Бирюков С., Чередов А. Метрология: Тексты лекций

ОГЛАВЛЕНИЕ

5. ЭТАЛОНЫ. ОБРАЗЦОВЫЕ И РАБОЧИЕ МЕРЫ

Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, в которых проградуированы все средства измерений одной и той же физической величины.
Единство измерений достигается путем точного воспроизведения и хранения установленных единиц физических величин и передачи их размеров применяемым средствам измерений.
Размеры единиц воспроизводятся, хранятся и передаются с помощью эталонов и образцовых средств измерений.
Высшим звеном в метрологической цепи передачи размеров единиц измерений являются эталоны.

• Эталоны

Эталоном единицы величины называют средство измерений, предназначенное для воспроизведения и хранения единицы величины (или кратных либо дольных значений единицы величины) с целью передачи ее размера другим  средствам измерений данной величины.
Эталоны делят на первичные, специальные и вторичные.
Первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы с наивысшей в
стране точностью (по сравнению с другими эталонами той же единицы). Первичный эталон основной единицы должен воспроизводить единицу в соответствии с ее определением.
Специальный эталон обеспечивает воспроизведение единицы в особых условиях и заменяет для этих условий первичный эталон. При этом единица, воспроизводимая специальным эталоном, должна быть согласована по размеру с единицей, воспроизводимой с помощью соответствующего первичного эталона. Первичные и специальные эталоны, официально утвержденные в качестве исходных средств измерений в стране, называются государственными.
Например, в России в настоящее время действуют три государственных эталона единицы электрического напряжения: государственный первичный эталон единицы постоянного напряжения (ГОСТ 8.027—81), государственный специальный эталон единицы  переменного  напряжения  в  диапазоне частот 20 Гц - 30 МГц (ГОСТ 8.184 - 76) и государственный специальный эталон единицы переменного напряжения в диапазоне частот 30 - 3000 МГц (ГОСТ 8.072—82).
Вторичным называют эталон, для которого размер воспроизводимой им единицы устанавливают по первичному эталону. Вторичные эталоны делят на рабочие эталоны, эталоны-свидетели, эталоны-копии и эталоны сравнения. Рабочий эталон предназначается для передачи размера единицы образцовым средствам измерений высшей точности; эталон-свидетель — для проверки сохранности государственного эталона и замены его в случае порчи или утраты; эталон-копия - для передачи размера единицы рабочим эталонам, он не всегда является физической копией государственного эталона. Эталон сравнения (эталон-переносчик, транспортируемый эталон) предназначен для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличены друг с другом, например, при международных сличениях, при необходимости транспортирования эталона и т. д.
В области электрических и электронных измерений в настоящее время действуют более 50 государственных первичных и специальных эталонов. Они эксплуатируются во многих научно-исследовательских метрологических институтах страны [6].
Такое количество эталонов, существенно превышающее число единиц электрических величин, объясняется технико-экономической целесообразностью централизованного воспроизведения единиц с помощью эталонов в специальных условиях, определяемых в основном широким диапазоном частот электронных средств измерений.
Децентрализованное воспроизведение производных единиц электрических величин посредством косвенных измерений, выполняемых в органах метрологической службы с помощью образцовых средств измерений, применяется относительно редко.
Следует отметить, что создание и совершенствование эталонов является чрезвычайно сложной задачей, требующей больших усилий коллективов ученых, инженеров, конструкторов и производственников. Это объясняется, в первую очередь, высокой точностью эталонов единиц электрических величин, превышающей в десятки раз точность рабочих средств измерений. К тому же требования к точности воспроизведения единиц величин непрерывно растут. В современных эталонах все большее применение находят новейшие достижения физики, химии, технологии. Это требует высокой квалификации специалистов, применяющих эталоны. Для ведения работ с эталонами Госстандартом назначается ученый хранитель из числа наиболее квалифицированных специалистов в данной области измерений. Работа с эталонами производится в соответствии с правилами их хранения и применения, в которых указываются порядок применения, наблюдения за правильностью хранения, проведения исследований и сличений эталонов, в том числе и международных.
Кроме национальных эталонов единиц, существуют и международные эталоны Международного бюро мер и весов (МБМВ), которое проводит систематические международные сличения эталонов национальных метрологических организаций разных стран с международными эталонами и между собой.
Государственный первичный эталон единицы массы — килограмма состоит из национального прототипа килограмма (гири из платиново-иридиевого сплава) и эталонных весов, предназначенных для передачи размера единицы массы вторичным эталонам. Среднее квадратическое отклонение относительной погрешности воспроизведения эталоном единицы массы равно 7×10-9.
