Средства измерения и их характеристики

Названия единиц пишутся с маленькой буквы, если они не стоят в начале предложения. Исключение составляет градус Цельсия.

В обозначениях единиц точку как знак сокращения не ставят, печатаются они прямым шрифтом. Исключения составляют сокращения слов, которые входят в наименование единицы, но сами не являются наименованиями единиц. Например, мм рт. ст.

Обозначения единиц применяют после числовых значений и помещают в строку с ними (без переноса на следующую строку). Между последней цифрой и обозначением следует оставлять пробел, кроме знака, поднятого над строкой.

При указании значений величин с предельными отклонениями следует заключать числовые значения в скобки и обозначения единиц помещать после скобок или проставлять их и после числового значения величины и после ее предельного отклонения.

Буквенные обозначения единиц, входящих в произведение, следует отделять точками на средней линии, как знаками умножения. Допускается отделять буквенные обозначения пробелами, если это не приводит к недоразумению. Геометрические размеры обозначаются знаком «х».

В буквенных обозначениях отношения единиц в качестве знака деления должна применяться только одна черта: косая или горизонтальная. Допускается применять обозначения единиц в виде произведения обозначений единиц, возведенных в степени.

При применении косой черты обозначения единиц в числителе и знаменателе следует помещать в одну строку, произведение обозначений в знаменателе следует заключать в скобки.

При указании производной единицы, состоящей из двух и более единиц, не допускается комбинировать буквенные обозначения и наименования единиц, т.е. для одних обозначения, для других - наименования.

Обозначения единиц, наименования которых образованы по фамилиям ученых, пишутся с прописной (заглавной) буквы.

Допускается применять обозначения единиц в пояснениях обозначений величин к формулам. Помещение обозначений единиц в одной строке с формулами, выражающими зависимости между величинами и их числовыми значениями, представленными в буквенной форме, не допускается.

В стандарте выделены единицы по областям знаний в физике и указаны рекомендованные кратные и дольные единицы. Выделено 9 областей использования единиц:

1. пространство и время;

2. периодические и связанные с ними явления;

3. механика;

4. теплота;

5. электричество и магнетизм;

6. свет и связанные с ним электромагнитные излучения;

7. акустика;

8. физическая химия и молекулярная физика;

9. ионизирующие излучения.

Эталон

Эталон -- это высокоточная мера, предназначенная для воспроизведения и хранения единицы величины с целью передачи ее размера другим средствам измерений. От эталона единица величины передается разрядным эталонам, а от них -- рабочим средствам измерений.

Эталоны классифицируют на первичные, вторичные и рабочие

Первичный эталон -- это эталон, воспроизводящий единицу физической величины с наивысшей точностью, возможной в данной области измерений на современном уровне научно-технических достижений. Первичный эталон может быть национальным (государственным) и международным.

Национальный эталон утверждается в качестве исходного средства измерения для страны национальным органом по метрологии. В России национальные (государственные) эталоны утверждает Госстандарт РФ.

Международные эталоны хранит и поддерживает Международное бюро мер н весов (МБМВ). Важнейшая задача деятельности МБМВ состоит в систематических международных сличениях национальных эталонов крупнейших метрологических лабораторий разных стран с международными эталонами, а также и между собой, что необходимо для обеспечения достоверности, точности и единства измерений как одного из условий международных экономических связей. Сличению подлежат как эталоны основных величин системы СИ, так и производных. Установлены определенные периоды сличения. Например, эталоны метра и килограмма сличают каждые 25 лет, а электрические и световые эталоны -- один раз в 3 года.

Первичному эталону соподчинены вторичные и рабочие (разрядные) эталоны. Размер воспроизводимой единицы вторичным эталоном сличается с государственным эталоном. Вторичные эталоны (их иногда называют "эталоны-копии") могут утверждаться либо Госстандартом РФ, либо государственными научными метрологическими центрами, что связано с особенностями их использования. Рабочие эталоны воспринимают размер единицы от вторичных эталонов и в свою очередь служат для передачи размера менее точному рабочему эталону (или эталону более низкого разряда) и рабочим средствам измерений.

