Эталоны единиц электрических величин

Средства измерения, предназначенные для воспроизведения и хране­ния единиц измерений, для поверки и градуировки мер и измерительных приборов, делятся на эталоны и образцовые средства измерения.

Эталон — средство измерения (или комплекс средств измерений), обеспечивающее воспроизведение и хранение единицы с целью передачи ее размера другим средствам измерений. Эталоны специально класси­фицируют в зависимости от метрологического назначения (рисунок 7.1). Это назначение установлено документами ГОСТ 8.057—80 и предполагает оснащение метрологической службы первичными, специальными, госу­дарственными и вторичными эталонами.

Первичный эталонобеспечивает воспроизведение единицы с наи­высшей в стране точностью.

Специальный эталонслужит для воспроизведения единицы в усло­виях, в которых первичный эталон не может использоваться 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.

Рисунок 7.1 Классификация эталонов

Все эталоны характеризуются неисключенной систематической погрешностью воспроизведения соответствую­щей единицы и относительным среднеквадра-тическим отклонением (рассмотрены в следующих разделах) результата измерения размера этой единицы. Первая величина показывает точность эталона по от­ношению к принятому определению единицы и важна как для обес­печения правильности измерений, так и для их единства в междуна­родном масштабе. Вторая характеризует воспроизводимость этало­ном размера единицы и является важнейшей характеристикой обес­печения единства измерений в стране.

Вторичный эталон - эталон, значение которого устанавливается по первичному эталону и он занимает подчиненное положение. Вторичные эталоны, в свою очередь, подразделяются на эталоны-копии, эталоны сравнения и рабочие эталоны.

Эталон-копияпредназначен для передачи размера единицы рабо­чим эталонам. Благодаря этому первичный эталон разгружается от текущих работ по передаче размера единицы, что повышает срок его службы.

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

Рабочие эталоныявляются наиболее распространенной категорией вторичных эталонов, и они предназначены для поверки образцовых и наиболее точных рабочих средств измерений. Отметим, что рабочими называют такие средства, которые применяются для измерений, не свя­занных с передачей размера единиц.

На схеме рисунке 7.2 показана метрологическая последовательность пере­дачи размеров единиц от первичного эталона рабочим, затем от рабочих эталонов - образцовым средствам измерений различных разрядов и да­лее рабочим мерам и измерительным приборам, т.е. рабочим средствам измерений.

Совокупность всех перечисленных эталонов образует эталонную базу Российской Федерации. Рассмотрим в качестве примеров государствен­ные эталоны единиц наиболее распространенных электрических вели­чин.

В соответствии с требованиями ГСИ и СИ результаты измерений (в том числе и радиоизмерений) должны выражаться в единицах ве­личин, допущенных к применению документами ГОСТ 8.417—81 «ГСИ. Единицы физических величин». Согласно этому стандарту основной единицей электрических величин является единица силы тока - ампер (А). Производными от ампера единицами электриче­ских величин являются:

- единица электродвижущей силы (ЭДС) и электрического напряже­ния - вольт (В);

- единицы частоты - герц (Гц);

- единицы электрического сопротивления - ом (Ом);

- единицы индуктивности и взаимной индуктивности двух катушек - генри (Гн);

- единицы электрической ёмкости - фарад (Ф).

Все перечисленные единицы воспроизводятся и хранятся посредством Государственных первичных эталонов.

Рисунок 7.2 Структура передачи размеров единиц

физических (измеримых) величин

7.1.1 Эталон единицы силы электрического тока

Государственный первич­ный эталон ампера(регламентируется ГОСТ 8.022-75) - это комплекс средств измерений, в состав которого входят токовые весы и мера элек­трического сопротивления, применяемая при передаче размера ампера (эталон сравнения). С помощью токовых весов реализуется закон взаи­модействия электрических токов - закон Ампера, положенный в основу определения ампера. В токовых весах, представляющих собой рычажные равноплечие весы, с одной стороны на коромысло действует сила взаи­модействия двух соленоидов, один из которых подвижен и подвешен к этому коромыслу, с другой стороны - гиря известной массы. При про­текании по этим катушкам постоянного тока возникает сила их взаимо­действия, которая уравновешивается силой тяжести (например, массой гири).

Итак, при равновесии весов сила тока определяется массой гири, ус­корением ее свободного падения в месте расположения весов, постоян­ной электродинамической системы (соленоидов), которая зависит от формы и размеров соленоидов, диаметра сечения провода соленоида, значения относительной магнитной проницаемости среды и т.п., т.е. ам­пер воспроизводится через основные единицы - метр, секунду, кило­грамм. Эталон ампера воспроизводит значение силы постоянного электрическо­го тока и обеспечивает передачу размера ампера в диапазоне 10^-12 ... 30 А с относительным среднеквадратическим отклонением результата измере­ний не более 4·10^-6 при относительной систематической погрешности, не превышающей 8·10^-6.

Для воспроизведения и хранения единицы силы переменного тока разработаны и утверждены два государственных специальных эталона.

Государственный эталон силы переменного тока для диапазона частот 40...10⁵ Гц и значений токов 0,01... 10 А(ГОСТ 8.183-76) состоит из на­бора компарирующих (от слова компаратор - сравнивающее устройст­во) термоэлектрических преобразователей, потенциометров постоянного тока, меры электродвижущей силы (нормального элемента), набора мер электрического сопротивления и стабилизированных источников постоянного и переменного токов. Данный эталон воспроизводит еди­ницу силы тока с относительным среднеквадратическим отклонением не более 10^-4 при относительной систематической погрешности, не превышающей 2-10^-4.

