Способы получения измерительной информации 4 глава
− оценка СКО среднего арифметического значения S x по формуле (4.6). В соответствии с критериями, рассмотренными выше, исключаютсягрубые погрешности и промахи. После их исключения проводитсяповторный расчет среднего арифметического значения и оценок его СКО. 2. Определение закона распределения результатов измерений илислучайных погрешностей измерений. В последнем случае от выборкирезультатов измерений x1 , x2 , K, xn переходят к выборке отклонений отсреднего арифметического Δx1 , Δx2 , K, Δxn , где Δxi = xi − X . Первым шагом при идентификации закона распределения являетсяпостроение по исправленным результатам измерений xi , где i = 1, 2, K, n ,вариационного ряда (упорядоченной выборки) yi , где y1 = min( xi ) и yn = max( xi ) . Β вариационном ряду результаты измерений (или ихотклонения от среднего арифметического) располагают в порядкевозрастания. Далее этот ряд разбивается на оптимальное число m , какправило, одинаковых интервалов группирования длиной h = ( y1 + yn ) m .Оптимальным является такое число интервалов m , при которомвозможное максимальное сглаживание случайных флуктуации данныхсопровождается минимальным искажением от сглаживания самой кривойискомого распределения. Далее определяют интервалы группирования экспериментальныхданных в виде Δ1 = ( y1 , y1 + h ); Δ 2 = ( y1 + h, y1 + 2 h ); K; Δ m = ( yn − h, yn ) иподсчитывают число попаданий nk (частоты) результатов измерений вкаждый интервал группирования. Сумма частот должна равняться числуизмерений. По полученным значениям рассчитывают вероятностипопадания результатов измерений (частости) в каждый из интерваловгруппирования по формуле pk = nk n , где k = 1, 2, K, m . Проведенные расчеты позволяют построить гистограмму, полигон икумулятивную кривую. Для построения гистограммы по оси результатовнаблюдений x (рис. 4.12, а) откладываются интервалы Δ k в порядкевозрастания номеров и на каждом интервале строится прямоугольниквысотой pk . Площадь, заключенная под графиком, пропорциональна числунаблюдений n . Иногда высоту прямоугольника откладывают равнойэмпирической плотности вероятности pk = pk Δ k = nk (n Δ k ) , которая ∗ является оценкой средней плотности в интервале Δ k . В этом случаеплощадь под гистограммой равна единице. При увеличении числаинтервалов и соответственно уменьшении их длины гистограмма все болееприближается к гладкой кривой – графику плотности распределения вероятности. Следует отметить, что в ряде случаев производят расчетноесимметрирование гистограммы, методика которого приведена в [17]. Полигон представляет собой ломаную кривую, соединяющую серединыверхних оснований каждого столбца гистограммы (см. рис. 4.12, а). Онболее наглядно, чем гистограмма, отражает форму кривой распределения.За пределами гистограммы справа и слева остаются пустые интервалы, вкоторых точки, соответствующие их серединам, лежат на оси абсцисс. Этиточки при построении полигона соединяют между собой отрезкамипрямых линий. В результате совместно с осью x образуется замкнутаяфигура, площадь которой в соответствии с правилом нормированиядолжна быть равна единице (или числу наблюдений при использованиичастостей). Рис. 4.12. Гистограмма, полигон (а) и кумулятивная кривая (б) Кумулятивная кривая – это график статистической функциираспределения. Для ее построения по оси результатов наблюдений (рис.4.12, б) откладывают интервалы Δ k в порядке возрастания номеров и накаждом интервале строят прямоугольник высотой k 1 k Fk = ∑ pk = ∑ nk . k =1 n k =1 Значение Fk называется кумулятивной частостью, а сумма nk –кумулятивной частотой. По виду построенных зависимостей может быть оценен законраспределения результатов измерений. 3. Оценка закона распределения по статистическим критериям. Причисле наблюдений n > 50 для идентификации закона распределенияиспользуется критерий Пирсона χ 2 (хи-квадрат) или критерий Мизеса–Смирнова (ω2). При 50 > n > 15 для проверки нормальности законараспределения применяется составной критерий (d-критерий),приведенный в ГОСТ 8.207–76. При n < 15 принадлежностьэкспериментального распределения к нормальному не проверяется. 4. Определение доверительных интервалов случайной погрешности.