Метрология. Эталоны и поверочные схемы

 

Таким образом, основное назначение эталонов – служить материально-технической  базой воспроизведения и хранения единиц.

Принят принцип систематизации эталонов по воспроизводимым единицам. Основные единицы системы СИ должны воспроизводиться с помощью национальных эталонов, то есть централизованно. Дополнительные внесистемные и производные единицы, исходя из соображений технико-экономической  целесообразности, воспроизводятся  одним из трех способов:

1) централизованно - с  помощью единого для всей страны  национального эталона;

2) частично централизованно  - (в пределах региона, министерства  или ведомства) с помощью нескольких  рабочих или исходных эталонов;

3) полностью децентрализовано - посредством косвенных измерений,  выполняемых в органах метрологической  службы с помощью рабочих эталонов  других величин, функционально  связанных с измеряемой величиной.

Международное бюро мер и  весов, МБМВ - постоянно действующая  международная организация со штаб-квартирой, расположенной в городе Севр (предместье Парижа, Франция).

Учреждено в 1875 г., вместе с подписанием Метрической конвенции. Основная задача Бюро заключается в обеспечении существования единой системы измерений во всех странах-участницах этой конвенции.

В МБМВ хранятся международные эталоны основных единиц и выполняются международные метрологические работы, связанные с разработкой и хранением международных эталонов и сличением национальных эталонов с международными и между собой.

В МБМВ также проводятся исследования в области метрологии, направленные на увеличение точности измерений.

С 2004 года по настоящий момент директором МБМВ является профессор Эндрю Уоллард.

1.2 Эталоны электрических и магнитных величин и измерительные приборы

Для начала рассмотрим перечень электрических и магнитных единиц в системе СИ. Ампер, единица силы электрического тока, - одна из шести  основных единиц системы СИ. Ампер - сила неизменяющегося тока, который  при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной  длины с ничтожно малой площадью кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызывал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2*10-7 Н. Вольт, единица разности потенциалов  и электродвижущей силы. Вольт - электрическое  напряжение на участке электрической  цепи с постоянным током силой 1 А  при затрачиваемой мощности 1 Вт. Кулон, единица количества электричества (электрического заряда). Кулон - количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника при постоянном токе силой 1 А за время 1 с. Фарада, единица  электрической емкости. Фарада - емкость  конденсатора, на обкладках которого при заряде 1 Кл возникает электрическое  напряжение 1 В. Генри, единица индуктивности. Генри равен индуктивности контура, в котором возникает ЭДС самоиндукции в 1 В при равномерном изменении  силы тока в этом контуре на 1 А  за 1 с. Вебер, единица магнитного потока. Вебер - магнитный поток, при убывании которого до нуля в сцепленном с  ним контуре, имеющем сопротивление 1 Ом, протекает электрический заряд, равный 1 Кл. Тесла, единица магнитной  индукции. Тесла - магнитная индукция однородного магнитного поля, в котором  магнитный поток через плоскую  площадку площадью 1 м2, перпендикулярную линиям индукции, равен 1 Вб.

По наименованию воспроизводимой  единицы меры делятся на меры э.д.с. или электрического напряжения; меры электрического сопротивления; меры электрической  емкости; меры индуктивности и взаимной индуктивности; меры магнитной индукции; меры магнитного потока. По количеству воспроизводимых размеров величины меры делят на однозначные и многозначные и наборы мер. Однозначные меры воспроизводят  одно значение физической величины. Многозначные меры воспроизводят (плавно или дискретно) ряд значений одной и той же физической величины. Широкое применение имеют магазины сопротивлений, емкости  и индуктивности, обеспечивающие ряд  дискретных значений. Рассмотрим их ниже.

 

 

Практические  эталоны

Все общепринятые электрические  и магнитные единицы измерения  основаны на метрической системе. В  согласии с современными определениями  электрических и магнитных единиц все они являются производными единицами, выводимыми по определенным физическим формулам из метрических единиц длины, массы и времени. Поскольку же большинство электрических и  магнитных величин сложно измерять, пользуясь упомянутыми эталонами, было решено установить путем соответствующих  экспериментов производные эталоны  для некоторых из указанных величин, а другие измерять, пользуясь такими эталонами.

На практике величина ампера воспроизводится путем фактического измерения силы взаимодействия витков провода, несущих ток. Поскольку  электрический ток есть процесс, протекающий во времени, эталон тока невозможно сохранять. Точно так  же величину вольта невозможно фиксировать  в прямом соответствии с его определением, так как трудно воспроизвести  с необходимой точностью механическими  средствами ватт (единицу мощности).

