Эталоны основных единиц СИ.

Эталон единицы времени. Единицу времени – секунду – долгое время определяли как 1/86400 часть средних солнечных суток. Позднее обноружили, что вращение Земли вокруг соей оси происходит неравномерно. Тогда в основу определения единицы времени положили период вращения Земли вокруг Солнца – тропический год, т.е. интервал времени между двумя весенними равноденствиями, следующими одно за другим. Размер секунды был определен как 1/31556925,9747 часть тропического года. Это позволило почти в 1000 раз повысить точность определения единицы времени. Однако в 1967 году 13-я Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение секунды как интервала времени, в течении которого совершается 9192631770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения внешними полями. Данное определение реализуется с помощью цезиевых реперов частоты.

В 1972 году осуществлен переход на систему всемирного координированного времени. Начиная с 1997 года, государственный первичный контроль и государственная поверочная схема для средств измерения времени и частоты определяются правилами межгосударственной стандартизации ПМГ18-96 «Межгосударственная поверочная схема для средств измерения времени и частоты».

Государственный первичный эталон единицы времени, состоящий из комплекса измерительных средств, обеспечивает воспроизведение единиц времени со средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 1*10^-14 за три месяца.

Эталон единицы длины. В1889 году метр был принят равным расстоянию между двумя штрихами, нанесенными на металлическом стержне Х-образного поперечного сечения. Хотя международный и национальные эталоны метра были изготовлены из сплава платины и иридия, отличающегося значительной твердостью и большим сопротивлением окислению, однако не было полной уверенности в том, что длина эталона с течением времени не изменится. Кроме того, погрешность сличения между собой платино-иридиевых штриховых метров составляет + 1,1*10^-7 м (+0,11 мкм), а так как штрихи имеют значительную ширину, существенно повысить точность этого сличения нельзя.

После изучения спектральных линий ряда элементов было найдено, что наибольшую точность воспроизведения единицы длины обеспечивает оранжевая линия изотопа криптона-86. В 1960 году 11-я Генеральная конференция по мерам и весам приняла выражение размера метра в длинах этих волн как наиболее точное его значение.

Криптоновый метр позволил на порядок повысить точность воспроизведения единицы длины. Однако дальнейшее исследование позволило получить более точный эталон метра, основанный на длине волны в вакууме монохроматического излучения, генерируемого стабилизированным лазером. Разработка новых эталонных комплексов по воспроизведению метра привела к определению метра как расстояния, которое проходит свет в вакууме за 1/299792458 долю секунды. Данное определение метра закреплено законодательно в 1985 году.

Новый эталонный комплекс по воспроизведению метра кроме повышения точности измерения в необходимых случаях позволяет так же следить за постоянством платино-иридиевого эталона, ставшего теперь вторичным эталоном, используемым для передачи размера единицы рабочим эталоном.

Эталон единицы массы. При установлении метрической системы мер в качестве единицы времени приняли массу одного кубического дециметра чистой воды при температуре ее наибольшей плотности (4⁰ С).

В этот период были проведены точные определения массы известного объема воды путем последовательного взвешивания в воздухе и воде пустого бронзового цилиндра, размеры которого были тщательно определены.

Изготовленный на основе этих взвешиваний первый прототип килограмма представлял собой платиновую цилиндрическую гирю высотой 39 мм, равной ее диаметру. Как и прототип метра, он был передан на хранение в Национальный архив Франции. В 19 веке повторно осуществили несколько тщательных измерений массы одного кубического дециметра чистой воды при температуре 4⁰ С. При этом было установлено, что эта масса немного (приблизительно на 0, 028г) меньше прототипа килограмма Архива. Для того, чтобы при дальнейших, более точных, взвешиваниях не менять значение исходной единицы массы, Международной комиссией по прототипам метрической системы в 1872г. было решено за единицу массы принять массу прототипа килограмма Архива.

При изготовлении платино-иридиевых эталонов килограмма за международной прототип был принят тот, масса которого меньше всего отличалась от массы прототипа килограмма Архива.

В связи с принятием условного прототипа единицы массы литр оказался не равным кубическому дециметру. Значение этого отклонения (1л=1, 000028 дм³ ) соответствует разности между массой международного прототипа килограмма и массой кубического дециметра воды. В 1964 году 12-я Генеральная конференция по мерам и весам приняла решение о приравнивании объема 1 л к 1дм³.

Следует отметить, что в момент установления метрической системы мер не было четкого разграничения понятий массы и веса, поэтому международный прототип килограмма считался эталоном единицы веса. Однако уже при утверждении международного прототипа килограмма на 1-й Генеральной конференции по мерам и весам в 1889 году килограмм был утвержден в качестве прототипа массы.