Если удалось идентифицировать закон распределения результатовизмерений, то с его использованием находят квантильный множитель z pпри заданном значении доверительной вероятности Р. В этом случаедоверительные границы случайной погрешности Δ = ± z p S x . 5. Определение границ неисключенной систематическойпогрешности Θ результата измерений. Под этими границамипонимают, найденные нестатистическими методами границы интервала,внутри которого находится неисключенная систематическая погрешность.Она образуется из ряда составляющих: как правило, погрешностей методаи средств измерений, а также субъективной погрешности. Границы неис-ключенной систематической погрешности принимаются равнымипределам допускаемых основных и дополнительных погрешностей средствизмерений, если их случайные составляющие пренебрежимо малы. Онисуммируются по определенным правилам. Доверительная вероятность приопределении границ Θ принимается равной доверительной вероятности,используемой при нахождении границ случайной погрешности. 6. Определение доверительной границы погрешности результатаизмерения Δ p . Данная операция осуществляется путем суммированияСКО случайной составляющей S x и границ неисключенной системати- Θческой составляющей Θ в зависимости от соотношения . Sx Анализ соотношения между неисключенной систематической Θпогрешностью и случайной погрешностью показывает, что если < 0,8 , Sxто неисключенной систематической погрешностью можно пренебречь ипринять границы погрешности результата равным Δ = ±t p S x ( t p –коэффициент Стьюдента, зависящий от доверительной вероятности Р и Θчисла проведенных измерений n ). Если > 8 , то случайной Sxпогрешностью можно пренебречь и принять границы погрешностирезультата равным Δ = ± Θ . Если оба неравенства не выполняются, вычисляют СКО результата каксумму неисключенной систематической погрешности и случайнойсоставляющей: m Θi2 S∑ = ∑ 2 + Sx . i =1 3 Границы погрешности результата измерения в этом случае вычисляютпо формуле Δ = ± K S∑ . Коэффициент К вычисляют по эмпирической формуле t p Sx + Θ K= . m Θ2 Sx + ∑ i i =1 3 7. Запись результата измерения. Результат измерения записывается ввиде x = X + Δ p при доверительной вероятности P = PД . При отсутствииданных о функциях распределения составляющих погрешности результатыизмерений представляют в виде X ; S x ; n ; Θ при доверительнойвероятности P = PД . 4.8. Контрольные вопросы1. Назовите наиболее универсальные способы описания случайных величин.2. Опишите формирование закона распределения плотности вероятностей случайной величины.3. Запишите условие нормирования дифференциального закона распределения случайной величины.4. Запишите вероятность Ρ попадания случайной величины х в интервал от x1 до x2 при известном дифференциальном законе распределения f (x ).5. Дайте определение интегральной функции распределения, приведите ее график и перечислите основные свойства.6. Поясните суть различных способов нахождения центра распределения случайной величины.7. Какие способы нахождения центра распределения случайной величины наиболее чувствительны к наличию промахов. 8. Запишите формулы для начальных и центральных моментов распределений дискретных и непрерывных случайных величин.9. Что характеризует дисперсия случайной величины?10. Определите точечную оценку математического ожидания случайной величины.11. Является ли точечная оценка дисперсии несмещенной и состоятельной. Приведите формулу для точечной оценки дисперсии.12. Приведите формулу для оценки СКО. Как связаны СКО и рассеяние результатов наблюдений?13. Определите характеристики нормального закона распределения, согласно центральной предельной теореме теории вероятностей. Приведите формулу для распределения Гаусса.14. Перечислите виды распределений случайных величин, для числовых оценок которых можно использовать предельную погрешность.15. Дайте определение квантильной оценки погрешности.16. Что означает утверждение, что доверительному интервалу ±3σ соответствует доверительная вероятность Ρ = 0,997?17. Каким образом осуществляется суммирование статистически независимых отдельных составляющих случайных погрешностей?18. В чем заключается недостаток оценивания случайных погрешностей доверительным интервалом?19. Дайте определение понятию грубая погрешность. Назовите причины её возникновения.20. Поясните суть критериев выявления грубых погрешностей: критерий «трех сигм», критерий