Методичка: Метрология, стандартизация и сертификация

Радиан (рад) - единица плоского угла, равная углу между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу. В градусном исчислении 1 рад = 57°17'44,8". . Стерадиан (ср) - единица, равная телесному углу с вершиной в центре сферы, вырезающему на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.

Телесному углу в 1 ср соответствует плоский угол, равный 65°32', углу π ср - плоский угол 120°, углу 2πср - плоский угол 180°. Дополнительные единицы используются только для теоретических расчетов и образования производных единиц, например угловой скорости, углового ускорения. Для измерения углов применяют угловые градусы, минуты и секунды. Приборов для измерения углов в радианах нет.

Угловые единицы не могут быть введены в число основных, так как это вызвало бы затруднение в трактовке размерностей величин, связанных с вращением (дуги окружности, площади круга, работы пары сил и т. д.). Вместе с тем угловые единицы нельзя считать и производными, так как они не зависят от выбора основных единиц. Действительно, при любых единицах длины размеры радиана и стерадиана остаются неизменными.

Из семи основных единиц и двух дополнительных в качестве производных выводят единицы для измерений физических величин во всех областях науки и техники.

В решениях XI и XII Генеральных конференций по мерам и весам даны 33 производных единицы СИ. Важным принципом, который соблюден в Международной системе единиц, является ее когерентность (согласованность). Так, выбор основных единиц системы обеспечил полную согласованность механических и электрических единиц. Например, ватт - единица механической мощности (равный джоулю в секунду) равняется мощности, выделяемой электрическим током силой 1 ампер при напряжении 1 вольт. В СИ, подобно другим когерентным системам единиц, коэффициенты пропорциональности в физических уравнениях, определяющих производные единицы, равны безразмерной единице.

Когерентные производные единицы Международной системы образуются с помощью простейших уравнений связи между величинами (определяющих уравнений), в которых величины приняты равными единицам СИ.

В Международной системе единиц, как и в других системах единиц физических величин, важную роль играет размерность.

Размерностью называют символическое (буквенное) обозначение зависимости производных величин (или единиц) от основных.

Размерность служит качественной характеристикой величины и выражается произведением степеней основных величин, через которые может быть определена.

Размерность не полностью отражает все качественные особенности величин. Встречаются различные величины, имеющие одинаковую размерность. Например, работа и момент силы, сила тока и магнитодвижущая сила и др.

Размерность играет важную роль при проверке правильности сложных расчетных формул в теории подобия и теории размерностей.

Таблица 4.2

Множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц и их обозначение

Преимущества Международной системы единиц

Основными преимуществами Международной системы единиц являются:

1 унификация единиц физических величин на базе СИ. Для каждой физической величины устанавливается одна единица и система образования кратных и дольных единиц от нее с помощью множителей (табл. 4.2.);

2 система СИ является универсальной системой. Она охватывает все области науки, техники и отрасли экономики;

3 основные и большинство производных единиц СИ имеют удобные для практического применения размеры. В системе разграничены единицы массы (килограмм) и силы (ньютон);

4 упрощается запись уравнений и формул в различных областях
науки и техники. В СИ для всех видов энергии (механической, тепло
вой, электрической и др.) установлена одна, общая единица - джоуль.

Лекция №5

ЭТАЛОНЫ ЕДИНИЦ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

. Общие понятия, признаки и классификация эталонов

Единство измерений достигается путем точного воспроизведения и хранения установленных единиц физических величин и передачи их размеров рабочим средством измерений. Воспроизведение, хранение и передачу размеров единиц осуществляют с помощью эталонов. Эталон является высшим звеном в метрологической цепи передачи размеров единиц измерений.

          Эталон (мерило, образец) - это средство измерений (или комплекс средств измерений), обеспечивающее воспроизведение и хранение единицы величины с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений, выполненное по особым правилам и утвержденное в установленном порядке.

