Эталоны, их виды и назначение

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Эталоном называется средство измерений, обеспечивающее воспроизведение и хранение выбранной единицы физической величины, а также передачу размера единицы другим средствам измерений (т. е. вторичным эталонам и измерительным приборам).

Все вопросы, связанные с хранением, применением и созданием эталонов, а также контроль за их состоянием, решаются по единым правилам, установленным ГОСТом «ГСИ. Эталоны единиц физических величин. Основные положения» и ГОСТом «ГСИ. Эталоны единиц физических величин. Порядок разработки и утверждения, регистрации, хранения и применения». Классифицируются эталоны по принципу подчиненности. По этому параметру эталоны бывают первичные и вторичные.

Первичный эталон должен служить целям обеспечения воспроизведения, хранения единицы и передачи размеров с максимальной точностью, которую можно получить в данной сфере измерений. В свою очередь, первичные могут быть специальными первичными эталонами, которые предназначены для воспроизведения единицы в условиях, когда непосредственная передача размера единицы с необходимой достоверностью практически не может быть осуществлена например для малых и больших напряжений, СВЧ и ВЧ. Их утверждают в виде государственных эталонов. Поскольку налицо особая значимость государственных эталонов, на любой государственный эталон утверждается ГОСТом. Другой задачей этого утверждения становится придание данным эталонам силы закона. На Государственный комитет по стандартам возложена обязанность создавать, утверждать, хранить и применять государственные эталоны.

Вторичный эталон воспроизводит единицу при особенных условиях, заменяя при этих условиях первичный эталон. Он создается и утверждается для целей обеспечения минимального износа государственного эталона. Вторичные эталоны могут делиться по признаку назначения.

Цель работы: рассмотреть характеристику эталонов единиц массы, времени и длины. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

Рассмотреть основные эталоны и их назначение;

Проанализировать характеристику эталонов единиц массы, времени и длины.

  
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1.1 Эталоны, их виды и назначение

Централизованное воспроизведение единиц осуществляется с помощью специальных технических средств, называемых эталонами. Эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же единицы) точностью, называется первичным эталоном. Первичные эталоны - это уникальные средства измерений, часто представляющие собой сложнейшие измерительные комплексы, созданные с учетом новейших достижений науки и техники на данный период. Эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы в особых условиях и служащий для этих условий, называется специальным эталоном. Официально утвержденные в качестве исходного для страны первичный или специальный эталоны называются государственными.

Эталон, получающий размер единицы путём сличения с первичным эталоном рассматриваемой единицы, называется вторичным эталоном.

Третий эталон - эталон сравнения - это вторичный эталон применяется для сравнения эталона, которые по тем или иным причинам не могут быть сравнены между собой.

Четвертый эталон - рабочий эталон применяется для непосредственной передачи размера единицы.

Эталон должен отвечать трем основным требованиям: неизменность (способность удерживать неизменным размер воспроизводимой им единицы в течение длительного интервала времени); воспроизводимость (воспроизведение единицы с наименьшей погрешностью для данного уровня развития измерительной техники); сличаемость (способность не претерпевать изменений и не вносить каких-либо искажений при проведении сличений).

Государственные эталоны представляют собой национальное достояние и поэтому должны храниться в метрологических институтах страны в специальных эталонных помещениях, где поддерживается строгий режим по влажности, температуре, вибрациям и другим параметрам. Для обеспечения единства измерений физических величин в международном масштабе большое значение имеют международные сличения национальных государственных эталонов. Эти сличения помогают выявить систематические погрешности воспроизведения единицы национальными эталонами, установить, насколько национальные эталоны соответствуют международному уровню, и наметить пути совершенствования национальных (государственных) эталонов.

В 1998 г. эталонная база России была представлена 116 государственными эталонами, 250 вторичными эталонами, 70 установками высшей точности и государственными стандартными образцами в количестве более 7500. Лапидус В.А. Звезды качества// Стандарты и Качество. - 1997, №7, с. 47-53.

1.2 Характеристика  эталонов единиц массы, времени и длины.

1.2.1 Эталон  единицы длины.

В 1971 г. Национальное собрание Франции приняло длину десятимиллионной части четверти дуги парижского меридиана в качестве единицы длины – метра. В тот период времени во Франции применялся в качестве единицы длины туаз. Соотношение между метром и туазом оказалось равным 1 м = 0,513074 туаза.

Но уже в 1837 г. Французские ученые установили, что в четверти меридиана содержится не 10 млн., а 10 млн. 856 м. Примерно в тот же период времени стало очевидным, что форма и размеры Земли со временем изменяются. Поэтому в 1872 г. по инициативе Петербургской академии наук была создана международная комиссия, решившая не создавать уточненных эталонов метра, а принять в качестве исходной единицы длины метр Архива Франции. 

