Материал: Н.Н. Акифьева. Метрология, стандартизация и сертификация

Погрешность воспроизведения единицы силы тока – ампера на токовых весах составляет 10^-5 А.

2.3.5Эталон единицы температуры

X

Рис.2.5. Схема установки для вопроизведения тройной точки воды.

1-отпайка; 2-водяной пар; 3-вода; 4-лед;

5-баллон термометра.

III Генеральная конференция по мерам и весам (1968г.) определила кельвин как единицу абсолютной температуры, равную 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Такой выбор стандарта температуры удобен тем, что существует лишь одно-единственное значение давления (609 Па) и температуры (273,16 К), при которых три формы воды могут сосуществовать, находясь в равновесии. Опыт показывает, что температура такой системы не зависит от относительных количеств находящихся в равновесии газа, жидкости и льда. Поэтому тройная точка является легко воспроизводимым стандартом температуры. Выбор числа 273,16 в качестве тройной точки воды является произвольным и связан со стремлением согласовать абсолютную шкалу с прочими традиционными шкалами.

На рис.2.5 приведена схема эталонной установки для получения тройной точки воды.

Установка используется для калибровки эталонного термометра, в качестве которого применяется платиновый термометр сопротив-ления.

В 1927 году VII Генеральная конференция по мерам и весам приняла, а в 1948 году IX Генеральная конференция утвердила Международную практическую температурную шкалу, основанную на шести постоянных и воспроизводимых температурах фазовых равновесий – реперных точках, числовые значения которых определены с помощью газовых термометров с учетом поправок на отклонение свойств реальных газов от идеальных. Однако числовые значения постоянных точек, полученные в метрологических лабораториях разных стран мира отличались. Поэтому на конференциях было принято и согласовано наиболее вероятное значение каждой из температур.

В последующие годы числовые значения реперных точек уточнялись в целях максимально возможного согласования с термодинамической шкалой. В 1968 году Международным комитетом мер и весов принят последний, ныне действующий вариант Международной практической температурной шкалы (МПТШ-68).

МПТШ-68 устанавливается для температур от 13,81 до 6300 К. Основана на двенадцати реперных точках и на эталонных приборах, градуированных при этих температурах. В интервалах между температурами реперных точек интерполяцию осуществляют по формулам, устанавливающим связь между показателями эталонных приборов и значениями температур. Интерполяционные формулы учитывают нелинейность этой зависимости. Исследование нелинейности производилось с применением газовых термодинамических термометров. Равновесные состояния (реперные точки) и согласованные для них значения температур приведены в табл.2.1.

Для температур от 13,81 до 903,89 К в качестве эталонного прибора применяют платиновый термометр сопротивления. Для температур от 630,74 до 1064,43 ⁰С в качестве эталонного термометра применяют термоэлектрический термометр с электродами из платинородия (10% родия) и платины. Соотношение между термо-э.д.с. и температурой выражается уравнением второй степени. Для температур от 1337,58 К до 6300 К температуру определяют в соответствии с законом излучения Планка.

Таблица 2.1 Международная практическая температурная шкала

(МПТШ-68)

Реперная точка	Принятое значение температуры		Оценка погрешности, К
	К	0С
Тройная точка равновесного водорода	13,8100	-259,3400	+0,01
Точка кипения равновесного водорода при давлении 25/76 нормального (33,33 кПа)	17,0420	-256,1080	+0,01
Точка кипения равновесного водорода прия нормальном давлении	20,2300	-252,8700	+0,01
Точка кипения неона	27,1020	-246,0480	+0,01
Тройная точка кислорода	54,3610	-218,7890	+0,01
Точка кипения кислорода	90,1880	-182,9620	+0,01
Тройная точка воды	273,1600	0,0100	Точно по определению
Точка кипения воды	373,1500	100,0000	+0,005
Точка затвердевания олова	505,1181	231,9681	+0,015
Точка затвердевания цинка	692,7300	419,5800	+0,030
Точка затвердевания серебра	1235,0800	961,9300	+0,200
Точка затвердевания золота	1337,5800	1064,430	+0,200

Эталонные термометры, для градуировки которых используются эти процессы, в свою очередь используются для градуировки поверочных и технических средств.

2.3.6Эталон единицы силы света

Кандела – единица силы света, которая имеет следующее определение: «Кандела – сила света, испускаемого с площади 1/600000 м² сечения полного излучателя, в перпендикулярном к этому сечению направлении при температуре излучателя, равной температуре затвердевания платины при давлении 101325 Па».