В настоящее время ведутся работы по созданию «естественного» эталона единицы массы, например, с использованием подсчета  числа молекул.
Государственный первичный эталон единиц длины — комплекс средств, воспроизводящих метр в виде 1650763,73 длин волн излучения в вакууме, соответствующего переходу между определенными уровнями атома криптона-86. Эталон обеспечивает воспроизведение метра с относительным средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 5×10 -9.
Государственный первичный эталон единицы времени — комплекс средств, воспроизводящих секунду в виде 9192631770 периодов колебаний электромагнитного излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Этот эталон является также эталоном единицы частоты - герца. Он обеспечивает воспроизведение единиц с относительным средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 1×10-13, при неисключенной относительной систематической погрешности, не превышающей 1×10-12
Появление высокостабильных лазеров позволило осуществить согласованное определение метра и секунды на основе одной линии излучения. В связи с этим в 1983 г. XVII Генеральной конференцией по мерам и весам принято решение о новом определении метра, в соответствии с которым метр определен как длина пути, проходимого светом за 1/299 792 548 долю секунды. В настоящее время ведутся работы по созданию единого эталона единиц времени, частоты и длины. При этом используется фундаментальная зависимость l = c×t, где l — путь, проходимый излучением; c = 299792548 м/с - скорость света (излучения);  t - время.
Государственный первичный эталон единицы силы постоянного электрического тока — ампера — это комплекс средств, в состав которых входят токовые весы. В токовых весах, представляющих собой рычажные равноплечие весы, с одной стороны на коромысло действует сила взаимодействия двух соленоидов, обтекаемых постоянным током, а с другой  - гиря известной массы. При равновесии весов сила тока определяется через массу гири, ускорение свободного падения в месте расположения весов и постоянную электродинамической системы (двух соленоидов), зависящую от формы и размеров соленоидов, диаметра сечения провода соленоидов, значения относительной магнитной проницаемости среды и т.д. Таким образом, ампер воспроизводится через основные единицы — метр, килограмм и секунду. Эталон воспроизводит размер ампера с относительным средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 4×10 -6, при относительной систематической погрешности, не превышающей 8×10 -6.
Из двух дополнительных единиц СИ (радиана и стерадиана) с помощью эталона воспроизводится единица плоского угла — радиан.
Воспроизведение радиана осуществляется методом калибровки, исходя из того, что сумма всех центральных смежных углов многогранной призмы равна 2л рад (360°).
Государственный первичный эталон единицы плоского угла состоит из 36-гранной призмы, эталонной угломерной автоколлимационной установки, включающей фотоэлектрические автоколлиматоры с электронным цифровым отсчетным устройством, позволяющим выполнять измерения в пределах от -6" до +6", и системы для установки и поворота многогранной призмы.
Цена отсчетного устройства автоколлиматора 0,01". Среднее квадратическое отклонение результата измерения не превышает 0,02".
Для поддержания единства измерений можно ограничиться созданием эталонов только основных величин. Однако для облегчения выполнения этой задачи созданы эталоны производных единиц. Рассмотрим некоторые эталоны производных единиц электрических величин.
В состав государственного эталона вольта входят: мера напряжения на основе эффекта Джозефсона (возникновение напряжения между двумя разделенными тонким слоем диэлектрика сверхпроводниками в высокочастотном электромагнитном поле); группа насыщенных нормальных элементов (см.  п. 5.3) для хранения размера единицы, компенсатор постоян-ного тока для сличения нормальных элементов. Эталон воспроизводит размер вольта с относительным средним квадратическим отклонением результата измерения, не превышающим 5×10-8, при относительной не исключенной систематической погрешности, не превышающей 1×10 -6.
Государственный эталон единицы сопротивления воспроизводит ом с помощью 10 манганиновых катушек сопротивления с относительным средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 1×10 -7, при неисключенной относительной систематической погрешности, не превышающей 5×10 -7.
Государственный эталон единицы емкости воспроизводит фарад с помощью конденсатора с относительным средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 7×10-7, при неисключенной относительной систематической погрешности, не превышающей 13×10 -7.
Государственный эталон единицы индуктивности воспроизводит генри с помощью четырех катушек индуктивности с относительным средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 1×10 -5, при неисключенной относительной систематической погрешности, не превышающей 1×10 -5.
Единицы магнитных величин воспроизводятся с помощью соответствующих эталонов. У нас в стране 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.

• Меры электрических величин

Эталоны, которые воспроизводят единицу измерения, называют мерами. По назначению меры делят на образцовые и рабочие. Меры, утвержденные в качестве образцовых, предназначаются для поверки и градуировки рабочих средств измерений. Рабочие меры служат для измерений.
По точности воспроизведения физической величины образцовые меры бывают 1, 2 и 3-го разрядов, причем наименьшая погрешность воспроизведения у меры 1-го разряда. По допускаемой погрешности воспроизведения значения физической величины рабочие меры относят к различным классам точности.
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.
        Меры э.д.с. и электрического напряжения. 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 (рис. 5.1) состоит из Н-образного стеклянного сосуда, заполненного определенными веществами. Верхние концы сосуда запаяны, а в нижние впаяны платиновые проволочки— выводы.

Положительным электродом насыщенного нормального элемента является ртуть, а отрицательным— амальгама кадмия. Анодная ветвь имеет следующее заполнение: ртуть - 1, сульфат ртути  - 2, кристаллы сульфата кадмия - 3.  Катодная ветвь состоит из следующих частей: амальгама кадмия – 4 (10-12 % кадмия и 88-90 % ртути), кристаллы сульфата кадмия – 5.  Средние части 6 обеих ветвей заполнены насыщенным раствором сульфата кадмия, содержащего избыток кристаллов CdS04×8/3Н2О. Кристаллы сульфата кадмия 3 и 5 обеспечивают сохранение насыщения электролита 6. Нормальный элемент заключен в металлический, деревянный или пластмассовый кожух с хорошо изолированными зажимами, к которым присоединяются проводники от электродов.
Значения э.д.с. насыщенного НЭ при 20 0С лежат в диапазоне  Е20 = 1,018540 – 1,018730 В. Согласно ГОСТ 1954-82 насыщенные НЭ могут иметь один из следующих классов точности: 0,0002; 0,0005; 0,001; 0,002; 0,005. Эти значения соответствуют наибольшим допускаемым изменениям э.д.с. за 1 год – на 2, 5, 10, 20, и 50 мкВ. Наибольший ток, который можно пропускать через насыщенный НЭ, определяется временным режимом работы и зависит от класса точности элемента. Согласно ГОСТ 1954-82 наибольший допустимый ток лежит в диапазоне от 0,002 до 1 мкА. Если температура НЭ отличается от 20 0С, то изменение э.д.с. следует учитывать по формуле
Et = E20 – 40,6×10-6(t-20) – 0,95×10-6(t-20)2 +0,01×10-6(t-20)3 ,
где Et – э.д.с, В, при температуре t,0C; Е20 – э.д.с., В, при температуре 20 0С, указанная в паспорте НЭ. Внутреннее сопротивление насыщенных НЭ составляет 500 – 2000 Ом.
Ненасыщенные НЭ отличаются от насыщенных тем, что у них применяется ненасыщенный раствор сульфата кадмия, который не содержит кристаллов CdS04×8/3Н2О при температуре выше 4 0С. Воспроизводимость и стабильность значения э.д.с. ненасыщенных НЭ ниже, чем насыщенных.  
Конструкция ненасыщенных нормальных элементов аналогична конструкции насыщенных. Ненасыщенные НЭ выпускаются с классами точности 0,002; 0,005; 0,01 и 0,02. Это соответствует допустимым изменениям э.д.с. на 20, 50, 100 и 200 мкВ в год. Э.д.с. ненасыщенных НЭ лежит в диапазоне Е = 1,018800 - 1,019600 В и незначительно зависит от температуры (не более 0,0002 % на 1 К). Внутреннее сопротивление 300 - 600 Ом. Вследствие пониженных требований к точности воспроизведения значения э.д.с. ненасыщенных нормальных элементов максимальный ток их больше, чем у насыщенных, и составляет 100 мкА. При работе с НЭ следует оберегать их от тряски, опрокидывания, перегрева и воздействия сильного света. Эти требования менее жестки для ненасыщенных НЭ, поэтому они нашли широкое применение  в переносных средствах измерения.
В последнее время для получения весьма точного постоянного напряжения с погрешностью 5×10-8 используют открытый в 1962 г. эффект Джозефсона. Элемент Джозефсона состоит из двух сверхпроводников, соединенных друг с другом посредством тонкого слоя несверхпроводящего материала. При протекании через сверхпроводники постоянного тока в контактной зоне элемента Джозефсона устанавливается напряжение (эффект постоянного тока Джозефсона). Если на этот постоянный ток наложить переменный ток высокой частоты, то возникает эффект переменного тока Джозефсона. Переменный ток влияет таким образом, что вольт-амперная характеристика у элемента имеет ступенчатую форму. Напряжение каждой ступени
DU =  h×f / 2e.
Так как отношение h/e двух постоянных ( h — постоянная Планка, е -элементарный заряд) также постоянно, то определение напряжения сводится к измерению частоты f. Как известно, частота может быть измерена с очень высокой точностью. При частоте 10 ГГц напряжение ступени DU равно примерно 20 мкВ. Это напряжение в противоположность э.д.с. нормального элемента не зависит от внешних факторов, таких как температура, сотрясения, вибрации, электрические нагрузки, старение и т. д. Правда, из-за больших технических сложностей, возникающих при изготовлении установки с элементом Джозефсона, он применяется только при очень высоких требованиях к точности.
В качестве рабочего образцового напряжения в последнее время широко применяют стабилизированные источники со стабилитронами.
        Меры электрического сопротивления. Мерами электрического сопротивления называют образцовые резисторы, если они для этой цели сконструированы, изготовлены и прошли государственную поверку. Все другие резисторы называют измерительными. Они могут быть иногда использованы также в качестве образцовых резисторов более низкого порядка, если имеют соответствующее свидетельство о государственной поверке. Предполагается при этом, что они удовлетворяют минимальным требованиям к точности и стабильности.
Образцовые резисторы изготавливают из манганина. Манганин представляет собой сплав из 84 % меди, 12 % марганца и 4 % никеля. Он имеет большое удельное электрическое сопротивление, очень малый температурный коэффициент - порядка 1×10-5 К-1 и малую термо-э.д.с. в паре с медью. Для резисторов сопротивлением от 10-4 до 10-2 Ом применяют листовой манганин, от 10-1 до 102 - манганиновую проволоку, намотанную бифилярно, а для 103— 105 Ом - намотанную по Шаперону (рис. 5.2).
Образцовые резисторы могут иметь класс точности от 0,0005 до 0,1 при номинальном сопротивлении от 10-5 до 1010 Ом.

