Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Основы метрологии стандартизации и сертификации: Учебное пособие

Голосов: 14

В учебном пособии рассмотрены основные термины и определения метрологии, системы физических величин и единиц, теория погрешностей, вопросы обработки результатов измерений. Уделено внимание проблемам единства измерений и эталонам единиц физических величин, видам, методам и средствам измерений. Две главы пособия посвящены основам стандартизации и сертификации.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                       Рис. 5.2. Классификация эталонов
   В СССР имелось 145 государственных первичных эталонов, а сама
эталонная база была признана в мире одной из самых полных систем этало-
нов с уникальными возможностями по условиям применения, широкими
диапазонами измерений и высокими точностями.
   В настоящее время в Российской Федерации 123 государственных
первичных эталона, из них 6 эталонов основных единиц (рис. 5.3.) [3].




      Рис. 5.3. Основные единицы величин и институты-хранители
                  государственных первичных эталонов
   Эталон единицы длины – метра – включает источники эталонного излу-
чения He − Ne / J 2 – лазеры, стабилизированные по линии насыщенного
поглощения в молекулярном йоде-127, установку для измерения отно-


шений длин волн источников излучения и интерференционный компара-
тор с лазерным интерференционным рефрактометром. Метр определен
как – длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299 792 458 доли
секунды (точно).
   Эталон единицы массы – килограмм – представляет собой цилиндр из
сплава платины (90%) и иридия (10%), у которого диаметр и высота примерно
одинаковы (около 39 мм).
   Эталон единицы времени – секунда – соответствует определению секунды
как интервала времени, в течение которого совершается 9 192 631 770 перио-
дов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уров-
нями ( F = 4, mF = 0 и F = 3, mF = 0 ) основного состояния атома цезия-133 в
отсутствии внешних полей.
   Эталон единицы силы постоянного электрического тока – ампер – со-
стоит из двух комплексов: в первом используется способ воспроизведения
размера единицы силы тока (1 мА и 1 А) с использованием косвенных из-
мерений силы тока I = U r , причем размер единицы электрического напря-
жения U – вольт – воспроизводится с помощью квантового эффекта
Джозефсона, а размер единицы электрического сопротивления r – Ом – с
помощью квантового эффекта Холла; во втором комплексе, воспроизводя-
щем силу постоянного тока в диапазоне 10 −16 K10 −9 А, используется много-
значная мера силы тока, включающая меру линейно изменяющегося элек-
трического напряжения с набором герметизированных конденсаторов, при-
бор для измерения напряжения, прибор для измерения времени и компен-
сирующее устройство. Ампер определен как – сила не изменяющегося тока,
который, проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам
бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенных
на расстоянии 1 м один от другого в вакууме вызвал бы между этими про-
водниками силу взаимодействия равную 2 ⋅ 10 −7 Н на каждый метр длины.
   Эталон единицы температуры – один градус Кельвина – определен как
1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды.
Тройная точка воды ( 273,16 К – равновесие между газообразной (насы-
щенный газ), жидкой (вода) и твердой (лед) фазами воды) может быть вос-
произведена с погрешностью 0,0001o C и выше температуры таяния льда –
0,01o C .
   Эталон единицы силы света – кандела – представляет собой силу света в
заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излу-
чение частотой 540 ⋅ 1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом на-
правлении составляет 1/683 Вт/ср.
   Единица количества вещества – моль – количество вещества системы,
содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержит-
ся в углероде-12 массой 0,012 кг (1 моль углерода имеет массу 0,002 кг, 1


моль кислорода – 0,032 кг, а 1 моль воды – 0,018 кг). К настоящему времени
ни в одной метрологической лаборатории мира эталон моля не создан. На
пути создания такого эталона встали большие теоретические проблемы, од-
ной из которых является недостаточная четкость определения этой еди-
ницы. В настоящее время проводятся теоретические и экспериментальные
исследования на основе квантовой теории с целью создания эталона еди-
ницы количества вещества на базе фундаментальных физических констант
[25].
   В соответствии с Конституцией Российской Федерации и законом Россий-
ской Федерации «Об обеспечении единства измерений» государственные
эталоны находятся в ведении Российской Федерации (ранее функции собст-
венника выполнял Госстандарт России, ныне – Ростехрегулирование). Сегодня
в России 7 специализированных научно-исследовательских организаций, опре-
деленных в качестве национальных метрологических институтов и подведомст-
венных Ростехрегулированию (рис. 5.4.)
 Национальные метрологические институты Российской Федерации




