Эталоны единиц системы СИ

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ЭТАЛОНЫ

1.1 Основные понятия об эталонах

1.2 Метрологическая классификация эталонов

1.3 Законодательная классификация эталонов

1.4 Хранение, применение и сличение эталонов

2. ЭТАЛОНЫ ЕДИНИЦ СИСТЕМЫ СИ

3. РАСЧЕТ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЯ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Современная теория единства измерений (теория воспроизведения единиц физических величин и передачи их размеров) наряду с теориями построения средств измерений и точности измерений традиционно является центральным разделом в теоретической метрологии. В совокупности решаемых задач, единство измерений можно охарактеризовать как состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам воспроизведённых величин, а погрешности измерений известны с заданной точностью.

Во многом единство измерений достигается путём точного воспроизведения, хранения установленных единиц физических величин, и передачи их размеров применяемым средствам измерений. Воспроизведение, хранение и передача размеров единиц осуществляется с помощью эталонов и образцовых средств измерений. Высшим звеном в метрологической цепи передачи размеров единиц физических величин являются эталоны.

1. ЭТАЛОНЫ

1.1 Основные понятия об эталонах

Централизованное воспроизведение и хранение единиц величин осуществляется специальными средствами измерений наивысшей (метрологической) точности, называемыми эталонами и являющимися высшим звеном метрологической цепи передачи размеров единиц.

Эталон шкалы или единицы величины (эталон) представляет собой средство измерений или комплекс средств измерений, предназначенные для воспроизведения и (или) хранения шкалы или единицы величины с целью передачи ее размера метрологические соподчиненным средствам, выполненные по особой спецификации и официально утвержденные в качестве эталона.

Конструкция эталона, его свойства и способ воспроизведения единицы определяются природой данной величины и уровнем развития измерительной техники в данной области измерений. Из всех возможных способов осуществления эталона выбирают те, которые позволяют обеспечить наивысшую точность воспроизведения единицы. Современный эталон должен обладать, по крайней мере, тремя тесно связанными друг с другом существенными признаками, сформулированными еще более полувека назад видным метрологом М.Ф. Маликовым - неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью.

Под неизменяемостью эталона понимают его свойство поддерживать в течение неограниченного промежутка времени неизменным размер единицы, воспроизводимой им. Все изменения, обусловленные различными внешними условиями (температура, давление, гравитационное и иные поля и пр.) или внутренней структурой эталона, должны быть вполне определенными функциями величин, доступных измерению с необходимой точностью.

Требование неизменяемости эталона накладывает определенные условия на выбор его конструкции, структуры, материалов отдельных элементов, технологии изготовления, хранения и применения. Необходимость обеспечения неизменяемости эталона привело в свое время к выдвижению принципа естественности воспроизведения единиц, т. е. к выбору в качестве единиц измерения «неизменных единиц», созданных самой природой. Так более двухсот лет назад была построена метрическая система мер, в которой в качестве «неизменной единицы» длины {метр) была выбрана одна десятимиллионная часть четверти длины (от полюса до экватора) земного меридиана, проходящего через Париж. Однако, являясь прогрессивной и в настоящее время, эта идея на момент ее появления не имела достаточной научной и технической базы и в полной мере становится реальной только в наши дни. В качестве наглядного примера можно привести современное (естественное) определение единицы длины , в котором используется фундаментальная физическая постоянная (физическая константа) - скорость света в вакууме.

Под воспроизводимостью эталона понимают теоретическую возможность материализации единицы с помощью эталона без всякой, хотя бы очень малой, погрешности или, по крайней мере, с наименьшей погрешностью, возможной на данном уровне развития измерительной техники. Воспроизводимость эталона обеспечивается путем устранения погрешностей различными приемами в процессе его изготовления и путем всестороннего изучения свойств эталона, проводимого с целью определения погрешностей, допущенных при изготовлении эталона, также появляющихся в процессе его эксплуатации, и введения соответствующих поправок.