          Конструкция эталона, его физические свойства и способ воспроизведения определяются природой физической величины (единица которой воспроизводится) и уровнем развития измерительной техники в данной области измерений.

Эталон должен обладать следующими существенными признаками: неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью.

Неизменность эталона - свойство эталона удерживать неизменным размер воспроизводимой им единицы в течение длительного периода времени, а все изменения, зависящие от внешних условий (температура,, влажность, давление и т. п.), должны быть строго определенными функциями величин, доступных точному измерению.

Воспроизводимость эталона - возможность воспроизведения единицы физической величины с наименьшей погрешностью для данного уровня развития измерительной техники.

Сличаемостъ эталона - возможность обеспечения сличения с эталоном других средств измерений, нижестоящих по поверочной схеме, с наивысшей точностью для данного уровня развития техники измерений.

Различают следующие виды эталонов: первичный; специальный; государственный; вторичный; эталон-свидетель; эталон-копия; эталон-сравнения; рабочий эталон; международный эталон и др.

Действующий в настоящее время международный стандарт ИСО - 10012 -1-92 дает следующие определения эталонов.

          Под первичным эталоном понимается эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же величины) точностью.

Первичные эталоны представляют собой уникальные средства измерений, часто представляющие собой сложнейшие измерительные комплексы. Они составляют основу государственной системы обеспечения единства измерений. Многие первичные эталоны утверждаются в качестве государственных эталонов.

В качестве специального эталона используется эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы в особых условиях и служащий для этих условий первичным эталоном.

Государственный эталон единицы величины - эталон единицы величины, признанный решением уполномоченного на то государственного органа в качестве исходного на территории Российской Федерации.

Совокупность первичных эталонов составляет эталонную базу страны и является основой обеспечения единства измерений. Число эталонов не является постоянным, а изменяется в зависимости от потребностей народного хозяйства страны. Обычно прослеживается увеличение их числа во времени, что обусловлено постоянным развитием рабочих средств измерений.

В качестве вторичного эталона используется эталон, получающий размер единицы путем сличений с первичным эталоном рассматриваемой единицы.

Вторичный эталон является подчиненным по отношению к первичному эталону.

Эталон-свидетель - вторичный эталон, предназначенный для поверки сохранности и неизменности государственного эталона и для замены его в случае порчи или утраты. В настоящее время только эталон килограмма имеет эталон-свидетель.

Основное назначение эталона-свидетеля усилить уверенность в постоянстве основного эталона. По существу, с помощью эталона-свидетеля можно лишь констатировать постоянство или изменение отношения между единицами, воспроизводимыми эталоном-свидетелем и первичным эталоном. Можно также с определенной степенью достоверности утверждать, что в случае постоянства этих отношений размеры единиц, воспроизводимых эталонами, остаются неизменными.

Эталон-копия - это вторичный эталон, предназначенный для передачи размера единицы рабочим эталонам. Такие эталоны создаются в случае большого числа поверочных работ с целью предохранения первичного или специального эталона от преждевременного износа. Эталон-копия представляет собой копию государственного эталона только по метрологическому назначению и может не всегда являться физической копией государственного эталона. При необходимости эталон-копия может заменить государственный эталон.

Эталон-сравнения - это вторичный эталон, который применяется для сличений эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличаемы друг с другом.

Рабочий эталон - это вторичный эталон, применяемый для передачи размера единицы образцовым средствам измерений высшей точности, и в отдельных случаях - наиболее точным рабочим средствам измерений. Рабочие эталоны являются наиболее распространенными вторичными эталонами.

Международный эталон - это эталон, принятый по международному соглашению в качестве первичного международного эталона и служащий для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами.

Измерительный эталон - вещественная мера, измерительный прибор, стандартный образец или система, предназначенные для определения, реализации, сохранения или воспроизведения единицы или одного либо нескольких значений величин, в целях передачи их другому измерительному прибору путем сличения.

          Международный (измерительный) эталон - эталон, признанный международным соглашением для того, чтобы служить в международном масштабе в качестве основы для установления значений всех других эталонов соответствующей величины.

