Эталоны единиц системы СИ
Эталонная база России имеет в своем составе [35] 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, 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, 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 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 [36, 37]. 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 стандарты частоты выполняются на пучке атомов цезия (це-зиевые реперы частоты).
До июля 1997 г. государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерения времени и частоты определялись ГОСТ 8.129-83. С 1997 г. он заменен правилами межгосударственной стандартизации ПМГ 18-96 "Межгосударственная поверочная схема для средств измерений времени и частоты". 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 [37];
• 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 — 1-1×1014Гц. 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 Архива), представлявший собой линейку шириной около 25 мм, толщиной около 4 мм с расстоянием между концами 1 м.
До середины XX века 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 мм, 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 1 650 763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2р10 и 5d5 атома криптона-86 (криптоновый метр). Этот эталон мог воспроизводится 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 долей секунды. Данное определение метра было законодательно закреплено в декабре 1985 г. после утверждения единых эталонов времени, частоты и длины.
Метр может быть реализован одним из следующих способов [38, 37], рекомендованных Международным комитетом мер и весов:
1) через длину пути L, проходимого в вакууме плоской электромагнитной волной за измеренный промежуток времени t. Длина L определяется по формуле L = c0t, где с0 = 299 792 458 м/с — скорость света в вакууме. При этом необходимо вносить поправки, учитывающие реальные условия (дифракцию, гравитацию и неидеальность вакуума). Этот вариант используется в государственном первичном эталоне единиц времени, частоты и длины, воспроизводящем метр в диапазоне от нуля до 1 м со средним квадратическим отклонением не более 5 • 10-9 м;
2) через длину волны l, в вакууме плоской электромагнитной волны с известной частотой v. Эта длина получается из соотношения l = c0/v;
3) через длину волн в вакууме излучений ряда источников, включенных в специальный список. В нем перечислены рекомендованные источники излучения, указаны частоты и длины волн в вакууме, а также перечислены технические требования, которые необходимо выполнить при создании этих источников, приведены погрешности воспроизведения длин волн и частот [39].
Во вторичных эталонах и образцовых средствах измерений метр реализуется третьим способом, а именно путем создания He-Ne и аргоновых лазеров, стабилизированных по резонансам насыщенного поглощения в йоде или метане [36].
Государственная поверочная схема для СИ длины в диапазоне от 1×10-6- 50 м определяется рекомендациями МИ 2060-90.
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 8.021-84. Государственный эталон состоит из комплекса следующих средств измерений:
• национального прототипа килограмма — копии № 12 международного прототипа килограмма, представляющего собой гирю из платиноиридиевого сплава и предназначенного для передачи размера единицы массы гире R1;
• национального прототипа килограмма — копии № 26 международного прототипа килограмма, представляющего собой гирю из платиноиридиевого сплава и предназначенного для проверки неизменности размера единицы массы, воспроизводимой национальным прототипом килограмма — копией № 12, и замены последнего в период его сличений в Международном бюро мер и весов;
• гири R1 и набора гирь, изготовленных из платиноиридиевого сплава и предназначенных для передачи размера единицы массы эталонам-копиям;
• эталонных весов.
Номинальное значение массы, воспроизводимое эталоном, составляет 1 кг. 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.
Эталонные весы, с помощью которых производится сличение эталона массы, с пределами взвешивания от 2×10-3 до 1 кг имеют среднее квадратическое отклонение результата наблюдения на весах от 5×10-4 до 3×10-2 мг.
С развитием работ по созданию новых эталонов единиц физических величин, основанных на атомных постоянных, возник вопрос и о связи единицы массы с атомными константами. Следует отметить, что [38] масса любого стабильного атома (например, атома углерода) может быть принята в качестве естественной единицы массы. Все такие атомы (в отличие от изготовленных человеком эталонных гирь) абсолютно идентичны, а время их существования практически совпадает со временем существования Вселенной. Массы макроскопических объектов порядка килограмма могут быть измерены в атомных единицах массы (а.е.м.), если принять во внимание соотношение 1 кг = (103 моль)×NA×1 а.е.м., где NA — постоянная Авогадро. Для измерения масс порядка килограмма в а.е.м. с погрешностью не более 10-8 необходимо с такой же точностью измерять постоянную Авогадро. Однако достигнутая погрешность составляет не менее 10-6 и пока не может быть уменьшена доступными способами.
В области термодинамических величин действуют:
• два первичных и один специальный эталоны, воспроизводящие единицу температуры — Кельвин в различных диапазонах: сверхнизкие гелиевые температуры, температуры по инфракрасному и ультрафиолетовому излучениям и переменные температуры водной среды;
• 11 государственных эталонов теплофизики — количества теплоты, удельной теплоемкости, теплопроводности и др. [40].
