Эталоны единиц электрических величин

Средства измерений, предназначенные для воспроизведения и хранения единиц измерений, поверки и градуировки приборов делятся на эталоны и образцовые средства измерения. Определение термина «эталон» было приведено нами ранее в разд. 1.3. Классификация, назначение и общие требования к созданию, хранению и применению эталонов устанавливаются соответствующими стандартами.

Перечень эталонов не повторяет перечня физических величин. Для ряда единиц эталоны не создаются из-за того, что нет возможности непосредственно сравнивать соответствующие физические величины, например, нет эталона площади. Не создаются эталоны и в том случае, когда единица физической величины воспроизводится с достаточной точностью на основе сравнительно простых средств измерений других физических величин.

Конструкция эталона, его физические свойства и способ воспроизведения единицы определяются физической величиной, единица которой воспроизводится, и уровнем развития измерительной техники в данной области измерений. Эталон должен обладать, по крайней мере, тремя взаимосвязанными свойствами: неизменностью, воспроизводимостьюисличаемостью.

Неизменность– это свойство эталона удерживать неизменным размер воспроизводимой им единицы физической величины в течение длительного интервала времени. При этом все изменения, зависящие от внешних условий, должны быть строго определенными функциями величин, доступных точно­му измерению. Реализация этих требований привела к созданию «естественных» эталонов различных величин, основанных на физических постоянных.

Воспроизводимость –возможность воспроизведения единицы физической величины с наименьшей погрешностью для существующего уровня развития измерительной техники.

Сличаемостъ –возможность сличения с эталоном других средств измерений, нижестоящих по поверочной схеме, в первую очередь вторичных эталонов, с наивысшей точностью для существующего уровня развития техники измерения.

Эталоны классифицируют в зависимости от метрологического назначения. Это назначение предполагает оснащение метрологической службы первичными, специальными, государственными, национальными, международными и вторичными эталонами (рис. 1.3).

Первичный эталон –эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране точностью. Первичные эталоны – это уникальные средства измерений, часто представляющие собой сложнейшие измерительные комплексы. Они составляют основу государственной системы обеспечения единства измерений.                    

Первичный эталон может быть специальным, государственным, национальным и международным.

                    Рис. 1.3

Специальный эталон – этоэталон, обеспечивающий воспроизведение единицы в особых условиях и заменяющий для этих условий первичный эталон. Он служит для воспроизведения единицы в условиях, когда первичный эталон нельзя использовать, и прямая передача размера единицы от первичного эталона с требуемой точностью технически неосуществима (например, на высоких и сверхвысоких частотах, в начале и конце участков диапазонов измерений
и т. д.).

Первичные и специальные эталоны являются исходными для страны, их утверждают в качестве государственных.

Государственный эталон –это первичный (или специальный) эталон, признанный решением уполномоченного Государственного органа в качестве исходного на территории государства. Государственные эталоны создают, хранят и применяют центральные метрологические научные институты страны, а утверждает Госстандарт. Точность воспроизведения единицы должна соответствовать уровню лучших мировых достижений и удовлетворять потребностям науки и техники. В состав государственных эталонов включают средства измерений, с помощью которых воспроизводят и (или) хранят единицу физической величины, контролируют условия измерений и неизменность воспроизводимого или хранимого размера единицы физической величины, осуществляют его передачу.

Погрешности государственных первичных и специальных эталонов характеризуются неисключенной систематической погрешностью, случайной погрешностью и нестабильностью. Нестабильность эталона задается изменением размера единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном, за определенный промежуток времени.

Национальный эталон –эталон, признанный официальным решением в качестве исходного для страны.

Международный эталон – эталон, принятый по международному соглашению в качестве международной основы для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами.

Вторичный эталон –эталон, значение которого устанавливают по первичному эталону. Вторичные эталоны являются частью подчиненных средств хранения единиц и передачи их размеров. Вторичные эталоны создаются и утверждаются в тех случаях, когда это необходимо для организации поверочных работ, а также для обеспечения сохранности и наименьшего износа государственного эталона. По метрологическому назначению вторичные эталоны делятся на эталоны-свидетели, эталоны-копии, эталоны сравнения и рабочие эталоны.

Эталон-свидетель служит для проверки сохранности и неизменности государственного эталона и замены его в случае порчи или утраты. В настоящее время только эталон килограмма имеет эталон-свидетель.

Эталон-копия предназначен для передачи размера единицы рабочим эталонам. Он создается в случае необходимости проведения большого числа поверочных работ с целью предохранения первичного или специального эталона от преждевременного износа. Эталон-копия представляет собой копию государственного эталона только по метрологическому назначению, поэтому он не всегда является его физической копией.

Эталон сравнения применяется для взаимного сличенияэталонов, которые по тем или иным причинам нельзя непосредственно сравнивать друг с другом (например, международные сличения эталонов).

Рабочие эталоны предназначены для поверки образцовых и наиболее точных рабочих средств измерений. Рабочие эталоны применяются во многих территориальных метрологических центрах.

Оценки погрешностей вторичных эталонов характеризуют отклонением размеров хранимых ими единиц от размера единицы, воспроизводимой первичным эталоном.