Самыми первыми официально утвержденными эталонами были прототипы метра и килограмма, изготовленные во Франции, которые в 1799 г. были переданы на хранение в Национальный архив Франции, поэтому их стали называть "метр Архива" и "килограмм Архива". С 1872 г. килограмм стал определяться как равный массе "килограмма Архива". Каждый эталон основной или производной единицы Международной системы СИ имеет свою интересную историю и связан с тонкими научными исследованиями и экспериментами.

Например, принятый в 1791 г. Национальным собранием Франции эталон метра, равный одной десятимиллнонной части четверти дуги парижского меридиана, в 1837 г. пришлось пересмотреть. Французские ученые установили, что в четверти меридиана содержится не 10 млн., а 10 млн. 856 метров. К тому же известно, что происходят, хотя и незначительные, но все же постоянные изменения формы и размера Земли. В этой связи ученые Петербургской академии наук в 1872 г. предложили создать международную комиссию для решения вопроса о целесообразности внесения изменений в эталон метра. Комиссия решила не создавать новый эталон, а принять в качестве исходной единицы длины "метр Архива", хранящийся во Франции. В 1875 г. была принята Международная метрическая конвенция, которую подписала и Россия. Этот год метрологи считают вторым рождением метра как основной международной единицы длины.

Уже в XX в. (1967 г.) были опубликованы исследования более точного измерения парижского меридиана, которые показали, что четверть меридиана равна

10 млн. 1954,4 метра. Таким образом, "метр Архива" всего на 0,2 мм короче меридионального метра.

В 1889 г. был изготовлен 31 экземпляр эталона метра из платино-иридиевого сплава. Оказалось, что эталон № 6 при температуре 0°С точно соответствует длине "метра Архива", и именно этот экземпляр эталона по решению I Генеральной конференции по мерам и весам был утвержден как международный эталон метра, который хранится в г. Севре (Франция). Остальные 30 эталонов были переданы разным государствам. Россия получила № 28 и № 11, причем в качестве государственного был принят эталон № 28.

Погрешность платино-иридиевых эталонов метра, равная + 1.1*10-7 м уже в начале XX в, оценивалась как неудовлетворительная, и в 1960 г. XI Генеральная конференция по мерам и весам выработала другое определение метра -- в длинах световых волн, что основано на постоянстве длины волны спектральных линий излучения атомов. Это основа криптонового эталона метра. Погрешность криптонового эталона намного меньше, чем платино-иридиевого, и равна 5-10 "9.

Однако в космический век и эта точность оказалась недостаточной, а новейшие достижения науки позволили в 1983 г. на XVII Генеральной конференции мер и весов принять новое определение метра как длины пути, проходимого светом за 1/299792458 доли секунды в условиях вакуума. Следует отметить, что на этой же конференции было объявлено точно определяемое современной наукой значение скорости света.

Не менее интересна история эталона единицы массы. "Килограмм Архива", который был принят за эталон массы в 1872 г., представляет собой платиновую цилиндрическую гирю, высота и диаметр которой равны по 39 мм. Прототипы (вторичные эталоны) для практического применения были сделаны из платино-иридиевого сплава, За международный прототип килограмма была принята пла-тино-иридиевая гиря, по точности в наибольшей степени соответствующая массе "килограмма Архива".

По решению I Генеральной конференции по мерам и весам России из 42 экземпляров прототипов килограмма были переданы № 12 и № 26, причем № 12 утвержден в качестве государственного эталона массы (см. рис. 28.1). Прототип № 26 использовался как вторичный эталон. Национальный (государственный) эталон массы хранится в НПО "ВНИИМ им. Д.И. Менделеева" (г. Санкт-Петербург) на кварцевой подставке под двумя стеклянными колпаками в стальном сейфе, температура воздуха поддерживается в пределах 20 +/- 3°С, относительная влажность 65%. Один раз в 10 лет с ним сличаются два вторичных эталона. При сличении с международным эталоном наш национальный эталон массы получил значение 1,0000000877 кг. Для передачи размера единицы массы от прототипа № 12 вторичным эталонам используются специальные весы № 1 и № 2 с дистанционным управлением на 1 кг; весы № 1 изготовлены фирмой "Рупрехт", a № 2 - НПО "ВНИИМ им Д.И. Менделеева". Погрешность воспроизведения килограмма составляет 2*10-9.