Под сличаемостью эталона понимают возможность обеспечить наибольшую возможную точность процессам сличения этого эталона с другими средствами измерений. Это свойство предполагает, что эталоны по своему устройству и действию не вносят каких-либо искажений в результаты сличений. В процессе сличения свойства эталонов не должны претерпевать изменения и сами эталоны не должны влиять на параметры сличаемых с ними средств.

Для выполнения перечисленных требований воспроизведение единиц на эталонных установках проводят по особым строго регламентированным спецификациям, как правило, согласованным между различными странами.

1.2 Метрологическая классификация эталонов

В зависимости от конструктивного выполнения и состава эталоны подразделяют на эталонные комплексы, одиночные эталоны, групповые эталоны, эталонные наборы.

Эталонный комплекс представляет собой совокупность различных по назначению средств измерений и вспомогательного оборудования, предназначенную для воспроизведения, хранения единицы физической величины и передачи ее размера. Примером эталонного комплекса может служить эталон времени и частоты, состоящий из цезиевых генераторов (предназначенных для воспроизведения единиц времени и частоты), водородных генераторов (используемых для хранения единиц времени и частоты и выполняющих функции хранителей шкалы времени при их непрерывной работе), группы квантово-механических часов (предназначенных для хранения шкалы времени). В состав эталонного комплекса входит также аппаратура для внутреннего и внешнего сличения частот и средства жизнеобеспечения всего этого комплекса.

Одиночный эталон состоит из одной меры (измерительного прибора, установки), обеспечивающих воспроизведение и хранение единицы величины самостоятельно без участия других средств измерений этого же вида. Наглядным примером одиночного эталона является эталон единицы массы - килограмма, осуществляемый в виде платиноиридиевой гири (в некоторых эталонах - стальной гири).

Групповой эталон состоит из совокупности однотипных мер (или других средств измерений), применяемых как одно целое для повышения надежности хранения единицы. Размер единицы, хранимой групповым эталоном, определяется как среднее арифметическое из значений, воспроизводимых отдельными мерами или иными средствами измерений, входящими в состав группового эталона. Примером группового эталона может служить эталон единицы электрического напряжения -- вольта, представляющего собой группу из 20 одинаковых мер э. д. с. - нормальных элементов (элементов Вестона). Групповые эталоны могут быть постоянного и переменного составов.

В эталонах постоянного состава десятилетиями используются одни и те же экземпляры средств измерений. Например, эталон единицы электрического сопротивления -ома, состоящий из 10 манганиновых герметизированных измерительных катушек электрического сопротивления. В групповые эталоны переменного состава входят средства измерений, периодически заменяемые новыми. Примером такого эталона является уже описанный групповой эталон единицы электрического напряжения и электродвижущей силы постоянного тока. Эталонный набор представляет собой набор мер или измерительных приборов, позволяющих хранить единицу или измерять величину в определенном диапазоне, в котором отдельные меры или измерительные приборы, входящие в эталон, имеют различные номинальные значения или поддиапазоны значений величины
В качестве примера эталонного набора можно привести эталон единицы плотности жидкостей в виде набора денсиметров, служащих для определения плотности жидкостей в различных участках общего диапазона измерений. Эталонные наборы, как и групповые эталоны, могут быть постоянного и переменного составов. В соответствии с классом воспроизводимых единиц величин различают эталоны основных и производных единиц. В принципе, для обеспечения единства измерений достаточно централизовано, с помощью эталонов, воспроизводить только основные единицы. Размеры производных единиц могут быть получены на местах путем косвенных измерений при строгом соблюдении требований спецификаций Однако, для повышения общего уровня точности измерений, необходимого для современных технологий, и повышения оперативности передачи размеров единиц широко используются воспроизведение с помощью эталонов и производных единиц. По уровню точности воспроизведения единиц и метрологической соподчиненности эталоны подразделяют на первичные, вторичные и рабочие.