В 1889 г. Был изготовлен 31 эталон метра в виде платиноиридиевого стержня Х-образного поперечного сечения, который, как следует из рассмотрения Рис. 1 вписывается в квадрат  .

Длина линейки составляет 102 см. На каждом из ее концов нанесены три штриха на расстоянии 0,5 мм друг от друга. Таким образом, расстояние между средними штрихами равно 1 м.

Погрешность платиноиридиевых штриховых метров составляет  . Уже в начале 20 в. эта погрешность оказалась достаточно большой, не удовлетворяющей требованиям измерений длины.

В 1960 г. XI Генеральной конференцией по мерам и весам было принято новое определение метра: метр – длина, равная 1650763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями   и  атома криптона-86.

Криптоновый эталон метра состоит из газоразрядной лампы, наполненной криптоном-86, помещенной в сосуд Дюара с жидким азотом (Рис. 2). При подаче электрического напряжения +1500 в лампе образуется свечение возбужденных атомов криптона-86. Капилляр, в котором происходит свечение (с внутренним диаметром около 3 мм), имеет оптический выход на автоматический интерференционный фотоэлектрический компаратор. С помощью интерференционного компаратора определяется расстояние между штрихами, что позволяет найти число длин волн, укладывающихся между средними штрихами линейки (Рис. 1). Фактически определяется не все количество длин волн, «помещающихся» в метре, а оценивается разница между измеряемой длиной и эталонной длиной, воспроизводимой газоразрядной лампой. Измерение длины волны и энергетических характеристик свечения производится с помощью спектроинтерферометров.

Погрешность воспроизведения метра, оцениваемая средним квадратическим отклонением результата измерения, с помощью данного эталона существенно уменьшилась по сравнению с погрешностью платиноиридиевого прототипа метра и составила  .  
Новый эталон метра.

Повышение точности эталона длины стало реальным при получении возможности распространения абсолютных измерений частоты (в радиочастотном спектре колебаний) на оптический диапазон и разработке высокостабильных лазеров, что позволило уточнить значение скорости света. В 1983 г. XVII Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение метра: «Метр - длина пути, проходимого в вакууме светом за 1/299792458 доли секунды (точно)». Данное определение метра принципиально отличается от определения 1960 г.: «криптоновый» метр не был непосредственно связан со временем, новый метр опирается на эталон единицы времени - секунду и известное значение скорости света. 

Еще многие годы метрология и техника будут использовать значение скорости света, установленное XVII Генеральной конференцией по мерам и весам.

В настоящее время для обеспечения высокой степени стабилизации важнейшего параметра лазерного излучения – частоты, широко применяются гелий-неоновые лазеры на длине волны излучения   мкм (инфракрасная область спектра) и   мкм (видимая область спектра), стабилизированные соответственно по насыщенному поглощению в метане (Не-Ne/CH4) и молекулярном йоде (Не-Ne/I2).

Лазеры на основе (Не-Ne/CH4) по воспроизводимости частоты приближаются к цезиевому стандарту, являющемуся основой эталона времени и частоты. Работающий в видимом диапазоне спектра Не-Ne/I2 лазер позволяет реализовать новое определение метра через скорость распространения света в вакууме. Наличие излучения на двух длинах волн (  мкм и   мкм) дает возможность с помощью интерферометра обеспечить высокую точность измерений. Секунда воспроизводится с помощью цезиевых стандартов частоты в СВЧ диапазоне электромагнитных колебаний, а новый метр – в оптическом диапазоне частот, т. е. на несколько порядков выше частот, применяемых в эталоне времени и частоты. Таким образом, необходим «мост», служащий для передачи эталонной частоты цезиевого стандарта в оптическую часть диапазона.

Комплекс аппаратуры для «переноса» измерений частоты в «радиочастотном» эталоне времени на измерения частоты высокостабильных лазеров (в оптическом диапазоне) был назван радиооптическим частотным мостом (РОЧМ). РОЧМ позволил получить наивысшую точность измерения скорости света в вакууме и рассматривать ее как фундаментальную физическую константу, явился основой создания единого эталона частоты – времени - длины. В этот эталон входят эталон времени и частоты, аппаратура РОЧМ, а также новый эталон метра, включающий Не-Ne лазеры, интерферометр сравнения длин волн Не-Ne/CH4 лазеров и Не-Ne/I2 лазеров, интерферометр, непосредственно формирующий единицу длины - метр. Этот эталон имеет погрешность воспроизведения в виде среднего квадратического отклонения результата измерений около  , систематическая составляющая не превышает  , т. е. более чем на три порядка меньше погрешности воспроизведения метра с помощью «криптонового» метра. 

