Эталоны, их виды и назначение

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Эталоном называется средство измерений, обеспечивающее воспроизведение и хранение выбранной единицы физической величины, а также передачу размера единицы другим средствам измерений (т. е. вторичным эталонам и измерительным приборам).

Все вопросы, связанные с хранением, применением и созданием эталонов, а также контроль за их состоянием, решаются по единым правилам, установленным ГОСТом «ГСИ. Эталоны единиц физических величин. Основные положения» и ГОСТом «ГСИ. Эталоны единиц физических величин. Порядок разработки и утверждения, регистрации, хранения и применения». Классифицируются эталоны по принципу подчиненности. По этому параметру эталоны бывают первичные и вторичные.

Первичный эталон должен служить целям обеспечения воспроизведения, хранения единицы и передачи размеров с максимальной точностью, которую можно получить в данной сфере измерений. В свою очередь, первичные могут быть специальными первичными эталонами, которые предназначены для воспроизведения единицы в условиях, когда непосредственная передача размера единицы с необходимой достоверностью практически не может быть осуществлена например для малых и больших напряжений, СВЧ и ВЧ. Их утверждают в виде государственных эталонов. Поскольку налицо особая значимость государственных эталонов, на любой государственный эталон утверждается ГОСТом. Другой задачей этого утверждения становится придание данным эталонам силы закона. На Государственный комитет по стандартам возложена обязанность создавать, утверждать, хранить и применять государственные эталоны.

Вторичный эталон воспроизводит единицу при особенных условиях, заменяя при этих условиях первичный эталон. Он создается и утверждается для целей обеспечения минимального износа государственного эталона. Вторичные эталоны могут делиться по признаку назначения.

Цель работы: рассмотреть характеристику эталонов единиц массы, времени и длины. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

Рассмотреть основные эталоны и их назначение;

Проанализировать характеристику эталонов единиц массы, времени и длины.

  
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1.1 Эталоны, их виды и назначение

Централизованное воспроизведение единиц осуществляется с помощью специальных технических средств, называемых эталонами. Эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же единицы) точностью, называется первичным эталоном. Первичные эталоны - это уникальные средства измерений, часто представляющие собой сложнейшие измерительные комплексы, созданные с учетом новейших достижений науки и техники на данный период. Эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы в особых условиях и служащий для этих условий, называется специальным эталоном. Официально утвержденные в качестве исходного для страны первичный или специальный эталоны называются государственными.

Эталон, получающий размер единицы путём сличения с первичным эталоном рассматриваемой единицы, называется вторичным эталоном.

Третий эталон - эталон сравнения - это вторичный эталон применяется для сравнения эталона, которые по тем или иным причинам не могут быть сравнены между собой.

Четвертый эталон - рабочий эталон применяется для непосредственной передачи размера единицы.

Эталон должен отвечать трем основным требованиям: неизменность (способность удерживать неизменным размер воспроизводимой им единицы в течение длительного интервала времени); воспроизводимость (воспроизведение единицы с наименьшей погрешностью для данного уровня развития измерительной техники); сличаемость (способность не претерпевать изменений и не вносить каких-либо искажений при проведении сличений).

Государственные эталоны представляют собой национальное достояние и поэтому должны храниться в метрологических институтах страны в специальных эталонных помещениях, где поддерживается строгий режим по влажности, температуре, вибрациям и другим параметрам. Для обеспечения единства измерений физических величин в международном масштабе большое значение имеют международные сличения национальных государственных эталонов. Эти сличения помогают выявить систематические погрешности воспроизведения единицы национальными эталонами, установить, насколько национальные эталоны соответствуют международному уровню, и наметить пути совершенствования национальных (государственных) эталонов.

В 1998 г. эталонная база России была представлена 116 государственными эталонами, 250 вторичными эталонами, 70 установками высшей точности и государственными стандартными образцами в количестве более 7500. Лапидус В.А. Звезды качества// Стандарты и Качество. - 1997, №7, с. 47-53.

 

1.2 Характеристика  эталонов единиц массы, времени и длины.

1.2.1 Эталон  единицы длины.

