Эталоны и рабочие средства измерений

Средства измерений (СИ) можно разделить на эталоны и рабочие средства измерений.

Рабочие средства измерений применяют для определения параметров (характеристик) технических устройств, технологических процессов, окружающей среды и т.д.

Воспроизведение, хранение и передача размеров единиц осуществляются с помощью первичных, вторичных и рабочих эталонов. Рабочие эталоны раньше назывались образцовыми средствами измерений. Высшим звеном в метрологической цепи передачи размеров единиц измерений являются эталоны.

Эталон единицы физической величины (measurement standard) — средство измерений (или комплекс средств измерений), предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений и утвержден­ное в качестве эталона в установленном порядке.

Перечень эталонов не повторяет перечня физиче­ских величин. Для ряда единиц эталоны не создают из-за того, что нет воз­можности непосредственно сравнивать соответствующие физические вели­чины; например, нет эталона площади. Не создают эталоны и в том случае, когда единица физической величины воспроизводится с достаточной точно­стью на основе сравнительно простых средств измерений других величин.

Конструкция эталона, его свойства и способ воспроизведения единицы определяются природой физической величины и уровнем развития измери­тельной техники в данной области измерений.

Практикой установлено, что эталон должен обладать, по крайней мере, тремя тесно связанными друг с другом существенными свойствами — неиз­менностью, воспроизводимостью и сличаемостью.

Неизменность (invariance) — свойство эталона удерживать не­изменным размер воспроизводимой им единицы физической величи­ны 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 созданию «естественных» эталонов различных величин, основанных на физических постоянных.

Воспроизводимость (reproducibility) — возможность воспроизве­дения эталоном единицы физической величины с наименьшей по­грешностью для существующего уровня измерительной техники.

Сличаемость (compare) — возможность сличения с эталоном других средств измерений, нижестоящих по поверочной схеме, в пер­вую очередь вторичных эталонов, с наивысшей точностью для суще­ствующего уровня развития техники измерения.

В определение эталона входят понятия: воспроизведение, хранение, передача.

Воспроизведение единицы физической величины — совокупность операций по материализации единицы физической величины с по­мощью государственного первичного эталона.

Различают воспроизведение основной и производной единиц.

Воспроизведение основной единицы — воспроизведение единицы путем создания фиксированной по размеру физической величины в соот­ветствии с определением единицы.

Воспроизведение производной единицы — определение значения физической величины в указанных единицах на основании измерений других величин, функционально связанных с измеряемой величиной. Так, воспроизведение единицы силы — ньютона — осуществляют по уравнению механики F= mg, где g — ускорение свободного падения.

Передача размера единицы — приведение размера единицы фи­зической величины, хранимой поверяемым средством измерений, к размеру единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном, осуще­ствляемое при их поверке (калибровке).

Размер единицы передают «сверху вниз» в соответствии с числом сту­пеней передачи поверочной схемы.

В качестве методов передачи информации о размере еди­ниц используют методы непосредственного сличения (т. е. сличения меры с мерой или показаний двух приборов), а также сличение с по­мощью компаратора. Непосредственное сличение применяют, как правило, для менее точных мер. Непосредственно сличать можно только штриховые меры длины (линейка, брусковые метры, рулетки), меры вместимости (измерительные цилиндры, мерные колбы и пр.). Для более точной поверки используют приборы сравнения — компарирующие устройства. Наиболее часто применяют следующие ком­параторы: образцовые весы различных разрядов (при поверке гирь), мосты постоянного и переменного тока (при сличении мер сопротив­ления и ЭДС нормальных элементов).

Структуру системы передачи размера единицы величины образ­но можно представить в виде пирамиды (рис. 1.6), в основании кото­рой находится совокупность рабочих средств измерений; вершину занимает государственный эталон; на промежуточных плоскостях

Рис. 1.6. Структура системы передачи размера единицы величины

рабочие эталоны различных разрядов. От основания к вершине уменьшается погрешность средств измерений, растет их стоимость, снижается «тираж» изготовления. Процесс передачи размера единиц происходит при поверке и калибровке средства измерений. Поверка и калибровка представляют собой набор операций, выполняемых с це­лью определения и подтверждения соответствия метрологической службой установленным техническим требованиям.

Хранение единиц – совокупность операций, обеспечивающих неизменность во времени размера единицы, присущего данному СИ.

Эталоны основных электрических величин. В области изме­рений электрических и магнитных величин в настоящее время созда­ны и функционируют 32 эталона. Они перекрывают не только боль­шой диапазон измеряемых величин, но и широкий спектр условий их измерений, прежде всего частоты, доходящей до десятков гигагерц. Основу составляют эталоны, которые воспроизводят единицы и опре­деляют размеры остальных производных единиц. Это государствен­ные первичные эталоны единиц ЭДС, сопротивления и емкости. Пер­вые два разработаны недавно и основаны на квантовых эффектах Джозефсона и Холла.

Основной единицей электрических величин является единица силы тока — ампер (А).

Производные от ампера единицы электрических величин:

— ЭДС и электрического напряжения — вольт (В);

— частоты — герц (Гц);

— электрического сопротивления •— ом (Ом);

— индуктивности и взаимоиндуктивности двух катушек — генри (Гн);

— электрической емкости — фарад (Ф).

Все перечисленные единицы воспроизводятся и хранятся посред­ством государственных первичных эталонов.