Измерение температуры с момента изобретения Галилеем в 1598 г. термометра основывались на применении того или иного термометрического вещества, изменяющего свой объем или давление при изменении температуры. Показания термометров такого типа зависели от рода применяемого термометрического вещества и от особенностей и условий его теплового расширения. В середине прошлого века Томсон (Кельвин) показал, что можно установить термодинамическую шкалу, не зависящую от рода термометрического вещества. Данная шкала Кельвина построена на цикле Карно и двух реперных точках. При установлении этой шкалы для сохранения преемственности числового выражения ее со стоградусной шкалой Цельсия (1742 г.) промежуток между точками таяния льда и кипения воды был принят равным 100°С.
Кельвин и независимо от него Менделеев высказали предложение о целесообразности построения термодинамической шкалы по одной реперной точке. Такая шкала имеет значительные преимущества и позволяет определять температуру точнее. В такой шкале необходимо придать определенное числовое значение единственной экспериментально определяемой точке. Нижней границей температурного интервала будет служить точка абсолютного нуля.
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 часть тройной точки воды. Температура в градусах Цельсия t определяется как t = Т — 273,15 К. Единицей в этом случае является градус Цельсия, который равен кельвину:
Измерения температуры по термодинамической шкале при ее прямой реализации с помощью газовой термометрии связаны с серь езными трудностями. Поэтому после проведения подготовительных работ в 1968 г. была введена международная практическая температурная шкала (МПТШ—68) [41]. Расхождение между температу рой, измеренной по этой школе, и термодинамической температурой находится в пределах существующей в настоящее время точности измерений. Единицами МПТШ—68 являются кельвин и градус Цельсия. Шкала построена на основании ряда воспроизводимых равновесных состояний, которым приписаны определенные значения температур (основные реперные точки), и на эталонных приборах, проградуированных при этих температурах. Эти равновесные состояния и приписанные им значения международной практической температуры являются исходными для воспроизведения кельвина в различных температурных диапазонах. В интервалах между температурами реперных точек интерполяция осуществляется по формулам, устанавливающим связь между показаниями эталонных приборов и значениями МПТШ-68. Основные реперные точки реализуются как определенные состояния фазовых равновесий некоторых чистых веществ: водорода, неона, кислорода, воды, цинка, серебра и золота. Эталонным прибором, используемым в области температур от 13,81 до 630,74°С, является платиновый термометр сопротивления. Для температур 630,74—1064,43°С эталонным прибором является термопара с электродами из платинородия — платины.
В сентябре 1989 г. на 17-й сессии Консультативного комитета по термометрии была принята международная практическая температурная шкала МТШ-90, которая с 1990 г. заменила МПТШ--68 и предварительную температурную шкалу ПТШ~76. Она определяет кельвин так же, как и МПТШ-68, и сохраняет принцип построения шкалы на основе реперных точек с приписанными им новыми значениями температур, максимально приближенных к термодинамическим. Государственные эталоны единицы температуры соответствуют принципам, заложенным в МПТШ—68 и МТШ-90. Государственная поверочная схема для средств измерения температуры устанавливается ГОСТ 8.558-93.
Введение новой шкалы позволило решить следующие проблемы:
• расширить действие МТШ-90 в области низких температур от 13,8 до 0,65 К;
• существенно приблизить МТШ-90 к термодинамической температурной шкале в сравнении с МПТШ-68. Это достигается тем, что при температурах выше 0°С дополнительно введены новые реперные точки плавления (точка галлия) и затвердевания (точки индия, алюминия и меди);
• новая температурная шкала стала достаточно гладкой, что достигается за счет использования платинового термометра сопротивления в качестве интерполяционного прибора в диапазоне температур от 13,8 до 1235 К.
Во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева созданы государственные первичные эталоны и специальные эталоны, обеспечивающие единство измерений температуры в диапазоне от 273,15 до 6300 К [42, 43]. Погрешность воспроизведения единицы температуры составляет 0,2 мК в тройной точке воды и 1,5 К при температуре 2800 К. Погрешности воспроизведения единиц теплофизических величин находятся на уровне 10-4 – 10-2 [35].
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 из них разработаны недавно и основаны на квантовых эффектах Джозефсона и Холла соответственно.
До последнего времени единицу силы электрического тока — ампер на практике приходилось определять по тем действиям, которые ток оказывал в окружающей среде, например выделение теплоты при прохождении тока через проводник, осаждение вещества на электродах при прохождении тока через электролит, механические действия тока на магнит или проводник с током. Последнее и было положено в основу эталона ампера (1948 г.), реализованного на токовых весах. Последние представляют собой рычажные равноплечие весы, в которых подвешенная слева подвижная катушка уравновешивается грузом, положенным на правую чашку весов. Подвижная катушка входит во вторую неподвижную коаксиально расположенную катушку. При прохождении по этим последовательно соединенным катушкам постоянного электрического тока подвижная катушка опускается, поэтому на правую чашку весов следует положить добавочный груз. По его массе и судят о силе электрического тока, проходящего по катушкам. Погрешность воспроизведения размера единицы электрического тока таким эталоном ампера не превышала 10-3 %.
