Эталоны единиц электрических величин

Эталоны единиц электрических величин. Средства измерений, предназначенные для воспроизведения и хранения единиц измерений, поверки и градуировки приборов делятся на эталоны и образцовые средства измерения. Эталон — средство измерения (или комплекс средств измерений), обес­печивающее воспроизведение и (или) хранение единицы физической вели­чины с наивысшей точностью для данного уровня развития измерительной техники с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений. Классификация, назначение и общие требования к созданию, хранению и применению эталонов устанавливаются соответст­вующими стандартами. Перечень эталонов не повторяет перечня физических величин. Для ряда единиц эталоны не создаются из-за того, что нет возможности непосредст­венно сравнивать соответствующие физические величины, например, нет эталона площади. Не создаются эталоны и в том случае, когда единица фи­зической величины воспроизводится с достаточной точностью на основе сравнительно простых средств измерений других физических величин. Конструкция эталона, его физические свойства и способ воспроизведения единицы определяются физической величиной, единица которой воспроиз­водится, и уровнем развития измерительной техники в данной области изме­рений. Эталон должен обладать, по крайней мере, тремя взаимосвязанными свойствами: неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью. Неизменность — свойство эталона удерживать неизменным размер воспроизводимой им единицы физической величины в течение длительного интервала времени. При этом все изменения, зависящие от внешних условий, должны быть строго определенными функциями величин, доступных точному измерению. Реализация этих требований привела к созданию «естествен­ных» эталонов различных величин, основанных на физических постоянных. Воспроизводимость — возможность воспроизведения единицы физиче­ской величины с наименьшей погрешностью для существующего уровня развития измерительной техники. Сличаемостъ — возможность сличения с эталоном других средств изме­рений, нижестоящих по поверочной схеме, в первую очередь вторичных эта­лонов, с наивысшей точностью для существующего уровня развития техники измерения. Эталоны классифицируют в зависимости от метрологического назначе­ния. Это назначение предполагает оснащение метрологической службы пер­вичными, специальными, государственными, национальными, международ­ными и вторичными эталонами . ^ Первичный эталон — эталон, обеспечивающий воспроизведение едини­цы с наивысшей в стране точностью. Первичные эталоны — это уникальные средства измерений, часто представляющие собой сложнейшие измеритель­ные комплексы. Они составляют основу государственной системы обеспече­ния единства измерений. Первичный эталон может быть специальным, государственным, нацио­нальным и международным. ^ Специальный эталон — эталон, обеспечивающий воспроизведение еди­ницы в особых условиях и заменяющий для этих условий первичный эталон. Он служит для воспроизведения единицы в условиях, когда первичный эта­лон нельзя использовать, 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. Государственный — это первичный (или специальный) эталон, признан­ный решением уполномоченного Государственного органа в качестве исход­ного на территории государства. Государственные эталоны создают, хранят и применяют центральные метрологические научные институты страны, а утверждает Госстандарт. Точность воспроизведения единицы должна соот­ветствовать уровню лучших мировых достижений и удовлетворять потреб­ностям науки и техники. В состав государственных эталонов включают сред­ства измерений, с помощью которых воспроизводят и (или) хранят единицу физической величины, контролируют условия измерений и неизменность воспроизводимого или хранимого размера единицы физической величины, осуществляют его передачу. Погрешности государственных первичных и специальных эталонов ха­рактеризуются неисключенной систематической погрешностью (НСП), слу­чайной погрешностью и нестабильностью.Неисключенная систематическая погрешность описывается границами, в которых она находится; случайная погрешность определяется средним квадратическим отклонением результата измерений при воспроизведении единицы с указанием числа независимых измерений (понятия «неисключенная систематическая погрешность» и «среднее квадратическое отклонение» будут введены в гл. 2). Нестабиль­ность эталона задается изменением размера единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном, за определенный промежуток времени. Национальный — эталон, признанный официальным решением в качестве исходного для страны. Международный —- эталон, принятый по международному соглашению в качестве международной основы для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами. ^ Вторичный эталон — эталон, значение которого устанавливают по пер­вичному эталону. Вторичные эталоны являются частью подчиненных средств хранения единиц и передачи их размеров, создаются и утверждаются в тех случаях, когда это необходимо для организации поверочных работ, а также для обеспечения сохранности и наименьшего износа государственного эта­лона. По метрологическому назначению вторичные эталоны делятся на эта­лоны-свидетели, эталоны-копии, эталоны сравнения и рабочие эталоны. Эталон-свидетель служит для проверки сохранности и неизменности го­сударственного эталона и замены его в случае порчи или утраты. В настоя­щее время только эталон килограмма имеет эталон-свидетель. Эталон-копия предназначен для передачи размера единицы рабочим эталонам. Он создается в случае необходимости проведения большого числа поверочных работ с целью предохранения первичного или специального эта­лона от преждевременного износа. Эталон-копия представляют собой копию государственного эталона только по метрологическому назначению, поэтому он не всегда является его физической копией. ^ Эталон сравнения применяется для взаимного сличения эталонов, ко­торые по тем или иным причинам нельзя непосредственно сравнивать друг с другом (например, международные сличения эталонов). ^ Рабочие эталоны предназначены для поверки образцовых и наиболее точных рабочих средств измерений. Рабочие эталоны применяются во мно­гих территориальных метрологических центрах. Оценки погрешностей вторичных эталонов характеризуют отклонением размеров хранимых ими единиц от размера единицы, воспроизводимой пер­вичным эталоном. Передача размеров единиц физических величин от эталонов рабочим ме­рам и измерительным приборам осуществляется с помощью рабочих этало­нов (до недавнего времени в Российской Федерации вместо термина «рабо­чие эталоны» использовалось понятие «образцовые средства измерений», которое в других странах не применяют). Рабочие эталоны при необходимости подразделяются на 1-й, 2-й и т. д. разряды, определяющие порядок их соподчинения в соответствии с повероч­ной схемой. Различным видам измерений устанавливают, исходя из требова­ний практики, различное число разрядов рабочих эталонов, определяемых стандартами на поверочные схемы для данного вида измерений. ^ Эталоны основных электрических величин Основной единицей электрических величин является единица силы тока- ампер (А). Производные от ампера единицы электрических величин: •единица электродвижущей силы (ЭДС) и электрического напряжения —-вольт (В); •единица частоты — герц (Гц); •единица электрического сопротивления — ом (Ом); •единица индуктивности и взаимной индуктивности двух катушек — ген­ри (Гн); •единица электрической емкости — фарад (Ф). Все перечисленные единицы воспроизводятся и хранятся посредством Государственных первичных эталонов. Эталон единицы силы электрического тока. Еще недавно государст­венным первичным эталоном ампера был комплекс средств измерений, куда входили токовые весы и мера электрического сопротивления, применяемая при передаче размера ампера (эталон сравнения). В токовых весах, представляю­щих собой рычажные равноплечие весы, с одной стороны на коромысло дейст­вует сила взаимодействия двух соленоидов (катушка индуктивности), один из которых подвижен и подвешен к этому коромыслу, с другой стороны — гиря известной массы. При протекании по катушкам постоянного тока возникает сила их индуктивного взаимодействия, которая уравновешивается силой тяжести. Итак, при равновесии весов сила тока определяется массой гири, ускоре­нием ее свободного падения в месте расположения весов, постоянной элек­тродинамической системы, которая зависит от формы и размеров соленои­дов, диаметра сечения их провода, значения относительной магнитной про­ницаемости среды и прочее, т.е. ампер воспроизводится через основные еди­ницы — метр, секунду, килограмм. В связи с введением в метрологическую практику эталона вольта на ос­нове эффекта Джозефсона и эталона ома на основе эффекта Холла назначе­ние ампер-весов утратило смысл. Был разработан новый эталон ампера, ко­торый состоит из двух комплексов. В первом ампер установлен через вольт и ом с применением квантовых эффектов Джозефсона и Холла, а в другом — через фарад, вольт и секунду с использованием методов электрометрии. Со­временный государственный первичный эталон ампера состоит из аппара­туры, выполненной на основе: •квантовых эффектов Джозефсона и Холла, включая меру напряжения, меру электрического сопротивления, сверхпроводящий компаратор тока и регулируемые источники тока; •использования методов электрометрии, включая входной блок с набо­ром мер постоянной емкости, интегратор, измерительный блок с частотоме­ром, цифровым вольтметром и компаратором. Государственный первичный эталон ампера воспроизводит значение силы постоянного электрического тока и обеспечивает передачу размера ампера в диапазоне 10 -16 . 30 А. Эталон воспроизводит единицу силы тока со средним квадратическим отклонением результата измерений не более 5 . 10 -8 А при номинальных значениях силы тока 10 -2 . 2 . 10 -4 А. Неисключенная система­тическая погрешность не должна превышать 2-10 -8 А при номинальных зна­чениях силы постоянного тока 10 -3 и 1 А. Для воспроизведения и хранения единицы силы переменного тока разра­ботаны два государственных специальных эталона. ^ Государственный эталон силы переменного тока для диапазона частот 40. 10 5 Гц и значений токов 0,01. 10 А воспроизводит ампер со средним квадратическим отклонением не более 10 -4 А при неисключенной системати­ческой погрешности, не превышающей 2-10 -4 А. Государственный эталон силы переменного тока для диапазона частот 0,1..300 МГц и значений токов 3. 