X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

С точки зрения метрологии и стандартизации очень важной задачей является обеспечение единства измерений. Для того, чтобы выполнить эту задачу, необходимо обеспечить тождественность единиц градуировки всех средств измерений одной и той же физической величины.

Во всём мире пользуются эталонами для хранения и воспроизведения единиц величины как самыми надежными средствами поддержания единства измерений.

Эталон – это средство измерения (или комплекс таких средств), назначением которого является воспроизведение и хранение единицы физической величины и передачи параметров этой единицы (размера) нижестоящим по схеме поверки средствам.

Эталон единицы величины – техническое средство, предназначенное для воспроизведения, хранения и передачи единицы величины [1, ст.2].

Эталоны утверждаются в таком качестве в установленном порядке и представляют из себя высшее звено передачи размеров единиц в метрологической цепочке.

Существует Международное бюро мер и весов (МБМВ), в котором хранятся международные эталоны единиц различных физических величин.

Государственный эталон - эталон единицы величины, находящийся в федеральной собственности [1, ст.2]. Такие эталоны подразделяются на:

- первичные, обеспечивающие воспроизведение, хранение и передачу единицы величины с наивысшей точностью, достигнутой в данной области измерений, утверждаемые в этом качестве в установленном порядке и применяемые в качестве исходного на территории страны [1];

- вторичные, обеспечивающие воспроизведение единицы в особых условиях и заменяющие для этих условий первичные эталоны.

Широкое распространение эталонных средств более низкого уровня и рабочих средств измерений, градуированных в определённых единицах, а также целесообразность воспроизведения единицы величины в конкретной метрологической службе с определённой точностью определяют необходимость создания государственных эталонов.

Так же эталоны делят по типу единиц измерения. Ниже приведены самые распространённые из них [5]:

- Эталоны длины;

- Эталоны массы;

- Эталоны времени;

- Эталоны электрического тока;

- Эталоны температуры;

- Эталоны силы света;

- Эталоны дополнительной единицы плоского угла.

В нашей стране (как и в большинстве развитых стран) в настоящее время создана эталонная база, считающаяся достаточно полной, представляющая из себя главное, центральное звено всей системы метрологического обеспечения страны. Считается, что о достигнутом уровне развития техники, промышленности, да и вообще всей науки в стране и о её потенциале можно судить по точности эталонов, считающихся национальными. В России существует около 120 первичных государственных и около 500 вторичных эталонов, которые обеспечивают хранение и воспроизведение около 70 величин во всех наиболее распространённых областях и видах измерений: механических и геометрических, теплофизических и температурных, магнитных и электрических, оптических, радиотехнических, и даже измерений параметров ионизирующих излучений и в области физикохимии.

Основные единицы, обеспеченные эталонами в России: длина (метр), масса (килограмм), время (секунда), сила электрического тока (ампер), термодинамическая температура (кельвин), сила света (кандела), дополнительная единица плоского угла (радиан). Любые производные единиц СИ, а также некоторые внесистемные единицы, допущенные к применению, возможно воспроизвести благодаря этим эталонам.

Созданные государственные эталоны в России по своим характеристикам точности ни в чём не уступают эталонам передовых зарубежных стран, а зачастую и превосходят их.

Эталон единицы длины. В системе СИ основной единицей измерения длины является метр. Изначально метр определялся как одна десятимиллионная часть четверти парижского меридиана. В ходе тщательных исследований пришли к выводу, что это определение очень трудно воспроизводимо с необходимой точностью. Поэтому его заменили на расстояние между осями двух средних штрихов, которые нанесены на платиново-иридиевом бруске, хранящимся в МБМВ. Однако погрешность и этого определения в условиях развития современной науки не устраивала мировое сообщество.

Именно поэтому в ХХ веке появилась идея использовать длину световой волны, а, именно, длину волны оранжевой линии спектра излучения криптона – 86 в вакууме, умноженную на 1650763,73, в качестве эталона метра. Это изменение не изменило размер метра, но существенно понизило погрешность измерения.