В связи с введением в метрологическую практику эталона вольта на основе эффекта Джозефсона (ГОСТ 8.027-89 и [44]) и эталона ома на основе эффекта Холла [45] назначение ампер-весов как средства, необходимого для представления единицы напряжения, утратило смысл, поскольку применение эффекта Джозефсона для аппаратурной реализации, а константы Джозефсона — для воспроизведения единицы напряжения позволили повысить точность воспроизведения единицы трка примерно на два порядка [46]. Новый эталон ампера состоит из двух комплексов. В первом из них заложен принцип установления размера ампера через вольт и ом с использованием квантовых эффектов Джозефсона и Холла, а в другом — через фараду, вольт и секунду с использованием методов электрометрии.
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 источники тока;
• использования методов электрометрии, включая входной блок с набором мер постоянной емкости, интегратор, измерительный блок с частотомером, цифровым вольтметром и компаратором.
Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерения силы постоянного электрического тока в диапазоне
1×10-16 - 30 А установлены ГОСТ 8.022—91. Современный государственный эталон ампера имеет следующие диапазоны воспроизводимых значений силы тока: 1×10-3; 1 (посредством квантовых эффектов) и 1×10-16 — 1×10-9 А (при использовании методов электрометрии). Он обеспечивает воспроизведение единицы тока со средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 5×10-8 А при номинальных значениях силы тока 1×10-3; 1 и
10×10-3 - 2×10-4 А. Неисключенная систематическая погрешность не должна превышать 2×10-8 А при номинальных значениях силы постоянного тока
1×10-3; 1 А.
Основу единства измерений оптико-физических единиц создает государственный первичный эталон единицы силы света — канделлы. Кроме него имеется еще 12 ГЭ оптико-физических величин.
Первоначально эталоны единицы силы света представляли собой свечи, изготавливаемые из определенных материалов. Затем на смену им пришли лампы с жидким горючим, которые обладали лучшими метрологическими характеристиками. В 1921 г. был создан международный эталон силы света — группа постоянно возобновляемых электрических ламп накаливания с угольной нитью. Дальнейшее развитие науки и техники позволило создать (1937) эталон силы света в виде полных излучателей (моделей черного тела) с приписанной яркостью 60 кд/м2 при температуре затвердевания расплавленной платины.
При таком определении канделлы оставалась неоднозначной связь между световыми и энергетическими величинами. Поэтому в 1979 г. на XVI Генеральной конференции мер и весов было принято новое определение, по которому она воспроизводится путем косвенных измерений [47] (см. разд. 3.3).
Единство измерений световых величин обеспечивает ГОСТ 8.023-90 ГСИ "Государственная поверочная схема для средств измерений световых величин непрерывного и импульсного излучений".
Современный государственный эталон канделлы имеет диапазон номинальных значений 30 — 110 кд, среднее квадратическое отклонение результата измерений — 1×10-3 кд; неисключенная систематическая погрешность составляет 2,5×10-3 кд.
Эталонная база в области измерений параметров ионизирующих излучений насчитывает 14 ГЭ и обеспечивает воспроизведение таких величин, как активность радионуклидов и масса радия, экспозиционная, поглощенная и эквивалентная дозы, поток энергии излучения 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 состоит из комплекса следующих средств измерений:
• интерференционного экзаменатора для воспроизведения единицы и передачи ее размера в область малых углов;
• угломерной автоколлимационной установки для передачи размера единицы;
• 12-гранной кварцевой призмы для контроля стабильности эталона.
Государственный первичный эталон обеспечивает воспроизведение градуса со среднеквадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 0,01" при 132 совокупных относительных измерениях 12-гранной призмы. Неисключенная систематическая погрешность не превышает 0,02"
Контрольные вопросы
1. Сформулируйте определение единицы физической величины. Приведите примеры единиц физических величин, относящихся к механике, магнетизму и оптике.
2. Что такое размерность физической величины? Запишите размерность следующих физических величин: паскаля, генри, ома, фарады и вольта.
3. Дайте определения системы физических величин и системы единиц физических величин. Приведите примеры основных и производных физических величин и единиц?
4. Сформулируйте основные принципы построения систем единиц физических величин.
5. Назовите производные единицы системы СИ, имеющие специальное название.
6. Какие внесистемные единицы допущены к применению наравне с единицами системы СИ?
7. Назовите приведенные значения физических величин, используя кратные и дольные приставки: 5,3×1013 Ом; 10,4×1013 Гц; 2,56×107 Па; 4,67×104 Ом; 0,067 м; 0,0098 с; 7,65×10-3 с; 6,34×10-6 Ф; 45,6×10-9 с; 12,3×10-13 Ф.
8. В чем заключается единство измерений?
9. Что такое эталон единицы физической величины? Какие типы эталонов вам известны?
10. Что такое поверочная схема и для чего она предназначена? Какие существуют виды поверочных схем?
11. Что такое поверка средств измерений и какими способами она может проводиться?
12. Для чего используются стандартные образцы? Назовите их метрологические характеристики. Приведите пример стандартных образцов.
13. Расскажите о государственных эталонах основных единиц системы СИ. Проанализируйте каждый из них с точки зрения неизменности во времени, воспроизводимости и неуничтожимости.