Современные эталоны для измерения физических величин сообщение

Обновлено: 02.07.2024

Я выбрал для реферата данную тему потому, что при изучении физики особое внимание уделяется точности измерений физических величин при выполнении лабораторных работ и опытных экспериментов. Интересно узнать какие единицы физических величин являются основными и образуют определенную систему, а так же историю их эталонов.

1 Единицы измерений

Физическая величина – одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них. Можно сказать также, что физическая величина — это величина, которая может быть использована в уравнениях физики, причем, под физикой здесь понимается в целом наука и технологии.

Единица измерения физической величины - физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное 1, и применяемая для количественного выражения однородных с ней физических величин.

Единицы измерений физических величин подразделяются на основные и производные (определяются с помощью формул, связывающих их с основными). Совокупность единиц образует определенную систему. Существует несколько систем отличающихся выбором основных единиц. С 1982 года обязательной к применению, как в образовании, так и в науке является система СИ (System International).

В качестве основных единиц в СИ выбрано семь единиц:

Производные – физические величины, входящие в систему величин и определяемые через основные величины этой системы (например сила F = m·a)

2 Краткая история

По мере развития науки и техники появилась нужда в большом количестве других эталонов. Например, эталон частоты, времени, температуры, напряжения и т. д. Прогресс не только вводил новые эталоны, но и повышал точность старых. Метр в настоящее время определён как длина пути, проходимого светом в вакууме за (1 / 299 792 458) секунды.

3 Виды эталонов

Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, в которых проградуированы все средства измерения одной и той же физической величины. Это достигается путем точного воспроизведения и хранения установленных единиц физических величин и передачи их размеров применяемым средствам измерения. Воспроизведение, хранение и передача размеров единиц осуществляется с помощью эталонов и образцовых средств измерения. Высшим звеном в метрологической цепи передачи размеров единиц измерений являются эталоны.

Эталон представляет собой средство измерения (или комплекс средств измерения), обеспечивающее воспроизведение и хранение единицы физической величины (или одну из этих функций) с целью передачи размера единицы образцовым, а от них рабочим средствам измерения и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке, т.е. такая мера, которая служит образом для сравнения с другими.

Первичный эталон — это эталон, воспроизводящий единицу физической величины с наивысшей точностью, возможной в данной области измерений на современном уровне научно-технических достижений. Первичный эталон может быть национальным (государственным) и международным.
Вторичный эталон — эталон, получающий размер единицы непосредственно от первичного эталона данной единицы.
Эталон сравнения — эталон, применяемый для сличений эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличены друг с другом.
Исходный эталон — эталон, обладающий наивысшими метрологическими свойствами (в данной лаборатории, организации, на предприятии), от которого передают размер единицы подчинённым эталонам и имеющимся средствам измерений.
Рабочий эталон — эталон, предназначенный для передачи размера единицы рабочим средствам измерений.
Государственный первичный эталон — первичный эталон, признанный решением уполномоченного на то государственного органа в качестве исходного на территории государства.
Международный эталон — эталон, принятый по международному соглашению в качестве международной основы для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами.

4 Основные эталоны физических величин

В 1875 году было создано Международное бюро мер и весов, которое раз в шесть лет собирает Генеральные конференции, где тщательнейшим образом оговариваются все технические условия, в которых происходят физические измерения, а именно учитываются: давление, температура, место, приборы.

Перечислим эталоны основных физических величин системы СИ в исторической последовательности, приведенной в таблице для основных единиц системы СИ.

4.1 Э талон единиц длины

Комплекс средств, воспроизводящих метр в виде 1 650 763,73 длин волн излучения в вакууме, соответствующего переходу между определенными уровнями атома криптона-86. Эталон обеспечивает воспроизведение метра с относительным средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 5·10 -9 .

Метр (от французского metre, от греческого metron - мера) - основная единица длины в Международной системе единиц (СИ). Обозначения: русское - м, международное - m. Символ - L. 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.

4.2 Э талон единицы массы

Килограмм состоит из национального прототипа килограмма (гири из платиново-иридиевого сплава) и эталонных весов, предназначенных для передачи размера единицы массы вторичным эталонам.