                                                                   Всероссийский научно-
                                                                   исследовательский институт   Разработчик и хранитель 54 государст-
                                                                   метрологии (ВНИИМ) им.       венных первичных эталонов РФ
                                                                   Д.И. Менделеева


                                                                   Всероссийский научно-
                                                                   исследовательский институт   Разработчик и хранитель 15 государст-
                                                                   оптико-физических            венных первичных эталонов РФ
                                                                   измерений (ВНИИОФИ)


                                                                   Всероссийский научно-
                                                                   исследовательский институт   Разработчик и хранитель 30 государст-
                                                                   физико-технических и         венных первичных эталонов РФ
                                                                   радиотехнических
                                                                   измерений (ВНИИФТРИ)


                                                                   Всероссийский научно-
                                                                                                Разработчик и хранитель 7 государст-
                                                                   исследовательский институт
                                                                                                венных первичных эталонов РФ
                                                                   расходометрии (ВНИИР)


                                                                   Уральский научно-
                                                                                                Разработчик и хранитель 6 государст-
                                                                   исследовательский институт
                                                                                                венных первичных эталонов РФ
                                                                   метрологии (УНИИМ)


                                                                   Сибирский научно-
                                                                                                Разработчик и хранитель 6 государст-
                                                                   исследовательский институт
                                                                                                венных первичных эталонов РФ
                                                                   метрологии (СНИИМ)


                                                                   Всероссийский научно-
                                                                                                Разработчик и хранитель 2 государст-
                                                                   исследовательский институт
                                                                                                венных первичных эталонов РФ
                                                                   метрологической службы
                                                                   (ВНИИМС)


                                                               Рис. 5.4. Национальные метрологические институты РФ


5.2.2. Примеры построения эталонов основных единиц
   Эталон единицы длины. В 1791 г. Национальное собрание Франции
приняло длину десятимиллионной части четверти дуги парижского
меридиана в качестве единицы длины – метра.
   Но уже в 1837 г. французские ученые установили, что в четверти
меридиана содержится не 10 000 000 м, а 10 000 856 м. Кроме того,
примерно в тот же период времени стало очевидным, что форма и
размеры Земли со временем, пусть незначительно, но изменяются.
Поэтому в 1872 г. по инициативе Петербургской академии наук была
создана международная комиссия, решившая не создавать уточненных
эталонов метра, а принять в качестве исходной единицы длины метр
Архива Франции.
   В 1889 г. во Франции был изготовлен 31 эталон метра в виде
платиноиридиевого стержня Х-образного поперечного сечения (рис.
5.5.).




                    Рис. 5.5. Эталон единицы длины
  Эталон № 6 оказался при 0°С точно равным длине метра Архива и был
принят в 1889 г. Первой Генеральной конференцией по мерам и весам в
качестве международного прототипа метра. Остальные 30 эталонов были
переданы различным странам. Экземпляры № 11, № 28 в 1889 г. были
переданы России, при этом экземпляр № 28 был утвержден в качестве
государственного эталона России. Погрешность платиноиридиевых
штриховых мер составляет ± 1,1 ⋅ 10 −7 м. Так как штрихи имели
значительную ширину, существенно повысить точность эталона было
невозможно.
  Требования к повышению точности эталона единицы длины и его
физической воспроизводимости привело к тому, что в 1960 г. XI
Генеральной конференцией по мерам и весам было принято новое
определение метра: «Метр – длина, равная 1650763,73 длины волны в
вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2 P и 5d 5
                                                               10
атома криптона-86» (рис. 5.6.). Погрешность воспроизведения метра с
помощью данного эталона составила 5 ⋅ 10 −9 м.