Рассмотрим государственный  первичный эталон единицы силы постоянного электрического тока — ампера — это комплекс средств, в состав которых входят токовые весы.

Сила тока в токовых  весах определяется по силе электродинамического воздействия двух проводников, по которым  течёт одинаковый ток. Проводники имеют  вид коаксиальных соленоидов с однослойной  обмоткой по винтовой линии (со строго определенным шагом).

 Наружный соленоид (II) неподвижен, внутренний (I) подвижный,  он подвешен к одному из  плеч коромысла весов и при  включении тока втягивается в  неподвижный соленоид с силой,  которая уравновешивается на  равноплечных весах гирями. При  этом сила тока I=(mg/(дM/дz)), где m — масса уравновешивающих гирь, g — ускорение свободного падения,  дM/дz — производная индуктивности  взаимной М соленоидов по вертикальному  направлению z. Производная дM/дz  учитывает особенности воздействия  соленоидов по сравнению с  воздействием двух параллельных  прямолинейных проводников, через  которое определяется ампер. Весы, применяемые в весах, аналогичны  аналитическим, но изготовлены  из немагнитных материалов. Значение силы тока, воспроизводимое в них составляет 1,018646А. Таким образом, ампер воспроизводится через основные единицы — метр, килограмм и секунду.

По идее, для поддержания  единства измерений можно ограничиться созданием эталонов только основных величин. Однако для облегчения выполнения этой задачи созданы эталоны производных  единиц. Так же и единицы магнитных  величин воспроизводятся с помощью  соответствующих эталонов. В России имеются первичные эталоны магнитной  индукции, магнитного потока и магнитного момента.

Для передачи размера единиц магнитных величин от первичных  эталонов рабочим средствам измерений  используют рабочие эталоны, образцовые меры магнитных величин и образцовые средства измерений.

Вот некоторые  из производных эталонов:

- Эталон вольта - мера  напряжения на основе эффекта  Джозефсона (возникновение напряжения  между двумя разделенными тонким  слоем диэлектрика сверхпроводниками  в высокочастотном электромагнитном  поле) и мера э.д.с; В качестве  образцовой меры э.д.с. используют  нормальные элементы (НЭ). НЭ представляют  собой специальный источник химической  энергии, состоящий из стабильного  обратимого гальванического элемента  с точно известной э.д.с.  Обратимость гальванического элемента заключается в том, что при его разряде химическая реакция протекает в одном направлении, а при заряде, т.е. при восстановлении, в обратном. Выпускают нормальные элементы двух типов - насыщенные и ненасыщенные, в зависимости от того, насыщенный или ненасыщенный водный раствор сернокислого кадмия используется в них в качестве электролита. Отличаются они своими характеристиками.   

Насыщенный нормальный элемент  состоит из Н-образного стеклянного  сосуда, заполненного определенными  веществами. Верхние концы сосуда запаяны, а в нижние впаяны платиновые проволочки— выводы.  \

Значения измеряемого  таким способом э.д.с. насыщенного  НЭ при 20 градусах Цельсия лежат  в диапазоне  Е20 = 1,018540 – 1,018730 В

- Эталон сопротивления воспроизводит ом с помощью 10 манганиновых (сплав из 84 % меди, 12 % марганца и 4 % никеля. Он имеет большое удельное электрическое сопротивление, очень малый температурный коэффициент) катушек сопротивления (резисторов).

На металлический или  фарфоровый каркас наматывается обмотка  из манганиновой проволоки, концы которой  припаиваются к зажимам. Каркас катушки  крепится к корпусу с отверстиями  для лучшего охлаждения обмотки. В некоторых конструкциях каркас заполняется трансформаторным маслом, что повышает влагостойкость изоляции и улучшает условия теплоотдачи  обмотки. Относительное среднее  квадратическое отклонение результата измерений, не превышает 1×10 ^-7, при неисключенной относительной систематической погрешности, не превышающей 5×10 ^-7.

- Эталон единицы электрической  емкости воспроизводит фарад. Меры электрической емкости изготовляют в виде образцовых измерительных конденсаторов постоянной емкости, магазинов емкостей и конденсаторов переменной емкости. В образцовых конденсаторах постоянной емкости диэлектриком является воздух или слюда. Такие «воздушные» и «слюдяные» конденсаторы имеют большое сопротивление изоляции и малые потери в диэлектрике; Особо высокая точность воспроизведения емкости обеспечивается конденсаторами с воздушным диэлектриком, однако из-за больших габаритов они выпускаются до емкости 0,01 мкФ. Конденсаторы со слюдяным диэлектриком позволяют получить большие значения емкости при меньших размерах и потому широко применяются как образцовые и рабочие меры, а также в магазинах емкостей. Слюдяные конденсаторы  выпускаются  с  номинальным  значением  емкости  от  0,01  до 1 мкФ. В качестве образцовых конденсаторов переменной емкости применяются исключительно   воздушные   конденсаторы. Эта мера с относительным средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 7×10^-7, при неисключенной относительной систематической погрешности, не превышающей 13×10 ^-7.

- Эталон единицы индуктивности воспроизводит генри с помощью четырех катушек индуктивности. Каждая катушка состоит из изолированного провода, намотанного на плоский каркас из мрамора, фарфора или пластмассы. Эта мера с относительным средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 1×10 ^-5, при неисключенной относительной систематической погрешности, не превышающей 1×10 ^-5.

 

 

 

2  Поверочные  схемы и их разновидности

 

Под методами поверки понимают методы передачи размера единиц физической величины. В основу классификации  применяемых методов поверки  положены следующие признаки, в соответствии с которыми СИ могут быть поверены:

1) без использования компаратора  или прибора сравнения, то есть  непосредственным сличением поверяемого  СИ с эталонным СИ того же  вида;

2) сличением поверяемого  СИ с эталонным СИ того же  вида с помощью компаратора  или других средств сравнения;

3) прямым измерением поверяемым  СИ значения физической величины, воспроизводимой эталонной мерой;

4) прямым измерением эталонным  СИ значения физической величины, воспроизводимой подвергаемой поверке  мерой;

5) косвенным измерением  величины, воспроизводимой мерой  или поверяемым прибором, подвергаемыми  поверке;

6) путем независимой (автономной) поверки.

Рассматриваемые методы поверки  могут иметь свои разновидности, однако по своей сути они могут  быть сведены к одному из перечисленных  выше методов.

 

2.1 Метод непосредственного сличения

 

При поверке данным методом  устанавливают требуемые значения измеряемой величины X и сравнивают показания поверяемого прибора  Хп и эталонного прибора Хэ. Разность между их показаниями будет определять абсолютную погрешность поверяемого  прибора

Δ=Хп - Хэ (1)

которую приводят к нормированному значению XN для получения приведенной  погрешности.

 

 

 

Этот метод на практике может быть реализован двумя способами:

1) регистрацией совмещений. При этом способе указатель  поверяемого прибора совмещают  с поверяемой отметкой шкалы.  Погрешность измерений определяют  расчетным путем по формуле  (1), как разность между показанием  поверяемого прибора  и действительным  значением, определяемым по показаниям  эталонного прибора .

 
2) отсчитыванием погрешности по  шкале поверяемого прибора. 

Погрешность определяют как  расстояние между поверяемой отметкой и указателем поверяемого прибора.

 

Первый способ удобен тем, что погрешность можно более  точно отсчитать по эталонному прибору.

Достоинством второго  способа является то, что мы можем  одновременно поверять несколько приборов с помощью одного эталонного.

Основным достоинством метода непосредственного сличения является простота и отсутствие необходимости  применения сложного оборудования.

 

2.2 Метод сличения при помощи компаратора (прибора сравнения)

 

Этот метод применяют  тогда, когда невозможно или сложно сравнить показания двух приборов или  двух мер.

Измерения в этом случае выполняют путем введения в схему  поверки компаратора, позволяющего косвенно сравнивать две однородные или разнородные физические величины.

Компаратором может быть СИ, одинаково реагирующее на сигнал эталонного и поверяемого СИ.

Например, при сличении мер  сопротивления, емкости и индуктивности  в качестве компаратора используют мосты постоянного или переменного  тока. При сравнении мер сопротивления  и ЭДС – потенциометры.

Сличение мер с помощью  компаратора осуществляется с использованием той или иной разновидности метода сравнения. Наиболее распространенными  являются методы противопоставления и  замещения.

Суть этих методов заключается  в следующем. При использовании  метода противопоставления две сравниваемые величины подаются на разные входы  компаратора, а при использовании метода замещения - в одну и ту же часть схемы подается одна величина, а потом другая. Общим для этих методов поверки является выработка разностного (дифференциального) сигнала

ΔХ = Х - Хм. (3)