Килограмм (кило - от французского kilo, от греческого chiliоi - тысяча). Дословно килограмм означает тысяча мелких мер весов. Это вторая основная единица в СИ - единица измерения массы вещества - является мерой его инертности и гравитации. Обозначения: кг - русское, kg - международное, символ - М. 1 кг равен массе международного эталона, который хранится в Международном бюро мер и весов.

Современный эталон килограмма в Международном

бюро мер и весов в Севре (Франция)

4.3 Э талон единицы времени

Комплекс средств, воспроизводящих секунду в виде 9 192 631 770 периодов колебаний электромагнитного излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Этот эталон является также эталоном единицы частоты – герца. Он обеспечивает воспроизведение единиц с относительным средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 1·10 -13 , при неисключенной относительной систематической погрешности, не превышающей1·10 -12 .

Секунда (от латинского secunda (divisio) - второе деление) - третья основная единица - единица времени в Международной системе единиц (СИ). Обозначение: по-русски - с, s - международное, символ - Т. Определяется по частотной характеристике спектральной линии атома цезия. Чтобы определить единицы времени необходимо было использовать какой-нибудь циклический процесс. Примером может служить циклическое время Земли вокруг Солнца.

С течением времени ученые убедились, что единицу времени, так же, как единицу длины, лучше всего определять на основе спектроскопического излучения. С появлением лазеров и создания на их основе эталона времени - частоты - длины, нам дается возможность определить секунду с относительной погрешностью не более 10-12. Разрешается использовать кратные и дольные единицы секунды: 1кс= 103с; 1мс=10-3с; 1мкс= 10-6с.

Эталон секунды, основанный на переходах в нейтральных атомах стронция

4.4 Э талон единицы силы постоянного электрического тока

Комплекс средств, в состав которых входят токовые весы. В токовых весах, представляющих собой рычажные равноплечие весы, с одной стороны на коромысло действует сила взаимодействия двух соленоидов, обтекаемых постоянным током, а с другой стороны - гиря известной массы. При равновесии весов, сила тока определяется через массу гири, ускорение свободного падения в месте расположения весов и постоянную электродинамической системы (двух соленоидов), зависящую от формы и размеров соленоидов, диаметра сечения провода соленоидов, значения относительной магнитной проницаемости среды и т. д. Таким образом, ампер воспроизводится через основные единицы - метр, килограмм и секунду. Эталон воспроизводит размер ампера с относительным средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 4·10 -6 , при относительной систематической погрешности, не превышающей 8·10 - 6 .

Ампер (по имени французского физика А.М. Ампера (Ampere)) - сила электрического тока, четвертая основная единица в системе СИ, применяемая для измерения электрических и магнитных физических величин. Обозначения: русское - А, международное - А. Символ - I.

Государственный эталон силы, Всероссийский научно-исследовательский институт

метрологии им. Д.И. Менделеева в Санкт-Петербурге

4. 5 Эталон единицы температуры

Кельвин был определен ХIII Генеральной конференцией по мерам и весам как единица термодинамическом температуры, равная 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды.

Тройная точка воды — это точка равновесия воды в твердой, жидкой и газообразных фазах.

Кельвин - термодинамическая температура является пятой физической величиной, относящейся к основным. Обозначение: русское и международное - К. Символ: .

тройной точки ртути (- 38,8344 °С);
тройной точки воды (0,01 °С);
точки плавления галлия (29,7646 °С);
точек затвердевания: индия (156,5985 °С), олова (231,928 °С), цинка (419,527°С), алюминия (660,323 °С), серебра (961,78 °С)
алюминия (660,323 °С), серебра (961,78 °С)

4.6 Эталон единицы силы света

Кандела – это сила света, испускаемая с площади 1/600000 м2 сечении полного излучателя, в перпендикулярном к этому сечению направление при температуре излучателя, равной температуре затвердевания платины при давлении 101325Па.

