На рисунках были изображены простейшие коромысловые равноплечие весы с двумя чашами. Весы подвешивали за центр коромысла. Были найдены и гири, которыми пользовались древние египтяне.

3 Весы были хорошо известны так же и древним грекам, которые стали разрабатывать теорию коромысловых весов. Архимед построил первые гидростатические весы, с помощью которых можно было взвешивать различные тела и в воздухе, и в жидкости. Впервые понятие массы было введено в физику И. Ньютоном ( ). Под массой он понимал количество материи. Масса входила в открытые им закон всемирного тяготения и второй закон динамики.

Были введены понятия «тяжелая» и «инертная» масса. В 70-е годы прошлого столетия опытами В.Б Брагинского была доказана эквивалентность инерционной и гравитационной масс на уровне точности около 1· С точки зрения современной науки масса является фундаментальной физической величиной, присущей всем видам материи. Она связана с такими характеристиками материи, как пространство и время.

В Международной системе единиц (SI) за единицу массы принята масса Международного прототипа килограмма, поверхность которого очищена определенным способом, хранящегося в Международном бюро мер и весов в Севре, предместье Парижа. Прототип килограмма представляет собой прямой цилиндр диаметром и высотой около 39 мм, изготовленный из сплава платины и иридия с весовыми долями 90 % и 10 %, соответственно. Фирмой «Маттей, Джонсон и К» в 1889 г. были изготовлены 43 копии килограмма KI из того же платино-иридиевого сплава. две копии KII и KIII были переданы Международному бюро мер и весов (МБМВ) в качестве копий Международного прототипа килограмма. Впоследствии к ним были добавлены еще 4 копии. России были переданы две копии - 12 и 26. Копия 12 выполняет роль национального прототипа килограмма РФ, а копия 26 – эталона-свидетеля

6 В обычной жизни, в технике и в большинстве научных исследований, а так же в метрологии выполняют прямые измерения массы. Основными средствами прямых измерений массы являются весы и гири. Под весами надо понимать прибор, который измеряет массу тел через их вес. Диапазон измерений, выполняемых с помощью весов, составляет от 1· кг до кг. Современные электронные кварцевые ультрамикровесы имеют чувствительность около 1· кг, что позволяет определить нижнюю границу прямых измерений как 1· кг. С другой стороны, известны весы для взвешивания расплавленного металла на максимальную нагрузку 2000 т.

Для калибровки и поверки весов применяют эталонные гири массой от 1 мг до 5 т, технические и метрологические требования к которым установлены в рекомендации Международной организации законодательной метрологии (OIML) МР 111. Гиря – специально изготовленный предмет заданной массы, обладающий специальной формой и другими конструктивными особенностями.

Современные электронные весы представляют собой линейный преобразователь веса в количество импульсов. 8 При градуировке весов фиксируют количество импульсов при нулевой нагрузке (вес равен нулю) N 0 и при нагрузке, близкой к максимальной для данных весов, N max. Эту нагрузку создают с помощью эталонных гирь, масса которых хорошо известна. При любой нагрузке, массой от нуля до максимума можно записать уравнение: где m э – масса эталонных гирь, соответствующая максимальной нагрузке; N x – количество импульсов, считанное при действии измеряемой нагрузки.

В Международной системе единиц (SI) за единицу массы принята масса Международного прототипа килограмма, поверхность которого очищена определенным способом. Он хранится в Международном бюро мер и весов (BIPM) в Севре, предместье Парижа. Имеет обозначение KI и представляет собой прямой цилиндр диаметром и высотой около 39 мм, изготовленный из сплава платины и иридия с весовыми долями 90% и 10%, соответственно. Этот сплав, созданный в результате долгих исследований, обладает высокой химической инертностью, высокой твердостью и износоустойчивостью. Он имеет относительно малый коэффициент температурного расширения, большую плотность и обладает парамагнитными свойствами.

