3.2. Эталоны основных единиц системы си

Эталонная база России имеет а своем составе 114 государственных первичных и более 250 вторичных эталонов единиц ФВ. Из них 52 находятся во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, в том числе эталоны метра, килограмма, ампера, кельвина и радиана; 25- во ВНИИФТРИ, в том числе эталоны единиц времени и частоты.

Единица длины - метр. Как отмечалось ранее, при введении метрической системы за единицу длины — метр была принята одна десятимиллионная часть четверти Парижского меридиана. На основе произведенных измерений в 1799 г был изготовлен этаном метра в виде платиновой концевой меры, переданный па хранение в Национальный архив Франции и получивший название «метр архива». Принятый эталон не однократно уточнялся и в 1889 г был принят эталон в виде штриховой меры из сплава платины и иридии. Он представлял собой брусок длиной 102 см. имеющий в поперечном сечении форму буквы X.

В настоящее время государственный первичный эталон Российской Федерации для воспроизведения метра принято расстояние, проходимое светом в вакууме за долю секунды. Данное определение метра было законодательно закреплено в декабре 1985 г. после утверждения единых эталонов времени, частоты и длины.

Единица массы – килограмм. При установлении метрической системы в качестве единицы массы была принята масса 1 дм³ дистиллированной воды при температуре оно до 4 (при этой температуре вода имеет наибольшую плотность). На основе взвешивания массы воды с заданными параметрами был изготовлен первый прототип килограмма, представлявший собой платиново-иридиевую цилиндрическую гирю высотой и диаметром примерно 39 мм. Данное определение килограмма действует до сих пор.

Единица времени — секунда. Ранее секунда равнялась части солнечных средних суток. Существующие в настоящее эталоны времени основаны на способности атомов излучать и поглощать энергию во время перехода между двумя энергетическими состояниями в области радиочастот. На XIII ГКМВ в 1967 г было принято новое определение секунды, позволяющее воспроизводить ее значение с более высокой точностью. Секунда равна интервалу времени, в течение которого совершается 9 192 631 770 колебаний соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения внешними полями.

Диапазон значений интервалов времени, воспроизводимых «талоном; составляет .

Единица силы электрического тока — ампер. Современный эталон ампера состоит из двух комплексов. В первом из них зало­жен принцип установления размера ампера через вольт и Ом с использованием квантовых аффектов Джозефсона и Холла, а в дру­гом - через фараду, вольт и секунду с использованием методов электрометрии. Современный государственный эталон ампера име­ют следующие воспроизводимые значения силы тока: — по­средством квантовых эффектов и — при использовании методов электрометрии.

Единица температуры - кельвин. В настоящее время едини­цей термодинамической температуры служит кельвин, определяе­мый как часть тройной точки воды. Тройная точка воды, являющаяся тонкой равновесия воды в твердой, жидкой и газообразной фазах, может быть воспроизведена в специальных сосудах с погреш­ностью не более 0,0002 .

Размер единицы термодинамической температуры с 1990 г. определяется при помощи термодинамической практической шкалы МТШ-90.

Эталонным прибором, используемым в области температур от 13,81 до 630,74 , является платиновый термометр сопротивления. Для температур 630,75…1064,43 эталонным прибором выступает термопара с электродами из платинородия – платины.

Единица количества вещества - моль. Количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов частиц, сколько атомов содержится в 12 г углерода-12, называется моль (1 моль углерода имеет массу 12 г. 1 моль кислорода — 32 г. а 1 моль воды — 18 г). Эталонов моля нет, так как моль - счетная единица и его масса для различных веществ различна . Численно моль равен числу Авогадро: 6,02214199(47)-10²³ частиц. Средства измерения, отградуированные в молях, не выпускаются, однако моль в настоящее время широко применяется в химии для расчета количества вещества, участвующего в реакциях, в молекулярной физике для определения газовых параметров различных процессов и др.

Единица силы света - кандела. Первоначально эталоны единицы света представляли собой свечи, изготавливаемые из определенных материалов. На XVI ГКМВ в 1979 г. было принято определение: кандела - это сила света в заданном направлении источника, испускающее монохроматическое излучение частотой Гц.