100 А воспроизводит ампер со средним квадратическим отклонением не более 5-10 -4 А при неисключенной система­тической погрешности, не превышающей 8,5'10 -4 А. ^ Эталон единицы электродвижущей силы и напряжения. Государст­венный первичный эталон вольта обеспечивает воспроизведение единицы ЭДС и электрического напряжения со средним квадратическим отклонением не более 5-10 -8 В, при неисключенной систематической погрешности, не превышающей 10 -6 В. Для воспроизведения и хранения единицы напряжения переменного тока раз­работаны и используются два государственных специальных эталона. ^ Государственный первичный эталон напряжения переменного тока для значений 0,1 . 10 В в диапазоне частот 20. 3 . 10 7 Гц воспроизводит единицу напряжения со средним квадратическим отклонением не более 5 . 10 -5 В при неисключенной систематической погрешности, не превышающей значения в 3 . 10 -4 В. ^ Государственный первичный эталон напряжения переменного тока для значений 0,1. 1 В в диапазоне частот 30. 3000 МГц воспроизводит вольт со средним квадратическим отклонением не более 5 . 10 -3 В при неисключен­ной систематической погрешности, не превышающей 2 . 10 -2 В. ^ 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/T(1/с). ^ Государственный первичный эталон времени обеспечивает воспроизве­дение значений интервалов времени 10 -9 . 10 8 с в диапазоне частот 1. 10 -14 Гц со средним квадратическим отклонением не более 5-10 -14 с при неисклю­ченной систематической погрешности, не превышающей 2-10 -13 с. ^ Эталон единицы электрического сопротивления. Государственный пер­вичный эталон ома обеспечивает воспроизведение единицы электрического сопротивления со средним квадратическим отклонением не более 10 -7 Ом при неисключенной систематической погрешности, не превышающей 5 . 10 -7 Ом. ^ Эталон единицы электрической емкости. Государственный первичный эталон электрической емкости воспроизводит фарад со средним квадратиче­ским отклонением не более 2-10 -7 Ф при неисключенной систематической по­грешности, не превышающей 5 • 10 -7 Ф. В диапазоне частот 1. 100 МГц эталон воспроизводится со средним квадратическим отклонением не более 3 . 10 -5 Ф при неисключенной систематической погрешности, не превышающей 10 -4 Ф. ^ Эталон единицы индуктивности. Государственный первичный эталон единицы индуктивности осуществляет передачу генри на частоте 1 кГц со средним квадратическим отклонением не более 10 -6 Гн при неисключенной систематической погрешности, не превышающей 5 . 10 -6 Гн.

Электрические величины и единицы их измерения.

Электрическим током (I) называется направленное движение электрических зарядов (ионов — в электролитах, электронов проводимости в металлах). Необходимым условием для протекания электрического тока является замкнутость электрической цепи. Электрический ток измеряется в амперах (А). Производными единицами измерения тока являются: 1 килоампер (кА) = 1000 А; 1 миллиампер (мА) 0,001 А; 1 микроампер (мкА) = 0,000001 А. Человек начинает ощущать проходящий через его тело ток в 0,005 А. Ток больше 0,05 А опасен для жизни человека. Электрическим напряжением (U) называется разность потенциалов между двумя точками электрического поля. Единицей разности электрических потенциалов является вольт (В). 1 В = (1 Вт) : (1 А). Производными единицами измерения напряжения являются: 1 киловольт (кВ) = 1000 В; 1 милливольт (мВ) = 0,001 В; 1 микровольт (мкВ) = 0,00000 1 В. Сопротивлением участка электрической цепи называется величина, зависящая от материала проводника, его длины и поперечного сечения. Электрическое сопротивление измеряется в омах (Ом). 1 Ом = (1 В) : (1 А). Производными единицами измерения сопротивления являются: 1 килоОм (кОм) = 1000 Ом; 1 мегаОм (МОм) = 1 000 000 Ом; 1 миллиОм (мОм) = 0,001 Ом; 1 микроОм (мкОм) = 0,00000 1 Ом. Электрическое сопротивление тела человека в зависимости от ряда условий колеблется от 2000 до 10 000 Ом. Удельным электрическим сопротивлением (ρ) называется сопротивление проволоки длиной 1 м и сечением 1 мм2 при температуре 20 °С. Величина, обратная удельному сопротивлению, называется удельной электрической проводимостью (γ). Мощностью (Р) называется величина, характеризующая скорость, с которой происходит преобразование энергии, или скорость, с которой совершается работа. Мощностью генератора называется величина, характеризующая скорость, с которой механическая или другая энергия преобразуется в генераторе в электрическую. Мощностью потребителя называется величина, характеризующая скорость, с которой происходит преобразование электрической энергии в отдельных участках цепи в другие полезные виды энергии. Системной единицей мощности в СИ является ватт (Вт). Он равен мощности, при которой за 1 секунду выполняется работа в 1 джоуль: 1Вт = 1Дж/1сек Производными единицами измерения электрической мощности являются: 1 киловатт (кВт) = 1000 Вт; 1 мегаватт (МВт) = 1000 кВт = 1 000 000 Вт; 1 милливатт (мВт) = 0,001 Вт; о1i 1 лошадиная сила (л. с.) = 736 Вт = 0,736 кВт. Единицами измерения электрической энергии являются: 1 ватт-секунда (Вт сек) = 1 Дж = (1 Н) (1 м); 1 киловатт-час (кВт ч) = 3,б 106 Вт сек. Пример. Ток, потребляемый электродвигателем, присоединенным к сети 220 В, составлял 10 А в течение 15 минут. Определить энергию, потребленную двигателем. Вт*сек, или, разделив эту величину на 1000 и 3600, получим энергию в киловатт-часах: W = 1980000/(1000*3600) = 0,55кВт*ч