На рис. 5.3 показан внешний вид образцового резистора. На металлический или фарфоровый каркас 1 наматывается обмотка 2 из манганиновой проволоки, концы которой припаиваются к зажимам 3 и 4. 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.
Катушки снабжаются четырьмя зажимами, два из которых называются токовыми (зажимы 4) и предназначены для включения образцовой катушки в цепь тока, два других называются потенциальными (зажимы 3). Потенциальные зажимы предназначены для измерения падения напряжения на сопротивлении катушки. Образцовые резисторы из манганина могут быть нагружены в воздухе до 1 Вт, а в масляной ванне -  до 4 Вт.
При работе в цепях переменного тока может существенную (и нежелательную) роль играть реактивность резистора, обусловленная её индуктивностью L0 и собственной емкостью C0 . При этом полное сопротивление образцового резистора приближенно дается формулой
Z = R + jw(L0  - R2C0).
Отношение t = (L0  - R2C0)/R характеризует степень реактивности резистора. Величина t называется постоянной времени. Её значение обычно лежит в пределах 10-8 – 10-5 с. Чтобы уменьшить t, применяют специальные виды намотки (см. рис. 5.2).
Магазины сопротивлений являются образцовыми мерами с переменным значением сопротивлений. Применяемые в магазинах катушки сопротивлений обычно имеют простую бифилярную намотку. В магазинах сопротивлений, изготовляемых для измерений с повышенной  точностью в цепях переменного тока, для уменьшения постоянной времени катушек применяют более сложные намотки. Во многих случаях магазины сопротивлений используются в качестве реостатов или потенциометров для регулирования тока или напряжения в маломощных электрических цепях. В зависимости от способа переключения сопротивлений магазины делятся на штепсельные и рычажные. Штепсельные имеют набор катушек сопротивлений, соединенных последовательно (рис.5.4).

Каждая катушка подсоединяется к латунным пластинам, которые можно соединять между собой с помощью штепселей  - конических стержней, вставляемых в специаль-ные гнезда, и тем самым закорачивать катушки. При полностью вставленных штепселях все катушки сопротивлений будут закорочены и сопротивление магазина будет мини-мальным, наоборот, если все гнезда будут свободны от штепселей, сопротивление магазина будет максимальным.

Рычажные магазины сопротивлений состоят из нескольких декад (рис. 5.5).
 