В СССР был создан такой эталон в 1968 году и принят за государственный. Однако велись работы по дальнейшему увеличению точности эталонов, и пришли к тому, что необходимо связать размер метра со временем прохождения волны в вакууме, при этом используя лазер, длина волны которого отличается удивительной стабильностью. Это изменение было внесено в определение эталона в 1983 году.

Метрологи, которые в определении эталона перешли из радиодиапазона в оптический, приблизились к созданию единого эталона длины, частоты и времени, который мог бы одновременно измерить и время, и пространство, и, что более важно, ещё на два порядка повысить точность воспроизведения.

Именно таким эталоном, который был создан в СССР в 1985 году и пользуются до сих пор. Погрешность при воспроизведении таким эталоном составляет порядок 10^-11, что в современных условиях необходимо для многих областей техники, например, конструирование и расчёт космических кораблей.

В настоящее время в России 5 эталонов длины – метра. Это обуславливается тем, что кроме первичного эталона необходимы и специальные, учитывающие различные условия измерения.

Эталон единицы времени и частоты. В системе СИ основной единицей измерения времени является секунда. Изначально секунда считалась равной 1/86400 части средних солнечных суток, что было связано с вращением Земли вокруг своей оси. Однако учёные в ходе исследований установили, что скорость вращения Земли неравномерна, так как она очень медленно постепенно уменьшается. Вследствие этого появляется погрешность в определении секунды, недопустимая при современном уровне развития техники и науки в целом.

Поэтому в 1965 году повысили точность единицы времени в 100 раз, благодаря тому, что физический смысл секунды привязали к более постоянному значению – разности между двумя весенними равноденствиями, то есть к тропическому году.

Однако, пришли к выводу о том, что привязка определения эталона к астрономии не сможет обеспечить необходимую его точность, поэтому перешли в 1967 году к абсолютно новой концепции. Времяисчисление предложили вести на основе атомных принципов, и определение эталона привязали к количеству колебаний при резонансной частоте перехода между энергетическими уровнями основного состояния атома цезия -133. Погрешность при таком определении составляла всего 10^-13.

В 1983 году в СССР установили новый эталон определения времени и частоты на основе двух квантовых мер: реперов и хранителей. Реперы включаются только время от времени и генерируют базовую частоту (опорную), задавая при этом эталонный размер секунды. Отталкиваясь от значений частоты репера (установив эталонный размер секунды), хранители (часы) ведут непрерывный отсчёт времени. Квантовые меры двух видов – водородный и цезиевый, где первый выполняет роль хранителя, а второй – репера. Водородный хранитель обладает большей стабильностью по сравнению с цезиевым репером, что снизило погрешность хранения размера эталона времени и частоты ещё на порядок.

Так и формируют шкалу времени, считающуюся эталонной, работая совместно, приборы трех типов: цезиевый репер задает базовый размер секунды, водородный его сохраняет, а водородные часы-хранители, отсчитывают время.

Этот эталон принят государственным в России в 1998, при том, что его прототип появился в 1967 году, и является единственным.

Эталон единицы массы. В системе СИ за единицу массы, как физической величины, принят килограмм. Его определяли изначально как массу кубического дециметра воды при температуре в 4 градуса по Цельсию, т.е. при наибольшей плотности воды.

В настоящее время эталон килограмма представлен как масса международного прототипа – платиноиридиевого цилиндра диаметром 39 мм, высотой 39 мм, который довольно стабильно сохраняет свою массу, при этом погрешность эталона при таком определении составляет порядок 10^-9.

Государственный эталон единицы массы в СССР принят в 1984 году и используется по настоящее время.

Эталон единицы силы тока. В системе СИ единицей силы тока является ампер. Он определён как сила постоянного электрического тока, который, при прохождении по 2-ум прямолинейным параллельным проводникам бесконечной длины и бесконечно малого сечения, расположенным в вакууме на расстоянии одного метра один от другого, вызвал бы между этими проводниками на каждый метр длины силу в 2∙10^-7 Н. Данное определение недостижимо в практике, однако, на основе закона Ампера можно достаточно точно рассчитать силу взаимодействия токов, при условии их протекания по проводникам конечных размеров.

