Еталони, їх класифікація та види

Види засобів вимірювань

Перспективи розвитку еталонів

Види засобів вимірювань

Для практичного виміру одиниці величини застосовуються технічні засоби, які мають нормовані похибки і називаються засобами вимірювань.

До засобів вимірювань відносяться: заходи, вимірювальні перетворювачі, вимірювальні прилади, вимірювальні установки та системи, вимірювальні приналежності.

Мірою називають засіб вимірювання, призначений для відтворення фізичних величин заданого розміру. До даного виду засобів вимірювань відносяться гирі, кінцеві міри довжини і т.п. На практиці використовують однозначні і багатозначні міри, а також набори і магазини заходів. Однозначні заходи відтворюють величини тільки одного розміру (гиря). Багатозначні заходи відтворюють кілька розмірів фізичної величини. Наприклад, міліметрова лінійка дає можливість висловити довжину предмета в сантиметрах і в міліметрах.

Набори і магазини представляють собою об'єднання (поєднання) однозначних або багатозначних мір для отримання можливості відтворення деяких проміжних або сумарних значень величини.

Набір заходів являє собою комплект однорідних заходів різного розміру, що дає можливість застосовувати їх в потрібних сполученнях. Наприклад, набір лабораторних гирь.

Магазин заходів - поєднання заходів, об'єднаних конструктивно в один механічний ціле, в якому передбачена можливість за допомогою ручних або автоматизованих перемикачів, пов'язаних з відліковим пристроєм, з'єднувати складові магазин заходи в потрібному поєднанні. За таким принципом влаштовані магазини електричних опорів.

До однозначним заходів відносять стандартні зразки і стандартні речовини.

Стандартний зразок - це належним чином оформлена проба речовини (матеріалу), яка піддається метрологічної атестації з метою встановлення кількісного значення певної характеристики. Ця характеристика (або властивість) є величиною з відомим значенням при встановлених умовах зовнішнього середовища. До подібних зразків відносяться, наприклад, набори мінералів з конкретними значеннями твердості (шкала Мооса) для визначення цього параметра у різних мінералів.

Стандартним зразком є зразок чистого цинку, який служить для відтворення температури 419,527 ° С по міжнародній температурної шкалою МТШ-90.

При користуванні заходами слід враховувати номінальне і дійсне значення заходів, а також похибка заходи і її розряд. Номінальним називають значення заходи, вказане на ній.

Справжнє значення заходи повинно бути зазначено в спеціальному свідоцтві як результат високоточного вимірювання з використанням офіційного еталона.

Різниця між номінальною і дійсним значеннями називається похибкою заходи. Величина, протилежна за знаком похибки, є поправку до зазначеного на міру номінального значення. Оскільки при атестації (повірки) також можуть бути похибки, заходи поділяють на розряди (1-го, 2-го і т.д. розрядів) і називають розрядними еталонами (зразкові вимірювальні засоби), які використовують для повірки вимірювальних засобів. Величина похибки міри служить основою для поділу заходів на класи, що зазвичай застосовується до заходів, що вживаються для технічних вимірювань.

Вимірювальний перетворювач - це засіб вимірювань, яке служить для перетворення сигналу вимірювальної інформації в форму, зручну для обробки або зберігання, а також передачі в показує пристрій. Вимірювальні перетворювачі або входять в конструктивну схему вимірювального приладу, або застосовуються спільно з ним, але сигнал перетворювача не піддається безпосередньому сприйняттю спостерігачем. Наприклад, перетворювач може бути необхідний для передачі інформації в пам'ять комп'ютера, для посилення напруги і т.д. Перетворюваної величини називають вхідний, а результат перетворення - вихідний величиною. Основний метрологічної характеристикою вимірювального перетворювача вважається співвідношення між вхідний і вихідний величинами, зване функцією перетворення.

Перетворювачі поділяються на первинні (безпосередньо сприймають вимірювану величину), що передають, на виході яких величина набуває форму, зручну для реєстрації або передачі на відстань; проміжні, що працюють в поєднанні з первинними і не впливають на зміну роду фізичної величини.

Вимірювальні прилади - це засоби вимірювань, які дозволяють отримувати вимірювальну інформацію в формі, зручній для сприйняття користувачем. Розрізняються вимірювальні прилади прямої дії і прилади порівняння.

Прилади прямої дії відображають вимірювану величину на показує пристрої, що має відповідну градуювання в одиницях цієї величини. Зміни роду фізичної величини при цьому не відбувається. До приладів прямої дії відносять, наприклад, амперметри, вольтметри, термометри і т.п.

Прилади порівняння призначаються для порівняння вимірюваних величин з величинами, значення яких відомі. Такі прилади широко використовуються в наукових цілях, а також і на практиці для вимірювання таких величин, як яскравість джерел випромінювання, тиск стисненого повітря та ін.

Вимірювальні установки і системи - це сукупність засобів вимірювальної техніки, об'єднаних за функціональною ознакою з допоміжними пристроями, для вимірювання однієї або декількох фізичних величин об'єкта вимірювань. Зазвичай такі системи автоматизовані і забезпечують введення інформації в систему, автоматизацію самого процесу вимірювання, обробку і відображення результатів вимірювань для сприйняття їх користувачем. Такі установки (системи) використовують і для контролю (наприклад, виробничих процесів), що особливо актуально для методу статистичного контролю, а також принципу TQM в управлінні якістю.

Вимірювальні приналежності - це допоміжні засоби вимірювань величин. Вони необхідні для обчислення поправок до результатів вимірювань, якщо потрібна висока ступінь точності. Наприклад, термометр може бути допоміжним засобом, якщо показання приладу достовірні при строго регламентований температурі; психрометр - якщо строго обмовляється вологість навколишнього середовища.

Слід враховувати, що вимірювальні приналежності вносять певні похибки в результат вимірювань, пов'язані з похибкою самого допоміжний засіб.

По метрологічному призначенню кошти вимірів ділять на два види - робочі засоби вимірювань і еталони.

Робочі засоби вимірювань застосовують для визначення параметрів (характеристик) технічних пристроїв, технологічних процесів, навколишнього середовища та ін. Робочі засоби можуть бути лабораторними (для наукових досліджень), виробничими (для забезпечення і контролю заданих параметрів технологічних процесів), польовими (для літаків, автомобілів , судів і т.п.). Кожен з цих видів робочих засобів відрізняється особливими показниками. Так, лабораторні засоби вимірювань - найточніші і чутливих-тільні, а їх свідчення характеризуються високою стабільністю. Про-виробничій володіють стійкістю до впливів різних факторів виробничого процесу: температури, вологості, вібрації і т.п. що може позначитися на достовірності і точності показань приладів. Польові працюють в умовах, що постійно змінюються в широких пре-справах зовнішніх впливів.

Особливим засобом вимірювань є еталон.

Еталони, їх класифікація та види

Еталон - це високоточна міра, призначена для відтворення і зберігання одиниці величини з метою передачі її розміру іншим засобам вимірювань. Від еталона одиниця величини передається розрядним еталонам, а від них - робочим засобам вимірювань.

Еталони класифікують на первинні, вторинні і робочі.

Первинний еталон - це еталон, що відтворює одиницю фізичної величини з найвищою точністю, можливої в даній галузі вимірювань на сучасному рівні науково-технічних досягнень. Первинний еталон може бути національним (державним) та міжнародним.

Національний стандарт затверджується в якості вихідного засоби вимірювання для країни національним органом по метрології. ВУкаіни національні (державні) еталони стверджує Держстандарт РФ.

Міжнародні стандарти зберігає і підтримує Міжнародне бюро мір і ваг (МБМВ). Найважливіше завдання діяльності МБМВ складається в систе-тичних міжнародних звіреннях національних еталонів найбільших метрологічних лабораторій різних країн з міжнародними еталонами, а так-же і між собою, що необхідно для забезпечення достоверностіt точності і єдності вимірювань як однієї з умов міжнародних економічних зв'язків. Звірення підлягають як еталони основних величин системи СІ, так і похідних. Встановлено певні періоди звірення. Наприклад, еталони метра і кілограма звіряють кожні 25 років, а електричні та світлові еталони - один раз на 3 роки.

Первинного еталона підпорядковані вторинні і робочі (розрядні) еталони. Розмір відтворюється одиниці вторинним еталоном звіряє з державним еталоном. Вторинні еталони (їх іноді називають "еталони-копії") можуть затверджуватися або Держстандартом РФ, або державними науковими метрологічними центрами, що пов'язано з особливостями їх використання. Еталони робочі сприймають розмір одиниці від вторинних еталонів і в свою чергу служать для передачі розміру менш точному робочому еталону (або еталону нижчого розряду) і робочим засобам вимірювань.

Найпершими офіційно затвердженими еталонами були прототипи метра і кілограма, виготовлені у Франції, які в 1799 р були передані на зберігання в Національний архів Франції, тому їх стали називати "метр Архіву" і "кілограм Архіву". З 1872 р кілограм став визначатися як рівний масі "кілограма Архіву". Кожен еталон основної або похідної одиниці Міжнародної системи СІ має свою цікаву історію і пов'язаний з тонкими науковими дослідженнями і експериментами.

Наприклад, прийнятий в 1791 р Національними зборами Франції еталон метра, що дорівнює однієї десятимільйонна частини чверті дуги паризького меридіана, в 1837 р довелося переглянути. Французькі вчені встановили, що в чверті меридіана міститься не 10 млн. А 10 млн. 856 метрів. До того ж відомо, що відбуваються, хоча і незначні, але все ж постійні зміни форми і розміру Землі. У зв'язку з цим вчені Харківської академії наук в 1872 р запропонували створити міжнародну комісію для вирішення питання про доцільність внесення змін до еталон метра. Комісія вирішила не створювати новий еталон, а прийняти в якості вихідної одиниці довжини "метр Архіву", що зберігається у Франції. У 1875 р була прийнята Міжнародна метрична конвенція, яку підписала і Україна. Цей рік метрологи вважають другим народженням метра як основної міжнародної одиниці довжини.

У 1889 р був виготовлений 31 екземпляр зразка метра з платино-іридієвого сплаву. Виявилося, що еталон № 6 при температурі 0 ° С точно відповідає довжині "метра Архіву", і саме цей екземпляр зразка за рішенням I Генеральної конференції з мір та ваг був затверджений як міжнародний еталон метра, який зберігається в м Севрі (Франція). Решта 30 еталонів були передані різним державам. Україна отримала № 28 і № 11, причому в якості державного був прийнятий еталон № 28.

Похибка платино-іридієвих еталонів метра, що дорівнює + 1,1 × 10 -7 м вже на початку XX ст. оцінювалася як незадовільна, і в 1960 р XI Генеральна конференція з мір та ваг виробила інше визначення метра - в довжинах світлових хвиль, що засноване на сталості довжини хвилі спектральних ліній випромінювання атомів. Це основа Криптонова еталона метра. Похибка Криптонова еталона набагато менше, ніж платино-іридієвого, і дорівнює 5 × 10 -9.

Однак в космічний вік і ця точність виявилася недостатньою, а новітні досягнення науки дозволили в 1983 р, на XVII Генеральної конференції мір і ваг прийняти нове визначення метра як довжини шляху, прохідного світлом за 1/299792458 частки секунди в умовах вакууму. Слід зазначити, що на цій же конференції було оголошено точно визначається сучасною наукою значення швидкості світла.

Не менш цікава історія еталона одиниці маси. "Кілограм Архіву", який був прийнятий за еталон маси в 1872 р являє собою платинову циліндричну гирю, висота і діаметр якого дорівнюють по 39 мм. Прототипи (вторинні еталони) для практичного застосування були зроблені з платино-іридієвого сплаву. За міжнародний прототип кілограма була прийнята платино-іридієва гиря, по точності в найбільшою мірою відповідна масі "кілограма Архіву".

За рішенням I Генеральної конференції з мір та весамУкаіни з 42 екземплярів прототипів кілограма були передані № 12 і № 26, причому №12 затверджено як державний еталон маси. Прототип № 26 використовувався як вторинний еталон.

Національний (державний) еталон маси зберігається в НВО "ВНИИМ ім. Д. І. Менделєєва" (м.Харків) на кварцовою підставці під двома скляними ковпаками в сталевому сейфі, температура повітря підтримується в межах 20 ± 3 ° С, відносна вологість 65% . Один раз в 10 років з ним сличаются два вторинних еталона.

Мал. 1. Еталон кілограма

При звіряння з міжнародним еталоном наш національний еталон маси отримав значення +1,0000000877 кг. Для передачі розміру одиниці маси від прототипу № 12 вторинним еталонам використовуються спеціальні ваги № 1 і № 2 з дистанційним керуванням на 1 кг; ваги № 1 виготовлені фірмою "Рупрехт", а № 2 - НВО "ВНИИМ їм Д. І. Менделєєва". Похибка відтворення кілограма становить 2 × 10 -9.

За 100 з гаком років існування описаного прототипу кілограма, звичайно, були спроби створити більш сучасний еталон на основі фундаментальних фізичних констант мас різних атомних частинок (протона, електрона і т.д.). Однак на сучасному рівні науково-технічного прогресу поки не вдалося відтворити цим новітнім методом масу кілограма з меншою похибкою, ніж існуюча.

Відхилення маси еталонів, які визначаються при міжнародних звіреннях, показують достатній ступінь її стабільності. У табл.1 наведені результати двох звірень.