1.2.2 Эталон единицы массы.

Международный прототип килограмма был утвержден на I Генеральной конференции по мерам и весам в 1889 г. как прототип единицы массы, хотя в тот период еще не существовало четкое разграничение понятий массы и веса, и поэтому часто эталон массы называли эталоном веса.

В состав эталона входят:

- копия международного  прототипа килограмма (№ 12), представляющая  собой платиноиридиевую гирю  в виде прямого цилиндра с  закругленными реб­рами диаметром  и высотой 39 мм. Прототип килограмма  хранится во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева (г. Санкт -Петербург) на кварцевой  подставке под двумя стеклянными  колпаками в стальном сейфе. Эталон  хранится при поддержании температуры  воздуха в пределах (20±3)°С и  относительной влажности 65 %. С целью  сохранения эталона с ним сличают  два вторичных эталона раз  в 10 лет. Они и используются для  дальнейшей передачи размера  килограмма;

- равноплечие призменные  весы на 1 кг № 1 с дистанционным  управлением (с целью исключения  влияния оператора на температуру  окружающей среды), изготовленные  фирмой «Рупрехт», и равноплечие  современные весы на 1 кг № 2, изготовленные во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева. Весы № 1 и № 2 служат для передачи размера единицы массы от прототипа № 12 вторичным эталонам.

На Рис. 3 показан эталон килограмма в современном виде. Справа на рисунке представлено вместе с прототипом килограмма № 12 двухконтурное стеклянное защитное устройство.

Погрешность воспроизведения килограмма, вы­раженная средним квадратическим отклонением результата измерений, составляет .

Со времени создания прототипов килограмма прошло более 100 лет. За истекший период периодически сличали национальные эталоны с международным эталоном. В Табл. 1 приведены результаты лишь двух сличений (они были и позже 1954 г.) эталонов килограмма.

Таблица 1

  Новый эталон килограмма

Недавно выяснилось, что Парижский эталон килограмма не совсем точен. Решить эту проблему, т.е. создать новый эталон массы, поможет программа, в которой участвуют ученые из восьми стран. Первые 140 граммов вещества для нового эталона уже существуют. Это сверхчистый кремний, на 99,99% состоящий из изотопа кремния-28.

Через три года такого кремния будет уже 5 кг. Этого хватит, чтобы сделать килограммовый шар, число атомов кремния-28 в котором будет точно известно. И тогда допотопную гирю в парижской Палате мер и весов заменит эталон, не только масса, но и число атомов в котором будут определены с предельной для сегодняшней мировой науки точностью.                                                                        

Получить новый, действительно точный эталон массы ученые, а особенно физики, мечтали давно. Часть работы выполнена, но впереди еще огромный объем. Дело в том, что в микроэлектронике химически чистый кремний получать в основном научились. Но природный кремний состоит из трех изотопов с разной, естественно, массой атомов - 28 (92%), 29 (5%) и 30 (3%) углеродных единиц. А для эталона массы атомы нужны только одинаковые. Только после получения в России изотопически-чистого кремния в Австралии сделают идеальный гладкий шар. И потом шар будут долго и тщательно проверять в Германии и Франции. Таким образом, впервые появляется возможность уточнить одну из самых фундаментальных химических величин - число Авогадро.

1.2.3 Эталон времени

В 1967 г. на XIII ГКМВ было принято новое определение единицы времени - секунды как промежутка времени, в течение которого совершается 9192631770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между уровнями (F = 4, mF = 0) и (F= 3, mF = 0) сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия - 133 при отсутствии внешних возмущающих полей.

Государственный первичный эталон единиц времени и частоты является самым сложным из всех эталонов. В его состав входит большой комплекс аппаратуры, каждое звено которого представляет весьма сложное техническое устройство.

 Эталон в целом предназначен для воспроизведения и хранения:

1) единицывремени — "атомной" секунды (с);

2) единицычастоты — герца (Гц);

3) шкалыатомного времени  — TA ;

4) шкалыкоординированного  времени — UTC .

Воспроизведение единицы времени (и частоты) в соответствии с ее определением осуществляет в эталоне специально созданная, уникальная по своим характеристикам установка—цезиевый репер частоты — реализующая с наивысшей точностью принцип цезиевой меры частоты (рисунок 1).

Государственный эталон времени и частоты обеспечивает воспроизведение размеров единиц времени и частоты (секунды и герца) со средним квадратическим отклонением, не превышающим 5x10-14

Рисунок 1.

Эталон соответствует определению единицы времени—секунды как интервала времени, в течение которого совершается 9192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями (F= 4, тF= 0 и F= 3, тF = 0) основного состояния атома цезия-133 в отсутствие внешних полей.