Государственный первичный эталон ампера, утверждённый в СССР в 1988 году - целый комплекс средств измерений, применяемых для воспроизведения, хранения и передачи единицы силы тока. Погрешность его воспроизведения – порядка 10^-5.

Для ампера в России создано три государственных эталона, обеспечивающих единство измерений не только постоянных, но и переменных токов вплоть до СВЧ.

Эталон единицы температуры. В системе СИ принята единица термодинамической температуры – Кельвин. Кельвин определен как часть термодинамической температуры тройной точки воды.

Эталон единицы температуры в СССР создан в 1987-1992 годах. В 1998 году в состав эталона введена дополнительная аппаратура для реализации реперных точек. Эталон реализует международную температурную шкалу (МТШ), основанную на реперных точках (ряде значений температур) и интерполяционных приборах, которые градуируются в этих точках.

Реперные точки практически представляют из себя фазовые переходы чистых веществ, значения температур которых установлены. Интерполяционный прибор - платиновый термометр сопротивления (работает в диапазоне до 961,78 °С. В диапазоне 961,78 – 2500 °С шкала температур определяется решением уравнения Планка для спектральной плотности излучения черного тела в вакууме. Воспроизведение кельвина осуществляется с погрешностью 0,00005 К.

В России для кельвина создано семь эталонов, охватывающих диапазон температур сверхнизких (гелиевых) до сверхвысоких (температура плазмы).

Эталон единицы силы света. В системе СИ единицей силы света принята кандела. Кандела определяется, как сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540∙10¹² Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

В СССР этот эталон создан в 1983 году, а принят государственным после модернизации в 1990 году. Погрешность воспроизведения эталона порядка 10^-2.

Эталон единицы плоского угла. Единицей плоского угла является радиан (в системе СИ). Радиан определяется, как угол между двумя радиусами окружности, между которыми длина дуги равна радиусу.

Государственный первичный эталон радиана создан в СССР в 1960-1980 годах, а утверждён в 1980 году. Он состоит из кварцевой призмы, содержащей 12 граней, угломерной автоколлимационной установки и интерференционного экзаменатора. Погрешность воспроизведения единицы плоского угла составляет 0,02 секунды.

В заключение хочется сказать, что эталон является очень трудоёмким и дорогим в изготовлении средством измерительной техники. На его разработку, создание и модернизацию зачастую уходит не одно десятилетие. Однако, для любого развитого современного государства наличие необходимого количества эталонов, обеспечивающих необходимую точность воспроизведения единиц физических величин просто необходимо.

Во-первых, создание необходимой точности важно для научно-технического прогресса, ведь совершенствование систем, механизмов, конструкций обязательно ведёт за собой уточнение расчётов и проектирования, точность сборки и т.д.

Во-вторых, сам по себе эталон является показателем уровня развития страны в научно-техническом отношении, поэтому его наличие улучшает репутацию страны в целом, повышает её уровень в общемировом рейтинге.

Отрадно осознавать, что в нашей стране, начиная с 60-ых годов прошлого столетия, ведётся активная работа по созданию и усовершенствованию государственных эталонов, и, нужно сказать, определённых успехов в этом в России, как преемнице СССР достигли.

Список литературы

Федеральный закон «Об обеспечении единства измерений» N 102-ФЗ, от 26.06.2008 (ред. от 13.07.2015)

Сергеев А.Г., Крохин В.В. Метрология. Учебное пособие. – М., «Логос», 2005

Кузнецов В.А., Ялунина Г.В. Основы метрологии. М. Изд. стандартов, 1995.

ГОСТ 8.401-80 «ГСИ. Классы точности средств измерений. Общие требования».

РМГ 29-2013 ГСИ. Метрология. Основные термины и определения.

ПР 50.2.006-94 «ГСИ. Порядок проведения поверки средств измерений».

Код для цитирования: Скопировать