Эталоны основных единиц СИ

Практическая работа №13

Изучение эталонов, их виды и требования, предъявляемые к эталонам.

Основные понятия об эталонах.

Эталон единицы физической величины – средство измерений (или комплекс средств измерений), предназначенное для воспроизве­дения и хранения единицы данной величины. Назначение эталона единицы физической величины – передача ее размера стоящим ниже по поверочной схеме средствам измерений в общегосудар­ственном или международном масштабе.

Первичный эталон единицы физической величины воспроиз­водит единицу физической величины с наивысшей точностью. При конкретном применении термина «эталон единицы физической величины» слова «единицы физической величины» заменяют ее наименованием: эталон килограмма, эталон ампера и т. п.

Рабочие эталоны применяются для передачи размера единицы физической величины от первичного или вторичного эталона ра­бочим средствам измерений, используемым в хозяйственной дея­тельности, т. е. для выполнения поверочных работ. Применять их для проведения измерений вместо рабочих средств измерений не­допустимо.

Классификация эталонов.

Для обеспечения единства измерений необходима тождествен­ность единиц, в которых проградуированы все средства измере­ний одной и той же физической величины. Это достигается путем точного воспроизведения и хранения единиц физических вели­чин и передачи их размеров стоящим ниже в поверочной схеме средствам измерений с помощью эталонов.

Классификация и назначение эталонов, а также общие требова­ния к их хранению и применению определены в ГОСТ 8.057 – 80 «ГСИ. Эталоны физических величин. Основные положения».

Перечень эталонов не повторяет перечня физических величин. Некоторые величины воспроизводятся с наивысшей точностью путем косвенных измерений, т.е. путем использования эталонов единиц других величин, связанных с первой определенной зави­симостью.

По своему назначению и предъявляемым требованиям разли­чают следующие виды эталонов.

Первичный эталон – обеспечивает воспроизведение и хране­ние единицы физической величины с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же величины) точностью. Первичные эталоны – это уникальные измерительные комплек­сы, созданные с учетом новейших достижений науки и техники и обеспечивающие единство измерений в стране.

Специальный эталон – обеспечивает воспроизведение едини­цы физической величины в особых условиях, в которых прямая передача размера единицы от первичного эталона с требуемой точностью не осуществима, и служит для этих условий первич­ным эталоном.

Первичный или специальный эталон, официально утвержден­ный в качестве исходного для страны, называется государственным. Государственные эталоны утверждаются Госстандартом России, и на каждый из них утверждается государственный стандарт. Госу­дарственные эталоны создаются, хранятся и применяются цент­ральными научными метрологическими институтами страны. Точ­ность воспроизведения единицы физической величины должна соответствовать уровню лучших мировых достижений и удовле­творять потребностям науки и техники. Государственные эталоны нашей страны периодически сличают с государственными этало­нами других стран.

Вторичный эталон – хранит размер единицы физической вели­чины, полученной путем сличения с первичным эталоном соот­ветствующей физической величины. Вторичные эталоны относятся к подчиненным средствам хранения единиц и передачи их разме­ров при проведении поверочных работ и обеспечивают сохранность и наименьший износ государственных первичных эталонов.

По своему метрологическому назначению вторичные эталоны подразделяются на эталоны-копии, эталоны сравнения, этало­ны-свидетели и рабочие эталоны.

Эталон-копия – предназначен для передачи размера еди­ницы физической величины рабочим эталонам при большом объе­ме поверочных работ. Он является копией государственного пер­вичного эталона только по метрологическому назначению, но не всегда является физической копией.

Эталон сравнения – применяется для сличения этало­нов, которые по тем или иным причинам не могут непосредственно сличаться друг с другом.

Эталон-свидетель – предназначен для проверки со­хранности и неизменности государственного эталона и замены его в случае порчи или утраты. Поскольку большинство государ­ственных эталонов создано на основе использования наиболее устойчивых физических явлений и являются поэтому неразрушаемыми, в настоящее время только эталон килограмма имеет эталон-свидетель.

Рабочий эталон – применяется для передачи размера еди­ницы физической величины рабочим средствам измерений. Это самый распространенный вид эталонов, которые используются для проведения поверочных работ территориальными и ведом­ственными метрологическими службами. Рабочие эталоны подраз­деляются на разряды, определяющие порядок их соподчинения в соответствии с поверочной схемой.

До недавнего времени термин «рабочие эталоны» имел более узкое значение (эталоны для поверки образцовых средств измере­ний). В настоящее время (после исключения термина «образцовые средства измерений») термин «рабочие эталоны» приобрел более широкое значение.