Первичный эталон - эталон, осуществляющий воспроизведение и хранение единицы с наивысшей точностью, достижимой в данной области измерений, размер единицы воспроизводимой которым устанавливается независимо от других эталонов этой же величины. Первичные эталоны основных единиц воспроизводят единицу в соответствии с ее определением. Примером первичного эталона является эталон единицы длины - метр, представляющий собой комплекс средств измерении, осуществляющий воспроизведение единицы как путь, проходимый светом в вакууме за интервал времени равный 1/299 792 458 s. В тех случаях, когда одним первичным эталоном технически нецелесообразно обслуживать весь необходимый для практики диапазон измеряемой величины, создаются несколько первичных эталонов, охватывающих части этого диапазона, с таким расчетом, чтобы был охвачен весь диапазон. В этом случае проводится согласование размеров единиц, воспроизводимых «соседними», по диапазону воспроизводимых величин, первичными эталонами. Примером такой «цепи» эталонов являются взаимосогласованные эталоны единицы термодинамической температуры, каждый из которых воспроизводит единицу в определенном интервале значений температуры. Разновидностью первичных эталонов являются специальные эталоны.

Специальный эталон - эталон, предназначенный для воспроизведения единицы в особых условиях и заменяющий в этих условиях первичный эталон. Специальные эталоны создают для воспроизведения единицы в особых условиях (сверхнизкие, высокие и сверхвысокие частоты, энергии, температуры, давления, особые состояния веществ, крайние участки диапазонов измерений и т. п.), в которых прямая передача размера единицы от существующих первичных эталонов технически не осуществима с требуемой точностью. Примером специального эталона является эталон силы электрического переменного тока 0,04 - 300 А в диапазоне частот 0,1 -300 МГц.

Примечание - В настоящее время в метрологической практике многих государств постепенно отходят от применения термина «специальный эталон» и для вновь утверждаемых эталонов этот термин не используют.

Вторичный эталон - эталон, размер единицы которого устанавливают по первичному эталону этой же единицы. Вторичные эталоны создаются в тех случаях, когда это необходимо для рациональной организации поверочных работ и для обеспечения сохранности и наименьшего износа первичного эталона. По своему метрологическому назначению вторичные эталоны делятся на эталоны копии, эталоны сравнения, эталоны свидетели.

Эталон-копия - вторичный эталон, предназначенный для хранения единицы и передачи ее размера рабочим эталонам. Эталон-копия представляет собой метрологическую копию первичного эталона и не обязательно является его физической копией. Примером может служить эталон-копия единицы длины - метра, представляющий собой специальным образом выполненную и хранимую штриховую меру длины.

Эталон сравнения -- вторичный эталон, предназначенный для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличаемы между собой. Примером эталона сравнения является возимая высокостабильная электронная (так называемая - «твердотельная») мера электрического напряжения постоянного тока, используемая для взаимного сличения между собой эталонов единицы электрического напряжения разных стран.

Эталон-свидетель - вторичный эталон, применяемый для проверки сохранности первичного эталона и для замены его в случае порчи или утраты. Эталон-свидетель применяется лишь тогда, когда первичный эталон является невоспроизводимым. В настоящее время, среди эталонов основных единиц Международной системы СИ, эталон-свидетель существует только для соблюдения сохранности первичного эталона единицы массы - килограмма, которая воспроизводится, как известно, с помощью прототипа, не имеющего своего естественного воплощения в природе.

Рабочий эталон эталон, предназначенный для хранения единицы и передачи ее размера другим средства измерений более низкой точности. Размер единицы рабочего эталона устанавливают по вторичному эталону-копии или, в некоторых случаях, непосредственно по первичному эталону. В состав эталонов включают не только непосредственно сами эталоны средства измерений высочайшей точности, осуществляющие воспроизведение и хранение единицы величины, но и средства измерений, необходимые для передачи размера единицы от эталона другим средствам измерений, контроля условий измерений и наблюдения за неизменностью размера единицы величины хранимой эталоном. При необходимости в состав эталонов включают другие технические средства, обеспечивающие работу эталонов (например, информационно-вычислительные комплексы, специальные платформы, сооружения, выполненные по особой спецификации помещения и т. д.).

Описанную выше взаимную метрологическую соподчиненность эталонов можно представить в виде схемы, указанной на рис.1.



Рис. 1 Метрологическая структура эталонов

1.3 Законодательная классификация эталонов

Эталон, обладающий наивысшими метрологическими свойствами из имеющихся эталонов в данном виде измерений (например, в стране или группе стран, в регионе, в ведомстве или предприятии), от которого получают размер единицы все метрологически подчиненные ему средства измерений, называют исходным эталоном. Эталоны, официально утвержденные в качестве исходных эталонов на территории государства, называют национальными {государственными} эталонами. Основные положения по эталонам установлены межгосударственным стандартом ГОСТ 8.057:2006.

Национальные эталоны используют для воспроизведения и хранения основных и важнейших производных единиц величин, средства измерений которых широко применяются в законодательно регулируемой государством сфере. Техническая инфраструктура эталонов, специальные здания, сооружения, оборудование, без которых невозможно функционирование эталонов, является неотъемлемой частью эталонных имущественных комплексов, состав которых фиксируется в документации на эталоны. Национальные эталоны являются объектами стратегической значимости и исключительной собственностью государства и не подлежат отчуждению (купле, продаже).

Значимость национальных эталонов обусловлена их ролью в обеспечении единства измерений, а также невозможностью в большинстве случаев точного копирования, тиражирования и восстановления первичных эталонов в случае их утраты. Значимость эталонов резко возрастает по мере изучения и совершенствования их свойств в результате постоянных метрологических исследований и международных сличений. Научно-технический уровень национальных эталонов является показателем научного и технологического потенциала государства и должен быть достаточным для обеспечения технической и экономической независимости страны и реализации ее стратегических целей, в том числе в области национальной безопасности. Наряду с национальными эталонами на пространстве СНГ существуют и межгосударственные эталоны - эталоны, признанные в установленном порядке в качестве исходных для государств-участников.

Межгосударственный эталон может представлять собой эталон, состоящий из национальных (государственных) эталонов двух и более государств-участников Соглашения Положение о межгосударственных эталонах установлено межгосударственными правилами ПМГ 35:2001. Для обеспечения единства измерений в глобальном масштабе осуществляют и применяют международные эталоны, хранимые в Международном бюро мер и весов - первого в мире международного метрологического института, осуществляющего свою деятельность на ежегодные отчисления государств, подписавших международную Метрическую конвенцию. Внешний вид старейшего международного эталона единицы массы -- килограмм, являющегося международным прототипом килограмма, приведен на рис. 2. Прототип, утвержденный в 1889 г. первой Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ), представляет собой гирю из платино-иридиевого сплава (90 % Pt, 10 % Ir), выполненную в виде прямого цилиндра с закругленными ребрами, диаметр и высота которого составляют 39 mm. Копия международного прототипа № 12, выполненная из той же, что и международный прототип, плавки платино-иридиевого сплава, хранимая и применяемая во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии им. Д. И. Менделеева (ВНИИМ, г. Санкт-Петербург), является в настоящее время государственным первичным эталоном единицы массы Российской Федерации и, одновременно, межгосударственным (СНГ) эталоном.

Рис 2 Международный прототип единицы массы

1.4 Хранение, применение и сличение эталонов

Метрологические свойства эталонов исследуют в течение всего срока службы с целью подтверждения неизменности их паспортных характеристик и поиска путей повышения точности воспроизведения и хранения единиц и передачи их размеров. Совокупность операций, необходимых для поддержания метрологических характеристик эталона в установленных пределах называют хранением эталона. Хранение эталонов представляет собой кропотливую каждодневную метрологическую деятельность, которую осуществляют высококвалифицированные специалисты данной области измерений составляющие специальную категорию должностных лиц -- ученых хранителей эталонов.

Ученых хранителей национальных эталонов назначает Национальный орган по метрологии. Эталоны хранят и применяют в специализированных центрах государственной метрологической службы. Рабочие эталоны могут храниться также в метрологических службах ведомств и службах юридических лиц в соответствии с их специализацией и установленными правилами. Национальные эталоны, образующие в своей совокупности эталонную базу страны, хранят и применяют государственные научные метрологические организации. Число эталонов, составляющих эталонную базу, не является постоянными, а изменяется в зависимости от потребностей национальной экономики. Обычно прослеживается увеличение их числа, что обусловлено постоянным развитием и расширением парка эксплуатируемых средств измерений. Глобализация экономики и широкое развитие экономической, торговой и технологической интеграции стран мирового сообщества определяют необходимость проведения работ по обеспечению единства измерений в глобальном масштабе, поскольку достоверная измерительная информация является доказательной основой взаимного признания результатов испытаний и всей инфраструктуры оценки и подтверждения соответствия продукции и услуг. Это, в свою очередь, налагает жесткие требования по постоянному и обязательному поддержанию согласованности размеров единиц величин, воспроизводимых эталонами разных стран. Для обеспечения этих требований национальные эталоны подлежат с международными и (или) межгосударственными эталонами и, если это необходимо, с национальными эталонами других стран.

Сличение эталонов - совокупность операций, устанавливающих соотношение между размерами величины, полученными в результате воспроизведения величины или ее производных эталонами странучастниц сличений. Сличению подвергаются национальные (государственные) эталоны, предназначенные для воспроизведения, хранения и (или) передачи размера физической величины, ее кратных или дольных значений. Решение о необходимости проведения сличения принимает государство владелец эталона с учетом рекомендаций международных и (или) региональных организаций по метрологии. Сличения являются обязательной составной частью работ по исследованию национального эталона и определению размера воспроизводимой им единицы, предпочтительно Международной системы единиц. Сличению, как правило, подлежат эталоны одинакового уровня точности. Сличения эталонов осуществляют посредством транспортируемого эталона сравнения, а в случае его отсутствия выбирается средство сличений по согласию государств-участников сличений. Эталон сравнения (средство сличений) должен удовлетворять требованиям стабильности. Сличения эталонов могут быть круговыми, радиальными или комбинированными. Выбор вида сличения (круговые или радиальные) проводят в зависимости от стабильности эталона сравнения (средства сличений).

В зависимости от количества стран-участниц сличений, сличения подразделяют на двусторонние и многосторонние. Распространенными видами многосторонних сличений являются международные и региональные сличения. Международные сличения эталонов, проводятся под эгидой Консультативных комитетов (КК) Международного комитета по мерам и весам (МКМВ) и региональных метрологических организаций. Они являются юридической основой признания эквивалентности сличаемых эталонов и, соответственно, правильности измерений и сертификационных испытаний в странах участницах сличений.

Под эквивалентностью эталонов понимают равенство эталонов для практических целей по их значению или значимости. Одно из ряда сличений, выбранное Консультативным комитетом для проверки основных методов в данной области называют ключевым. Различают два основных типа ключевых сличений. В первый тип входят сличения эталонов, у которых предполагается, длительная стабильность (типичными для них являются эталоны на основе квантовых эффектов). Во вторую категорию входят сличения тех эталонов, для которых нельзя предположить долгосрочную стабильность. Методики проведения сличений и, в некоторых случаях, оценки результатов, в двух этих случаях могут отличаться. Сличения эталонов на основе квантовых эффектов и других стабильных эталонов обычно проводятся в двустороннем порядке и на постоянной основе. Национальные эталоны сличаются с одним конкретным эталоном как это удобно участвующей лаборатории. Типичными для этих сличений являются сличения частот, воспроизводимых квантовыми оптическими генераторами (лазерами), сличения эталонов электрического напряжения постоянного тока, выполненных с использованием эффекта Джозефсона и эталонов электрического сопротивления на основе квантового эффекта Холла, проводимые МБМВ ( Международное бюро мер и весов).

Типичными сличениями других стабильных эталонов, но с гораздо большими неопределенностями, можно считать проводимые МБМВ сличения эталонов единиц в области дозиметрии ионизирующих излучений. Методики, используемые в МБМВ для проведения сличений этого типа, описаны в документе «Методики, используемые в ключевых сличениях МБМВ». Другие сличения, в которых не предполагается, что эталоны имеют длительную стабильность и которые составляют большинство ключевых сличении, проводятся по четкому временному графику. Это позволяет всем участвующим лабораториям, проводить свои измерения за установленный период времени. Эти сличения требуют, чтобы транспортируемые эталоны имели хорошую долгосрочную стабильность и стабильность во время транспортировки. Результаты ключевых сличений позволяют судить об эквивалентности эталонов. Эквивалентность эталонов не подразумевает их идентичность. Степень эквивалентности двух национальных эталонов - это степень, с которой два национальных эталона метрологических институтов совпадают друг с другом по значению единицы, воспроизводимой эталоном. Она выражается как разница их соответствующих значений от опорного значения ключевого сличения и имеет соответствующую неопределенность. Для каждого ключевого сличения назначается ведущая лаборатория (национальный метрологический институт - хранитель эталонов), которая берет на себя основную ответственность за проведение сличения. При составлении списка участников и графика сличения КК следит за тем, чтобы число участников от каждой из основных региональных метрологических организаций было достаточным для обеспечения достоверной связи между соответствующими региональными сличениями и сличением, проводимым консультативным комитетом. Результаты ключевых сличений, проводимых консультативными комитетами, МБМВ и региональными метрологическими организациями, оцененные в установленном порядке и утвержденные консультативными комитетами являются основанием для взаимного признания национальных эталонов.

В октябре 1999 г. в Париже под эгидой Международного комитета мер и весов (МКМВ) и МБМВ руководители национальных метрологических институтов - хранителей эталонов (ИМИ) 38-ми государств - членов Метрической конвенции подписали Соглашение о взаимном признании национальных эталонов, сертификатов калибровки и измерений, выдаваемых ИМИ (Институт международных исследований) . К концу 2005 года к Соглашению присоединились еще 25 НМИ (Национальный метрологический институт) из разных стран. Основными целями соглашения являются:

1. установление степени эквивалентности национальных эталонов, т. е. степени, с которой эти эталоны согласуются с опорными значениями, определяемыми в ходе ключевых сличений, и, следовательно, согласуются друг с другом;

2. взаимное признание сертификатов калибровки и измерений, выдаваемых НМИ;

3. обеспечение правительств и других административных органов надежной технической базой для более широких договоренностей, касающихся международной торговли, научно-технического сотрудничества и разработки нормативной документации.

Результат участия НМИ в Соглашении - опубликование сведений о его калибровочных и измерительных возможностях, которые определяются как «наивысший уровень измерения или калибровки, обычно предлагаемый клиентам, выражений в значениях доверительного уровня, равного 95 %», в базе данных, поддерживаемой МБМВ и общедоступной через сеть Интернет. Иными словами, путем опубликования всесторонне проверенных данных о метрологическом состоянии своих эталонов ИМИ заявляет список метрологических услуг, подтверждаемых выдачей соответствующих сертификатов, которые признаются всеми участниками Соглашения.

Для обеспечения объективной основы взаимного признания результатов метрологической деятельности, проводимой в отдельных странах, Соглашение требует выполнения следующих условий:

1. наличие результатов ряда ключевых сличений, проводимых по четко установленным методикам, которые ведут к количественному выражению степени эквивалентности национальных эталонов;

2. функционирования соответствующей системы обеспечения качества в каждом ИМИ, гарантирующей стабильность деятельности ИМИ;

3. успешного участия каждого ИМИ в дополнительных сличениях, проводимых с целью удовлетворения специфических потребностей, не охватываемых ключевыми сличениями, включая сличения для поддержки доверия к сертификатам калибровки.