ЛЕКЦИЯ № 5

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РЕГЛАМЕНТАЦИИ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СИ

ГОСТ 8.009-84 устанавливает нормируемые метрологические характеристики (МХ) такими, чтобы можно было производить статическое суммирование составляющих погрешности. МХ имеют следующие особенности:

1)систематические и случайные составляющие погрешности нормируются раздельно;

2)системные погрешности СП данного типа являются случайной величиной, поэтому стационарные погрешности не только измерены , но и М(

Основные принципы регламентации метрологических характеристик СИ

1.Результаты измерений можно использовать лишь в том случаи если осуществлена точность измерения, т.е. должно быть определено числовое значение погрешности измерения. Составляющей такой погрешности измерения является погрешность СИ.

В общем случае погрешность измерения складывается из следующих составляющих:

-инструментальной погрешности;

-методической погрешности;

- погрешности отсчета.

Инструментальная погрешность в свою очередь состоит из основной погрешности и суммарной погрешности, погрешности взаимодействия СИ и объектом измерения и так же диагностической погрешности.

Техническое средство, используемое для измерения, называют инструментальным лишь тогда, когда оно имеет нормируемые метрологические характеристики.

Метрологической характеристикой СИ называют характеристики СИ, которые влияют на результат измерений и его погрешность.

Существуют различные числовые показания точности СИ.

Нормированными называют такие МХ, установление которых осуществляется в соответствие с принятыми принципами, правилами и нормами, закрепленными в стандартах.

Такое нормирование крайне необходимо в различных случаях использования МХ, например которые для следующих метрологических работ:

1. Аттестация средств измерений и на поверке;

2. Вычислительные погрешности результатов измерений по записи в качестве СИ номинальной точности;

3. Определение погрешности ИИС и любого номинального СИ по показателям точности отдельного СИ.

Для обоснованного использования показателей точности во всех этих работах они должны удовлетворять некоторым общим принципам.

Эти принципы:

1. Давать исчерпывающие характеристики всех метрологических свойств СИ.

2. Служить основой для расчета некоторых производных характеристик погрешности для средств СИ некоторых состояний.

3. Легко контролироваться.

Это возможно при условии:

1.Наличие определенно связанных некоторых нории МХ и погрешность результата измерения .

2.Возможность устанавливать связи между МХ СИ и МХ ИИС.

В ГОСТе предусмотрены следующие комплексы нормируемых МХ для СИ данного типа:

1.Характеристики, предназначенные для определения результатов измерений (без введения поправки)

1)функции преобразования измерительного преобразователя или измерительного прибора с не именованной шкалой;

2)значение однозначной ( или многозначной) меры –Y;

3) цель деления шкалы или меры;

4) для цифровых приборов – вид выходного кода, число разрядов кода, цена единицы наименьшего разряда.

2.Характеристики погрешностей СИ:

А) систематическая составляющая :

1)предел систематической составляющей погрешности СИ данного типа;

2) математическим ожиданием М(

3) среднеквадратическим отклонением

Б)случайная составляющая .

1) среднее квадратическое отклонение ;

2)нормализованная автокорреляционная функция или функция спектральной плотности случайной составляющей погрешности;

В) случайная составляющая погрешности от ГИСТЕРЕЗИСА:

1) вариация Н выходного сигнала( показания) СИ;

2) характеристика погрешности СИ;

3.Характеристики чувствительности СИ к влияющим величинам:

1)функция влияния – зависимость дополнительной погрешности СИ от изменений влияющих параметров(температуры, давления, вибрации).

2)наибольшие допустимые погрешности метрологических характеристик СИ, вызванные изменением влияющей величины в установленных пределах.

4.Динамические характеристики СИ.

а)полные динамические характеристики:

1) переходная характеристика h(t);

2)импульсная переходная характеристика g(t);

3) амплитудно-фазовая G(i или амплитудно-частотная характеристика ;

4)совокупность амплитудно-частотной и фазовой характеристик;

5)передаточная функция G(S).

б) частотные динамические характеристики:

1)время реакции t;

2) коэффициент демпфирования ;

3) постоянная времени.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТИПА И ЭКЗЕМПЛЯРЫ

Указанные выше типовые характеристики, предназначенные для определения результатов измерения, нормируют как номинальные характеристики СИ данного типа.

Конкретные экземпляры СИ, используют для применения с одной или несколькими индивидуальными характеристиками. Для них нормируют только пределы(граничные характеристики), в которых должна находится индивидуальная характеристика при предусмотренных условиях применения СИ.

В частности:

1. Характеристика системной составляющей погрешности МИ нормируется:

а) установлением пределов допускаемой систематической составляющей;

б) установление пределов и .