Четкое разграничение килограмма как единицы массы и килограмма как единицы силы было дано в решениях 3-й Генеральной конференции по мерам и весам (1901г).

Государственный первичный эталон и поверочная схема для средств изменения массы определяется ГОСТ 8.021 – 84. Государственный эталон состоит из комплекса мер и измерительных средств:

· национального прототипа килограмма – копии № 12 международного прототипа килограмма, представляющего собой гирю из платино-иридиевого сплава и предназначенного для передачи размера единицы массы гире R1;

· национального прототипа килограмма – копия № 26 международного прототипа килограмма, представляющего собой гирю из платино-иридиевого сплава и предназначенного для проверки неизменности размера единицы массы, воспроизводимый национальным прототипом килограмма – копии № 12, и замены последнего в период его сличений в Международном бюро мер и весов;

· гири R1 и набора гирь, изготовленных из платино-иридиевого сплава и предназначенных для передачи размера единицы массы эталонам – копиям;

· эталонных весов.

Номинальное значение массы, воспроизводимое эталоном, составляет 1кг. Государственный первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы массы со средним квадратическим отклонением результата измерений при сличении с международным прототипом килограмма, не превышающим 2*10^-3 мг.

Эталонные весы, с помощью которых производится сличение эталона массы, с диапазоном взвешивания 2*10^-3… 1кг имеют среднее квадратическое отклонение результата наблюдения на весах 5*10^-4 … 3*10^-2 мг.

Эталоны единицы температуры. Измерение температуры с момента изобретения термометра Галилеем в 1598 году основывалось на применении того или иного термометрического вещества, изменяющего свой объем или давление при изменении температуры.

В 1715 году Фаренгейт создал ртутный термометр и предложил для построения термометрической шкалы две точки: температура смеси льда с солью и нашатырем, которую он обозначил 0, и температуру тела человека, которую он обозначил числом 96.

В 1736 году Реомюр предложил для термометрической шкалы другие две постоянные точки, более удобные для воспроизведения: точку таяния льда 0 и точку кипения воды 80.

В 1742 году Цельсий предложил термометрическую шкалу, в которой расстояние по шкале между точкой таяния льда и точкой кипения воды делилась на 100 частей. Показания термометров такого типа зависели от рода применяемого термометрического вещества, особенностей и условий его теплового расширения.

В 1848 году Кельвин и независимо от него Д.И.Менделеев предложили построить термодинамическую шкалу температур по одной реперной точке, приняв за нее тройную точку воды (точка равновесия воды, находящейся в специальном герметичном сосуде, в твердой, жидкой и газообразной фазах), которую можно воспроизвести с наименьшей погрешностью (0, 0001 К).

Нижней границей температурного интервала в этом случае служит точка абсолютного нуля. Данное предложение полностью было реализовано только в 18954 году, когда после тщательного анализа результатов, полученных в разных лабораториях, признали значение тройной точки воды, равное 273,16К, и точки таяния льда – 273,15К. Таким образом, термодинамическая температура является основной и обозначается символом Т. ее единицей служит кельвин (К), определенный как 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Температура (t) в градусах Цельсия (⁰ С) определяется по формуле:

t=T-T₀,

где Т₀ =273,15К.

Один градус Цельсия равен одному кельвину.

Поскольку воспроизведение термодинамической шкалы по одной реперной точке представляет значительные трудности, в 1968 г ввели Международную практическую температурную шкалу (МПТШ-68). Для ее воспроизведения кроме тройной точки воды использовали еще 10-11 реперных точек, реализуя состояние равновесия между жидкой и газообразной или твердой или жидкой фазами чистых веществ. При воспроизведении шкалы в интервале температур, близких к абсолютному нулю, использовали тройную точку водорода (Т=13,81К). При температурах, близких к 1000К, использовали точки затвердения серебра и золота. Точность воспроизведения кельвина (градуса Цельсия) различна в различных интервалах температур. Наименьшая погрешность (0, 0002К) достигается в тройной точке воды.

В качестве эталонных приборов при воспроизведении шкалы используют платиновый термометр сопротивления (-259,34…+630,74⁰ С) и термопару платинородий-платина (630,74…1064,43⁰ С).

В 1989 году вместо МПТШ-68 была принята новая международная практическая температурная шкала МПТШ-90, позволившая повысить точность воспроизведения кельвина в некоторых интервалах шкалы за счет введения дополнительных реперных точек плавления (точка галлия) и затвердевания (точки индия, алюминия, меди).

Во ВНИИМ им. Д,И.Менделеева созданы два государственных первичных и один специальный эталоны, обеспечивающие единство измерений температуры в диапазоне измерений 273,15…6300К. государственная поверочная схема для средств измерения температуры установлена ГОСТ 8.558-93.

