собой такое требование, как тщательное и достаточно длительное физико-метрологическое исследование как самого эталона, так и (что особенно важно в период, предшествующий его созданию) тех физических эффектов и явлений, которые закладываются в основу эталона. Для правильного построения поверочных схем важно также знать параметры, характеризующие производительность государственного эталона, диапазон его измерений и некоторые другие технические параметры.
Уникальность и исключительная значимость государственных эталонов в общероссийском масштабе предъявляют к ним ряд требований и правил организационного и юридического (правового) характера, таких как:
1 Постоянство места хранения и применения государственных эталонов (в соответствующем метрологическом институте Госстандарта (Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии);
2 Официальное назначение постоянных ученых — хранителей эталонов и их помощников из числа наиболее высококвалифицированных специалистов— метрологов в данной области измерений;
3 Создание ряда вторичных эталонов для случаев особо массовых и прецизионных видов измерений.
В ранге государственного каждый эталон утверждается по строго регламентированному порядку, предусматривающему обязательный перечень представляемой документации на эталон. Эта документация предварительно рассматривается на научно-техническом совете института, создавшего эталон, затем на специально назначаемой межведомственной комиссии из представителей соответствующих отраслей науки и промышленности и окончательно на научно-техническом совете Госстандарта. Эталон утверждается в качестве государственного специальным решением (постановлением) Госстандарта, которое оформляется актом об утверждении. Основные сведения об эталоне заносятся в Государственный реестр эталонов России, хранящийся во Всесоюзном научно-исследовательском институте метрологической службы (ВНИИМС), а также в паспорт на эталон, который вместе с другой обязательной документацией хранится у ученого-хранителя в институте, создавшем данный государственный эталон.
Важным моментом в деле совершенствования эталонной базы является выполнение исследований государственных эталонов в процессе их эксплуатации и, в частности, проведение международных сличений. Сличения (особенно так называемые "круговые сличения") помогают выявить «систематику» и оценить действительный технический уровень национальных эталонов разных стран. В ходе сличения проводят до тысячи отдельных наблюдений и измерений.
Структура и состав эталонной базы России
Центральным звеном эталонной базы является система государственных эталонов. Поэтому иногда систему государственных эталонов для простоты называют эталонной базой. Так как государственные эталоны служат для воспроизведения единиц физических величин, структура эталонной базы России прежде всего отражает структуру системы единиц физических величин, узаконенных и применяемых в нашей стране.
Как отмечалось выше, в России и в подавляющем большинстве стран мира применяют Международную систему единиц, сокращенно СИ (от начальных букв русской транскрипции французского наименования Sisteme Internationale). Эта система была разработана специальной международной комиссией и в первоначальном варианте утверждена в I960 г. решением XI Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ) — высшего органа метрической конвенции.
В ее резолюциях были утверждены шесть упомянутых выше основных единиц, две дополнительные (радиан и стерадиан), первый перечень производных единиц (27 единиц), а также 12 десятичных приставок для образовани я наименований кратных и дольных единиц, В последующих решениях Генеральной конференции по мерам и весам Международная система единиц получила дальнейшее развитие.
При построении любой системы единиц принципиально важными являются два момента: выбор основных единиц системы и выбор правил образования производных единиц. При построении СИ исходили из следующих соображений:
1 Система должна охватывать все области науки и техники;
2 Необходимо обеспечить максимальную преемственность удобных для практики размеров единиц (по крайней мере, для основных);
3 Единицы основных величин должны быть воспроизведены с наибольшей точностью (при помощи эталонов);
4 Максимальная простота и однозначность образования производных единиц системы.
Основу эталонной базы России составляют государственные эталоны основных и дополнительных единиц СИ. Они обеспечивают возможность воспроизведения любых производных единиц СИ, а также некоторых внесистемных единиц, допущенных к применению (как, например, единиц твердости по различным шкалам). В настоящее время эталонная база России имеет в своем составе 118 первичных государственных эталонов и более 300 вторичных эталонов физических величин. Из них 52 находятся во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии им. Д.И. Менделеева (ВНИИМ, Санкт-Петербург), в том числе эталоны метра, килограмма, ампера, кельвина и радиана; 25 – во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ, Москва), в том числе эталоны единиц времени и частоты; 13 – во Всероссийском научно-исследовательском институте оптико-физических измерений, в том числе эталон канделы; 5 и 6 – соответственно в Уральском и Сибирском научно-исследовательских институтах метрологии. Созданные государственные эталоны охватывают такие важнейшие области науки и техники, как механика и акустика, термодинамика, электромагнетизм, радиотехника и электротехника, оптика и светотехника, ионизирующие излучения и ядерная техника. Современная эталонная база России не только полностью заменила эталонную базу СССР, но во многих областях измерений превзошла её по точностным параметрам. Многочисленные международные сличения подтвердили высокий уровень российской эталонной базы. Международными экспертами подтверждено, что уровень и состояние этой базы обеспечивает вступление России в Всемирно-торговую организацию в части присоединения к соглашению по техническим барьерам в торговле.