2. Характеристика случайной составляющей нормируется установлением пределов допускаемых С.К.О. случайной составляющей погрешности.

3.Характеристика погрешности Си нормируют установлением предела допускаемой погрешности и предела допускаемой вариации выходного сигнала(показания) СИ.

ФОРМЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ НОРМИРУЕМЫХ МХ

1.Номинальную функции. преобразования измерительного преобразователя в виде формулы, таблицы, графика.

2.Номинальные значения однозначной и многозначной меры представляют именованными числами.

3.Нормированные характеристики погрешности СИ представляют числом(или формулой, таблицей, графиком) входного или выходного сигналов для абсолютных относительных или приведенных погрешностей.

Функции и плотности распределения систем и случайной составляющей погрешности СИ представляют в виде формулы, таблицы, графика.

Пример №1.

В качестве примера приведем нормирование погрешностей штангенрейсмасов при цене деления нонинуса 0,1 мм.

Пределы измерений,мм	Пределы допускаемой абс. Основной погр.мм
До 630	±0,1
От 630 до 1000	±0,1
От 1000 до 1600	±0,15
От 1600 до 2500	±0,20

Пределы допускаемой дополнительной относительной погрешности, вызванной изменением температуры окружающей среды на каждые , составляющей ±12 .

Пример 2.

Нормирование основной погрешности, вариации и функции влияния температуры окружающей среды силоизмерительных тензорезисторов для диапазона температуры .

Наименование характеристик	Значение характеристики в %-тах от номинального значения рабочего коэффициента преобразования
1.Пределы допускаемой систематической составляющей основной погрешности	±0,1
2.Пределы С.К.О. случайной составляющей основной погрешноси	0,05
3.Предел допускаемой вариации	0,1
4. Граничные функции влияния температуры окружающей среды на начальный коэффициент преобразования.
5. Граничные функции влияния температуры окружающей среды на рабочий коэффициент преобразования

ФОРМЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ И ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТОЧНОСТИ

При аттестации приборов возникает вопрос в какой же форме представлять результаты испытаний. Совершенно ясно, что эта форма должна быть регламентирована в соответствующих нормативных документах с целью установления единообразия.

Для указанной цели введен ГОСТ 8.011-72 “Показатели точности измерений и формы представления результатов измерений”, а так же “Методические указания МИ 1317-86”.

Существуют четыре формы представления результатов измерений:

1 форма:

- результат измерения в единицах измеряемой величины. -погрешность нижняя и верхняя границы интервала

установленная доверительная вероятность, с которой погрешность измерения находится в указанных границах.

А± , Р 10,5 ±0,1 В ; Р=0,95.

Эта форма используется тогда, когда погрешность не подразделяется на систематическую и случайную.

2 форма

В том случаи, если погрешность подразделяется систематическую и случайную: - результат измерения.

- нижняя и верхняя границы.

доверительная вероятность.

стандартная аппроксимация функции плотности вероятности. .

Пример: 31,5 В, Р( =0,95. ; равн.

3 форма

- результат измерения;

- оценки С.К.О. систематической и случайной составляющей;

- стандартная аппроксимация плотности распределения.

Пример: 25,12 В,

4 форма.

- результат измерения;

- плотности вероятности системной и случайной составляющей.

Формы представления нормированных МХ.

1.Номинальную функцию преобразования измерительного преобразователя представляют в виде формулы, таблицы, графиков.

2.Номинальное значение… целыми числами.

3.Линейную функцию преобразования… представляется коэффициентом преобразования в виде чисел.

4. Нормированную МХ погрешности СИ представляют числом или функцией в виде(формулы, таблицы, графика) информативным параметром входного или выходного сигнала для абсолютной, относительной или…погрешности.

5. Нормированный предел вариационной СИ представляют числом в арифметической измеряемой величиной или в %-тах.

6. Функцию и плотность реализации в виде формулы, таблицы и графика.

7.Номинальную функцию влияния, пределы отклонений от неё и графическую функцию представляют в виде числа, формулы, таблицы, графика.

Основные принципы:

1.Погрешность СИ рассматривают как случайные величины. Согласно этому принципу ГОСТ 8.009-84 вводит статистические методы информации МХ СИ.

2. Различают МХ характеристики типа и конкретного измерительного прибора.

А)для типа измерительных систем погрешности являются случайной величиной, поэтому они могут нормироваться но только измерениями по М( ) и ( ).

Б)для конкретного эксперимента –детерминированная величина.