Координацию сотрудничества Соглашение возлагает на МБМВ. Ответственность за ключевые и дополнительные сличения ложиться на консультативные комитеты МКМВ, региональные метрологические организации (РМО) и МБМВ. Анализ и публикацию данных по калибровочным и измерительным возможностям которые декларируются НМИ, осуществляет Объединенный комитет РМО и МБМВ. Вся информация, относящаяся к выполнению Соглашения, содержится в приложениях, хранящихся на Web-сайте МБМВ - www.bipm.org (там же опубликован текст Соглашения на французском и английском языках). Периодичность сличения эталонов устанавливается в зависимости от стабильности значений величин, воспроизводимых эталонами, точности эталонов, принципами воспроизведения единиц, заложенными в эталоны, и ряда других технических и экономических факторов. Например, эталоны единиц массы и длины сличают раз в 15 - 25 лег, эталоны ряда электрических и световых единиц - раз в 3-5 лет.

Международный прототип единицы массы используют, со строгим соблюдением специфицированных на международном уровне правил, для передачи размера воспроизводимой им единицы вторичному эталону-копии один раз в 25 лет. Не смотря на исключительно высокую точность современных эталонов времени и частоты (относительная погрешность воспроизведения единицы порядка 10-13) международные сличения таких эталонов проводят постоянно с использованием специальных каналов спутниковой связи. Это необходимо для поддержания на высоком уровне точности всемирной шкалы времени.

2. ЭТАЛОНЫ ЕДИНИЦ СИСТЕМЫ СИ

эталон единица сличение международный

Эталонная база России имеет в своем составе 114 государственных эталонов (ГЭ) и более 250 вторичных эталонов единиц физических величин. Из них 52 находятся во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии им. Д.И. Менделеева (ВНИИМ, 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.

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 (цезиевые 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)Ч10-14 ; 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 1Ч10-10-- 1Ч108 с, диапазон значений частоты -- 1-1Ч1014Гц. Воспроизведение единиц времени обеспечивается со средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 1Ч10-14 за три месяца, неисключенная систематическая погрешность не превышает 5Ч10-14. Нестабильность частоты эталона за интервал времени от 1000 с до 10 суток не превышает 5Ч10-15.

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, 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 .

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 .

Государственная поверочная схема для СИ длины в диапазоне от 1Ч10-6- 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 2Ч10-3 мг.Эталонные весы, с помощью которых производится сличение эталона массы, с пределами взвешивания от 2Ч10-3 до 1 кг имеют среднее квадратическое отклонение результата наблюдения на весах от 5Ч10-4 до 3Ч10-2 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 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)ЧNAЧ1 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.

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 серьезными трудностями. Поэтому после проведения подготовительных работ в 1968 г. была введена международная практическая температурная шкала (МПТШ--68). Расхождение между температурой, 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 . 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 .

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 эталона ома на основе эффекта Холла 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 . 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

1Ч10-16 - 30 А установлены ГОСТ 8.022--91. Современный государственный эталон ампера имеет следующие диапазоны воспроизводимых значений силы тока: 1Ч10-3; 1 (посредством квантовых эффектов) и 1Ч10-16 -- 1Ч10-9 А (при использовании методов электрометрии). Он обеспечивает воспроизведение единицы тока со средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 5Ч10-8 А при номинальных значениях силы тока 1Ч10-3; 1 и10Ч10-3 - 2Ч10-4 А. Неисключенная систематическая погрешность не должна превышать 2Ч10-8 А при номинальных значениях силы постоянного тока 1Ч10-3; 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 .

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 -- 1Ч10-3 кд; неисключенная систематическая погрешность составляет 2,5Ч10-3 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.