Канде́ла (от лат. candela — свеча; русское обозначение: кд; международное: cd) — единица силы света, одна из семи основных единиц Международной системы единиц (СИ). Кандела наиболее точно воспроизводится при помощи эталонного устройства — полного излучателя. Полный излучатель, называемый иногда абсолютно черным телом, представляет собой небольшую трубочку из окиси тория внутренним диаметром около 2,5 мм, погруженную в чистую платину. Платина в свою очередь находится в сосуде, спрессованном из порошка плавленой окиси тория, окруженном порошком из окиси тория. Все это помещено во внешний сосуд из плавленого кварца. Внешний сосуд окружен небольшим числом витков медной охлаждаемой водой трубки. По трубке пропускается ток высокой частоты (около 250 кГц), который нагревает платину до ее расплавления. Вместе с платиной нагревается и трубочка из тория. Свет излучается из полости трубочки через отверстие в верхней ее части. Яркость полного излучателя при температуре затвердевания платины сравнивается с помощью фотометра с яркостью особых ламп накаливания, используемых в качестве вторичных эталонов.

Полный излучатель: 1 - высокочастотный генератор, 2 - полный излучатель, 3 - призма полного внутреннего отражения, 4 - фотометр, 5 - эталонная лампа накаливания.

4.7 Эталон количества вещества

Отдельного эталона моля не существует, по определению — это количество вещества, которое содержит столько молекул (атомов, ионов), сколько атомов в 12 граммах углерода-12, то есть попросту — постоянная Авогадро.
Моль - количество вещества ( от лат. moles — количество, масса, счётное множество). Р усское обозначение: моль ; международное: mol . При применении моля структурные элементы должны быть специфицированы и могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами и другими частицами или специфицированными группами частиц .

Старая формула: определяется количеством элементарных объектов в 0,012 кг углерода-12.

Новая формула: определяется числом Авогадро. Один моль теперь содержит ровно 6,022 140 76 × 10^(23) элементарных сущностей.

Эталон единицы физической величины - средство измерений или комплекс средств измерений, предназначенные для воспроизведения и хранения единицы и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений и утвержденные в качестве эталона в установленном порядке.

Государственные эталоны единиц величин используются в качестве исходных для воспроизведения и хранения единиц величин с целью передачи их размеров всем средствам измерений данных величин на территории Российской Федерации.

Государственные эталоны единиц величин являются исключительной федеральной собственностью, подлежат утверждению Госстандартом России и находятся в его ведении.

Конструкция эталона, его свойства и способ воспроизведения единицы определяются природой данной физической величины и уровнем развития измерительной техники в данной области измерений.

Эталон должен обладать следующими существенными признаками (по М. Ф. Маликову): неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью.

Различают следующие виды эталонов: первичный; специальный; государственный; вторичный; эталон-свидетель; эталон-копия; эталон сравнения; рабочий эталон; международный эталон и др.

Наивысшей в стране точностью воспроизведения единицы физической величины обладает первичный эталон.

Первичный эталон – эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же единицы) точностью.

Вторичный эталон – эталон, получающий размер единицы непосредственно от первичного эталона данной единицы.

Эталон сравнения – эталон, применяемый для сличений эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличены друг с другом.

Исходный эталон – эталон, обладающий наивысшими метрологическими свойствами (в данной лаборатории, организации, на предприятии), от которого передают размер единицы подчиненным эталонам и имеющимся средствам измерений.

Исходным эталоном в стране служит первичный эталон, исходным эталоном для республики, региона, министерства (ведомства) или предприятия может быть вторичный или рабочий эталон. Вторичный или рабочий эталон, являющийся исходным эталоном для министерства (ведомства) нередко называют ведомственным эталоном.

Эталоны, стоящие в поверочной схеме ниже исходного эталона, обычно называют подчиненными эталонами.

Рабочий эталон – эталон, предназначенный для передачи размера единицы рабочим средствам измерений.

Термин рабочий эталон заменил собой термин образцовое средство измерений (ОСИ), что сделано в целях упорядочения терминологии и приближения ее к международной. При необходимости рабочие эталоны подразделяют на разряды (1-й, 2-й, n-й), как это было принято для ОСИ.

В этом случае передачу размера единицы осуществляют через цепочку соподчиненных по разрядам рабочих эталонов. При этом от последнего рабочего эталона в этой цепочке размер единицы передают рабочему средству измерений.

