Эталоны единиц системы СИ

Эталонная база России имеет в своем составе 114 государствен­ных эталонов (ГЭ) и более 250 вторичных эталонов единиц физи­ческих величин. Из них 52 находятся во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии им. Д.И. Менделеева (ВНИИМ, г. Санкт-Петер­бург), в том числе эталоны метра, кило­грамма, ампера, кельвина и радиана; 25 – во Всероссийском научно исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ, г. Москва), в том числе эта­лоны единиц времени и частоты; 13 – во Всероссийском научно-исследовательском институте оптико-физических измере­ний, в том числе эталон канделлы; соответственно 5 и 6 – в Ураль­ском и Сибирском научно-исследователь­ских институтах метрологии.

В области механики в стране созданы и используются 38 ГЭ, в том числе первичные эталоны метра, килограмма и секунды, точ­ность которых имеет чрезвычайно большое значение, поскольку эти единицы участвуют в образовании производных единиц всех научных направлений.

Единица времени – секунда впервые определялась через пе­риод вращения Земли вокруг оси или Солнца. До недавнего вре­мени секунда равнялась 1/86400 части солнечных средних суток. За средние солнечные сутки принимался интервал времени между двумя последовательными кульминациями «среднего» Солнца. Однако продолжительные наблюдения показали, что вращение Земли подвержено нерегулярным колебаниям, которые не позволяют рассматривать его в качестве достаточно стабильной естественной основы для определения единицы времени. Средние солнечные сут­ки определяются с погрешностью до 10^–7 с. Эта точность совершен­но недостаточна при нынешнем состоянии техники.

Проведенные исследования позволили создать новый эталон секунды, основанный на способности атомов излучать и погло­щать энергию во время перехода между двумя энергетическими состояниями в области радиочастот. С появлением высокоточных кварцевых генераторов и развитием дальней радиосвязи появи­лась возможность реализации нового эталона секунды и единой шкалы мирового времени. В 1967 г. XIII Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение секунды как интерва-
ла времени, в течение которого совершается 9 192 631 770
коле­баний, соответствующих резонансной частоте энергетического пе­рехода между уровнями сверхтонкой структуры основного состо­яния атома цезия-133 при отсутствии возмущения внешними полями. Данное определение реализуется с помощью цезиевых реперов частоты. Репер, или квантовый стандарт частоты, представляет собой устройство для точного воспроизведения частоты электромаг­нитных колебаний в сверхвысокочастотных и оптических спектрах, основанное на измерении частоты квантовых переходов атомов, ионов или молекул. В пассивных квантовых стандартах используются час­тоты спектральных линий поглощения, в активных – вынужден­ное испускание фотонов частицами. Применяются активные кван­товые стандарты частоты на пучке молекул аммиака (так называе­мые молекулярные генераторы) и атомов водорода (водородные генераторы). Пассивные частоты выполняются на пучке атомов це­зия (цезиевые реперы частоты).

Государственная поверочная схема для средств измерения вре­мени и частоты определяется по правилам межгосударственной стандартизации ГОСТ 8.129-99. Государственный первичный эталон единицы времени состоит из комплекса следующих средств изме­рений:

¨ метрологических цезиевых реперов частоты, предназначен­ных для воспроизведения размеров единицы времени и частоты в международной системе единиц;

¨ водородных стандартов частоты, предназначенных для хра­нения размеров единиц времени и частоты и одновременно выполняющих функцию хранителей шкал времени. Использование водородных реперов позволяет повысить стабильность эталонов. В настоящее время за период времени от 100 с до нескольких суток она не превышает (1–5)–10^–14 [1];

¨ группы квантовых часов, предназначенных для хранения шкал времени. Квантовые часы – это устройство для измерения време­ни, содержащее генератор, частота которого стабилизирована кварцевым резонатором, и управляемое квантовыми стандартами частоты;

¨ аппаратуры для передачи размера единицы частоты в опти­ческий диапазон, состоящей из группы синхронизированных ла­зеров и сверхвысокочастотных генераторов;

¨ аппаратуры внутренних и внешних сличений, включающей перевозимые квантовые часы и перевозимые лазеры;

¨ аппаратуры средств обеспечения.

Диапазон значений интервалов времени, воспроизводимых эталоном, составляет 1·10^–10–1·10⁸ с, диапазон значений частоты 1–1·10¹⁴ Гц. Воспроизведение единиц времени обеспечивается со сред­ним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 1·10^–14 за три месяца, неисключенная систематическая погрешность не превышает 5–10^–14. Нестабильность частоты эталона за интервал времени от 1000 с до 10 суток не превышает 5·10^–15.

Метр был в числе первых единиц, для которых были введены эталоны. Первоначально в период введения метрической системы мер за первый эталон метра была принята одна десятимиллион­ная часть четверти длины парижского меридиана. В 1799 г. на ос­нове ее измерения изготовили эталон метра в виде платиновой концевой меры (метр Парижского архива), представлявший собой линейку шириной около 25мм, толщиной около 4 мм с расстоянием меж­ду концами 1 м.

До середины XX в. проводились неоднократные уточнения при­нятого эталона. Так, в 1889 г. был принят эталон в виде штриховой меры из сплава платины и иридия. Он представлял собой платиноиридиевый брусок длиной 102 см, имеющий в поперечном се­чении форму буквы X, как бы вписанную в воображаемый квад­рат, сторона которого равна 20 мм.