10 Килограмм KI был подогнан по массе точно, в пределах погрешности измерений, к массе Архивного килограмма. Фирмой «Маттей, Джонсон и К» в 1889 г. были изготовлены 43 копии килограмма KI из того же сплава. По решению первой Генеральной конференции Международного комитета мер и весов 2 копии KII и KIII были переданы Международному бюро мер и весов в качестве копий Международного прототипа килограмма. Впоследствии к ним были добавлены еще 4 копии. Остальные копии были распределены между 17 государствами, подписавшими Метрическую конвенцию (1875 г.). В том числе России были переданы две копии – 12 и 26. Копия 12 выполняет роль национального прототипа килограмма РФ, а копия 26 – эталона-свидетеля, который в случае порчи или утраты копии 12, мог бы ее заменить. Национальный прототип килограмма 12 воспроизводит единицу массы путем сличений его с Международным прототипом килограмма со стандартной неопределённостью 2,3·10 -9 кг.

11 В 1892 г. все копии были исследованы и сличены с Международным прототипом килограмма. В результате этого были определены их поправки по отношению к массе Международного прототипа килограмма. Наш российский прототип 12 имеет поправку, равную 0,100 мг, и объем, равный 46,4082 см 3. С 1892 г. национальный прототип килограмма – копия Международного прототипа килограмма 12 применяется в ФГУП «ВНИИМ им.Д.И. Менделеева» для воспроизведения, хранения и передачи размера единицы массы в России. Периодически наш национальный прототип килограмма сличают с Международным прототипом. Результаты сличений прототипа килограмма 12 с международным прототипом килограмма

12 Более чем за 100 летний период применения Международного прототипа килограмма, стали очевидными недостатки существующего определения килограмма: масса прототипа со временем меняется, причем насколько – нам неизвестно; он доступен только в одном единственном месте и не в любой момент времени; существуют риски, связанные с его порчей и даже утратой. Для устранения этих недостатков метрологи всего мира, в том числе и России, работают над переходом на новое определение и способы воспроизведения килограмма с помощью привязки его к Мировым инвариантам – к фундаментальным физическим константам или массе атомов.

Эталон состоит из комплекса следующих средств измерений: национальный прототип килограмма – копия 12 Международного прототипа килограмма – гиря из платиноиридиевого сплава; эталон-свидетель национального прототипа килограмма – копия 26 Международного прототипа килограмма – гиря из платиноиридиевого сплава; набор компараторов для передачи размера единицы массы в диапазоне от 1 мг до 20 кг.

14 п/п п/п Наименованиекомпаратора Наибольший предел измерений, г Дискретность, мг СКО, мг Фирма-изготовитель 1UMX 550,00010,0002«Mettler Toledo» 2 СС 1000SL 10000,0010,002«Sartorius» 3CC ,10,2«Sartorius» 41681МР «Sartorius» 5E40K «Sartorius»

15

17 В качестве ОСИ 1-го разряда (рабочих эталонов 1-го разряда) используют гири с номинальными значениями массы от до 20 кг, соответствующие классу точности Е 2 по ГОСТ 7328, и весы с диапазонами измерений от 1, до 0,6 кг, соответствующие специальному классу точности по ГОСТ Образцовые весы 1-го разряда (эталонные весы 1-го разряда) применяют для поверки весовых дозаторов дискретного действия непосредственным сличением. Образцовые гири 1-го разряда (эталонные гири 1-го разряда) применяют для поверки: образцовых гирь 2-го разряда (эталонных гирь 2-го разряда), гирь класса точности F 1 по ГОСТ 7328 сличением с помощью компаратора; образцовых весов 1-го разряда (эталонных весов 1-го разряда), лабораторных весов специального и высокого классов точности по ГОСТ 24104, весоизмерительных, тензорезисторных датчиков классов точности А и В методом прямых измерений.