Передача размеров единиц физических величин от эталонов рабочим мерам и измерительным приборам осуществляется с помощью рабочих эталонов (до недавнего времени в Российской Федерации вместо термина «рабочие эталоны» использовалось понятие «образцовые средства измерений», которое в других странах не применяют).

Рабочие эталоны при необходимости подразделяются на 1-й, 2-й и т. д. разряды, определяющие порядок их соподчинения в соответствии с поверочной схемой. Различным видам измерений устанавливают, исходя из требований практики, различное число разрядов рабочих эталонов, определяемых стандартами на поверочные схемы для данного вида измерений.

Основной единицей электрических величин является единица силы тока – ампер (А). Производными от ампера являются единица ЭДС и электрического напряжения – вольт (В), единица частоты – герц (Гц), единица электрического сопротивления – ом (Ом), единица индуктивности и взаимной индуктивности двух катушек – генри (Гн), единица электрической емкости – фарада (Ф).

Все перечисленные единицы воспроизводятся и хранятся посредством Государственных первичных эталонов.

Современный государственный первичный эталон амперавоспроизводит значение силы постоянного тока в диапазоне 10^-16...30 А. Данный эталон воспроизводит единицу силы тока со средним квадратическим отклонением результата измерений не более 5∙10^-8 А при номинальных значениях силы тока

10^-2...2∙10^-4 А. Неисключенная систематическая погрешность не должна превышать 2∙10^-8 А при номинальных значениях силы постоянного тока 10^-3 и 1 А.

Для воспроизведения и хранения единицы силы переменного тока разработаны два государственных специальных эталона. Государственный эталон сипы переменного тока для диапазона частот40...10⁵ Гц и значений токов0,01...

…10 А воспроизводит ампер со средним квадратическим отклонением не более

10^-4 А при неисключенной систематической погрешности, не превышающей

2∙10^-4 А. Государственный эталон силы переменного тока для диапазона частот0,1... 300 МГц и значений токов3...100 А воспроизводит ампер со средним квадратическим отклонением не более 5∙10^-4А при неисключенной систематической погрешности, не превышающей 8,5∙10^-4 А.

Государственный первичный эталон напряжения переменного тока для значений0,1... 10 В в диапазоне частот20... 3∙10⁷ Гц воспроизводит единицу напряжения со средним квадратическим отклонением не более 5∙10^-5 В при неисключенной систематической погрешности, не превышающей значения

3∙10^-4 В. Государственный первичный эталон напряжения переменного тока для значений0.1... 1В в диапазоне частот30... 3000 МГц воспроизводит вольт со средним квадратическим отклонением не более 5∙10^-3 В при неисключенной систематической погрешности, не превышающей 2∙10^-2 В.

Государственный первичный эталон времениобеспечивает воспроизведение значений интервалов времени 10^-9…10⁸с в диапазоне частот 1...10¹⁴ Гц со средним квадратическим отклонением не более 5∙10^-14 с при неисключенной систематической погрешности, не превышающей 2∙10^-13.

Государственный первичный эталон омаобеспечивает воспроизведение единицы электрического сопротивления со средним квадратическим отклонением не более 10^-7 Ом при неисключенной систематической погрешности, не превышающей 5∙10^-7  Ом.

Государственный первичный эталон электрической емкостивоспроизводит фараду со средним квадратическим отклонением не более 2∙10^-7 Ф при неисключенной систематической погрешности, не превышающей 5-10^-7 Ф. В диапазоне частот 1... 100 МГц эталон воспроизводится со средним квадратическим отклонением не более 3∙10^-5 Ф при неисключенной систематической погрешности, не превышающей 10^-4 Ф.

Государственный первичный эталон единицы индуктивностиосуществляет передачу генри на частоте 1 кГц со средним квадратическим отклонением не более 1∙10^-6 Гн при неисключенной систематической погрешности, не превышающей 5∙10^-6 Гн.

Все возрастающие требования к точности измерений в различных областях науки и техники стимулируют создание новых специальных эталонов и увеличение точности уже существующих. Как правило, при разработке эталонов стремятся использовать стабильные физические явления и процессы, воспроизведение которых обеспечивается фундаментальными законами физики и мало зависит от конкретных особенностей построения эталонов. Наиболее ярким примером такого подхода является утвержденный в 1983 г. Государственный первичный эталон времени и частоты, использующий явление резонансного поглощения электромагнитной волны атомами цезия.

Эталоны различных физических величин стремятся создавать так, чтобы они образовывали определенную взаимосвязанную систему. Такие связи устанавливаются за счет использования первичных эталонов основных физических величин. Например, специальные эталоны мощности электромагнитных СВЧ-колебаний и мощности колебаний оптического диапазона связаны между собой так, как их аттестуют по напряжению и сопротивлению на постоянном токе. Эталоны одной и той же физической величины для разных диапазонов частот сличают на перекрывающихся границах рабочих диапазонов.

ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ

Погрешность измерения, погрешность средства измерения, случайная
погрешность, числовые характеристики случайной погрешности,
доверительный интервал, класс точности средства измерения