Реферат
по дисциплине «Метрология»
Тема: «Эталоны»
Выполнил: студент 4 курса ФЛЭ
Аверин К.С.
Санкт-Петербург
СОДЕРЖАНИЕ:
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………….. стр. 3
1. Основные понятия об эталонах………………………….. стр. 4
2. Метрологическая классификация эталонов…………….. стр. 6
3. Законодательная классификация эталонов……………... стр. 9
4. Хранение, применение и сличение эталонов……….…... стр. 11
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………....… стр. 15
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………….….. стр. 16
ВВЕДЕНИЕ
Современная теория единства измерений (теория воспроизведения единиц физических величин и передачи их размеров) наряду с теориями построения средств измерений и точности измерений традиционно является центральным разделом в теоретической метрологии. В совокупности решаемых задач, единство измерений можно охарактеризовать как состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам воспроизведённых величин, а погрешности измерений известны с заданной точностью.
Во многом единство измерений достигается путём точного воспроизведения, хранения установленных единиц физических величин, и передачи их размеров применяемым средствам измерений. Воспроизведение, хранение и передача размеров единиц осуществляется с помощью эталонов и образцовых средств измерений. Высшим звеном в метрологической цепи передачи размеров единиц физических величин являются эталоны.
Основные понятия об эталонах
Централизованное воспроизведение и хранение единиц величин осуществляется специальными средствами измерений наивысшей (метрологической) точности, называемыми эталонами и являющимися высшим звеном метрологической цепи передачи размеров единиц.
Эталон шкалы или единицы величины (эталон) представляет собой средство измерений или комплекс средств измерений, предназначенные для воспроизведения и (или) хранения шкалы или единицы величины с целью передачи ее размера метрологические соподчиненным средствам, выполненные по особой спецификации и официально утвержденные в качестве эталона.
Конструкция эталона, его свойства и способ воспроизведения единицы определяются природой данной величины и уровнем развития измерительной техники в данной области измерений. Из всех возможных способов осуществления эталона выбирают те, которые позволяют обеспечить наивысшую точность воспроизведения единицы. Современный эталон должен обладать, по крайней мере, тремя тесно связанными друг с другом существенными признаками, сформулированными еще более полувека назад видным метрологом М.Ф. Маликовым - неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью.
Под неизменяемостью эталона понимают его свойство поддерживать в течение неограниченного промежутка времени неизменным размер единицы, воспроизводимой им. Все изменения, обусловленные различными внешними условиями (температура, давление, гравитационное и иные поля и пр.) или внутренней структурой эталона, должны быть вполне определенными функциями величин, доступных измерению с необходимой точностью.
Требование неизменяемости эталона накладывает определенные условия на выбор его конструкции, структуры, материалов отдельных элементов, технологии изготовления, хранения и применения. Необходимость обеспечения неизменяемости эталона привело в свое время к выдвижению принципа естественности воспроизведения единиц, т. е. к выбору в качестве единиц измерения «неизменных единиц», созданных самой природой. Так более двухсот лет назад была построена метрическая система мер, в которой в качестве «неизменной единицы» длины {метр) была выбрана одна десятимиллионная часть четверти длины (от полюса до экватора) земного меридиана, проходящего через Париж. Однако, являясь прогрессивной и в настоящее время, эта идея на момент ее появления не имела достаточной научной и технической базы и в полной мере становится реальной только в наши дни. В качестве наглядного примера можно привести современное (естественное) определение единицы длины, в котором используется фундаментальная физическая постоянная (физическая константа) - скорость света в вакууме.
Под воспроизводимостью эталона понимают теоретическую возможность материализации единицы с помощью эталона без всякой, хотя бы очень малой, погрешности или, по крайней мере, с наименьшей погрешностью, возможной на данном уровне развития измерительной техники. Воспроизводимость эталона обеспечивается путем устранения погрешностей различными приемами в процессе его изготовления и путем всестороннего изучения свойств эталона, проводимого с целью определения погрешностей, допущенных при изготовлении эталона, также появляющихся в процессе его эксплуатации, и введения соответствующих поправок.