Эталон единицы электрического тока. Ввиду отсутствия возможности на практике определить размер ампера через количество электричества используются другие физические величины, с которыми электрический ток связан определенными зависимостями. Долгое время за один ампер принимали неизменяющийся ток, который, проходя через водный раствор азотно-кислого серебра, при соблюдении приложенной спецификации выделяет 0,001118г серебра в одну секунду.

С 1948 года в качестве эталона ампера были приняты токовые весы, с помощью которых определяли силу взаимодействия между двумя проводниками (в соответствии с определением единицы ампера). Переход к этому эталону был связан с тем, что силу, с которой один проводник действует на другой, можно измерить более точно, чем количество выделенного вещества на электродах.

В настоящее время в связи с введением в метрологическую практику эталонов ома и вольта назначение токовых весов как средства, необходимого для воспроизведения ампера, утратило смысл, поскольку воспроизведение ампера через единицы сопротивления и напряжения повысило точность на два порядка.

Новый государственный первичный эталон ампера состоит из двух комплексов. В первом из них размер ампера воспроизводится через ом и вольт, а во втором – через фарад, вольт и секунду с использованием методов электрометрии.

Эталон и поверочная схема для средств измерения силы тока в диапазоне 30…110А регламентированы ГОСТ 8.022-91.

Эталон единицы силы света. С начала ХХ века в качестве эталонов силы света использовали электрические лампы накаливания, позволяющие сохранять световые единицы с погрешностью не более 0,1%. К концу 1930-х гг. были созданы новые световые эталоны, основанные на полном излучателе (абсолютно черном теле). Начиная с 1980 г. кандела воспроизводится путем косвенных измерений. В диапазоне измерений 30…110кд среднее квадратическое отклонение результата измерений составляет 1*10^-3 кд. Государственный первичный эталон канделы и поверочная схема для средств измерений световых величин непрерывного и импульсного излучений регламентированы ГОСТ 8.023-90.

Последняя основная единица системы СИ – моль – не имеет эталона, поскольку является расчетной. Однако в области физико-химических измерений зарегистрированы три государственных эталона, воспроизводящих единицы молярной доли компонентов в газовых средах, объемного влагосодержания нефти и нефтепродуктов, относительной влажности газов.

2.ВИДЫИ МЕТОДЫИЗМЕРЕНИЙ

Измерение является важнейшим понятием в метрологии. Это организованное действие человека, выполняемое для количественного познания свойств физического объекта с помощью определения опытным путем значения какой–либо физической величины.

Существует несколько видов измерений. При их классификации обычно исходят из характера зависимости измеряемой величины от времени, вида уравнения измерений, условий, определяющих точность результата измерений и способов выражения этих результатов.

По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения разделяются на:

• статические, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени;
• динамические, в процессе которых измеряемая величина изменяется и является непостоянной во времени.

Статическими измерениями являются, например, измерения размеров тела, постоянного давления, динамическими – измерения пульсирующих давлений, вибраций.

По числу измерений они делятся на однократные и многократные. Однократным называют измерение, выполненное один раз. Многократным называют измерение физической величины одного размера, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений, то есть состоящее из ряда однократных измерений. Многократное измерение выполняют в случае, когда случайная составляющая погрешности однократного измерения может превысить требуемые по условиям задачи значение. Выполнив ряд последовательных отдельных измерений, получают одно многократное измерение, погрешность которого может быть уменьшена методами математической статистики.

По способу получения результатов измерений их разделяют на:

• прямые;
• косвенные;
• совокупные;
• совместные.

Прямые – это измерения, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных. Прямые измерения можно выразить формулой Q = X, где Q – искомое значение измеряемой величины, а X – значение, непосредственно получаемое из опытных данных.

При прямых измерениях экспериментальным операциям подвергают измеряемую величину, которую сравнивают с мерой непосредственно или же с помощью измерительных приборов, градуированных в требуемых единицах. Примерами прямых служат измерения длины тела линейкой, массы при помощи весов и др. Прямые измерения широко применяются в машиностроении, а также при контроле технологических процессов (измерение давления, температуры).Косвенные – это измерения, при которых искомую величину определяют на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям, т.е. измеряют не собственно определяемую величину, а другие, функционально с ней связанные. Значение измеряемой величины находят путем вычисления по формуле Q = F(x₁,x₂,…,x_n), где Q – искомое значение косвенно измеряемой величины; F – функциональная зависимость, которая заранее известна, x₁,x₂,…,x_n – значения величин, измеренных прямым способом.Совокупные – это производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомую определяют решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.

