Wykład 6.

Administracja miar. Spójność pomiarów.

Hierarchia wzorców.

Wzorce wielkości elektrycznych i czasu.

Organizacja Państwowej Służby Miar

Główny Urząd Miar (GUM) - prezes

Okręgowe Urzędy Miar (OUM) – 9 dyrektorów

(Bydgoszcz, Gdańsk, Katowice, Kraków, Łódź, Poznań, Szczecin,

Warszawa, Wrocław)

Obwodowy Urząd Miar

Obwodowy Urząd Miar

Obwodowy Urząd Miar

Obwodowy Urząd Miar

Obwodowy Urząd Miar

Obwodowy Urząd Miar

Obwodowy Urząd Miar

Obwodowy Urząd Miar

Obwodowy Urząd Miar

Obwodowy Urząd Miar

Obwodowy Urząd Miar

Obwodowy Urząd Miar

Obwodowy Urząd Miar

Obwodowy Urząd Miar

Obwodowy Urząd Miar

Obwodowy Urząd Miar

Obwodowy Urząd Miar

62 naczelników, m.in.

www.oum.gda.pl

(np. Ełk)

Obwodowy Urząd Miar

Przyrządy pomiarowe podlegają kontroli
metrologicznej organów administracji miar w formie:

• zatwierdzenia typu,
• legalizacji.

Legalizacja

–

sprawdzenie,

stwierdzenie

i poświadczenie przez organ administracji miar (GUM,
Okręgowy lub Obwodowy UM), że przyrząd pomiarowy
spełnia wymagania przepisów metrologicznych i może
być stosowany do celów określonych w ustawie.
Legalizacja pierwotna i legalizacja ponowna.
.

Przyrządy pomiarowe powinny być
zgłaszane do legalizacji pierwotnej
przez wytwórcę, sprzedawcę lub
importera przed wprowadzeniem
ich do obrotu lub użytkowania

Zatwierdzenie typu

–

stwierdzenie

zgodności

właściwości

narzędzi

pomiarowych

z

warunkami

technicznymi

i

danymi

katalogowymi. Decyzję zatwierdzenia typu podejmowane
są po badaniach przeprowadzonych na 3-5 przyrządach
pobranych losowo z serii produkcyjnej. Wynik badania
jest pozytywny jeśli wszystkie narzędzia spełniają warunki

techniczne.

Zakres

badań

typu

obejmuje

pomiary:

błędu

podstawowego,

błędów

dodatkowych,

własności

dynamicznych,

rezystancji

wewnętrznej,

czasu

nagrzewania

się

narzędzia,

wytrzymałości

izolacji

elektrycznej,

generowanych

zakłóceń

elektromagnetycznych, niezawodności, odporności na
drgania i wstrząsy, itd. – zależnie od rodzaju narzędzia.

Wzorcowanie, sprawdzenie wskazań

Wzorcowanie

–

czynności

wyznaczenia

i

utrwalenia

charakterystyki

systemu

pomiarowego

(narzędzia,

przyrządu); czynności nadania i utrwalenia miary wielkości
mierzonej

wskazaniom

systemu

(przyrządu,

narzędzia)

pomiarowego

.

Sprawdzenie wskazań – czynności pozwalające stwierdzić,
ż

e wskazania systemu (przyrządu) pomiarowego są zgodne

z

wartościami wielkości mierzonej w granicach błędu

dopuszczalnego

Relacje pomiędzy czynnościami:

• Wzorcowanie - dokonuje się w procesie produkcji przyrządu lub

jego naprawy.

• Sprawdzenie wskazań - przeprowadza się w okresie

eksploatacji przyrządu (wymagania niezawodnościowe).

•

Adjustacja - jest niezbędna przed pomiarem jako czynność przygotowawcza

(wg instrukcji).

•

Korekcja - jest konieczna po negatywnym wyniku sprawdzania wskazań

(wykonuje to personel uprawniony, a nie operator). Korekcja powoduje

zmianę (ilościową, celową) właściwości metrologicznych urządzenia.

•

Kalibracja - to stan systemu pomiarowego, w którym dokonuje się

uproszczonego sprawdzenia wskazań, uproszczonej korekcji właściwości

metrologicznych systemu, najczęściej wykonywanych automatycznie.

Administracja probiercza

Główny Urząd Miar (GUM) - prezes

Okręgowy Urząd

Probierczy

w Krakowie

5 x Obwodowy Urząd

Probierczy

• badanie zawartości metali szlachetnych w wyrobach,
półfabrykatach, surowcach i złomie oraz oznaczanie ich
polska cecha probierczą, a także wydawanie świadectw
badania;

•nadzór nad przestrzeganiem przepisów ustawy Prawo
probiercze …

Okręgowy Urząd

Probierczy

w Warszawie

5 x Obwodowy Urząd

Probierczy

Jednostki miar

Międzynarodowy Układ Jednostek Miar SI

Na świecie:

- rezolucja nr 12 Generalnej Konferencji Miar z 1960r.;

- norma ISO 1000, 1973r,

-

dyrektywa Unii Europejskiej z dn. 11.03.2009r.

W Polsce:

-

Rozporządzenie Rady Ministrów RP z dn. 30.11.2006r

(Dz.U. nr 225 poz. 1638)

-

Prawo o miarach. Ustawa z dn. 11.05.2001r

(Dz.U. z 2004 r. nr 243, poz. 2441 - z uwzględnieniem zmian).

Nowelizacja w 2004r i

5 marca 2010r

!!!

Wzorzec miary – narzędzie (obiekt), substancja lub

zjawisko fizyczne odtwarzające w granicach znanej

niedokładności przejaw wielkości o określonej

wartości.

Wzorzec metra. Błędy graniczne odtworzenia.

1 definicja

1791r

2 definicja

1799r

3 definicja

1889r

4 definicja

1960r

5 definicja

1983r

1/10 000 000

część ćwiartki

południka

przechodzącego

przez Paryż

Metr

archiwalny

(platyna)

Prototyp metra

(międzynarodowy

wzorzec

kreskowy)

Pt+Ir

Wielokrotność

długości fali

świetlnej

kryptonu 86

Długość drogi

przebytej przez

światło w

określonym

czasie

±(0,15÷0,20)

mm

±(0,01÷0,02)

mm

± 200 nm

± 4 nm

± 0,13 nm

•

Wzorzec państwowy – uznany urzędowo w
danym kraju za podstawę do przypisywania
wartości innym wzorcom jednostki miary danej
wielkości;

•

Wzorzec międzynarodowy – uznany umową
międzynarodową za podstawę do przypisywania
wartości innym wzorcom jednostki miary danej
wielkości;

ROZPORZĄDZENIE MINISTRA GOSPODARKI
z dnia 27 lutego 2007 r.

Wzorzec pierwotny (primary standard) – powszechnie
uznany jako charakteryzujący się najwyższą jakością
metrologiczną. Wartość jego jest przyjęta bez
odniesienia do innych wzorców miary tej samej wielkości
(inaczej: wzorzec absolutny)

Przykłady:

wzorzec absolutny napięcia oparty na zjawisku Josephsona,

wzorzec długości realizowany w odniesieniu do wartości długości fali
ś

wiatła emitowanego przez laser,

wzorzec pH oparty na prawie Nernsta,

wzorzec fizykochemiczny – czysta woda.

Wzorzec wtórny – wartość uzyskana przez porównanie
z wzorcem pierwotnym jednostki miary danej wielkości.

•

Wzorzec odniesienia – wzorzec jednostki miary
o najwyższej jakości metrologicznej w danym
miejscu lub danej organizacji, stanowiący
odniesienie do wykonywanych tam pomiarów.

•

Wzorzec roboczy – wzorzec jednostki miary
używany do wzorcowania lub sprawdzania
przyrządów pomiarowych.

Wzorzec podstawowy

Wzorzec porównania

Wzorzec odniesienia

Wzorzec świadek

Wzorzec I- rzędu

Wzorzec II- rzędu

Wzorce niższych rzędów oraz narzędzia/przyrządy użytkowe

BIPM

I GUM

II GUM

OUM

III GUM

OUM + lab. up.

Układ sprawdzeń wzorców jednostki miary

Na szczycie hierarchii powinien
stać wzorzec, dla którego wartość
miary jest potwierdzona przez
wiarygodność modelu fizycznego.
Warunek ten spełniają wzorce
kwantowe. Wzorcem
„ponadczasowym” może być
stanowisko pomiarowe realizujące
model zjawisk fizycznych, może
być samo prawo fizyczne, gdy jest
dobrze określone, lub właściwość
materiału, gdy jest dobrze poznana
i niezmienna.

Wartość odniesienia porównania kluczowego

Państwowy wzorzec jednostki miary

Wzorzec odniesienia

Wzorzec roboczy

porównanie kluczowe

wzorcowanie

wzorcowanie

Jednostka miary SI

stopień równoważności

Wzorzec odniesienia

Wzorzec roboczy

wzorcowanie

wzorcowanie

porównania

międzylaboratoryjne

Wymagania:

• niezmienność w czasie,

• duża dokładność,
• łatwa odtwarzalność,

• łatwa porównywalność,

• łatwość stosowania.

Multimetry i kalibratory o niepewności pomiaru poniżej 10ppm

Wzorce elektryczne

Wzorzec 1A:

• natężenie prądu elektrycznego stałego, który płynąc w

dwóch równoległych prostoliniowych nieskończenie długich
przewodach o znikomo małym kołowym przekroju,
umieszczonych w próżni w odległości 1m od siebie,
wywołałby między tymi przewodami siłę 2·10¯⁷N na każdy
metr długości przewodu.