Государственный первичный эталон (государственный эталон) - первичный эталон, признанный решением уполномоченного на то государственного органа в качестве исходного на территории государства.

Пример - Государственные эталоны метра, килограмма, секунды, ампера, кельвина, канделы, ньютона, паскаля, вольта, беккереля.

Национальный эталон – эталон, признанный официальным решением служить в качестве исходного для страны. Данное определение по существу совпадает с определением понятия государственный эталон. Это свидетельствует о том, что термины государственный эталон и национальный эталон отражают одно и то же понятие.

Вследствие этого термин национальный эталон применяют в случаях проведения сличения эталонов, принадлежащих отдельным государствам, с международным эталоном или при проведении так называемых круговых сличений эталонов ряда стран.

Международный эталон – эталон, принятый по международному соглашению в качестве международной основы для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами.

Пример - Международный прототип килограмма, хранимый в международном бюро мер и весов (МБМВ), утвержден 1-й Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ).

Одиночный эталон – эталон, в составе которого имеется одно средство измерений (мера, измерительный прибор, эталонная установка) для воспроизведения и (или) хранения единицы.

Групповой эталон – эталон, в состав которого входит совокупность средств измерений одного типа, номинального значения или диапазона измерений, применяемых совместно для повышения точности воспроизведения единицы или ее хранения.

Групповые эталоны подразделяют на групповые эталоны постоянного или переменного составов.

За результат измерений принимают обычно среднее арифметическое значение результатов измерений однотипными средствами измерений или эталонными установками.

Эталонный набор – эталон, состоящий из совокупности средств измерений, позволяющих воспроизводить и (или) хранить единицу в диапазоне, представляющем объединение диапазонов указанных средств.

Эталонные наборы создаются в тех случаях, когда необходимо охватить определенную область значений физической величины.

Пример - Эталонные разновесы (наборы эталонных гирь) и эталонные наборы ареометров.

Транспортируемый эталон – эталон (иногда специальной конструкции), предназначенный для его транспортирования к местам поверки (калибровки) средств измерений или сличений эталонов данной единицы.

Хранение эталона – совокупность операций, необходимых для поддержания метрологических характеристик эталона в установленных пределах.

При хранении первичного эталона выполняют регулярные его исследования, включая сличения с национальными эталонами других стран с целью повышения точности воспроизведения единицы и совершенствования методов передачи ее размера. Для руководства работ по хранению государственных эталонов устанавливают специальную категорию должностных лиц - ученых хранителей государственных эталонов, назначаемых из числа ведущих в данной области специалистов-метрологов.

Эталонная база страны (эталонная база) – совокупность государственных первичных и вторичных эталонов, являющаяся основой обеспечения единства измерений в стране.

Число эталонов не является постоянным, а изменяется в зависимости от потребностей экономики страны. Обычно прослеживается увеличение их числа во времени, что обусловлено постоянным развитием рабочих средств измерений.

Если эталон воспроизводит единицу с наивысшей в стране точностью, он называется первичным. Первичные эталоны основных единиц воспроизводят единицу в соответствии с ее определением.

Для воспроизведения единиц в особых условиях, когда прямая передача размера единицы от существующих эталонов технически неосуществима с требуемой точностью (высокие и сверхвысокие частоты, энергии, давления, температуры, особые состояния вещества, крайние участки диапазонов измерений и тому подобное), создаются и утверждаются специальные эталоны. Специальный эталон воспроизводит единицу в особых условиях и заменяет в этих условиях первичный эталон.

Первичный, или специальный, эталон, официально утвержденный в качестве исходного для страны, называется государственным. Государственные эталоны утверждаются Ростехрегулированием, и на каждый из них утверждается национальный стандарт. Основное назначение эталонов — служить материально-технической базой воспроизведения и хранения единиц физических величин. Принят принцип систематизации эталонов по воспроизводимым единицам.

В метрологической практике широко распространены вторичные эталоны, значения которых устанавливаются по первичным эталонам. Вторичные эталоны являются частью подчиненных средств хранения единиц и передачи их размера. Они создаются и утверждаются в тех случаях, когда это необходимо для организации поверочных работ и для обеспечения сохранности и наименьшего износа государственного эталона.