3.Сиситематические и случайные погрешности нормируются раздельно.

Комплексы нормирования МХ.

ЛЕКЦИЯ №6

КЛАССЫ ТОНЧОСТИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

Погрешности СИ классифицируют по следующим признакам:

1.По способу выражения погрешности подразделяют на абсолютные, приведенные и относительные.

А)абсолютной погрешностью СИ называют разность между его показанием и истинным значением измеряемой величины Х.

.

Б) приведенная погрешность СИ равна отношению абсолютной погрешности к нормирующему значению и выражается обычно в %-тах.

Нормирующее значение устанавливается в зависимости от характера шкалы.

1)при 0-ой отметке на краю или вне диапазона – большему из пределов измерения;

2) при нулевой отметке внутри диапазона – сумме модулей пределов;

3) при существенно не равномерной шкале – всей длине шкалы;

4) при установленном номинальном значении – номинальному значению.

В) относительная погрешность СИ равна отношению абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины:

2. По характеру измерения погрешности подразделяют на систематические и случайные.

3. По условиям возникновения погрешности делят на основные и дополнительные.

Предел допускаемой погрешности СИ - наибольшая его погрешность, при которой СИ может быть призвано годным и допущено к применению.

Класс точности – это обобщенная характеристика СИ, определяющая пределы допускаемых основных и дополнительной погрешности .

В обозначениях класса точности используются числа, которые характеризуют предел допускаемой погрешности в виде абсолютной, относительной или приведенной погрешности, а так же латинскими буквами или римскими цифрами.

СПОСОБЫ НОРМИРОВАНИЯ ПРЕДЕЛОВ (ДП)

ГОСТ 8.401-80 устанавливает следующие основные способы установления пределов допускаемых погрешностей.

1.Для СИ с неизменными границами абсолютной погрешности предел принято выражать в форме абсолютной погрешности:

Класс точности обозначается латинскими буквами(или римскими буквами).

Пример – многозначные меры.

2. Для СИ с неизменными границами абсолютной погрешности, у которых нормирующее значение выражено в единицах измеряемой величины, предел выражается в форме приведенной погрешности.

Она определяется по одночленной формуле:

Класс точности – это число р %, совпадающее с приведенной погрешностью. Число р - отвлеченное положительное число, выбираемое из ряда (n=1,0,-1,-2)

Пример: показывающие и самопищущие приборы.

3.Для СИ, у которых неизменны границы относительной погрешности, предел допускаемой погрешности следует выражать в форме относительной погрешности. Класс точности обозначают числом, заключенным в кружок и равным пределу погрешности в %-тах.

Пример: однозначная мера, счетчик энергии.

4. Для СИ, у которых границы абсолютной погрешности можно полагать изменяющимися практически линейно в зависимости от значения измеряемой величины.

).

Пределы допускаемой погрешности следует выражать в форме относительной погрешности по двухчленной формуле:

,

Где ; с = b +d= ;

наибольший из пределов.

Класс точности обозначают двумя числами, выраженными c и d в %-тах и разделенные косой чертой.

Например: 0,02/0,01

5.Для СИ, у которых шкала существенно не линейна и границы абсолютной погрешности, выраженные в единицах длины шкалы практически не измены, пределы допускаемой основной погрешности принято выражать в форме приведенной погрешности.

где выражается в единицах шкалы.

Класс точности выражается одним числом в %-тах, помещенными над «углом»( ).

c=b+d, приведенная аддитивная составляющая.

Установленные обозначения классов точности по пределам допускаемых погрешностей.

Формула для определения пределов допускаемых погрешностей	Примеры пределов допускаемой основной погрешности	Обозначение класса точности		Примечание
		В документации	На средствах измерения
	-	Класс точности М	М	-
	-	Класс точности С	С	-
		Класс точности 1,5	1,5	Если выражено в единицах величины
		Класс точности 0,5	0,5	Если определяется длиной шкалы
		Класс точности 0,5	0,5	-
		Класс точности 0,02/0,01	0,02/0,01	-

Р =

(n=1,0,-1,-2)

Формулы выражения погрешности	Придел допускаемой погрешности	Обозначение класса точности(для данного прибора)
Приведенная погрешность( если выражена в единицах измеряемой величины)		1,5
Приведенная погрешность( если принята равной длине шкалы)		0,5
Относительная погрешность		0,5
Относительная погрешность, возрастающая с уменьшением измеряемой величины		0,02/0,01

ЛЕКЦИЯ № 7