   Повышение точности эталона длины стало возможным при разработке
высокостабильных лазеров, что позволило уточнить значение скорости
света. В 1983 г. XVII Генеральная конференция по мерам и весам приняла
новое определение метра: «Метр – длина пути, проходимого светом в
вакууме за промежуток времени равный 1/с, где с=299 792 458 м/с –
скорость света, принятая как постоянная неизменная величина».




               Рис. 5.6. Эталон единицы длины (1960 г.)
  9-я сессия Консультативного комитета по определению метра в
сентябре 1997 г. приняла рекомендацию С1 (1997), в которой приведен пе-
речень рекомендованных частот и длин волн излучений в вакууме; одной
из рекомендованных линий является поглощающая линия молекулы 127J2,
переход 11-5, вращательной линии R(127), компонента а13 (или i), для
которой установлены следующие значения:
                         F = 473 612 214 705 кГц
                         λ = 632,99139822 нм
с относительной неопределенностью 2,5⋅10-11. Эти значения относятся к
He-Ne лазеру с внутрирезонаторной ячейкой поглощения с
использованием метода стабилизации по 3-ей гармонике.
  Согласно Рекомендации (МК-1983) Международного комитета мер и
весов воспроизведение метра может осуществляться одним из следующих
методов:
   а) через длину L, пути, проходимого в вакууме плоской
      электромагнитной волной за время t; эта длина получается путем
      измерения промежутка времени при использовании соотношения
      L = c ⋅ Δt и значения скорости света в вакууме 299792458 м/с;
   б) через значение длины волны в вакууме λ плоской электромагнитной
      волны с частотой f; это значение длины волны получается путем
      измерения значения частоты f при использовании соотношения
      L = c ⋅ f и значения скорости света в вакууме с =299792458 м/с.


  В настоящее время Государственный первичный эталон единицы длины
ГЭТ 2-85, воспроизводящий одну из основных единиц физических величин
– метр, находится во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева (рис.5.7.).




       Рис. 5.7. Государственный первичный эталон единицы длины
  Важной особенностью первичного эталона метра, в состав которого
входит стабилизированный по частоте He − Ne / J 2 лазер, является
воспроизведение и хранение единицы длины на основе стабильного
квантового эффекта – перехода на линиях сверхтонкой структуры
молекулярного йода 127 J 2 .
Состав эталона
Эталон состоит из комплекса следующих средств измерений:
   − источники эталонного излучения                 He − Ne / J 2 – лазеры,
      стабилизированные по линии насыщенного поглощения в
      молекулярном йоде 127;
   − установка для измерения отношений длин волн источников
      излучения;
   − интерференционный компаратор с лазерным интерференционным
      рефрактометром.
Метрологические характеристики эталона
   Диапазон измерений длины – ( 5 ⋅10 −9 − 1,0 ) м.
   Длина волны, воспроизводимая эталонным источником излучения
   He − Ne / J 2 лазера – 0,63299139822 мкм.
   Эталон обеспечивает воспроизведение единицы длины с СКО – 2 ⋅ 10 −11
   и НСП – 1,5 ⋅10 −11 .
  Эталонный комплекс обеспечивает передачу размера единицы длины
вещественным мерам длины, измерителям линейных перемещений,
преобразователям линейных перемещений:
   − в диапазоне (1 ⋅10 −3 − 1,0 ) м с суммарной погрешностью (0,015+0,01 L)
      мкм, где L, – длина в метрах;