          Национальный эталон - эталон, признанный официальным государственным решением служить в стране в качестве основы для установления значений всех других эталонов соответствующей величины. В нашей стране такой эталон называется государственным.

          Национальный государственный эталон в стране часто является первичным, так как он служит для воспроизведения физической величины с наивысшей точностью, достигнутой в данной области измерений.

2. Эталоны единиц физических величин

          Международные эталоны единиц хранятся в международном бюро мер и весов (МБМВ), г. Севр, Франция. Эталоны единиц длины, массы и времени с 1741 г., когда французские ученые приняли за единицу длины одну десятимиллионную часть четверти парижского меридиана, прошли эволюционное развитие и в настоящее время каждый эталон - это сложная установка, включающая комплекс средств измерений, оборудования, вспомогательных устройств.

          До 1960 г. международный эталон метра был механическим в виде стержня с Х-образным поперечным сечением из платиново-иридиевого сплава. Эталон хранился очень надежно: сначала деревянный футляр, потом металлический, затем сейф, расположенный в длинной комнате - комнате-сейфе. Однако за 70 лет вследствие старения кристаллической решетки сплава эталон вырос на 0,2 мм. Точность механического эталона перестала отвечать запросам практики.

          Идея создать с помощью света эталон длины - световой метр родилась еще в конце 19 века, когда разрабатывались законы интерференции света.

          В 1960 г. CI Генеральной конференцией по мерам и весам был принят новый эталон единицы длины - световой метр. Это длина, равная 1650763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего периоду между уровнями 2Р10 и 5d5 атома криптона-86.

          Метр в длинах световых волн воспроизводится с помощью интерференционной установки, содержащей лампу с криптоном-86, интерферометр с фотоэлектрическим микроскопом, рефрактометр для определения показаний преломления воздуха, термометрическую аппаратуру для измерений температуры меры и воздуха. Световой метр в длина световых волн воспроизводится интерференционным методом с помощью излучения в газоразрядной трубке газа - изотопа криптона-86, помещенной в сосуд Дьюара с жидким азотом. Длина волны спектральных линий излучения атомов постоянна, поэтому она используется для измерения единицы длины - метра.

          Погрешность воспроизведения светового метра, оцениваемая средним квадратичным отклонением результата измерения, составила 5х10-9. Но и такая погрешность в век космической техники оказалась слишком большой.

          Повышение точности эталона длины удалось осуществить при разработке высокостабильных лазеров, что позволило уточнить значение скорости света, равной 299792,458 км/с. В 1983 году CUII Генеральная конференция мер и весов приняла новое определение метра: «метр - длина пути, проходимого в вакууме светом за 1/299792,458 доли секунды».

          Международным эталоном единицы массы является масса платинового килограмма в форме цилиндрической гири высотой и диаметром 39 мм, хранящегося в Национальном архиве Франции. Для практического использования за международный прототип килограмма была принята платино-иридиевая гиря, наиболее близкая к массе платинового килограмма Архива. В 1889 г. I Генеральной конференцией по мерам и весам международный прототип килограмма был утвержден в качестве единицы массы, и решением этой конференции из 42 изготовленных прототипов килограмма были переданы России платиново-иридиевые прототипы килограмма № 12 и № 26. Прототип № 12 был утвержден в качестве государственного эталона массы, а прототип № 26 используется в качестве вторичного эталона. Эталон № 12 хранится в НПО ВНИИМ им. Д.И. Менделеева на кварцевой подставке под двумя стеклянными колпаками в стальном сейфе при поддержании температуры (20±3)°С и относительной влажности 65 %. С целью сохранения эталона с ним сличают два вторичных эталона раз в 10 лет. За прошедшие 100 лет со времени создания прототипов килограмма различные страны сличали свои национальные эталоны с международным. Отклонения массы национальных эталонов составили от 0,000 (Италия) до +0,031 (Швейцария).