Государственные эталоны хранятся в метрологических институтах. Для проведения работ с государственными эталонами назначаются ответственные лица — ученые хранители эталонов. Вторичные эталоны используются в метрологических институтах и в других крупных органах Государственной метрологической службы.

Кроме национальных эталонов единиц физических величин существуют международные эталоны, которые хранятся в Международном бюро мер и весов. Программой деятельности этого бюро предусмотрены систематические сличения национальных эталонов крупнейших метрологических лабораторий разных стран с международными эталонами и между собой.

Методы и средства обеспечения единства измерений

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 установленных единиц физических величин и передачи их размеров применяемых средствам измерений.

Воспроизведение, хранение и передача размеров единиц осуществляются с помощью эталонов.

Эталон представляет собой средство измерений (или комплекс средств измерений), обеспечивающее воспроизведение и хранение единицы физической величины с целью передачи размера единицы образцовым средствам измерений, а от них рабочим средствам измерений.

Эталоны делятся на первичные, вторичные и рабочие .

Первичные эталоны воспроизводят единицы физических величин с наивысшей точностью, достижимой в данной области измерений. Первичные эталоны основных единиц воспроизводят единицу в соответствии с ее определением. Разновидностью первичных эталонов являются специальные эталоны, предназначенные для воспроизведения единиц в установленных особых условиях (сверхвысокие частоты, малые и большие энергии, давления, температуры и т.п.). Первичные и специальные эталоны, официально утвержденные в качестве исходных для страны, называют государственными, на каждый из них утверждают государственный стандарт.

Вторичные эталоны создаются для организации поверочных работ и обеспечения сохранности и наименьшего износа Государственного эталона. Значение вторичных эталонов устанавливается по первичным эталонам. По своему метрологическому назначению вторичные эталоны делятся на: 1) эталоны-копии; 2) эталоны сравнения; 3) эталоны-свидетели; 4) рабочие эталоны.

Эталон-копия представляет собой вторичный эталон, предназначенный для хранения единицы и передачи ее размера рабочим эталонам. Он не всегда может быть физической копией государственного эталона.

Эталон сравнения — вторичный эталон, применяемый для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут непосредственно сличаться друг с другом. Примером эталона сравнения может служить группа нормальных элементов, применяемая для сличения Государственного эталона вольта СССР с эталоном вольта Международного бюро мер и весов.

Эталон-свидетель — вторичный эталон, используемый для проверки сохранности государственного эталона и для замены его в случае порчи или утраты. Эталон-свидетель применяется лишь тогда, когда государственный эталон не воспроизводится.

Рабочие эталоны — эталоны 1-го, 2-го, 3-го и 4-го разрядов, применяемые для хранения единицы и передачи ее размера рабочим средствам измерений.

Рис.2.8. Классификация эталонов по подчиненности.

Кроме национальных эталонов, имеются международные эталоны, принадлежащие группе стран и предназначенные для поддержания единства измерений в международном масштабе путем периодического сличения национальных эталонов с международным и между собой. Международные эталоны хранит и поддерживает Международное бюро мер и весов (МБМВ).

Государственные эталоны основных единиц системы СИ:

1. Эталон единицы массы — килограмма состоит из национального прототипа килограмма (гири из платиново-иридиевого сплава) и эталонных весов, предназначенных для передачи размера единицы массы вторичным эталонам. Среднее квадратическое отклонение относительной погрешности воспроизведения эталоном единицы массы равно 7·10 -9 .

2. Эталон единиц длины — комплекс средств, воспроизводящих метр в виде 1 650 763,73 длин волн излучения в вакууме, соответствующего переходу между определенными уровнями атома криптона-86. Эталон обеспечивает воспроизведение метра с относительным средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 5·10 -9 .

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.

Платино-иридиевый эталон метра с1889 по 1960 годы

3. Эталон единицы времени — комплекс средств, воспроизводящих секунду в виде 9 192 631 770 периодов колебаний электромагнитного излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Этот эталон является также эталоном единицы частоты – герца. Он обеспечивает воспроизведение единиц с относительным средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 1·10 -13 , при неисключенной относительной систематической погрешности, не превышающей1·10 -12 .