Требования к повышению точности эталона длины (платиноиридиевый прототип метра не может дать точности воспроизведе­ния выше 0,1–0,2 мкм), а также целесообразность установления естественного и неразрушимого эталона привели к принятию (1960) в качестве эталона метра длины, равной 1 650763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2ρ₁₀ и 5d₅ атома криптона-86 (криптоновый метр). Этот эталон мог воспроизводиться в отдельных метрологических лабораториях, точность его по сравнению с платиноиридиевым прототи­пом была на порядок выше.

Дальнейшие исследования позволили создать более точный эталон метра, основанный на длине волны в вакууме монохрома­тического излучения, генерируемого стабилизированным лазером. За эталон метра в 1983 г. было принято расстояние, проходимое светом в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды. Данное определе­ние метра было законодательно закреплено в декабре 1985 г. после утверждения единых эталонов времени, частоты и длины.

Другой важной основной единицей в механике является кило­грамм. При становлении метрической системы мер в качестве еди­ницы массы приняли массу одного кубического дециметра чистой воды при температуре ее наибольшей плотности (4 °С). Изго­товленный при этом первый прототип килограмма представляет собой платиноиридиевую цилиндрическую гирю высотой 39 мм, равной его диаметру. Данное определение эталона килограмма действует до сих пор.

Государственный первичный эталон и государственная по­верочная схема для средств измерения массы определяются ГОСТ 8.021–2005.

В области термодинамических величин действуют:

¨ два первичных и один специальный эталоны, воспроизводя­щие единицу температуры – кельвин в различных диапазонах;

¨ одиннадцать государственных эталонов теплофизики – количества теп­лоты, удельной теплоемкости, теплопроводности и др.

Погрешность воспроизведения точки кипения воды составляет 0,002±0,01 °С, точки таяния льда – 0,0002±0,001 °С. Тройная точка воды, являющаяся точкой равновесия воды в твердой, жидкой и газообразной фазах, может быть воспроизведена в специальных со­судах с погрешностью не более 0,0002 °С. В 1954 г. было принято решение о переходе к определению термодинамической темпе­ратуры Т по одной реперной точке – тройной точке воды, рав­ной 273,16 К. Таким образом, единицей термодинамической тем­пературы служит кельвин, определяемый как 1/273,16 части трой­ной точки воды. Температура в градусах Цельсия определяется как t = Т – Т ₀ (Т ₀ = 273,16 К). Единицей в этом случае является градус Цельсия, который равен кельвину.

В сентябре 1989 г. на 17-й сессии Консультативного комитета по термометрии была принята международная практическая тем­пературная шкала МТШ-90.

Государственная поверочная схема для средств измерения тем­пературы устанавливается ГОСТ 8.558–2009.

В области измерений электрических и магнитных величин (вклю­чая радиотехнические) созданы и функционируют 32 эталона. Они перекрывают не только большой диапазон значений измеряемых величин, но и широкий спектр условий их измерений, прежде все­го частоты, доходящей до десятков гигагерц. Основу составляют эталоны, которые наиболее точно воспроизводят единицы и опре­деляют размеры остальных производных единиц. Это государствен­ные первичные эталоны единиц ЭДС, сопротивления и электри­ческой емкости. Первые два разработаны недавно и основаны на квантовых эффектах Джозефсона и Холла.

До последнего времени единицу силы электрического тока – ампер на практике приходилось определять по тем действиям, которые ток оказывал на окружающую среду, например выделение теплоты при прохождении тока через проводник, осаждениевещества на электродах при прохождении тока через электролит, механические действия тока на магнит или проводник с током.

Государственный первичный эталон ампера состоит из аппа­ратуры, выполненной на основе квантовых эффектов Джозефсо­на и квантования магнитного потока (эффект Холла), включая меру напряжения, меру электрического сопротивления, сверхпроводящий компаратор тока и регулируемые источникитока (ГОСТ 8.027–2001, ГОСТ 8.022–91).

В 1979 г. на XVI Генеральной конференции мер и весов было принято новое определение, по которому канделла воспроизво­дится путем косвенных измерений. В России единство измерений световых величин обеспечивается ГОСТ 8.023–90.

Современный государственный эталон канделлы имеет диа­пазон номинальных значений 30–110 кд, среднее квадратическое отклонение результата измерений – 10^–3 кд; неисключенная си­стематическая погрешность составляет 2,5–10 ³ кд.

Эталонная база в области измерений параметров ионизирую­щих излучений насчитывает 14 ГЭ и обеспечивает воспроизведе­ние их величин, таких как активность радионуклидов и масса радия, экспозиционная, поглощенная и эквивалентная дозы, поток энер­гии и др. Погрешность воспроизведения единиц в этой области составляет доли – единицы процента.

Эталонная база физико-химических измерений состоит из трех государственных эталонов, воспроизводящих единицы молярной доли компонентов в газовых средах, объемного влагосодержания нефти и нефтепродуктов, относительной влажности газов. Система эталонов в этой области наименее развита. Точность измерений так­же не очень велика и составляет доли процентов.

Государственный первичный эталон и государственная по­верочная схема для измерения плоского угла устанавливаются ГОСТ 8.016–81. Первичный эталон обеспечивает воспроизведе­ние градуса с неисключенной погрешностью не более 0,02.

Дата добавления: 2014-11-25