18 В качестве ОСИ 2-го разряда (рабочих талонов 2-го разряда) используют гири номинальными значениями массы от до 20 кг, соответствующие классу точности F 1 по ГОСТ 7328; гири с номинальным значением массы 500 кг; весы с диапазонами измерений от до 5 кг, соответствующие специальному или высокому классу точности по ГОСТ Образцовые весы 2-го разряда (эталонные весы 2-го разряда) применяют для поверки весовых дозаторов дискретного действия непосредственным сличением. Образцовые гири 2-го разряда (эталонные гири 2-го разряда) применяют для поверки: образцовых гирь 3-го разряда (эталонных гирь 3-го разряда) и гирь класса точности F 2 по ГОСТ 7328 сличением с помощью компаратора; образцовых весов 2-го разряда (эталонных весов 2-го разряда), лабораторных весов специального и высокого классов точности по ГОСТ 24104, весоизмерительных тензорезисторных датчиков классов точности А, В и весов специального назначения методом прямых измерений.

19 В качестве ОСИ 3-го разряда (рабочих эталонов 3-го разряда) используют гири номинальными значениями массы от до 20 кг, соответствующие классу точности F 2 по ГОСТ 7328; гири с номинальным значением массы 500 кг; весы с диапазонами измерений от до кг, соответствующие высокому классу точности по ГОСТ Образцовые весы 3-го разряда (эталонные весы 3-го разряда) применяют для поверки весовых дозаторов дискретного действия непосредственным сличением. Образцовые гири 3-го разряда (эталонные гири 3-го разряда) применяют для поверки: образцовых гирь 4-го разряда (эталонных гирь 4-го разряда) и гирь класса точности М 1 по ГОСТ 7328 сличением с помощью компаратора; образцовых весов 3-го разряда (эталонных весов 3-го разряда), лабораторных весов высокого класса точности по ГОСТ 24104, весоизмерительных тензорезисторных датчиков класса точности В и весов специального назначения методом прямых измерений.

20 В качестве ОСИ 4-го разряда (рабочих эталонов 4-го разряда) используют гири с номинальными значениями массы от до кг, соответствующие классу точности M 1 по ГОСТ 7328; весы с диапазонами измерений от до кг, соответствующие среднему классу точности по ГОСТ или по ГОСТ или обычному классу точности по ГОСТ Образцовые весы 4-го разряда (эталонные весы 4-го разряда) применяют для поверки весов и весовых дозаторов непрерывного действия, весовых дозаторов дискретного действия, весов для взвешивания транспортных средств в движении непосредственным сличением. Образцовые гири 4-го разряда (эталонные гири 4-го разряда) применяют для поверки: гирь классов точности М 2 и М 3 по ГОСТ 7328 сличением с помощью компаратора; лабораторных весов среднего класса точности по ГОСТ 24104, весов для статического взвешивания среднего и обычного классов точности по ГОСТ 29329, весоизмерительных, тензорезисторных датчиков классов точности С, D, весов специального назначения, весов для взвешивания транспортных средств в движении, весовых дозаторов дискретного действия методом прямых измерений.

21

22 Доверительные границы абсолютной погрешности Δ определения массы гирь классов точности Е 1, Е 2, F 1, F 2 при доверительной вероятности 0,95 составляют от 6 10 –4 до 100 мг по ГОСТ Пределы допускаемой абсолютной погрешности Δ гирь классов точности M 1, M 2, M 3 составляют от 0,2 до 5·10 5 мг по ГОСТ Пределы допускаемой абсолютной погрешности лабораторных весов специального, высокого и среднего классов точности в интервалах взвешивания устанавливают в соответствии с ГОСТ Пределы допускаемой абсолютной погрешности Δ весов специального назначения устанавливают в соответствии с техническими документами. Пределы допускаемой абсолютной погрешности Δ весов для статического взвешивания среднего и обычного классов точности в интервалах взвешивания устанавливают в соответствии с ГОСТ Пределы допускаемой абсолютной погрешности Δ весоизмерительных тензорезисторных датчиков классов точности А, В, С и D устанавливают в соответствии с ГОСТ