Романовского, вариационный критерий Диксона. РАЗДЕЛ 5. ЕДИНСТВО ИЗМЕРЕНИЙ. ЭТАЛОНЫ ЕДИНИЦ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН5.1. Воспроизведение единиц физических величин и передача ихразмеров. Единство измерений При проведении измерений необходимо обеспечить их единство. Единство измерений – состояние измерений, характеризующееся тем,что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которыхв установленных пределах равны размерам единиц, воспроизводимыхпервичными эталонами, а погрешности результатов измерений известны ис заданной вероятностью не выходят за установленные пределы. Понятие «единство измерений» довольно емкое. Оно охватываетважнейшие задачи метрологии: унификацию единиц ФВ, разработкусистем воспроизведения величин и передачи их размеров рабочим сред-ствам измерений с установленной точностью и ряд других вопросов.Единство измерений должно обеспечиваться при любой точности,необходимой науке и технике. На достижение и поддержание на должномуровне единства измерений направлена деятельность государственных иведомственных метрологических служб, проводимая в соответствии сустановленными правилами, требованиями и нормами. Нагосударственном уровне деятельность по обеспечению единстваизмерений регламентируется стандартами Государственной системыобеспечения единства измерений (ГСИ) или нормативными документамиорганов метрологической службы. Для обеспечения единства измерений необходима тождественность еди-ниц, в которых проградуированы все существующие СИ одной и той жевеличины. Это достигается путем точного воспроизведения и хранения вспециализированных учреждениях установленных единиц ФВ и передачиих размеров применяемым СИ. Воспроизведение единицы физической величины – совокупностьопераций по материализации единицы ФВ с помощью государственногоэталона. Различают воспроизведение основной и производной единиц. Воспроизведение основной единицы – это создание фиксированной поразмеру ФВ в соответствии с определением единицы. Оно осуществляетсяс помощью государственных первичных эталонов. Например, единицамассы – 1 кг (точно) воспроизведена в виде платиноиридиевой гири,хранимой в Международном бюро мер и весов в качестве международногоэталона килограмма. Розданные другим странам эталоны имеютноминальное значение 1 кг. На основании последних (1979) междуна-родных сличений платиноиридиевая гиря, входящая в составГосударственного эталона РФ, имеет массу 1,000000087 кг [25]. Воспроизведение производной единицы – это определение значения ФВв указанных единицах на основании измерений других величин,функционально связанных с измеряемой величиной. Передача размера единицы – приведение размера единицы ФВ,хранимой поверяемым средством измерения, к размеру единицы,воспроизводимой или хранимой эталоном, осуществляемое при их поверкеили калибровке. Размер единицы передается «сверху вниз», от болееточных средств измерения к менее точным. Хранение единицы – совокупность операций, обеспечивающаянеизменность во времени размера единицы, присущего данному средствуизмерения. Хранение эталона единицы ФВ предполагает проведениевзаимосвязанных операций, позволяющих поддерживать метрологическиехарактеристики эталона в установленных пределах. При хранениипервичного эталона выполняются регулярные его исследования, включаясличения с национальными эталонами других стран с целью повышенияточности воспроизведения единицы и совершенствования методовпередачи ее размера. 5.2. Эталоны единиц физических величин5.2.1. Классификация эталонов Технической основой обеспечения единства измерений являетсяэталонная база. Эталон – средство измерений (или их комплекс), предназначенное длявоспроизведения и (или) хранения единицы и передачи ее размеранижестоящим по поверочной схеме СИ и утвержденное в качестве эталонав установленном порядке. Классификация, назначение и общие требованияк созданию, хранению и применению устанавливает ГОСТ 8.057-80 «ГСИ.Эталоны единиц физических величин. Основные положения» [19]. Перечень эталонов не повторяет перечня принятых ФВ. Для рядаединиц эталоны не создаются. Это происходит в том случае, когда нетвозможности непосредственно сравнивать соответствующие ФВ.