Эталоны физических величин

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.

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. Э талон 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. 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 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. 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.

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. Э талон 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 м² 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.