Рис.1.6. Схема эталона единицы силы света.

1-высокочастотный генератор; 2-полный излучатель; 3- призма внутреннего отражения; 4-фотометр; 5- эталонная лампа накаливания

Кандела наиболее точно воспроизводится при помощи эталонного устройства – полного излучателя, схема которого приведена на рис.2.6.

Полный излучатель представляет собой трубку из оксида тория внутренним диаметром 2,5 мм, погруженную в чистую платину. Платина находится в сосуде, спрессованном из порошка плавленного оксида тория, окруженном порошком из оксида тория. Все это помещено во внешний сосуд из плавленного кварца. Внешний сосуд окружен небольшим числом витков медной трубки, охлаждаемой водой. По трубке пропускается ток высокой частоты (около 250 кГц), который нагревает платину до ее расплавления. Вместе с платиной нагревается и трубочка из тория. Свет излучается из полости трубочки через отверстие в верхней части. Яркость полного излучателя при температуре затвердевания платины сравнивается с помощью фотометра с яркостью особых ламп накаливания, используемых в качестве вторичных эталонов.

Воспроизведению канделы приписана погрешность 0,5% по результатам международных сличений эталонов.

3Точность измерений

3.1Классификация погрешностей

Вследствие несовершенства средств и методов измерений, воздействия внешних факторов и многих других причин, результат каждого измерения содержит погрешность. При оценивании погрешностей результатов измерения, методик выполнения измерения и измерительных средств, метрологи руководствуются нормативными документами, которые базируются на общих научных представлениях о погрешностях. Рассмотрим коротко важнейшие положения научной метрологии.

Количественной характеристикой качества измерений является погрешность измерения – абсолютная и относительная

(3.1)

где х_изм и х_ист – измеренное и истинное значение измеряемой величины.

Для различных видов измерений погрешность результата измерений может оцениваться с разной точностью. Основной проблемой оценивания погрешности является то, что истинное значение измеряемой величины неизвестно. Согласно принципам метрологии в оценках погрешности истинное значение заменяется принятым опорным значением, которым в наиболее благоприятном случае может быть действительное (эталонное) значение. Тогда абсолютная погрешность ( )– это разность между результатом измерения и принятым опорным значением измеряемой физической величины, а относительная погрешность ( ) – разность между результатом измерения и принятым опорным значением, отнесенная к принятому опорному значению.

В инженерной практике обычно имеют дело с приближенным оцениванием погрешностей, выполняемым по стандартизованным методикам выполнения измерений. В стандартизованных методиках указываются операции измерений, погрешности используемых средств, условия измерений, при соблюдении которых возможная погрешность результата не превысит указанного в методике, заранее оцененного значения. То есть результату измерения, выполненного по типовой методике фактически «приписывается» стандартная, заранее оцененная погрешность.

Современная научная метрология строится на следующем представлении о характере проявления погрешностей: все погрешности делятся на систематические, случайные, прогрессирующие и промахи, или грубые погрешности.

Систематической погрешностью измерения называют погрешность, которая при повторных измерениях одной и той же величины в одних и тех же условиях остается постоянной или закономерно меняется.

Случайной погрешностью измерения называется погрешность, которая при повторных измерениях одной и той же величины в одних и тех же условиях изменяется случайным образом по знаку и (или) величине.

Прогрессирующая погрешность – разновидность систематической погрешности, которая при повторных измерениях может монотонно убывать или возрастать.

Грубая погрешность (промах) – случайная погрешность результата отдельного наблюдения, входящего в ряд измерений; она резко отличается от остальных результатов этого ряда.

Обязательным компонентом любого измерения является средство измерения, метод измерения и оператор, проводящий измерения. Несовершенство каждого из этих компонентов приводит к появлению инструментальной, и субъективной погрешности. Эти три вида погрешности могут содержать как систематическую, так и случайную составляющие. У инструментальной погрешности, как правило, выше доля систематической составлющей. У методической – выше доля случайной составляющей. Субъективную же погрешность вообще принято рассматривать как чисто случайную.

Выше отмечались статические и динамические виды измерений, которые определяют соответственно статические и динамические составляющие погрешности измерений. В зависимости от того, имеет место измерение неизменяющейся или изменяющейся во времени физической величины, динамические погрешности рассматриваются либо как систематические, либо как случайные.

В общем случае абсолютную погрешность измерения представляют в виде суммы систематической ( ) и случайной ( ) составляющей . Следовательно погрешность результата измерений в общем случае следует рассматривать как случайную величину.