Например, нет необходимости в эталоне площади, так как она не поддаетсянепосредственному сравнению. Конструкция эталона, его физические свойства и способвоспроизведения единицы определяются природой данной ФВ и уровнемразвития измерительной техники в данной области измерений. Эталондолжен обладать, по крайней мере, тремя тесно связанными друг с другомпризнаками: неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью [21]. Неизменность – свойство эталона удерживать неизменным размервоспроизводимой им единицы в течение длительного интервала времени, авсе изменения, зависящие от внешних условий, должны быть строгоопределенными функциями величин, доступных точному измерению. Реализация этих требований привела к идее создания «естественныхэталонов» различных величин, основанных на естественных физическихпостоянных. Воспроизводимость – возможность воспроизведения единицы ФВ (наоснове ее теоретического определения) с наименьшей погрешностью дляданного уровня развития измерительной техники. Это достигается путемпостоянного исследования эталона в целях определения систематическихпогрешностей и их исключения введением соответствующих поправок. Сличаемость – возможность обеспечения сличения с эталоном другихсредств измерения, нижестоящих по поверочной схеме, и в первуюочередь вторичных эталонов с наивысшей точностью для данного уровняразвития техники измерения. Это свойство предполагает, что эталоны посвоему устройству и действию не вносят каких-либо искажений врезультаты сличений и сами не претерпевают изменений при проведениисличений. Поверка СИ – установление органом государственной метрологическойслужбы пригодности СИ к применению на основании экспериментальноопределяемых метрологических характеристик и подтверждения ихсоответствия установленным обязательным требованиям. Поверке подвергают средства измерений, подлежащиегосударственному метрологическому контролю и надзору. При поверке используют эталон. Поверку проводят в соответствии собязательными требованиями, установленными нормативнымидокументами по поверке. Поверку проводят специально обученныеспециалисты, аттестованные в качестве поверителей органамиГосударственной метрологической службы. Результаты поверки средств измерений, признанных годными кприменению, оформляют выдачей свидетельства о поверке, нанесениемповерительного клейма или иными способами, установленныминормативными документами по поверке. Другими официально уполномоченными органами, которым может бытьпредоставлено право проведения поверки, являются аккредитованныеметрологические службы юридических лиц. Аккредитация на правоповерки средств измерений проводится уполномоченным на тогосударственным органом управления [24]. Калибровка СИ – совокупность операций, устанавливающихсоотношение между значением величины, полученным с помощьюданного средства измерений и соответствующим значением величины,определенным с помощью эталона с целью определения действительныхметрологических характеристик этого средства измерений. Калибровке могут подвергаться средства измерений, не подлежащиегосударственному метрологическому контролю и надзору. Результаты калибровки позволяют определить действительные значенияизмеряемой величины, показываемые средством измерений, или поправкик его показаниям, или оценить погрешность этих средств. При калибровкемогут быть определены и другие метрологические характеристики. Результаты калибровки средств измерений удостоверяютсякалибровочным знаком, наносимым на средства измерений, илисертификатом о калибровке, а также записью в эксплуатационныхдокументах. Сертификат о калибровке представляет собой документ,удостоверяющий факт и результаты калибровки средства измерений,который выдается организацией, осуществляющей калибровку [24]. Различают следующие виды эталонов: Международный эталон – эталон, принятый по международномусоглашению в качестве международной основы для согласования с нимразмеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальнымиэталонами. Первичный эталон – обеспечивает воспроизведение единицы снаивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же единицы)точностью. Государственный первичный эталон – первичный эталон, признанныйрешением уполномоченного на то государственного органа в качествеисходного на территории государства. Вторичный эталон – эталон, получающий размер единицынепосредственно от первичного эталона данной единицы. Эталон сравнения – эталон, применяемый для сличений эталонов,которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственносличены друг с другом. Рабочий эталон – эталон, предназначенный для передачи размераединицы рабочим средствам измерений. Рабочее средство измерений – средство измерений, предназначенноедля измерений, не связанных с передачей размера единицы другимсредствам измерений. Эталонная база страны – совокупность государственных первичных ивторичных эталонов, являющаяся основой обеспечения единства измеренийв стране. Структура эталонной базы России, являющаяся технической основойобеспечения единства измерений, представлена на рис. 5.1. В международной практике государственные эталоны обычно назы-ваются национальными, а эталоны, хранимые в Международном бюромер и весов, международными. Термин «национальный эталон»применяют в случаях проведения сличения эталонов,принадлежащих отдельным государствам, с международнымэталоном или при проведении так называемых круговых сличенийэталонов ряда стран. Например, национальные эталоны Килограмма сличаются один раз в 20-25 лет, а эталоны Вольта и Ома и ряд другихсличаются раз в три года. Рис. 5.1. Структура эталонной базы Российской Федерации К первичным эталонам относят как соответствующие эталоны основныхСИ, так и производных единиц СИ. Размер единицы, воспроизводимой вторичными эталонами, «поддер-живается» с помощью первичных (государственных). Вторичные эталоны утверждаются в зависимости от особенностей ихприменения Федеральным агентством по техническому регулированию иметрологии или государственными научными метрологическимицентрами. Рабочие эталоны получают размер единицы, как правило, от вторич-ного эталона и служат для передачи размера единиц другим рабочим этало-нам (меньшей точности) и рабочим средствам измерений. До 1994 года в нашей стране применялся термин «образцовое средствоизмерений», которое служило промежуточным метрологическим звеном,расположенным между эталоном и рабочим средством измерений. С цельюприближения российской терминологии к международной, было приняторешение именовать «образцовые средства измерений» рабочимиэталонами. Поскольку образцовые средства измерений в зависимости отточности подразделялись на разряды от 1-го (более высокой точности)до 3-го, а иногда даже до 4-го разряда (наименьшей точности), то такиеже разряды были приняты и для рабочих эталонов. На рис. 5.2. представлена классификация эталонов. Высшим звеномэталонной базы страны является система государственных первичныхэталонов, которые воспроизводят и (или) хранят единицы и передают ихразмеры подчиненным эталонам, которые, в свою очередь, передают ихрабочим средствам измерений.В СССР имелось 145 государственных первичных эталонов, а самаэталонная база была признана в мире одной из самых полных систем этало-нов с уникальными возможностями по условиям применения, широкимидиапазонами измерений и высокими точностями. В настоящее время в Российской Федерации 123 государственныхпервичных 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 насыщенногопоглощения в молекулярном йоде-127, установку для измерения отно- шений длин волн источников излучения и интерференционный компара-тор с лазерным интерференционным рефрактометром. Метр определенкак – длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299 792 458 долисекунды (точно). Эталон единицы массы – килограмм – представляет собой цилиндр изсплава платины (90%) и иридия (10%), у которого диаметр и высота примерноодинаковы (около 39 мм). Эталон единицы времени – секунда – соответствует определению секундыкак 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 вотсутствии внешних полей. Эталон единицы силы постоянного электрического тока – ампер – со-стоит из двух комплексов: в первом используется способ воспроизведенияразмера 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 эффектаДжозефсона, а размер единицы электрического сопротивления r – Ом – спомощью 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 проводникамбесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенныхна 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 как1/273,16 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 взаданном 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 временини в одной метрологической лаборатории мира эталон моля не создан. Напути создания такого эталона встали большие теоретические проблемы, од-ной из которых является недостаточная четкость определения этой еди-ницы. В настоящее время проводятся теоретические и экспериментальныеисследования 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» государственныеэталоны находятся в ведении Российской Федерации (ранее функции собст-венника выполнял Госстандарт России, ныне – Ростехрегулирование). Сегодняв 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 Францииприняло длину десятимиллионной части четверти дуги парижскогомеридиана в качестве единицы длины – метра. Но уже в 1837 г. французские ученые установили, что в четвертимеридиана содержится не 10 000 000 м, а 10 000 856 м. Кроме того,примерно в тот же период времени стало очевидным, что форма иразмеры Земли со временем, пусть незначительно, но изменяются.Поэтому в 1872 г. по инициативе Петербургской академии наук быласоздана международная комиссия, решившая не создавать уточненныхэталонов метра, а принять в качестве исходной единицы длины метрАрхива Франции. В 1889 г. во Франции был изготовлен 31 эталон метра в видеплатиноиридиевого 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 былпринят в 1889 г. Первой Генеральной конференцией по мерам и весам вкачестве международного прототипа метра. Остальные 30 эталонов былипереданы различным странам. Экземпляры № 11, № 28 в 1889 г. былипереданы России, при этом экземпляр № 28 был утвержден в качествегосударственного эталона России. Погрешность платиноиридиевыхштриховых мер составляет ± 1,1 ⋅ 10 −7 м. Так как штрихи имелизначительную ширину, существенно повысить точность эталона былоневозможно. Требования к повышению точности эталона единицы длины и егофизической воспроизводимости привело к тому, что в 1960 г. XIГенеральной конференцией по мерам и весам было принято новоеопределение метра: «Метр – длина, равная 1650763,73 длины волны ввакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2 P и 5d 5 10атома криптона-86» (рис. 5.6.). Погрешность воспроизведения метра спомощью данного эталона составила 5 ⋅ 10 −9 м. Повышение точности эталона длины стало возможным при разработкевысокостабильных лазеров, что позволило уточнить значение скоростисвета. В 1983 г. XVII Генеральная конференция по мерам и весам принялановое определение метра: «Метр – длина пути, проходимого светом ввакууме 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 всентябре 1997 г. приняла рекомендацию С1 (1997), в которой приведен пе-речень рекомендованных частот и длин волн излучений в вакууме; однойиз рекомендованных линий является поглощающая линия молекулы 127J2,переход 11-5, вращательной линии R(127), компонента а13 (или i), длякоторой установлены следующие значения: F = 473 612 214 705 кГц λ = 632,99139822 нмс относительной неопределенностью 2,5⋅10-11. Эти значения относятся кHe-Ne лазеру с внутрирезонаторной ячейкой поглощения сиспользованием метода стабилизации по 3-ей гармонике. Согласно Рекомендации (МК-1983) Международного комитета мер ивесов воспроизведение метра может осуществляться одним из следующихметодов: 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 длиныГЭТ 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 котороговходит стабилизированный по частоте He − Ne / J 2 лазер, являетсявоспроизведение и хранение единицы длины на основе стабильногоквантового эффекта – перехода на линиях сверхтонкой структурымолекулярного йода 127 J 2 .Состав эталонаЭталон 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 длинывещественным 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 виброзащитныйфундамент компаратора. Эталон единицы длины имеет постоянные международные сличения сэталоном Международного Бюро мер и весов (МБМВ) и Национальнымиэталонами Финляндии, Германии, Норвегии, Чехии, США, Англии,Республики Корея.Эталон единиц массы. В основе эталона единицы массы лежит принципнезависимости законов механики от выбора единицы массы. Поэтомуусловно по договоренности за единицу массы принята массаМеждународного прототипа килограмма, представляющего собойпрямой цилиндр с диаметром и высотой 39 мм. Международный прототипкилограмма изготовлен из платиноиридиевого сплава (90% Pt, 10% Ir). Егомасса близка к массе одного кубического дециметра дистиллированнойводы при температуре около +3,96 °С и нормальном атмосферномдавлении 760 мм рт.