23 Пределы допускаемой абсолютной погрешности Δ весов и весовых дозаторов непрерывного действия устанавливают в соответствии с ГОСТ Пределы допускаемой абсолютной погрешности Δ весовых дозаторов дискретного действия в зависимости от класса точности устанавливают в соответствии с ГОСТ Пределы допускаемой абсолютной погрешности Δ весов для взвешивания транспортных средств в движении в зависимости от класса точности устанавливают в соответствии с ГОСТ

24 Сличения поверяемых гирь с эталонными гирями выполняют метод замещения по схеме АВВА с помощью компаратора. Эталонная гиря обозначена через А, а поверяемая – через В. При этом в качестве эталонной и поверяемой гири могут использоваться несколько гирь при условии, что суммы номинальных значений эталонных и поверяемых гирь одинаковы. В начале устанавливают на чашку компаратора эталонную гирю А соответствующего номинала и после стабилизации показаний обнуляют дисплей, снимают гирю А и новь ее устанавливают на чашку и записывают показание. Помещают на чашку вместо эталонной гири А поверяемую гирю В, записывают показание. Далее снимают гирю В и снова устанавливают ее на чашку и записывают показание, снимают гирю В и устанавливают на чашку эталонную гирю А и записывают показания. На этом цикл взвешивания заканчивается.

25

1927 г. Начали заниматься измерениями силы в Советском союзе. В Горьковской палате мер и весов, в период с 1927 по 1928 гг., проводились испытания цепей и канатов на прочность. В 1929 г. в г. Горьком была организована лаборатория по испытанию машин и механических свойств материалов 1933 г. Создание механической лаборатории во ВНИИМ. Задачей лаборатории являлось создание эталонной и образцовой аппаратуры для испытаний материалов Горьковским экспериментально-конструкторским бюро (ЭКБ) под руководством Н.Г. Токаря была создана серия оригинальных образцовых динамометров на различные нагрузки от 3 до 2000 т.с. с погрешностью 0,3–0,5 %. Этим динамометром до сих пор оснащены территориальные ведомственные службы. Кроме того, Горьковским ЭКБ созданы две рычажные силоизмерительные машины до 50 т.с. с погрешностью 0,1 % е

1951 г. В Московском государственном институте мер и измерительных приборов были созданы гидравлические образцовые силоизмерительные машины до 50 т.с. с погрешностью 0,2 %. С 1955 г. во ВННИМ им. Д.И. Менделеева начали проводиться исследования, целью которых было создание образцовых динамометров 1- го разряда с оптической системой отсчета для передачи размера единицы силы от эталонной установки ЭУ-10. Диапазоном измерений силы этими динамометрами составлял 1 – 10 т.с., с погрешность – 0,1 % г. Был создан эталонный динамометр до 1 МН с погрешность 0,01 % г. А в период с 1990 г. по 1993 г. создан ряд эталонных динамометров до 50 кН, 100 кН, 200 кН, 500 кН с погрешностью 0,01 %. В 1996 г. был создан динамометр сжатия до 5 МН с погрешность 0,03 %. В настоящее время ведутся работы по созданию компаратора до 20 кН, предназначенного для поверки гирь массой до 2 т.

Сила – это векторная величина, относящаяся к производным физическим величинам. Абсолютное значение силы определяется из уравнения измерения, которое в соответствии со вторых законом Ньютона имеет вид: где m – масса тела; – вектор ускорения. По виду уравнения измерения (1) можно судить о том, что измерение силы является косвенным. Уравнение измерения позволяет определить размерность силы. При этом: где M, L, T – размерности основных физических величин. Единицами этих физических величин соответственно является метр (м), килограмм (кг), секунда (с). Единица измерения силы получила собственное наименование – "ньютон" (1 Н = 1 кг. м. с 2 ). Уравнение измерения силы (1) явилось основой при создании государственного первичного эталона (ГПЭ) единицы силы (ГОСТ ). (2) (1)