Под сличаемостью эталона понимают возможность обеспечить наибольшую возможную точность процессам сличения этого эталона с другими средствами измерений. Это свойство предполагает, что эталоны по своему устройству и действию не вносят каких-либо искажений в результаты сличений. В процессе сличения свойства эталонов не должны претерпевать изменения и сами эталоны не должны влиять на параметры сличаемых с ними средств.
Для выполнения перечисленных требований воспроизведение единиц на эталонных установках проводят по особым строго регламентированным спецификациям, как правило, согласованным между различными странами.
Метрологическая классификация эталонов
В зависимости от конструктивного выполнения и состава эталоны подразделяют на эталонные комплексы, одиночные эталоны, групповые эталоны, эталонные наборы.
Эталонный комплекс представляет собой совокупность различных по назначению средств измерений и вспомогательного оборудования, предназначенную для воспроизведения, хранения единицы физической величины и передачи ее размера. Примером эталонного комплекса может служить эталон времени и частоты, состоящий из цезиевых генераторов (предназначенных для воспроизведения единиц времени и частоты), водородных генераторов (используемых для хранения единиц времени и частоты и выполняющих функции хранителей шкалы времени при их непрерывной работе), группы квантово-механических часов (предназначенных для хранения шкалы времени). В состав эталонного комплекса входит также аппаратура для внутреннего и внешнего сличения частот и средства жизнеобеспечения всего этого комплекса.
Одиночный эталон состоит из одной меры (измерительного прибора, установки), обеспечивающих воспроизведение и хранение единицы величины самостоятельно без участия других средств измерений этого же вида. Наглядным примером одиночного эталона является эталон единицы массы - килограмма, осуществляемый в виде платиноиридиевой гири (в некоторых эталонах - стальной гири).
Групповой эталон состоит из совокупности однотипных мер (или других средств измерений), применяемых как одно целое для повышения надежности хранения единицы. Размер единицы, хранимой групповым эталоном, определяется как среднее арифметическое из значений, воспроизводимых отдельными мерами или иными средствами измерений, входящими в состав группового эталона. Примером группового эталона может служить эталон единицы электрического напряжения -- вольта, представляющего собой группу из 20 одинаковых мер э. д. с. - нормальных элементов (элементов Вестона). Групповые эталоны могут быть постоянного и переменного составов.
В эталонах постоянного состава десятилетиями используются одни и те же экземпляры средств измерений. Например, эталон единицы электрического сопротивления -ома, состоящий из 10 манганиновых герметизированных измерительных катушек электрического сопротивления. В групповые эталоны переменного состава входят средства измерений, периодически заменяемые новыми. Примером такого эталона является уже описанный групповой эталон единицы электрического напряжения и электродвижущей силы постоянного тока. Эталонный набор представляет собой набор мер или измерительных приборов, позволяющих хранить единицу или измерять величину в определенном диапазоне, в котором отдельные меры или измерительные приборы, входящие в эталон, имеют различные номинальные значения или поддиапазоны значений величины
В качестве примера эталонного набора можно привести эталон единицы плотности жидкостей в виде набора денсиметров, служащих для определения плотности жидкостей в различных участках общего диапазона измерений. Эталонные наборы, как и групповые эталоны, могут быть постоянного и переменного составов. В соответствии с классом воспроизводимых единиц величин различают эталоны основных и производных единиц. В принципе, для обеспечения единства измерений достаточно централизовано, с помощью эталонов, воспроизводить только основные единицы. Размеры производных единиц могут быть получены на местах путем косвенных измерений при строгом соблюдении требований спецификаций.
По уровню точности воспроизведения единиц и метрологической соподчиненности эталоны подразделяют на первичные, вторичные и рабочие.