За 100 с лишним лет существования описанного прототипа килограмма, конечно, были попытки создать более современный эталон на основе фундаментальных физических констант масс различных атомных частиц (протона, электрона и т.д.). Однако на современном уровне научно-технического прогресса пока не удалось воспроизвести этим новейшим методом массу килограмма с меньшей погрешностью, чем существующая.

Отклонения массы эталонов, определяемые при международных сличениях, показывают достаточную степень ее стабильности.

Меры

Мерой физической величины называют СИ, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых известны с необходимой точностью. Примерами мер являются штриховая мера длины, нормальный элемент (мера ЭДС с номинальным значением 1 В), кварцевый генератор (мера частоты электрических колебаний), источник микропотоков газов и паров (ампула с веществом, выделяющимся в газообразном виде, являющаяся мерой скорости преобразования в газ целевого вещества). Меры подразделяют на однозначные (мера, хранящая один размер величины, например, плоскопараллельная концевая мера длины или конденсатор постоянной емкости) и многозначные (мера, хранящая несколько размеров величины, например, штриховая мера длины и конденсатор переменной емкости). В измерительной практике широко применяют не только отдельные меры, но и наборы мер (комплект мер разного размера одной и той эюе величины, например, набор плоскопараллельных концевых мер длины), а также магазины мер (набор мер, конструктивно объединенных в одно устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях, например, магазин электрических сопротивлений).

Воспроизводя или храня размер величины, которому присвоено определенное значение, мера тем самым хранит единицу этой величины. Иначе говоря, мера выступает в качестве носителя единицы величины и поэтому служит основой измерения.

Особый класс мер представляют собой стандартные образцы. Стандартный образец-- мера одной или нескольких величин, характеризующих состав или свойства вещества (материала), в виде образца этого вещества (материала). Примерами стандартных образцов свойств являются стандартные образцы бензойной кислоты -- меры теплоты сгорания, стандартные образцы специальной стали -- меры свойств ферромагнитных материалов, стандартные образцы из кварца -- меры относительной диэлектрической проницаемости. Примерами стандартных образцов состава являются различные вещества, например, металлы и сплавы с точно определенными значениями определяющего компонента и имеющихся примесей. Основной областью применения стандартных образцов является калибровка СИ при проведении аналитических измерений. Кроме того, из однородных стандартных образцов, так же как и из обычных эталонных мер, создают иерархические (по мере убывания точности) цепочки передачи размеров единиц. В этих цепочках стандартные образцы используются для передачи размеров единиц менее точным СИ, в том числе и другим стандартным образцам.

Особое место в системе мер занимают специфические стандартные образцы, очень широко применяемые в газоаналитических измерениях, которые называют поверочными газовыми смесями (ПГС). Поверочная газовая смесь -- это баллон с чистым газом или газовой смесью, аттестованный метрологической службой в качестве однозначной меры содержания компонентов в газовой смеси. ПГС имеют некоторые отличия от стандартных образцов в виде твердых объектов. Главное из них заключается в ТОМ, что в процессе измерений они расходуются. Это обстоятельно часто приводит к существенному увеличению стоимости многократных измерений.

Как правило, стандартные образцы выпускаются и рассылаются измерительным лабораториям по их заказам специализированными фирмами или метрологическими лабораториями. Но бывают и исключения. Так, некоторые стандартные образцы измеритель может приготовить и сам, если будет строго соблюдать условия приготовления, указанные в спецификации на них. Например, стандартный образец содержания железа в воде можно приготовить, растворив стандартный образец порошкового железа в определенном количестве дистиллированной воды. Такие стандартные Образцы часто называют калибровочными смесями.