Государственный эталон силы переменного тока для диапазона частот 0,1...300 МГц и значений токов 3...100 А(ГОСТ 8.132-74) включает электродинамический амперметр с двумя коаксиальными измеритель­ными секциями, фотоэлектрический компаратор и измерительный трансформатор. Воспроизведение ампера осуществляется с относитель­ным среднеквадратическим отклонением не более 5·10^-4 при относитель­ной систематической погрешности, не превышающей 8,5·10^-4 (среднеквадра-тическое отклонение и относительная систематическая погреш­ность введены и рассмотрены во введении).

7.1. 2 Эталон единицы электродвижущей силы и напряжения

Государствен­ный первичный эталон вольта

(регламентирован ГОСТ 8.027-81) состо­ит из меры напряжения на основе эффекта Джозефсона (возникновение напряжения между двумя разделенными тонким слоем диэлектрика сверхпроводниками, помещенными в высокочастотное электромагнит­ное поле), группы нормальных элементов и компараторов для сличения нормальных элементов между собой и с мерой напряжения. В состав вспомогательного оборудования входит комплект, состоящий из ком­пьютера и устройств контроля температуры нормальных элементов, ав­томатической регистрации результатов измерений и контроля вольт-амперных характеристик переходов Джозефсона. Таким образом, эталон базируется на стабильном эффекте Джозефсона и воспроизводит вольт абсолютным методом. Нормальные элементы, помещенные в термостат, обеспечивают хранение этой единицы. Первичный эталон вольта обес­печивает воспроизведение единицы ЭДС и электрического напряжения с относительным среднеквадратическим отклонением не более 5·10^-8при от­носительной систематической погрешности, не превышающей 10^-6. Для воспроизведения и хранения единицы напряжения переменного тока разработаны и утверждены два государственных специальных эталона.

Государственный первичный эталон напряжения переменного тока для значений 0,1 ...10 В в диапазоне частот 20...310⁷ Гц(ГОСТ 8.184-76) состоит из двух наборов термоэлектрических преобразователей напря­жений, потенциометров постоянного тока, меры ЭДС, делителя напря­жения и стабилизированных источников постоянного и переменного токов. Эталон воспроизводит единицу напряжения с относительным среднеквадратическим отклонением не более 5·10^-5 при относительной систематической погрешности, не превышающей 8·10^-4.

Эталон напряжения переменного тока для значений 0,1... 1 В в диапа­зоне частот 30.. .310³МГц(ГОСТ 8.072-82) включает в себя устройство формирования переменного напряжения, набор болометрических (терморезисторных) преобразователей постоянного и переменного напряже­ния, терморезисторный мост с автоматическим уравновешиванием, вольтметры, используемые в качестве компараторов переменного на­пряжения. Эталон воспроизводит единицу напряжения с относительным среднеквадратическим отклонением не более 5·10³ при относительной аналитической погрешности, не превышающей 2·10 ².

7.1.3 Эталон единиц времени и частоты

Единица времени - секунда (с) входит в число основных единиц СИ, а единица частоты - герц (Гц) - в число производных единиц. Если обозначить частоту гармонических колебаний - f, а их период Т,то f = 1/Т(1/с).

Государственный первичный эталон времени и частоты(ГОСТ 8.129 – 83) включает комплекс следующих средств измерений:

- цезиевые меры частоты, предназначенные для воспроизведения
размеров единиц времени и частоты;

- водородные меры частоты, предназначенных для хранения разме­ров единиц времени и частоты;

- группу квантовых часов, предназначенных для хранения шкал
атомного и координированного времени России;

- аппаратуру для передачи размера единицы частоты в оптический
диапазон, состоящую из группы синхронизированных лазеров и сверх­
высокочастотных генераторов;

- аппаратуру для внутренних и внешних сличений, включающую пе­ревозимые квантовые часы и лазеры;

- аппаратуру средств обеспечения (автоматическое программирова­ние и коммутация, дистанционный контроль температуры термостатов и
напряжения питания генераторов, прием, обработка и регистрация ра­диосигналов и т.д.).

Государственный первичный эталон времениобеспечивает воспроиз­ведение значений интервалов времени 10^-9...10⁸ с в диапазоне частот 1...10¹⁴ Гц при среднеквадратическом отклонении не более 5·10^-14 и неисключенной систематической погрешности, не превышающей 2·10^-13. Нестабильность частоты эталона за интервалы времени измерений от 100 с до 24 часов не должна превышать 2·10^-14.

Таким образом, государственный первичный эталон времени и час­тоты - это сложный радиотехнический комплекс, обеспечивающий пе­редачу размера единиц времени и частоты и шкал времени всем ниже­стоящим средствам измерений при помощи телевидения, радио и других каналов связи. Точность воспроизведения единиц времени и частоты является наивысшей по сравнению с другими единицами электрических величин, а передача их размера на любые расстояния не вызывает в на­стоящее время каких-либо технических затруднений. Это позволяет про­ектировать аппаратуру для частотно-временных измерений, обладаю­щую высокой точностью.

7.1.4 Эталон единицы электрического сопротивления

Государственный первичный эталон ома(ГОСТ 8.028 – 75) обеспечивает воспроизведение единицы электрического сопротивления со среднеквадратическим от­клонением, не превышающим 10^-7 при систематической погрешности, не превышающей 5·10^-7. Единица электрического сопротивления - ом (Ом) входит в число производных единиц СИ. Эталон состоит из десяти ман­ганиновых катушек сопротивления с номинальным значением 1 Ом и мостовой измерительной установки.