Рычажные магазины сопротивлений состоят из нескольких декад (рис.5.5).

        Концы однотипных катушек сопротивлений для каждой декады подсоединяются к контактам, по которым скользят щетки, жестко скрепленные с рычагами. Суммарное сопротивление магазина отсчитывается по положению рычагов в каждой декаде.
Магазины сопротивлений выпускаются следующих классов точности: 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 и 1,0. При работе ток (мощность рассеяния) не должен превышать допустимого значения, указанного на маркировке. Магазины сопротивлений, предназначенные для использования на высоких частотах (сотни килогерц и выше), изготовляют из непроволочных резисторов. Точность таких магазинов не лучше класса 1,0.
        Меры индуктивности и взаимной индуктивности. Меры индуктивности и взаимной индуктивности выполняют в виде образцовых катушек и магазинов. Образцовая катушка состоит из изолированного провода, намотанного на плоский каркас из мрамора, фарфора или пластмассы (рис. 5.6).
       

Для уменьшения активного сопротивления и влияния поверхностного эффекта используется провод, состоящий из большого числа тонких  изолированных жил, называемый «литцендрат». Для улучшения изоляции витков и повышения стабильности индуктивности обмотку пропитывают парафином. Витки жестко скрепляются между собой и каркасом.
Катушки взаимной индуктивности состоят из двух индуктивно связанных образцовых катушек (рис. 5.6 б) и могут быть использованы как двухполюсник или четырехполюсник. Катушки индуктивности изготовляют на значения от 0,0001 до 10 Гн, а катушки взаимной индуктивности  - на значения от 0,001 до 0,1 Гн. Классы точности таких катушек 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,5; 1.
Меры индуктивности применяются для измерения в цепях переменного тока. Каждая катушка, кроме собственной индуктивности L0, имеет межвитковую емкость С0 и некоторое омическое сопротивление R. Значения С0 и R в мерах индуктивности стремятся получить минимальными.
Катушки индуктивности характеризуются добротностью Q = w×L0/R, причем, чем выше добротность, тем качественней катушка.
Мерами переменных и взаимных индуктивностей служат магазины индуктивностей и вариометры. Магазины индуктивностей представляют собой набор катушек индуктивностей, расположенных в одном корпусе с переключающими устройствами. Чтобы при различных значениях индуктивностей не изменялось активное сопротивление цепи, предусмотрены катушки сопротивления, замещающие активное сопротивление R выключаемых катушек индуктивности.
Вариометры изготовляют из двух индуктивно связанных катушек. Меняя плавно взаимное расположение этих катушек, можно изменять коэффициент взаимной индуктивности. Катушки вариометра можно соединять последовательно или параллельно, что позволяет менять общую индуктивность вариометра в зависимости от угла поворота одной катушки относительно другой. Угол поворота отсчитывается по шкале, а значения индуктивности и взаимной индуктивности определяют по градуировочным таблицам.
        Меры электрической емкости. 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; их емкость не зависит от частоты и формы приложенного напряжения, а зависимость от температуры - минимальна. Особо высокая точность воспроизведения емкости обеспечивается конденсаторами с воздушным диэлектриком, однако из-за больших габаритов они выпускаются до емкости 0,01 мкФ. Конструкция образцовых конденсаторов определяется рабочим напряжением: при низких напряжениях пластины плоскопараллельные, при высоких - цилиндрические. Погрешность емкости образцовых воздушных конденсаторов находится в пределах ± (0,03—0,05) %.
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; диэлектрические потери и температурный коэффициент емкости у них в несколько раз больше, чем у воздушных.
В магазинах емкостей необходимое значение емкости подбирается с помощью переключающих устройств штепсельного (рис. 5.7 а) или рычажного (рис. 5.7 б) типа. В последнее время образцовые конденсаторы малой емкости - от 1 до 5×103 пФ — изготовляют с воздушно-кварцевым   или   воздушно-полистироловым диэлектриком, а большой емкости - до 108 пФ - со стирофлексным.
В качестве образцовых конденсаторов переменной емкости применяются исключительно   воздушные   конденсаторы   с   высококачественной изоляцией ротора от статора и совершенным отсчетным устройством. Максимальная емкость таких  конденсаторов  не  превышает 0,01 мкФ,  потери в диэлектрике

tgd = 10-4, погрешность установки емкости составляет (0,05—0,1) %, температурный коэффициент емкости не превышает 0,003 % на 1°С.
.

Ваш комментарий о книге
Обратно в раздел Наука