В 1971 г. Национальное собрание Франции приняло длину десятимиллионной части четверти дуги парижского меридиана в качестве единицы длины – метра. В тот период времени во Франции применялся в качестве единицы длины туаз. Соотношение между метром и туазом оказалось равным 1 м = 0,513074 туаза.

Но уже в 1837 г. Французские ученые установили, что в четверти меридиана содержится не 10 млн., а 10 млн. 856 м. Примерно в тот же период времени стало очевидным, что форма и размеры Земли со временем изменяются. Поэтому в 1872 г. по инициативе Петербургской академии наук была создана международная комиссия, решившая не создавать уточненных эталонов метра, а принять в качестве исходной единицы длины метр Архива Франции. 

В 1889 г. Был изготовлен 31 эталон метра в виде платиноиридиевого стержня Х-образного поперечного сечения, который, как следует из рассмотрения Рис. 1 вписывается в квадрат  .

Длина линейки составляет 102 см. На каждом из ее концов нанесены три штриха на расстоянии 0,5 мм друг от друга. Таким образом, расстояние между средними штрихами равно 1 м.

Погрешность платиноиридиевых штриховых метров составляет  . Уже в начале 20 в. эта погрешность оказалась достаточно большой, не удовлетворяющей требованиям измерений длины.

В 1960 г. XI Генеральной конференцией по мерам и весам было принято новое определение метра: метр – длина, равная 1650763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями   и  атома криптона-86.

Криптоновый эталон метра состоит из газоразрядной лампы, наполненной криптоном-86, помещенной в сосуд Дюара с жидким азотом (Рис. 2). При подаче электрического напряжения +1500 в лампе образуется свечение возбужденных атомов криптона-86. Капилляр, в котором происходит свечение (с внутренним диаметром около 3 мм), имеет оптический выход на автоматический интерференционный фотоэлектрический компаратор. С помощью интерференционного компаратора определяется расстояние между штрихами, что позволяет найти число длин волн, укладывающихся между средними штрихами линейки (Рис. 1). Фактически определяется не все количество длин волн, «помещающихся» в метре, а оценивается разница между измеряемой длиной и эталонной длиной, воспроизводимой газоразрядной лампой. Измерение длины волны и энергетических характеристик свечения производится с помощью спектроинтерферометров.

Погрешность воспроизведения метра, оцениваемая средним квадратическим отклонением результата измерения, с помощью данного эталона существенно уменьшилась по сравнению с погрешностью платиноиридиевого прототипа метра и составила  .  
Новый эталон метра.

Повышение точности эталона длины стало реальным при получении возможности распространения абсолютных измерений частоты (в радиочастотном спектре колебаний) на оптический диапазон и разработке высокостабильных лазеров, что позволило уточнить значение скорости света. В 1983 г. XVII Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение метра: «Метр - длина пути, проходимого в вакууме светом за 1/299792458 доли секунды (точно)». Данное определение метра принципиально отличается от определения 1960 г.: «криптоновый» метр не был непосредственно связан со временем, новый метр опирается на эталон единицы времени - секунду и известное значение скорости света. 

Еще многие годы метрология и техника будут использовать значение скорости света, установленное XVII Генеральной конференцией по мерам и весам.

В настоящее время для обеспечения высокой степени стабилизации важнейшего параметра лазерного излучения – частоты, широко применяются гелий-неоновые лазеры на длине волны излучения   мкм (инфракрасная область спектра) и   мкм (видимая область спектра), стабилизированные соответственно по насыщенному поглощению в метане (Не-Ne/CH4) и молекулярном йоде (Не-Ne/I2).

Лазеры на основе (Не-Ne/CH4) по воспроизводимости частоты приближаются к цезиевому стандарту, являющемуся основой эталона времени и частоты. Работающий в видимом диапазоне спектра Не-Ne/I2 лазер позволяет реализовать новое определение метра через скорость распространения света в вакууме. Наличие излучения на двух длинах волн (  мкм и   мкм) дает возможность с помощью интерферометра обеспечить высокую точность измерений. Секунда воспроизводится с помощью цезиевых стандартов частоты в СВЧ диапазоне электромагнитных колебаний, а новый метр – в оптическом диапазоне частот, т. е. на несколько порядков выше частот, применяемых в эталоне времени и частоты. Таким образом, необходим «мост», служащий для передачи эталонной частоты цезиевого стандарта в оптическую часть диапазона.