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. Для определения единицы времени. Средние солнечные сутки определяются с погрешностью до 10 -7 с.

4. Эталон единицы силы постоянного электрического тока - ампера - это комплекс средств, в состав которых входят токовые весы. В токовых весах, представляющих собой рычажные равноплечие весы, с одной стороны на коромысло действует сила взаимодействия двух соленоидов, обтекаемых постоянным током, а с другой стороны — гиря известной массы. При равновесии весов, сила тока определяется через массу гири, ускорение свободного падения в месте расположения весов и постоянную электродинамической системы (двух соленоидов), зависящую от формы и размеров соленоидов, диаметра сечения провода соленоидов, значения относительной магнитной проницаемости среды и т. д.). Таким образом, ампер воспроизводится через основные единицы — метр, килограмм и секунду. Эталон воспроизводит размер ампера с относительным средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 4·10 -6 , при относительной систематической погрешности, не превышающей 8·10 -6 .

5. Эталон единицы температуры кельвин был определен ХIII Генеральной конференцией по мерам и весам как единица термодинамическом температуры, равная 1/273,16 части термодинами-ческой температуры тройной точки воды.

Тройная точка воды — это точка равновесия воды в твердой, жидкой и газообразных фазах.

VII Генеральная конференция по мерам и весам в 1927 г. приняла, а IX Генеральная конференция в 1948 г. утвердила Международную практическую температурную шкалу, воспроизводимую по определенным постоянным реперным точкам. Реперные точки воспроизводят, реализуя состояние равновесия между фазами чистых веществ. Точность воспроизведения кельвина и градуса Цельсия различна в различных интервалах температур. Наибольшая точность воспроизведения достигается в тройной точке воды 273,16 К ±0,0002 К (или +0.01 ±0,0002 °С). В качестве эталонных приборов применяются платиновый термометр сопротивления в диапазоне температур 13,81 К и 630,74° С; термопара платинородий-платина в диапазоне, между 630,74 и 1064,43°С

В эталоне используются ампулы реперных точек Международной температурной шкалы 1990 года (МТШ-90):

тройной точки ртути (- 38,8344 °С);
тройной точки воды (0,01 °С);
точки плавления галлия (29,7646 °С);
точек затвердевания: индия (156,5985 °С), олова (231,928 °С), цинка (419,527°С), алюминия (660,323 °С), серебра (961,78 °С)

6. Эталон единицы силы света - кандела – это сила света, испускаемая с площади 1/600000 м 2 сечении полного излучателя, в перпендикулярном к этому сечению направление при температуре излучателя, равной температуре затвердевания платины при давлении 101325Па.

Кандела наиболее точно воспроизводится при помощи эталонного устройства — полного излучателя. Полный излучатель, называемый иногда абсолютно черным телом (рис. 2.9), представляет собой небольшую трубочку из окиси тория внутренним диаметром около 2,5 мм, погруженную в чистую платину. Платина в свою очередь находится в сосуде, спрессованном из порошка плавленой окиси тория, окруженном порошком из окиси тория. Все это помещено во внешний сосуд из плавленого кварца.

Внешний сосуд окружен небольшим числом витков медной охлаждаемой водой трубки. По трубке пропускается ток высокой частоты (около 250 кГц), который нагревает платину до ее расплавления. Вместе с платиной нагревается и трубочка из тория. Свет излучается из полости трубочки через отверстие в верхней ее части. Яркость полного излучателя при температуре затвердевания платины сравнивается с помощью фотометра с яркостью особых ламп накаливания, используемых в качестве вторичных эталонов.

Воспроизведению канделы приписана погрешность ±0,5% по результатам международных сличений.

Рис.2.9. Полный излучатель:

1 - высокочастотный генератор, 2 - полный излучатель, 3 - призма полного внутреннего отражения, 4 - фотометр, 5 - эталонная лампа накаливания.

ЭТАЛОНЫ. ПРИМЕРЫ ПОСТРОЕНИЯ ЭТАЛОНОВ ОСНОВНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

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 электрического тока;

- 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∙10 12 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

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

Читайте также: