Еталони фізичних величин - студопедія

Методи і засоби забезпечення єдності вимірювань

Для забезпечення єдності вимірювань необхідна тотожність одиниць, в яких проградуйовані всі засоби вимірювань однієї і тієї ж фізичної величини. Це досягається шляхом точного відтворення та зберігання встановлених одиниць фізичних величин і передачі їх розмірів застосовуваних засобів вимірювань.

Відтворення, зберігання і передача розмірів одиниць здійснюються за допомогою еталонів.

Еталон є засіб вимірювань (або комплекс засобів вимірювань), що забезпечує відтворення і зберігання одиниці фізичної величини з метою передачі розміру одиниці зразковим засобам вимірювань, а від них робочим засобам вимірювань.

Еталони діляться на первинні, вторинні і робочі.

Первинні еталони відтворюють одиниці фізичних величин з найвищою точністю, досяжною в даній галузі вимірювань. Первинні еталони основних одиниць відтворюють одиницю відповідно до її визначенням. Різновидом первинних еталонів є спеціальні еталони. призначені для відтворення одиниць в встановлених особливих умовах (надвисокі частоти, малі і великі енергії, тиску, температури і т.п.). Первинні і спеціальні еталони, офіційно затверджені в якості вихідних для країни, називають дер-дарчими. на кожен з них стверджують державний стандарт.

Вторинні еталони створюються для організації повірочних робіт і забезпечення схоронності і найменшого зносу Державного стандарту. Значення вторинних еталонів встановлюється за первинними еталонами. За своїм метрологічного призначенням вторинні еталони поділяються на: 1) еталони-копії; 2) еталони порівняння; 3) еталони-свідки; 4) робочі еталони.

Еталон-копія являє собою вторинний еталон, предназ-чення для зберігання одиниці та передачі її розміру робочим еталонам. Він не завжди може бути фізичною копією державного еталону.

Еталон порівняння - вторинний еталон, застосовуваний для слі-чення еталонів, які з тих чи інших причин не можуть не-посередньо звіряти один з одним. Прикладом еталону порівняння може служити група нормальних елементів, що застосовується для звірення Державного еталона вольта СРСР з еталоном вольта Міжнародного бюро мір і ваг.

Еталон-свідок - вторинний еталон, який використовується для про-перевірки збереження державного еталона та для заміни його у разі псування або втрати. Еталон-свідок застосовується лише тоді, коли державний еталон не чути.

Еталони робочі -еталони 1-го, 2-го, 3-го і 4-го розрядів, які застосовуються для зберігання одиниці та передачі її розміру робочим засобам вимірювань.

Рис.2.8. Класифікація еталонів по підпорядкованості.

Крім національних еталонів, є міжнародні стандарти, що належать групі країн і призначені для підтримки єдності вимірювань в міжнародному масштабі шляхом періодичного звірення національних еталонів з міжнародними і між собою. Міжнародні стандарти зберігає і підтримує Міжнародне бюро мір і ваг (МБМВ).

Державні еталони основних одиниць системи СІ:

1. Еталон одиниці маси - кілограма складається з національного прототипу кілограма (гирі з платиново-іридієвого сплаву) і еталонних ваг, призначених для передачі розміру одиниці маси вторинним еталонам. Середнє квадратичне відхилення відносної похибки відтворення еталоном одиниці маси дорівнює 7 · 10 -9.

2. Еталон одиниць довжини - комплекс засобів, що відтворюють метр у вигляді 1 650 763,73 довжин хвиль випромінювання у вакуумі, що відповідає переходу між певними рівнями атома криптону-86. Еталон забезпечує відтворення метра з відносним середнім квадратичним відхиленням результату вимірювань, що не перевищує 5 · 10 -9.

Метр був в числі перших одиниць, для яких були введені еталони. Спочатку в період введення метричної системи заходів за перший еталон метра була прийнята одна десятимільйонна частина чверті довжини Паризького меридіана. У 1799 р на основі її вимірювання виготовили еталон метра у вигляді платинової кінцевий заходи (метр Архіву), який представляв собою лінійку шириною близько 25 мм, товщиною близько 4 мм з відстанню між кінцями 1 м.

Платино-іридієвий еталон метра с1889 по 1960 роки

3. Еталон одиниці часу-комплекс засобів, що відтворюють секунду у вигляді 9 192 631 770 періодів коливань електромагнітного випромінювання, відповідного переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію-133. Цей еталон є також еталоном одиниці частоти - герца. Він забезпечує відтворення одиниць з відносним середнім квадратичним відхиленням результату вимірювань, що не перевищує 1 · 10 -13. при невиключену відносної систематичної похибки, які не превишающей1 · 10 -12.