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

Эталоны основных единиц СИ

Эталон единицы времени. Единицу времени – секунду – дол­гое время определяли как 1/86 400 часть средних солнечных суток. Позднее обнаружили, что вращение Земли вокруг своей оси про­исходит неравномерно. Тогда в основу определения единицы вре­мени положили период вращения Земли вокруг Солнца – тропи­ческий год, т.е. интервал времени между двумя весенними равно­денствиями, следующими одно за другим. Размер секунды был определен как 1/31 556 925,9747 часть тропического года. Это по­зволило почти в 1000 раз повысить точность определения едини­цы времени. Однако в 1967 г. 13-я Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение секунды как интерва­ла 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.

В 1972 г. осуществлен переход на систему всемирного коор­динированного времени. Начиная с 1997 г., государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерения времени и частоты определяются правилами межгосударственной стандартизации ПМГ 18 – 96 «Межгосудар­ственная поверочная схема для средств измерений времени и частоты».

Эталон единицы длины. В 1889 г. метр был принят равным рас­стоянию между двумя штрихами, нанесенными на металлическом стержне Х-образного поперечного сечения. Хотя международный и национальные эталоны метра были изготовлены из сплава пла­тины и иридия, отличающегося значительной твердостью и боль­шим сопротивлением окислению, однако не было полной уверен­ности в том, что длина эталона с течением времени не изменится. Кроме того, погрешность сличения между собой платино-иридиевых штриховых метров составляет +1,1-10~⁷ м (+0,11 мкм), а так как штрихи имеют значительную ширину, существенно повысить точность этого сличения нельзя.

Успехи физики и техники, требовавшие еще более высокой точности определения линейных размеров, привели к принятию естественного эталона длины.

В 1895 г. 2-я Генеральная конференция по мерам и весам при­знала, что естественным «свидетелем» размера метра является дли­на световой волны монохроматического света.

После изучения спектральных линий ряда элементов было най­дено, что наибольшую точность воспроизведения единицы длины обеспечивает оранжевая линия изотопа криптона-86. В I960 г. 11-я Генеральная конференция по мерам и весам приняла выраже­ние размера метра в длинах этих волн как наиболее точное его значение.

Криптоновый метр позволил на порядок повысить точность воспроизведения единицы длины. Однако дальнейшие исследова­ния позволили получить более точный эталон метра, основанный на длине волны в вакууме монохроматического излучения, гене­рируемого стабилизированным лазером. Разработка новых эталон­ных комплексов по воспроизведению метра привела к определе­нию метра как расстояния, которое проходит свет в вакууме за 1/299792 458 долю секунды. Данное определение метра закрепле­но законодательно в 1985 г.

Новый эталонный комплекс по воспроизведению метра кроме повышения точности измерения в необходимых случаях позволя­ет также следить за постоянством платино-иридиевого эталона, ставшего теперь вторичным эталоном, используемым для переда­чи размера единицы рабочим эталонам.

Эталон единицы массы. При установлении метрической систе­мы мер в качестве единицы массы приняли массу одного куби­ческого дециметра чистой воды при температуре ее наибольшей плотности (4°С).

В этот период были проведены точные определения массы из­вестного объема воды путем последовательного взвешивания в воздухе и воде пустого бронзового цилиндра, размеры которого были тщательно определены.

Изготовленный на основе этих взвешиваний первый прототип килограмма представлял собой платиновую цилиндрическую гирю высотой 39 мм, равной ее диаметру. Как и прототип метра, он был передан на хранение в Национальный Архив Франции.

В XIX в. повторно осуществили несколько тщательных измерений массы одного кубического дециметра чистой воды при температуре 4 °С. При этом было установлено, что эта масса немного (приблизи­тельно на 0,028 г) меньше прототипа килограмма Архива. Для того чтобы при дальнейших, более точных, взвешиваниях не менять зна­чения исходной единицы массы, Международной комиссией по прототипам метрической системы в 1872 г. было решено за единицу массы принять массу прототипа килограмма Архива.

Номинальное значение массы, воспроизводимое эталоном, составляет 1кг. Государственный первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы массы со средним квадратическим от­клонением результата измерений при сличении с международ­ным прототипом килограмма, не превышающим 2 • 10^-3 мг.

Эталоны единицы температуры. Измерение температуры с мо­мента изобретения термометра Галилеем в 1598 г. основывалось на применении того или иного термометрического вещества, изме­няющего свой объем или давление при изменении температуры.

В 1715 г. Фаренгейт создал ртутный термометр и предложил для построения термометрической шкалы две точки: температуру смеси льда с солью и нашатырем, которую он обозначил 0, и темпера­туру тела человека, которую он обозначил числом 96.

В 1736 г. Реомюр предложил для термометрической шкалы дру­гие две постоянные точки, более удобные для воспроизведения: точку таяния льда 0 и точку кипения воды 80.

В 1742 г. Цельсий предложил термометрическую шкалу, в кото­рой расстояние по шкале между точкой таяния льда и точкой кипе­ния воды делилось на 100 частей. Показания термометров такого типа зависели от рода применяемого термометрического веще­ства, особенностей и условий его теплового расширения.