ст. Международный прототип килограмма хранится и применяется вМеждународном бюро мер и весов (МБМВ). Передача размера единицымассы от Международного прототипа килограмма национальнымэталонам единицы массы осуществляется в МБМВ с наивысшейточностью, достигнутой в мире. Наивысшая достижимая точность измерений массы определяется,прежде всего, стабильностью Международного прототипа килограмма иточностью передачи единицы массы национальным эталонам килограмма. Основные работы по созданию национального эталона единицы массы вРоссии были проведены Д.И. Менделеевым после получения из МБМВплатиноиридиевых копий № 12 и № 26 и эталонных весов № 1 фирмы«Рупрехт» в 1895 году. Все работы, проводимые с эталонами, связаны с повышением точностипередачи размера единицы массы от платиноиридиевой копии № 12эталонам-копиям и рабочим эталонам массы из нержавеющей стали. Приэтом одной из основных работ является повышение точности эталонныхвесов, компараторов. Единство и точность измерений массы в России обеспечиваетсяприменением Государственного первичного эталона единицы массы,образцовых и рабочих средств измерения массы в соответствии с ГОСТ8.021-84 «Государственный первичный эталон и государственнаяповерочная схема для средств измерений массы». Государственный первичный эталон (ГПЭ) единицы массыпредназначен для воспроизведения и хранения единицы массы,полученной на основании его сличения с Международным прототипомкилограмма, а также для передачи размера единицы массы при помощивторичных эталонов и образцовых средств измерения массы рабочимсредствам измерения. Российский Государственный первичный эталон единицы массы имеетномер ГЭТ 3-78 по государственному реестру и утвержденПостановлением Государственного комитета СССР по стандартам № 4109от 6 декабря 1984 г. В Государственный первичный эталон единицы массы входит комплексследующих 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 национальнымэталоном единицы массы, 1 кг. Действительное значение массы,полученное по результатам сличений копии № 12 с Международнымпрототипом 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 сличениис Международным прототипом килограмма, равно 1 кг±0,008 мг. Государственный первичный эталон единицы массы хранится воВНИИМ им. Д.И. Менделеева в Санкт-Петербурге. Весь эталонныйкомплекс находится в специальном термостатированном помещении,находящемся в центре здания, где расположены основные эталоныРоссии. Эталонные весы-компараторы, используемые для сличенийэталонов массы, установлены на специальном фундаменте,изолированном от фундамента основного здания. Это существенноуменьшает влияние вибраций на процесс взвешивания при сличенияхэталонов массы. Амплитуда вибрации этого фундамента не превышает 5мкм при частоте колебаний менее 10 Гц. Температура в эталонном помещении поддерживается в пределах20±2°С при относительной влажности воздуха 60±15 %. Изменениетемпературы воздуха в эталонном помещении не превышает ±0,1 °С за 1час, 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 № 26Международного прототипа килограмма хранятся в специальном сейфе,расположенном внутри термостатированного помещения. Копия № 12установлена на кварцевой пластине и закрыта двумя притертымистеклянными колпаками. Копия № 26 также закрыта двумя стекляннымиколпаками. Копия № 26 Международного прототипа килограмма заменяетнациональный прототип № 12 в период его сличений в Международномбюро мер и весов. Периодические исследования ГПЭ единицы массы проводятся один разв 7 лет. При периодических исследованиях ГПЭ производят взаимныесличения национального прототипа килограмма – копии № 12 Ме-ждународного прототипа килограмма с копией № 26 Международногопрототипа килограмма и с эталонной гирей R1 на эталонных весах-компараторе с наибольшим пределом взвешивания 1 кг, входящих всостав ГПЭ единицы массы. Перед проведением сличений произв
Дата добавления: 2021-01-26; просмотров: 462;
Поиск по сайту
Узнать еще
Публикации по технике и механике
Публикации по биологии
Публикации по информатике
Публикации по строительству
Публикации по физике
Публикации по химии
Публикации по электронике
Публикации по искусству
Публикации по истории
Публикации по медицине