Эталонная установка Нижняя граница Верхняя граница Дискретность ЭУ-0,0210 Н2·10 2 Н10 Н ЭУ-0,510 2 Н5·10 3 Н10 2 Н ЭУ-102·10 3 Н10 5 Н10 3 Н ЭУ Н10 6 Н10 4 Н Общий диапазон воспроизведения единицы силы эталоном: от 10 до 10 6 Н Погрешность воспроизведения единицы силы эталоном: Оценка среднего квадратического отклонения – S p5·10 -6 Н Граница неисключенной систематической погрешности – |θ p | Н

Для установки, расположенной во ВНИИМ имени Д.И. Менделеева ускорение свободного падения g=9,8192 м/с 2. Принцип работы эталона силы основан на использовании силы тяжести. Так как ускорение свободного падения g на поверхности планеты зависит от географического положения, то сначала проводят испытания для точного определения g в данной точке планеты. После этого были изготовлены меры силы в форме дисков из нержавеющей немагнитной стали самого высокого качества. Диски весом по 10 кН собраны в 9 блоков расположенных на 9 платформах. Платформы могут вертикально перемещаться по 4 направляющим колоннам со скоростью миллиметр в минуту. В рабочем состоянии эти платформы опускают блоки дисков вниз до тех пор, пока диски не повиснут на общей центральной штанге, которая передает нагрузку на раму с датчиком.

блока (снизу вверх) Количество блинов в блоке Вес блока, кН Суммарный вес штанги и рамы без мер силы P=10 кH. Максимальная нагрузка создаваемая эталоном F=1010 кН. Суммарный вес штанги и рамы без мер силы P=10 кH. Максимальная нагрузка создаваемая эталоном F=1010 кН. Особенности эталонной установки ЗУ – блок с дисками из нержавеющей стали; 2- платформа, удерживающая и перемещающая блоки; 3- опора с резьбой для перемещения опор; 4- рама со штангой для подвешивания блоков; 5- платформа для установки датчика на сжатие; 6- крепление для установки датчика на растяжение

В качестве рабочих эталонов 1-го разряда применяют стационарные силовоспроизводящие машины с диапазоном воспроизведения от 10 Н до 9 МН.

Пределы допускаемых значений доверительных границ относительной погрешности. Принцип действия силовоспроизводящих машин Режим работы рабочего эталона 1-го разряда Предел воспроизведения (ПВ) Предел допускаемых значений доверительных границ относительной погрешности Установка непосредственного нагружения Растяжение, сжатие. 1 МНδ=0,01 % Установки непосредственного нагружения, силоумножающие установки гидравлического или рычажного типа До 3 МН Растяжение, сжатие. Свыше 3 МН сжатие. 1 МНδ=0,02 % Установки гидравлического, рычажного или компараторного типа со встроенным преобразователем силы Растяжение, сжатие. 3 МНδ=0,05 % Силоумножающие установки гидравлического или рычажного типа, установки компараторного типа со встроенным преобразователем силы До 3 МН Растяжение, сжатие. Свыше 3 МН сжатие. 9 МНδ=0,15%

Примечание: могут быть применены силовоспроизводящие машины имеющие другие принципы действия. Диапазон воспроизведения может быть разделен на интервалы с разными пределами допускаемых значений доверительных границ относительной погрешности. Рабочие эталоны 1-го разряда предназначены для передачи размера единицы методом прямых измерений, следующим средствам измерений: - рабочим эталонам 2-го разряда; -рабочим средствам измерений; Соотношение пределов допускаемых значений доверительных границ относительной погрешности рабочих эталонов 1-го разряда и пределов допускаемых значений доверительных границ относительной погрешности рабочих эталонов 2-го разряда должно быть не более 1/3.

В качестве рабочих эталонов 2-го разряда применяют переносные динамометры в диапазоне измерений от 10 Н до 9 МН. Пределы допускаемых значений доверительных границ относительной погрешности при доверительной вероятности 0,95 за межповерочный интервал рабочих эталонов 2-го разряда не должны превышать значений, указанных в таблице 3.6.