В заключение рассмотрения мер и особенностей их использования упомянем возможность использования в качестве мер некоторых природных явлений. Например, при точных измерениях углов широко применяется опора на естественный эталон -- полный угол (плоский или телесный). При метрологическом обеспечении фотометров использовался свет определенной звезды на небосводе. Было тщательно измерено относительное спектральное распределение энергии в спектре этой звезды, наблюдаемое в различных точках СССР. После того как установили факт постоянства энергетических характеристик излучения звезды, соответствующая методика была узаконена для поверки ультрафиолетовых фотометров.

Последний пример показывает, каким способом можно проводить калибровку приборов с помощью таблиц стандартных справочных данных.

К ним относятся:

* в механических измерениях - механические характеристики различных веществ (например, плотность чистых веществ при заданных температуре, влажности и давлении);

* в температурных измерениях - константы, характеризующие фазовые переходы (плавление-отвердевание или кипение-конденсация), ЭДС различных термопар и др.;

* в электрических измерения-характеристики различны стабильных электрических явлений (например, ЭДС различных гальванических пар);

* в оптических измерениях -- различные атомные константы, т. к. вся физическая оптика опирается на излучательные и поглощательные свойства атомов и молекул.

Особенно широко применяются стандартные справочные данные в аналитических измерениях. Это данные о всевозможных свойствах чистых веществ, различные зависимости свойств сплавов и газовых смесей от состава, коэффициенты поглощения и показатели преломления прозрачных веществ, гигрометрические и психрометрические таблицы и т. д.

Категория стандартных справочных данных является в метрологии одной из самых важных. Научные исследования в этой области проводятся во всех крупных метрологических институтах мира и многих физических лабораториях различных стран. Ведущие позиции занимает метрологический центр США -- Национальный институт стандартов и технологий (NIST), одним из главных направлений деятельности которого является разработка и утверждение стандартных справочных данных. В России координацией исследований в этой области занимается НИИ стандартных справочных данных (НИИССД) Ростехрегулирования РФ. Координацию исследований в мире осуществляет международный Комитет по сбору и оценке численных данных для науки и техники (КОДАТА).

Заключение

Рассмотрев содержание метрологии в целом как раздела науки, посвященной обеспечению единства измерений, становится очевидным, что мы имеем дело в основном с понятиями физики, поскольку под единицами величины всегда подразумевались величины физические. Тем не менее, обращаясь к известному афоризму Д.И. Менделеева, вынесенного эпиграфом к данной работе, можно сказать, что любая наука должна включать в себя измерительные процедуры. В самом деле, многие современные области науки обратились к измерению физических величин. Без измерений физических величин немыслима современная химия, биология, медицина, экология и целый ряд других наук, в развитии которых необходимо «размышлять о природе вещей», т. е. привлекать понятия и категории физики и, следовательно, метрологии в том ключе, в котором изложено ее содержание в данной книге.

Список литературы

1.Димов Ю.В. Метрология, стандартизация и сертификация. Учебник для вузов. 2-е изд. - СПб.: Питер, 2004. - 432 с.

2.Допуски и посадки: Справочник в 2-х ч. - 7-е изд., перераб. и доп. - Л.: Политехника,1991.

3.Кузнецов В.А., Ялунина Г.В. Основы метрологии: Учебное пособие - М.: Изд-во стандартов, 1995, - 280 с.

4.Сергеев А.Г., Латышев М.В., Терегеря В.В. Метрология, стандартизация и сертификация. Учеб. пособие. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Логос, 2005. - 560 с. ил.

5.Федеральный закон РФ «О техническом регулировании» от 27.12.2002 № 184-ФЗ.

6.Закон РФ «Об обеспечении единства измерений» от 27.04.93 №4871-1 (в редакции 2003 г.)

7.ГОСТ 25346-89. Основные нормы взаимозаменяемости. ЕСДП. Общие положения, ряды допусков и основные отклонения.

8.Тартаковский Д.Ф. Ястребов А.С. Метрология, стандартизация и технические средства измерений: Учебник для вузов -.М.:Высш.шк., 2001

9.Нефедов В.И Метрология и радиоизмерения. М: Высш. шк., 2004

Размещено на Allbest.ru