Комплекс аппаратуры для «переноса» измерений частоты в «радиочастотном» эталоне времени на измерения частоты высокостабильных лазеров (в оптическом диапазоне) был назван радиооптическим частотным мостом (РОЧМ). РОЧМ позволил получить наивысшую точность измерения скорости света в вакууме и рассматривать ее как фундаментальную физическую константу, явился основой создания единого эталона частоты – времени - длины. В этот эталон входят эталон времени и частоты, аппаратура РОЧМ, а также новый эталон метра, включающий Не-Ne лазеры, интерферометр сравнения длин волн Не-Ne/CH4 лазеров и Не-Ne/I2 лазеров, интерферометр, непосредственно формирующий единицу длины - метр. Этот эталон имеет погрешность воспроизведения в виде среднего квадратического отклонения результата измерений около  , систематическая составляющая не превышает  , т. е. более чем на три порядка меньше погрешности воспроизведения метра с помощью «криптонового» метра. 

1.2.2 Эталон единицы массы.

Международный прототип килограмма был утвержден на I Генеральной конференции по мерам и весам в 1889 г. как прототип единицы массы, хотя в тот период еще не существовало четкое разграничение понятий массы и веса, и поэтому часто эталон массы называли эталоном веса.

В состав эталона входят:

- копия международного  прототипа килограмма (№ 12), представляющая  собой платиноиридиевую гирю  в виде прямого цилиндра с  закругленными реб­рами диаметром  и высотой 39 мм. Прототип килограмма  хранится во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева (г. Санкт -Петербург) на кварцевой  подставке под двумя стеклянными  колпаками в стальном сейфе. Эталон  хранится при поддержании температуры  воздуха в пределах (20±3)°С и  относительной влажности 65 %. С целью  сохранения эталона с ним сличают  два вторичных эталона раз  в 10 лет. Они и используются для  дальнейшей передачи размера  килограмма;

- равноплечие призменные  весы на 1 кг № 1 с дистанционным  управлением (с целью исключения  влияния оператора на температуру  окружающей среды), изготовленные  фирмой «Рупрехт», и равноплечие  современные весы на 1 кг № 2, изготовленные во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева. Весы № 1 и № 2 служат для передачи размера единицы массы от прототипа № 12 вторичным эталонам.

На Рис. 3 показан эталон килограмма в современном виде. Справа на рисунке представлено вместе с прототипом килограмма № 12 двухконтурное стеклянное защитное устройство.

 

Погрешность воспроизведения килограмма, вы­раженная средним квадратическим отклонением результата измерений, составляет .

 

Со времени создания прототипов килограмма прошло более 100 лет. За истекший период периодически сличали национальные эталоны с международным эталоном. В Табл. 1 приведены результаты лишь двух сличений (они были и позже 1954 г.) эталонов килограмма.

Таблица 1

Страна	№ эталона	Отклонение массы эталона, мг		Разность массы эталонов за 1889-1954 гг., мг
		1889 г.	1954 г.
Международный эталон МБМВ Франция СССР США Япония ГДР Италия Швейцария	31   35 12 20 6 15 5 38	+0,162   +0,191 +0,068 -0,039 +0,169 +0,226 +0,018 +0,183	+0,128   +0,183 +0,085 -0,019 +0,170 +0,239 +0,018 +0,214	-0,034   -0,008 +0,017 +0,02 +0,001 +0,013 0,000 +0,031

 

 

  Новый эталон килограмма

Недавно выяснилось, что Парижский эталон килограмма не совсем точен. Решить эту проблему, т.е. создать новый эталон массы, поможет программа, в которой участвуют ученые из восьми стран. Первые 140 граммов вещества для нового эталона уже существуют. Это сверхчистый кремний, на 99,99% состоящий из изотопа кремния-28.

Через три года такого кремния будет уже 5 кг. Этого хватит, чтобы сделать килограммовый шар, число атомов кремния-28 в котором будет точно известно. И тогда допотопную гирю в парижской Палате мер и весов заменит эталон, не только масса, но и число атомов в котором будут определены с предельной для сегодняшней мировой науки точностью.