Пределы допускаемых значений доверительных границ относительной погрешности при доверительной вероятности 0,95 рабочих эталонов 2-го разряда. Режим работы рабочего эталона 2-го разряда Предел измерений (ПИ) Предел допускаемых значений доверительных границ относительной погрешности при доверительной вероятностью p=0,95,δ Растяжение, сжатие 1 МН0,06% Растяжение, сжатие 1 МН0,12% Растяжение, сжатие 3 МН0,24% До 3 МН растяжение, сжатие. Свыше 3 МН сжатие. 9 МН0,45%

Примечание: диапазон измерений динамометра может быть разделен на интервалы с разными пределами допускаемых значений доверительных границ относительной погрешности. Рабочие эталоны 2-го разряда применяют для передачи размера единицы методом прямых и совокупных измерений, следующим средствам измерений: -рабочим эталонам 3-го разряда; -рабочим средствам измерений (метод совокупных измерений заключается в применении группы параллельно установленных динамометров 2-го разряда). Соотношение пределов допускаемых значений доверительных границ относительной погрешности рабочих эталонов 2-го разряда и пределов допускаемых значений доверительных границ относительной погрешности рабочих эталонов 3-го разряда должно быть не более 1/3.

В качестве рабочих эталонов 3-го разряда применяют стационарные силовоспроизводящие машины в диапазоне воспроизведения от 10 Н до 9 МН.

Принцип действия силовоспроизводящих машин Режим работы рабочего эталона 3- го разряда Предел воспроизведения (ПВ) Предел допускаемых значений доверительных границ относительной погрешности Силоумножающие установка гидравлического или рычажного типа Растяжение, сжатие 3 МНδ=0,2 % Силоумножающие установки гидравлического, рычажного или компараторного типа Растяжение, сжатие 3 МНδ=0,5 % Силоумножающие установки гидравлического, рычажного или компараторного типа Растяжение, сжатие 3 МНδ=1 % Установки гидравлического типа, установки компараторного типа со встроенным преобразователем силы До 3 МН Растяжение, сжатие. Свыше 3 МН сжатие 9 МНδ=2 % Пределы допускаемых значений доверительных границ относительной погрешности.

Примечание: могут быть применены другие силовоспроизводящие машины, имеющие другие принципы действия. Рабочие эталоны 3-го разряда предназначены для передачи размера единицы рабочим средствам измерений методом прямых измерений. Соотношение пределов допускаемых значений доверительных границ относительной погрешности рабочих эталонов 3-го разряда и пределов допускаемой относительной погрешности рабочих средств измерений должно быть не более 1/3.

В качестве рабочих средств измерений применяют переносные динамометры, датчики силоизмерительные, испытательные машины, прессы, стенды и другие измерительные системы, содержащие встроенные силоизмерители, в диапазоне измерений от 10 Н до 9 MH. Рабочее средство измерений Режим работы рабочего средства измерения Предел измерений рабочего средства измерений Предел допускаемых относительной погрешности Переносные динамометры и датчики силоизмерительные Растяжение, сжатие 1 МН Δ0,06%, 0,12%, Δ0,5%, 1% Испытательные машины, прессы, стенды и другие измерительные системы, содержащие встроенные силоизмерители 0,2%, Δ0,5% Переносные динамометры и датчики силоизмерительные Растяжение, сжатие 3МН Δ0,24%, 0,5%, Δ1%, Δ2% Испытывающие машины, прессы, стенды и другие измерительные системы, содержащие встроенные силоизмерители. Растяжение, сжатие 3 МНΔ0,2 %, 0,5%, 1% Переносные динамометры и датчики силоизмерительные До 3 МН растяжение, сжатие. Свыше 3 МН сжатие 9 МН Δ0,45 %, Δ6% Испытательные машины, прессы, стенды и другие измерительные системы, содержащие встроенные силоизмерители Δ2 %