Первичный эталон - эталон, осуществляющий воспроизведение и хранение единицы с наивысшей точностью, достижимой в данной области измерений, размер единицы воспроизводимой которым устанавливается независимо от других эталонов этой же величины. Первичные эталоны основных единиц воспроизводят единицу в соответствии с ее определением. Примером первичного эталона является эталон единицы длины - метр, представляющий собой комплекс средств измерении, осуществляющий воспроизведение единицы как путь, проходимый светом в вакууме за интервал времени равный 1/299 792 458 s. В тех случаях, когда одним первичным эталоном технически нецелесообразно обслуживать весь необходимый для практики диапазон измеряемой величины, создаются несколько первичных эталонов, охватывающих части этого диапазона, с таким расчетом, чтобы был охвачен весь диапазон. В этом случае проводится согласование размеров единиц, воспроизводимых «соседними», по диапазону воспроизводимых величин, первичными эталонами. Примером такой «цепи» эталонов являются взаимосогласованные эталоны единицы термодинамической температуры, каждый из которых воспроизводит единицу в определенном интервале значений температуры. Разновидностью первичных эталонов являются специальные эталоны.
Специальный эталон - эталон, предназначенный для воспроизведения единицы в особых условиях и заменяющий в этих условиях первичный эталон. Специальные эталоны создают для воспроизведения единицы в особых условиях (сверхнизкие, высокие и сверхвысокие частоты, энергии, температуры, давления, особые состояния веществ, крайние участки диапазонов измерений и т. п.), в которых прямая передача размера единицы от существующих первичных эталонов технически не осуществима с требуемой точностью. Примером специального эталона является эталон силы электрического переменного тока 0,04 - 300 А в диапазоне частот 0,1 -300 МГц.
Вторичный эталон - эталон, размер единицы которого устанавливают по первичному эталону этой же единицы. Вторичные эталоны создаются в тех случаях, когда это необходимо для рациональной организации поверочных работ и для обеспечения сохранности и наименьшего износа первичного эталона. По своему метрологическому назначению вторичные эталоны делятся на эталоны копии, эталоны сравнения, эталоны свидетели.
Эталон-копия - вторичный эталон, предназначенный для хранения единицы и передачи ее размера рабочим эталонам. Эталон-копия представляет собой метрологическую копию первичного эталона и не обязательно является его физической копией. Примером может служить эталон-копия единицы длины - метра, представляющий собой специальным образом выполненную и хранимую штриховую меру длины.
Эталон сравнения -- вторичный эталон, предназначенный для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличаемы между собой. Примером эталона сравнения является возимая высокостабильная электронная (так называемая - «твердотельная») мера электрического напряжения постоянного тока, используемая для взаимного сличения между собой эталонов единицы электрического напряжения разных стран.
Эталон-свидетель - вторичный эталон, применяемый для проверки сохранности первичного эталона и для замены его в случае порчи или утраты. Эталон-свидетель применяется лишь тогда, когда первичный эталон является невоспроизводимым. В настоящее время, среди эталонов основных единиц Международной системы СИ, эталон-свидетель существует только для соблюдения сохранности первичного эталона единицы массы - килограмма, которая воспроизводится, как известно, с помощью прототипа, не имеющего своего естественного воплощения в природе.
Рабочий эталон эталон, предназначенный для хранения единицы и передачи ее размера другим средства измерений более низкой точности. Размер единицы рабочего эталона устанавливают по вторичному эталону-копии или, в некоторых случаях, непосредственно по первичному эталону. В состав эталонов включают не только непосредственно сами эталоны средства измерений высочайшей точности, осуществляющие воспроизведение и хранение единицы величины, но и средства измерений, необходимые для передачи размера единицы от эталона другим средствам измерений, контроля условий измерений и наблюдения за неизменностью размера единицы величины хранимой эталоном. При необходимости в состав эталонов включают другие технические средства, обеспечивающие работу эталонов (например, информационно-вычислительные комплексы, специальные платформы, сооружения, выполненные по особой спецификации помещения и т. д.).