В 1848 г. Кельвин и независимо от него Д. И. Менделеев предло­жили построить термодинамическую шкалу температур по одной реперной точке, приняв за нее тройную точку воды (точка равно­весия воды, находящейся в специальном герметичном сосуде, в твердой, жидкой и газообразной фазах), которую можно воспро­извести с наименьшей погрешностью (0,0001 К).

Нижней границей температурного интервала в этом случае служит точка абсолютного нуля. Данное предложение полностью было реализовано только в 1954 г., когда после тщательного ана­лиза результатов, полученных в разных лабораториях, признали значение тройной точки воды, равное 273,16 К, а точки таяния льда – 273,15 К. Таким образом, термодинамическая температура является основной и обозначается символом Т. Ее единицей слу­жит кельвин (К), определенный как 1/273,16 часть термодинами­ческой температуры тройной точки воды.

В качестве эталонных приборов при воспроизведении шкалы используют платиновый термометр сопротивления (-259,34... +630,74°С) и термопару платинородий-платина (630,74...

°С).

В 1989 г. вместо МПТШ-68 была принята новая международная практическая температурная шкала МПТШ-90, позволившая по­высить точность воспроизведения кельвина в некоторых интерва­лах шкалы за счет введения дополнительных реперных точек плав­ления (точка галлия) и затвердевания (точки индия, алюминия, меди).

Во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева созданы два государственных первичных и один специальный эталоны, обеспечивающие един­ство измерений температуры в диапазоне измерений 273,15... 6300 К. Государственная поверочная схема для средств измерения темпе­ратуры установлена ГОСТ 8.558 – 93.

Эталон единицы силы электрического тока. Ввиду отсутствия возможности на практике определить размер ампера через количе­ство электричества используются другие физические величины, с которыми электрический ток связан определенными зависимостя­ми. Долгое время за один ампер принимали неизменяющийся ток, который, проходя через водный раствор азотно-кислого серебра, при соблюдении приложенной спецификации выделяет 0,001118 г серебра в одну секунду.

С 1948 г. в качестве эталона ампера были приняты токовые весы, с помощью которых определяли силу взаимодействия между двумя проводниками (в соответствии с определением единицы ампера). Переход к этому эталону был связан с тем, что силу, с которой один проводник действует на другой, можно измерить более точно, чем количество выделенного вещества на электро­дах.

В настоящее время в связи с введением в метрологическую прак­тику эталонов ома и вольта назначение токовых весов как сред­ства, необходимого для воспроизведения ампера, утратило смысл, поскольку воспроизведение ампера через единицы сопротивле­ния и напряжения повысило точность на два порядка.

Новый государственный первичный эталон ампера состоит из двух комплексов. В первом из них размер ампера воспроизводится через ом и вольт, а во втором – через фарад, вольт и секунду с использованием методов электрометрии.

Эталон и поверочная схема для средств измерения силы тока в диапазоне 30... 110 А регламентированы ГОСТ 8.022 – 91.

Эталон единицы силы света. С начала XX в. в качестве эталонов силы света использовали электрические лампы накаливания, по­зволяющие сохранять световые единицы с погрешностью не бо­лее 0,1 %. К концу 1930-х гг. были созданы новые световые этало­ны, основанные на полном излучателе (абсолютно черном теле). Начиная с 1980 г. кандела воспроизводится путем косвенных из­мерений. В диапазоне измерений 30... 110 кд среднее квадратиче­ское отклонение результата измерений составляет 1 • 10“³ кд. Госу­дарственный первичный эталон канделы и поверочная схема для средств измерений световых величин непрерывного и импульсно­го излучений регламентированы ГОСТ 8.023 – 90.

Последняя основная единица системы СИ – моль – не имеет эталона, поскольку является расчетной. Однако в области физико-химических измерений зарегистрированы три государственных эталона, воспроизводящих единицы молярной доли компонентов в газовых средах, объемного влагосодержания нефти и нефтепро­дуктов, относительной влажности газов.

Зарегистрирован также государственный первичный эталон дополнительной единицы СИ – плоского угла. Эталон состоит из интерференционного экзаменатора для воспроизведения едини­цы угла, угломерной автоколлимационной установки для переда­чи размера единицы и 12-гранной кварцевой призмы для контро­ля стабильности эталона.

Эталон обеспечивает воспроизведение градуса со среднеквад­ратическим отклонением результата измерений, не превышающим 0,01".

Эталон и поверочная схема для измерения плоского угла рег­ламентированы ГОСТ 8.016 – 81.

Содержание отчёта:

Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы:

1. Основные понятия об эталонах.

2. Классификация эталонов.

3. Рабочий эталон.

4. Эталон единицы времени.

5. Эталон единицы длины.

6. Эталон единицы массы.

7. Эталоны единицы температуры.

8. Эталон единицы силы света.