Одиниця часу - секунда вперше визначалася через період обертання Землі навколо осі або Сонця. До недавнього часу секунда дорівнювала 1/86400 частині сонячних середніх діб. За середні сонячні добу приймався інтервал часу між двома послідовними кульмінаціями "середнього" Сонця. Для визначення одиниці часу. Середні сонячні добу визначаються з похибкою до 10 -7 с.

4. Еталон одиниці сили постійного електричного струму # 8209; ампера # 8209; це комплекс засобів, до складу яких входять струмові ваги. У струмових вагах, що представляють собою важелі равноплечіе ваги, з одного боку на коромисло діє сила взаємодії двох соленоїдів, обтічних постійним струмом, а з іншого боку - гиря відомої маси. При рівновазі терезів, сила струму визначається через масу гирі, прискорення вільного падіння в місці розташування ваг і постійну електродинамічної системи (двох соленоїдів), що залежить від форми і розмірів соленоїдів, діаметра перетину дроту соленоїдів, значення відносної магнітної проникності середовища і т. Д.) . Таким чином, ампер відтворюється через основні одиниці - метр, кілограм і секунду. Еталон відтворює розмір ампера з відносним середнім квадратичним відхиленням результату вимірювань, що не перевищує 4 · 10 -6. при відносній систематичної похибки, що не перевищує 8 · 10 -6.

5. Еталон одиниці температури кельвін був визначений ХIII Генеральною конференцією з мір та ваг як одиниця термодинамическом температури, що дорівнює 1 / 273,16 частини термодінамі-чеський температури потрійної точки води.

Потрійна точка води - це точка рівноваги води в твердій, рідкій і газоподібних фазах.

VII Генеральна конференція з мір та ваг в 1927 р прийняла, а IX Генеральна конференція в 1948 р затвердила Міжнародну практичну температурну шкалу, відтворену за певними постійним реперних точок. Реперні точки відтворюють, реалізуючи стан рівноваги між фазами чистих речовин. Точність відтворення Кельвіна і градуси Цельсія різна в різних інтервалах температур. Найбільша точність відтворення досягається в потрійний точці води 273,16 К ± 0,0002 К (або +0.01 ± 0,0002 ° С). В якості еталонних приладів застосовуються платиновий термометр опору в діапазоні температур 13,81 До і 630,74 ° С; термопара платинородій-платина в діапазоні, між 630,74 і 1064,43 ° С

• потрійний точки ртуті (- 38,8344 ° С);
• потрійний точки води (0,01 ° С);
• точки плавлення галію (29,7646 ° С);
• точок затвердіння: індію (156,5985 ° С), олова (231,928 ° С), цинку (419,527 ° С), алюмінію (660,323 ° С), срібла (961,78 ° С)

6. Еталон одиниці сили світла - кандела - це сила світла, що випускається з площі 1/600000 м 2 перетині повного випромінювача, в перпендикулярному до цього перерізу напрямок при температурі випромінювача, що дорівнює температурі затвердіння платини при тиску 101325Па.

Кандела найбільш точно відтворюється за допомогою еталонного пристрою - повного випромінювача. Повний випромінювач, званий іноді абсолютно чорним тілом (рис. 2.9), являє собою невелику трубочку з окису торію внутрішнім діаметром близько 2,5 мм, занурену в чисту платину. Платина в свою чергу знаходиться в посудині, спресованому з порошку плавленой окису торію, оточеному порошком з окису торію. Все це поміщено в зовнішній посудину з плавленого кварцу. Зовнішній посудину оточений невеликим числом витків мідної охолоджувальної водою трубки. За трубці пропускається струм високої частоти (близько 250 кГц), який нагріває платину до її розплавлення. Разом з платиною нагрівається і трубочка з торію. Світло випромінюється з порожнини трубочки через отвір у верхній її частині. Яскравість повного випромінювача при температурі затвердіння платини порівнюється за допомогою фотометра з яскравістю особливих ламп розжарювання, які використовуються в якості вторинних еталонів.

Відтворення кандели приписана похибка ± 0,5% за результатами міжнародних звірень.

Рис.2.9. Повний випромінювач:

1 високочастотний генератор, 2 повний випромінювач, 3 призма повного внутрішнього відображення, 4 фотометр, 5 еталонна лампа розжарювання.