• złożona definicja – realizacja przy pomocy wagi prądowej

Rayleigha, niepewność < 6ppm;

• prawo Ohma, wzorce rezystancji i wzorzec napięcia,

niepewność < 1-2ppm.

Wzorzec napięcia stałego (SEM)

• Ogniwo Westona – reakcja chemiczna, mały prąd obciążenia

<100μA, napięcie zależne od temperatury, niepewność ≈

2ppm; grupowy wzorzec 12 ogniw nasyconych w

temperaturze (20,000±0,001)°C „od urodzenia”.

• Złącze Josephsona (wzorzec absolutny), przemiennoprądowy

zewn. efekt Josephsona, charakterystyka schodkowa,

niepewność < 0,002ppm (2·10¯⁹).

• Grupowy wzorzec na diodach Zenera (Fluke 734A),

niepewność dla 1,018V około 2ppm, dla 10V – około 1ppm.

Wzorce siły elektromotorycznej i napięcia

Ogniwa chemiczne Westona

Cd-Hg

-

3CdSO

4

+8H

2

O

3CdSO

4

+8H

2

O

+

Hg

2

SO

4

Hg

3CdSO

4

amalgamat kadmu

siarczan kadmowy

siarczan miedzi

PN-80 E-06531 Ogniwa wzorcowe

3

1

2

1

1

1

)

(

)

(

)

(

t

t

c

t

t

b

t

t

a

E

E

t

−

+

−

+

−

+

=

E

t1

–sem w temp. t

1

, t

1

-temp. znamionowa, t -temp. ogniwa, a,b,c -stałe

nasycone

Dane charakterystyczne:

Wartość uwierzytelniona SEM w temperaturze znamionowej
+20

o

C wynosi od 1,018540V do 1,018730V.

- duża bezwładność cieplna, stała czasowa ok. kilka godzin;

- jednakowa temperatura ramion;

- bardzo mała obciążalność, ok. 1µA;

- rezystancja wewnętrzna ogniwa nasyconego ok. 1kΩ;

- klasa dokładności: 0,0002; 0,0005; 0,001; 0,002; 0,005; 0,01

lub odpowiednio: 2ppm; 5ppm; 10ppm; 20ppm; 50ppm; 100ppm.

B

łąd podstawowy ogniwa wzorcowego to wartość dopuszczalnej

rocznej zmiany sem ogniwa wyrażonej w % wartości nominalnej.

Ogniwa nienasycone

- niewrażliwość na wstrząsy i wibracje

- zastosowanie w urządzeniach przenośnych

- budowane w czterech klasach dokładności: 0,002;
0,005; 0,01; 0,02;

- mała rezystancja wewnętrzna, ok. 600Ω;

- duży prąd pobierany, ok. 100µA;

- uwierzytelniona wartość SEM w temperaturze 20

o

C

jest w zakresie od 1,01882V do 1,01902V

Grupowy wzorzec SEM

Grupa 12 ogniw nasyconych, utrzymywanych w stałej

temperaturze 20

o

C 0,001

o

C. Przechowywane w tych

warunkach już od momentu wyprodukowania, aby uniknąć

zjawiska histerezy.

Wartość wzorca jednostki SEM to średnia arytmetyczna

wartości SEM wszystkich ogniw wchodzących w skład grupy.

Wartość SEM wzorca ustala się w wyniku porównań w

Międzynarodowym Biurze Miar i Wag (BIPM) w Sevres

(odniesienie do wartości ustalonej w oparciu o efekt

Josephsona).

U

wy

R

3

R

2

R

1

U

Z

Z

wy

U

R

R

R

U

2

3

2

+

=

Scalone źródło napięcia AD588 (Analog Devices) –
±5 V lub ±10 V, niepewność 100ppm

Wzorce rezystancji

• oporniki z drutów i taśm oporowych, stopy miedzi:

manganin i nikrothal, stałość w czasie.

manganin

nikrothal

Wsp. temperaturowy

rezystancji

≤ 2·10¯⁵ K⁻¹

≤ 1·10¯⁵K⁻¹

Rezystywność

43·10¯⁸ Ωm

133·10¯⁸ Ωm

Napięcie

termoelektryczne

względem miedzi

1μV/K

2μV/K

Wzorzec rezystancji przy prądzie przemiennym:

• sposób nawinięcia opornika: bifilarne, Ayrtona,

plecione, itp.

• stała czasowa: R,L,C – (10¯⁶÷ 10¯⁸)s.

C

R

L

• klasy dokładności wg normy PN-90/06509:

0,0005; 0,001; 0,002; 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2

np. graniczny błąd podstawowy < ±0,0005% (±5ppm)

• obciążalność P

dop

=1W lub I

dop

• schemat elektryczny

R

U=R·I

I

1

2

3

4

Absolutny wzorzec rezystancji – kwantowy efekt Halla,
niepewność od 1ppm do 0,03ppm

Wzorzec czasu