Совместные – это производимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимостей между ними.По условиям, определяющим точность результата, измерения делятся на три класса:

• измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровне техники. К этому же классу относятся и некоторые специальные измерения, требующие высокой точности;
• контрольно–поверочные измерения, погрешность которых с определенной вероятностью не должна превышать некоторого заданного значения;
• технические измерения, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерений.

По способу выражения результатов измерений различают абсолютные и относительные измерения.

Абсолютными называются измерения, которые основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин или на использовании значений физических констант.

Относительными называются измерения отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

Существуют и другие классификации измерений, например, по связи с объектом (контактные и бесконтактные), по условиям измерений (равноточные и неравноточные).

Основными характеристиками измерений являются: принцип измерений, метод измерений, погрешность, точность, правильность и достоверность.

Принцип измерений – физическое явление или совокупность физических явлений, положенных в основу измерений. Например, измерение массы тела при помощи взвешивания с использованием силы тяжести, пропорциональной массе, измерение температуры с использованием термоэлектрического эффекта.

В настоящее время все измерения в соответствии с физическими законами, используемыми при их проведении, сгруппированы в 13 видов измерений. Им в соответствии с классификацией были присвоены двухразрядные коды видов измерений: геометрические (27), механические (28), расхода, вместимости, уровня (29), давления и вакуума (30), физико–химические (31), температурные и теплофизические (32), времени и частоты (33), электрические и магнитные (34), радиоэлектронные (35), виброакустические (36), оптические (37), параметров ионизирующих излучений (38), биомедицинские (39).

Метод измерений – совокупность приемов использования принципов и средств измерений.

Метод измерений – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Как правило, метод измерений обусловлен устройством средств измерений. Средствами измерений являются используемые технические средства, имеющие нормированные метрологические свойства. Примерами распространенных методов измерений являются следующие методы:

• метод непосредственной оценки – метод, при котором значение величины определяют непосредственно по показывающему средству измерений. Например, взвешивание на циферблатных весах или измерение давления пружинным манометром;
• дифференциальный метод – метод измерений, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, и при котором измеряется разность между этими двумя величинами. Этот метод может дать очень точные результаты. Так, если разность составляет 0,1 % измеряемой величины и оценивается прибором с точностью до 1 %, то точность измерения искомой величины составит уже 0,001 %. Например, при сравнении одинаковых линейных мер, где разность между ними определяется окулярным микрометром, позволяющим ее оценить до десятых долей микрона;
• нулевой метод измерений – метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля. Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения и хранения физической величины. Например, измерение массы на равноплечных весах при помощи гирь. Принадлежит к числу очень точных методов.
• метод сравнения с мерой – метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают величиной, воспроизводимой мерой. Например, измерение напряжения постоянного тока на компенсаторе сравнением с известной ЭДС нормального элемента. Результат измерения при этом методе либо вычисляют как сумму значения используемой для сравнения меры и показания измерительного прибора, либо принимают равным значению меры. Существуют различные модификации этого метода: метод измерения замещением (измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины, например, при взвешивании поочередным помещением массы и гирь на одну и ту же чашку весов) и метод измерений дополнением (значение измеряемой меры дополняется мерой этой же величины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению).

Качество измерений характеризуется точностью, достоверностью, правильностью, сходимостью и воспроизводимостью измерений, а также размером погрешности.

Погрешность измерений – разность между полученным при измерении и истинным значениями измеряемой величины. Погрешность вызывается несовершенством методов и средств измерений, непостоянством условий наблюдения, а также недостаточным опытом наблюдателя или особенностями его органов чувств.

Точность измерений – это характеристика измерений, отражающая близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Количественно точность можно выразить величиной, обратной модулю относительной погрешности.

Правильность измерения определяется как качество измерения, отражающее близость к нулю систематических погрешностей результатов (т.е. таких погрешностей, которые остаются постоянными или закономерно изменяются при повторных измерениях одной и той же величины). Правильность измерений зависит, в частности, от того, насколько действительный размер единицы, в которой выполнено измерение, отличается от ее истинного размера (по определению), т.е. от того, в какой степени были правильны (верны) средства измерений, использованные для данного вида измерений.

Важнейшей характеристикой качества измерений является их достоверность. Она характеризует доверие к результатам измерений и делит их на две категории: достоверные и недостоверные, в зависимости от того, известны или неизвестны вероятностные характеристики их отклонений от истинных значений соответствующих величин. Результаты измерений, достоверность которых неизвестна, не представляют ценности и в ряде случаев могут служить источником дезинформации.

Сходимость (повторяемость) – это качество измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений одного и того же параметра, выполненных повторно одними и теми же средствами измерений, одним и тем же методом в одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью.

Воспроизводимость – это качество измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений одного и того же параметра, выполняемых в различных условиях (в различное время, различными средствами и т.д.).