Перечень эталонов не повторяет перечня физических величин. Для ряда единиц эталоны не создаются из-за того, что нет возможности непосредственно сравнивать соответствующие физические величины, например, нет эталона площади. Не создаются эталоны и в том случае, когда единица физической величины воспроизводится с достаточной точностью на основе сравнительно простых средств измерений других физических величин.
Конструкция эталона, его физические свойства и способ воспроизведения единицы определяются физической величиной, единица которой воспроизводится, и уровнем развития измерительной техники в данной области измерений. Эталон должен обладать, по крайней мере, тремя взаимосвязанными свойствами: неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью.
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 физических 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 соответствующих поправок.
Сличаемость – возможность обеспечения сличения с эталоном других средств измерений, 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 сличений.
Государственные эталоны России по своим метрологическим параметрам соответствуют международному уровню, а в отдельных случаях превосходят национальные эталоны некоторых высокоразвитых стран.
По количественному составу эталонная база России является самой представительной: ряд государственных эталонов не имеет соответствующих аналогов за рубежом.
Магнитная индукция
Явление электромагнитной индукции было открыто выдающимся английским физиком М. Фарадеем в 1831 г. Оно заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении во времени магнитного потока, пронизывающего контур.
Магнитным потоком Φ через площадь S контура называют величину
Φ = B · S · cos α,
где B – модуль вектора магнитной индукции, α – угол между вектором и нормалью к плоскости контура.
Фарадей экспериментально установил, что при изменении магнитного потока в проводящем контуре возникает ЭДС индукции 
инд, равная скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой со знаком минус:
Эта формула носит название закона Фарадея.
Опыт показывает, что индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению
магнитного потока, вызывающего индукционный ток. Это утверждение, сформулированное в 1833 г., называется правилом Ленца.
|
Рисунок 2- Иллюстрирует правило Ленца на примере неподвижного проводящего контура, который находится в однородном магнитном поле, модуль индукции которого увеличивается во времени
Правило Ленца отражает тот экспериментальный факт, что инд и всегда имеют противоположные знаки (знак «минус» в формуле Фарадея). Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии.
Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам.
1 Магнитный поток изменяется вследствие перемещения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле. Это случай, когда проводники, а вместе с ними и свободные носители заряда, движутся в магнитном поле. Возникновение ЭДС индукции объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.
Рассмотрим в качестве примера возникновение ЭДС индукции в прямоугольном контуре, помещенном в однородное магнитное поле, перпендикулярное плоскости контура. Пусть одна из сторон контура длиной l скользит со скоростью по двум другим сторонам.
|
| Рисунок 3- Возникновение ЭДС индукции в движущемся проводнике. Указана составляющая силы Лоренца, действующей на свободный электрон |
2 Вторая причина изменения магнитного потока, пронизывающего контур, – изменение во времени магнитного поля при неподвижном контуре. В этом случае возникновение ЭДС индукции уже нельзя объяснить действием силы Лоренца. Электроны в неподвижном проводнике могут приводиться в движение только электрическим полем. Это электрическое поле порождается изменяющимся во времени магнитным полем. Работа этого поля при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна ЭДС индукции в
неподвижном проводнике. Следовательно, электрическое поле, порожденное изменяющимся магнитным полем, не является потенциальным. Его называют вихревым электрическим полем. Представление о вихревом электрическом поле было введено в физику великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1861 г.
Явление электромагнитной индукции в неподвижных проводниках, возникающее при изменении окружающего магнитного поля, также описывается формулой Фарадея. Таким образом, явления индукции в движущихся и неподвижных проводниках протекают одинаково, но физическая причина возникновения индукционного тока оказывается в этих двух случаях различной: в случае движущихся проводников ЭДС индукции обусловлена силой Лоренца; в случае неподвижных проводников ЭДС индукции является следствием действия на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля.