Эталоны и поверочные схемы

Лекция №2

ЭТАЛОНЫ

Единство измерений достигается путём точного воспроизведения и хранения установленных единиц физических величин и передачи их размеров применяемым средствам измерения.

Воспроизведение, хранение и передачу размеров единиц осуществляют с помощью эталонов и образцовых средств измерения, используя поверочные схемы.

Высшим звеном в метрологической цепи передачи размеров являются эталоны.

Эталон - это средство измерений (комплекс СИ) обеспечивающий воспроизведение и хранение единицы о наиболее высокой предельно достижимой (при нынешнем состоянии развития науки и техники) точ­ностью. Однако, высокая точность эталона бесполезна, если ее нельзя передать образцовым и рабочим средствам измерения. Поэтому метрологической служ­бой страны предусмотрена многоступенчатая система передачи размера единицы каждой величины к рабочим СИ. Эта система изображается в виде поверочной схемы (ПС). ПС - это документ, который устанавлива­ет средства, методы и точность передача размера единицы от эталона рабочим СИ.

Государственную поверочную схему возглавляет СИ наивысшей точности - Государственный первичный эталон единицы физической величины.

При передаче единицы от эталона или образцового СИ к рабочим СИ происходит ПОВЕРКА данного СИ соответствующим СИ более высокого класса точ­ности.

Поверкой называется процесс определения погрешностей средства измерения в установление его пригодности к использованию

Напомни основные единицы международные системы СИ

Величина	Единица
Наеменование	Обозначение
Русское	международное
Основные единицы
Длина	Метр	м
Масса	Килограмм	кг
Время	Секунда	с
Сила эл. тока	Ампер	А	А
Термодинамич. Температура К.	кельвин	К	К
Сила света	кандела	кд
Дополнительные единицы
Плоский угол	радиан	рад
Телесный угол	стерадиан	ср
Производные единицы
Частота	Герц	Гц	С^-1
Сила	Ньютон	Н	м·кг·с^-2
Давление	паскаль	Па	Н/м^2
Энергия, работа, Кол. теплоты	джоуль	Дж	м·кг·с^-2
Мощность, Поток энергии	ватт	Вт	Дж/с

Рассмотрим кратко первичные эталоны.

Эталоны единиц длины.

Метр равен длине пути, проходимого в вакууме светом за 1/299792458 долю секунды.

Ранее в I960 г. на XI Генер. международной конференции по мерам и весам в качестве единицы длины был принят метр, размер которого выражался в длинах световых волн. Он равен 1650763,73 длин волн в ва­кууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2p₁₀ в 5₅ атома криптона - 86. Госуд. эталон метра является комплексом следующих СИ

1.Источник первичного эталонного излучения крип­тона - 86;

2.Эталонный интерферометр, служащий для измере­ния длины штриховых иконцевых мер;

3.Эталонный спектроинтерферометр.

Среднее квадратическое отклонение результатов измерений метра- 5 10^-9 (ГОСТ 8.020-75).

Эталон единицы массы (ГОСТ 8.021-78)

Килограмм – ед. массы равен массе международного прототипа килограмма, который хранится в Международном бюро мер и весов в Париже. Государственным первичным эталоном килограмма СССР является копия меж­дународного прототипа №12, изготовление в 1883 г. из платиноиридиевого сплава той же плавка, что в международный прототип КГ. Прототип №12 представляет собой цилиндр, высота которого равна диаметру. Этот эталон хранится на кварцевой подставке при температуре 20±3°С и относительной влажности воздуха65%. При сличение эталона с международным, его масса была равна 1+8,5 ·10 ^-8кг.

В состав комплекса СК эталона массы входят эталонные равноплечные весы на I кг, служащие для передачи единицы массы вторичным эталонам. С.К.О. погрешности эталона массы составляет 2 ·10^-9 кг.

Эталон единицы времени и частоты.

До недавнего времени единица времени - секунда - была определена как 1/86400 часть средних солнечных суток. Так как позднее была выявлена неравномерность вращения Земли (точность 10^-7) с I960 г. секунду стали определять как I/31556925, 9447 часть тропического года..Это позволило сни­зить погрешностьдо 10^-10. Однако это оказывается недостаточным для ряда научных и технических задач. В связи с этим был осуществлён переход на атомный эталон времени. С 1967 г. секунда была установлена равной 9.192.631.770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия -133. Стабильность частоты цезиевого эталона является следствием квантовых закономерностей, устанавливающих постоянство энергии перехода атомов с одного энергетического уровня в другой. Вгосударственном первичном эталоне времени и частота РФ используется переход между2-мя энергетическими уровнями атоме водорода: при этом частота излучения возбуж­дённых атомов постоянна и равна 1.420.406.781.8 Гц.

Рис. Структурная схема эталона частоты с атомно-лучевой трубкой

Атомно-лучевая трубка – вакуумный сосуд, в котором образован управляемый пучок атомов цезия, находящихся на одном энергетическом уровне.

Колебания кварцевого генератора умножаются до частоты спектральной линии цезия. В атомно-лучевой трубке энергия частиц колебания поглощается атомами цезия.

Рис. Амплитудно-частотная характеристика кварцевого генератора.

При отклонение частоты кварцевого генератора от номинального значения интенсивности переходов атомов и, следовательно, плотность атомом пучка на выходе трубки резко сокращается.

Блок автоподстройки соединенный с трубкой, вырабатывает сигнал, возвращая частоту к номинальному значению.

Эталон единицы электрического тока (ГОСТ 8.022-75)

Ампер равен силе не изменившегося тока, который при прохождение по 2-м параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади поперечного сечения, расположенных в ваку­уме на расстоянии 1 м один от другого вызвал бы на каждом участке проводника длиной в 1 м силу взаимодействия равную 2·10^-7Н.

Установка для воспроизведения ампера представля­ет собой точные равноплечие весы, к одному из коромыслов подвешивается подвижный соленоид. Он рас­полагается в неподвижном соленоиде, через оба соленоида пропуска один и тот же ток. Сила взаимодействия двух соленоидов пропорциональна квадрату тока и уравновешивается силой тяжести гирь на 2-ом коромысле. Погрешность воспроизведения ампера составляет 4·10^-6 А.

В настоящее время эталон ампера воспроизводится на основе использования эталона э.д.с и высокоточных резисторов. Ампер -есть сила неизменившегося тока, который проходя по 2-м параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого сечения, расположенного на расстояние 1 м друг от друга в вакууме, вызывает между этими проводниками силу равную 2 ·10 ^-7Н на каждый метр длины.

Рис. Схема токовых весов

При равновесие весов, М – взаимная индуктивность катушек С₁ и С₂.

Образцовые меры – это меры, служащие для поверки по ним других СИ и утвержденные в качестве образцовых. Образцовой мерой э.д.с. является нормальный элемент. Образцовыми мерами сопротивления являются катушки на одно значение сопротивления 10 ⁿ Ом, где n – целое число. Образцовые катушки снабжаются 2-мя парами зажимов, два из которых называют токовыми, два других потенциальными. Погрешность их от 0,0003% до 0,001 %. В лабораторных условиях получили распространение магазины сопротивлений, емкостей, индуктивности.

Эталон единицы э.д.с.

В современной информационно-измерительной техни­ке наиболее широко распространено измерение элек­трических величин. Точность измерения эл..величин непрерывно повышается: за последнее два I0- выделяют Государственный эталон - это первичный или специальный эталон и рабочий эталон, применяемый для передачи размера единицы образцовым СИ.

Государственным эталоном единиц ЭДС является эталон на основе эффекта Джозефсона точность (1-2) 10^-7.

Поэтому в последнее время главной в развитии эталонов стала тенденция создания эталонов на основе связи размеров физических величин через физические постоянные.

Иллюстрацией этой тенденции является новый государственный эталон э.д.с. и постоянного напряжения(вольта), основанный на применение эффекта Джозефсона. Переход Джозефсона представляет собой два сверхпроводника(свинец на стекле, раздельный окислом), разделынных тонким слоем диэлектрика. Если этот переход облучить электромагнитной энергией с частотой f, то при пропускание через переход постоянного тока на вольтамперной характеристики появляются ступени напряжения, причем напряжение на переходе связано с частотой электромагнитного облучения зависимостью

,

где n –номер ступени ВАХ перехода; h –постоянная Планка; е – заряд электрона.

Напряжение каждой ступени стабильно и не зависит от внещних влияний. Константы h, e известны с высокой точностью, а f частота может быть точно измерена.

Мера напряжения содержит переходы Джозефсона, изготовленные по особой технологии напылением полосок свинца на подложки из стекла, полоски свинца разделены слоем окисла свинца. Переходы помещены в жидкий гелий при температуре (2..4)К и подвергаются эл. магнитному облучению от генератора СВЧ с автоматической стабилизацией частоты. Мера напряжения обеспечивает высокостабильное напряжение на уровне 4..5 мВ, которое затем с помощью специального высокоточного делителя напряжения (погрешность - 3·10^-8) передается группе насыпан­ных термостатированных нормальных элементов.

Созданный эталон воспроизводит единицу (на уровне I В) с С.К.О, не превышающей 5 10^-8В.

В качестве вторичных эталонов и образцовых мер напряжения в СССР используются нормальные элементы.

В состав эталона Вольта, созданного НПО "ВНИИМ " им. Менделеева, входят:

1.Мера напряжения, воспроизводящая вольт на основе эффекта Джозефсона;

2.Группа термостатированных (до 0,001°С) насыщенных нормальных элементов;

3.Компаратор для сличения Н.Э. с мерой на основа аффекта Джозефсона.

4.Компаратор для взаимных сличений Н.Э. а для передачи размера единицы втор. эталона.

Лекция №3

Дата добавления: 2015-07-02