Принцип действия эталона (рисунок 1) заключается в следующем. Атомы цезия-133 испаряются цезиевой печью при температуре около 400 К и со скоростью 20 км/с попадают в неоднородное поле первого магнита, которое направляет к центру установки атомы с квантовым числом F = 4 и рассеивает все остальные частицы. В центре установки расположена система из 1-го и 2-го резонаторов, где на атомы цезия действует высокочастотное магнитное поле, создаваемое кварцевым генератором. При настройке частоты генератора в резонанс с частотой квантового перехода возникает лавинообразный процесс перехода атомов цезия от уровня F = 4 к уровню F = 3. Затем атомы цезия попадают в неоднородное поле второго сортирующего магнита, которое фокусирует на детекторе атомы с уровнем F = 3 и рассеивает все другие. Создаваемый детектором ток ионизации достигает максимума при совпадении частоты кварцевого генератора с частотой квантового перехода. При неравенстве этих частот уменьшается ток ионизации, что служит сигналом для автоматической подстройки частоты генератора.

В состав эталона входят два цезиевых квантовых стандарта частоты и 4 водородных стандарта частоты. Входящие в состав эталона водородные реперы частоты имеют другой принцип действия, основанный на резонансном излучении с меньшей частотой (1 420 405 751,8 Гц). Они выполняют роль эталона-копии и позволяют долгое время хранить однажды установленный с помощью первичного (цезиевого) репера размер секунды, не прибегая к его частому включению. Однако все реперы воспроизводят значение частоты, определяющей размер секунды, лишь периодически.

Хранители частоты — это непрерывно работающие меры (кварцевые плюс квантовые), обеспечивающие формирование и хранение шкал времени.

Основная шкала, хранимая эталоном - шкала равномерного атомного времени - ТА. Это равномерная шкала интервалов с фиксированным нулем отсчета. Размер ее секунды соответствует определению 1967 г. Шкала никак не связана с вращением Земли, с ее положением в пространстве. Наряду с ней существует группа неравномерных шкал времени, связанных с положением Земли в пространстве и калибруемых по результатам астрономических и радиоастрономических наблюдений:

Постепенно точность «горизонтальных» цезиевых реперов перестала удовлетворять требованиям науки и техники. Выход был найден в разработке нового репера, получившего полуофициальное название "фонтан". В нем атомы цезия движутся вертикально со скоростями порядка единиц сантиметров в секунду (применяется так называемое лазерное охлаждение). При таких скоростях уже можно пренебрегать эффектом Допплера и рядом других мешающих факторов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Индивидуальность в количественном отношении понимают в том смысле, что свойство может быть для одного объекта в определенное число раз больше или меньше, чем для другого. Таким образом, физические величины – это измеренные свойства физических объектов или процессов, с помощью которых они могут быть изучены. Мы оперируем такими физическими величинами как длина, время, температура, сила, давление, скорость и т.д. Все они определяют общие в качественном отношении физические свойства, количественные же характеристики их могут быть совершенно различными. Получение сведений о количественных отношениях величин и является задачей измерений.

С древних времен люди пользовались различными единицами для количественного оценивания расстояния, массы тел, продолжительности дня и т.д.

Самые древние из единиц относятся к антропометрическим, т.е. те, которые отождествлялись с названиями частей человеческого тела.

В  данной работе дается определение понятия "эталон", приводится классификация эталонов в соответствии с их местом в поверочной схеме для средств измерений физических величин. Рассмотрены основные требования к государственным эталонам, структура и состав эталонов единиц массы, длины и времени. Даны краткие описания государственных первичных эталонов основных единиц международной системы единиц физических величин. Нами рассмотрены и охарактеризованы эталоны единиц массы, времени и длины.

В результате проделанной работы можно сделать вывод, что задачи поставленные для достижения цели решены.

Список использованных источников

1. Эталоны . Сост. К.В.Сафронова.– Пенз. гос. ун-т, каф. МСК, 2006
2. Российская метрологическая энциклопедия. – Санкт-Петербург. Лики России, 2001.
3. ГОСТ 8.057-80 ГСИ. Эталоныединиц физических величин. Основные положения.
4. КузнецовВ. А., Ялунина Г. В. Метрология (теоретические, прикладные и законодательные основы): Учеб. пособие. – М.: ИПК Издательство стандартов, 1998.
5. Сергеев А. Г., КрохинВ. В. Метрология: Учебное пособие для вузов. – М.: Логос, 2000.
6. БрянскийЛ. Н. Непричесанная метрология.- М.: ПОТОК – ТЕСТ, 2002