   − в диапазоне (1 ⋅10 −6 − 1 ⋅ 10 −3 ) м с суммарной погрешностью 0,015 мкм;
   − в диапазоне ( 5 ⋅10 −9 − 1 ⋅ 10 −6 ) м с суммарной погрешностью 0,003 мкм.
Уникальность
    Наивысшая точность воспроизведения единицы длины – 10 −11 .
    Наибольшее разрешение лазерного интерферометра – λ / 2000 ≈ 0,3 нм.
    Специальный пассивный термобаростат и специальный виброзащитный
фундамент компаратора.
  Эталон единицы длины имеет постоянные международные сличения с
эталоном Международного Бюро мер и весов (МБМВ) и Национальными
эталонами Финляндии, Германии, Норвегии, Чехии, США, Англии,
Республики Корея.
Эталон единиц массы. В основе эталона единицы массы лежит принцип
независимости законов механики от выбора единицы массы. Поэтому
условно по договоренности за единицу массы принята масса
Международного прототипа килограмма, представляющего собой
прямой цилиндр с диаметром и высотой 39 мм. Международный прототип
килограмма изготовлен из платиноиридиевого сплава (90% Pt, 10% Ir). Его
масса близка к массе одного кубического дециметра дистиллированной
воды при температуре около +3,96 °С и нормальном атмосферном
давлении 760 мм рт.ст.
  Международный прототип килограмма хранится и применяется в
Международном бюро мер и весов (МБМВ). Передача размера единицы
массы от Международного прототипа килограмма национальным
эталонам единицы массы осуществляется в МБМВ с наивысшей
точностью, достигнутой в мире.
  Наивысшая достижимая точность измерений массы определяется,
прежде всего, стабильностью Международного прототипа килограмма и
точностью передачи единицы массы национальным эталонам килограмма.
  Основные работы по созданию национального эталона единицы массы в
России были проведены Д.И. Менделеевым после получения из МБМВ
платиноиридиевых копий № 12 и № 26 и эталонных весов № 1 фирмы
«Рупрехт» в 1895 году.
  Все работы, проводимые с эталонами, связаны с повышением точности
передачи размера единицы массы от платиноиридиевой копии № 12
эталонам-копиям и рабочим эталонам массы из нержавеющей стали. При
этом одной из основных работ является повышение точности эталонных
весов, компараторов.
  Единство и точность измерений массы в России обеспечивается
применением Государственного первичного эталона единицы массы,
образцовых и рабочих средств измерения массы в соответствии с ГОСТ
8.021-84 «Государственный первичный эталон и государственная
поверочная схема для средств измерений массы».


  Государственный первичный эталон (ГПЭ) единицы массы
предназначен для воспроизведения и хранения единицы массы,
полученной на основании его сличения с Международным прототипом
килограмма, а также для передачи размера единицы массы при помощи
вторичных эталонов и образцовых средств измерения массы рабочим
средствам измерения.
  Российский Государственный первичный эталон единицы массы имеет
номер ГЭТ 3-78 по государственному реестру и утвержден
Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам № 4109
от 6 декабря 1984 г.
  В Государственный первичный эталон единицы массы входит комплекс
следующих средств измерений (рис. 5.8.):
   − национальный прототип килограмма – копия № 12 Международного
      прототипа килограмма;
   − национальный прототип килограмма – копия № 26 Международного
      прототипа килограмма;
   − эталонная гиря R1 массой 1 кг и набор эталонных гирь массой от 1 г
      до 500 г из платиноиридиевого сплава;
   − эталонные       весы-компараторы    с  наибольшими      пределами
      взвешивания (НПВ) 1 кг, 200 г, 25 г и 3 г, имеющие средние
      квадратические отклонения (СКО) показаний 0,01 мг, 0,005 мг, 0,001
      мг и 0,0004 мг.




      Рис. 5.8. Государственный первичный эталон единицы массы
  Номинальное значение массы, воспроизводимое национальным
эталоном единицы массы, 1 кг. Действительное значение массы,
полученное по результатам сличений копии № 12 с Международным
прототипом килограмма в 1993 г. в МБМВ, составляет 1 кг+0,100 мг.
Погрешность результата измерений, полученных при сличении копии №
12 с Международным прототипом килограмма, не превышает 0,0023 мг
(относительная погрешность 2 ⋅ 10 −9 ).
  Действительное значение массы копии № 26, полученное при сличении
с Международным прототипом килограмма, равно 1 кг±0,008 мг.


  Государственный первичный эталон единицы массы хранится во
ВНИИМ им. Д.И. Менделеева в Санкт-Петербурге. Весь эталонный
комплекс находится в специальном термостатированном помещении,
находящемся в центре здания, где расположены основные эталоны
России. Эталонные весы-компараторы, используемые для сличений
эталонов    массы,    установлены    на    специальном     фундаменте,
изолированном от фундамента основного здания. Это существенно
уменьшает влияние вибраций на процесс взвешивания при сличениях
эталонов массы. Амплитуда вибрации этого фундамента не превышает 5
мкм при частоте колебаний менее 10 Гц.
  Температура в эталонном помещении поддерживается в пределах
20±2°С при относительной влажности воздуха 60±15 %. Изменение
температуры воздуха в эталонном помещении не превышает ±0,1 °С за 1
час, а изменение температуры воздуха внутри витрины эталонных весов-
компараторов во время сличения эталонов не превышает 0,01 °С за 1 час.
  Национальные прототипы килограмма – копии № 12 и № 26
Международного прототипа килограмма хранятся в специальном сейфе,
расположенном внутри термостатированного помещения. Копия № 12
установлена на кварцевой пластине и закрыта двумя притертыми
стеклянными колпаками. Копия № 26 также закрыта двумя стеклянными
колпаками.
  Копия № 26 Международного прототипа килограмма заменяет
национальный прототип № 12 в период его сличений в Международном
бюро мер и весов.
  Периодические исследования ГПЭ единицы массы проводятся один раз
в 7 лет. При периодических исследованиях ГПЭ производят взаимные
сличения национального прототипа килограмма – копии № 12 Ме-
ждународного прототипа килограмма с копией № 26 Международного
прототипа килограмма и с эталонной гирей R1 на эталонных весах-
компараторе с наибольшим пределом взвешивания 1 кг, входящих в
состав ГПЭ единицы массы. Перед проведением сличений производится
подготовка к работе эталонных весов, их исследование, определение
погрешностей и аттестация.
  Государственный первичный эталон единицы массы обеспечивает
высокую точность передачи единицы массы эталонам-копиям и рабочим
эталонам в соответствии с ГОСТ 8.021-84 «Государственный первичный
эталон и государственная поверочная схема для средств измерений
массы».
  Подтверждением высокой точности передачи размера единицы массы
от национального эталона килограмма – копии № 12 стальным эталонам-
копиям являются результаты Третьих международных сличений
национальных эталонов единицы массы (1991-1993 гг.) и Международных
круговых сличений стальных эталонов массы (1996-1997 гг.).


5.2.3. Поверочные схемы
  Обеспечение правильной передачи размера единиц физической
величины во всех звеньях метрологической цепи осуществляется
посредством поверочных схем. Поверочная схема – это нормативный
документ,    устанавливающий     соподчинение    средств   измерений,
участвующих в передаче размера единицы от эталона к рабочим СИ с
указанием методов и погрешности при передаче. Основные положения о
поверочных схемах приведены в ГОСТ 8.061–80. «ГСИ. Поверочные
схемы. Содержание и построение». Поверочные схемы делятся на
государственные, ведомственные и локальные.
  Государственная поверочная схема распространяется на все средства
измерения данной ФВ, имеющиеся в стране. Она разрабатывается в виде
государственного стандарта, состоящего из чертежа поверочной схемы и
текстовой части, содержащей пояснения к чертежу.
  Локальная поверочная схема распространяется на средства измерения
данной ФВ, применяемые в регионе, отрасли, ведомстве или на отдельном
предприятии. Они не должны противоречить государственным схемам для
СИ одних и тех же величин. Они могут быть составлены при отсутствии
государственной поверочной схемы. В них допускается указывать
конкретные типы (экземпляры) средств измерений. Ведомственная и
локальная поверочные схемы оформляют в виде чертежа, элементы
которого приведены на рис. 5.9.


     1               1                1                      1



     3               3            3         4          3           4



     5          5            6         5               5           6
     а         б         в        г
Рис. 5.9. Элементы графического изображения поверочных схем при передаче
размера: а – от эталона 1 к объекту 5 методом 3; б – от эталона 1 к
объектам поверки 5 и 6 методом 3; в – от эталона 1 к объекту поверки 5
методом 3 или 4; г – от эталона 1 к объекту поверки 5 методом 3 и объекту
поверки 6 методом 4.
  Поверочная схема устанавливает передачу размера единиц одной или
нескольких взаимосвязанных величин. Она должна включать не менее
двух ступеней передачи размера. Поверочную схему для средств



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика