Эталонных физических величин

Состояние эталонов различных физических величин и условия их воспроизведения не одинаковы. Так, например эталон массы существует издавна и возможности повышения точности его воспроизведения весьма проблематичны. Погрешность воспроизведения единицы массы составляет в настоящее время 2∙ 10 ^{– 9 кг, что явно недостаточно для современного уровня развития науки и техники. Возможность повышения точности воспроизведения этой единицы путем подсчета числа атомов какого-либо химического элемента в единице объема ограничивается низкой точностью определения числа Авогадро [1, п. 3.3}].

Метр был в числе первых единиц, для которых были введены эталоны. По мере прогресса науки и технологий в области измерений длины про-изошли радикальные изменения в точности и возможностях воспроизведе-ния единицы длины. Так, в 1985г. было законодательно закреплено, что эталон метра это есть расстояние, проходимое светом в вакууме за 1/299 792 458 долей секунды. В качестве источника света используется монохроматичес-кое излучение, генерируемое стабилизированным лазером.

Метр может быть реализован одним из следующих способов, реко-мендованных Международным комитетом мер и весов:

1) через длину пути l, проходимого в вакууме плоской электромагнит-ной волной за измеренный промежуток времени t: . При этом необ-ходимо вносить поправки, учитывающие реальные условия (дифракцию, гравитацию, неидеальность вакуума). Этот вариант используется в государ-ственном первичном эталоне единиц времени, частоты и длины. При этом единица метра воспроизводится в диапазоне от нуля до 1м со средним квадратическим отклонением не более 5∙ 10 ^{– 9 м;}

2) через длину волны λ в вакууме плоской электромагнитной волны с известной частотой ν: l=nλ;

3) через длины волн в вакууме излучений ряда источников, включен-ных в специальный список. В нем перечислены рекомендованные источники излучения, указаны частоты и длины волн в вакууме, а также перечислены технические требования и приведены погрешности воспроизведения длин волн и частот.

Во вторичных эталонах и образцовых средствах измерений метр вос-производится третьим способом, путем применения He-Ne и аргоновых лазеров, стабилизированных по резонансам насыщенного поглощения в йоде или метане.

Государственная поверочная схема для СИ длины в диапазоне от 1∙ 10 ^{– 6} – 50 м определяется рекомендациями МИ 2060 – 90.

В области термодинамических величин действуют два первичных и один специальный эталоны, воспроизводящие единицу температуры Кельвин в различных температурных диапазонах, а также 11 государственных этало-нов теплофизики, в том числе: эталон количества теплоты, эталон удельной теплоемкости, эталон теплопроводности и т. д.

В середине прошлого века Томсон (Кельвин) показал, что можно уста-новить термодинамическую шкалу, не зависящую от рода термометричес-кого вещества. Эта шкала опирается на две реперные точки (точка таяния льда и точка кипения воды), а промежуток между этими точками принят равным 100˚ С. В дальнейшем Кельвин и независимо от него Менделеев высказали предложение о целесообразности построения термодинамической шкалы по одной реперной точке. В такой шкале необходимо придать определенное числовое значение единственной экспериментально определя-емой точке (например, тройная точка воды). Нижней границей температур-ного интервала является точка абсолютного нуля. Погрешность воспроизве-дения 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 сентябре 1989 г. на 17-й сессии Консультативного комитета по термо-метрии была принята международная практическая температурная шкала МТШ-90, которая с 1990 г. заменила МПТШ-68 и предварительную темпе-ратурную шкалу ПТШ-76. Она определяет кельвин (К) 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.

Государственная поверочная схема для СИ температуры устанавлива-ется ГОСТ 8.558-93, причем государственные эталоны единицы темпера-туры соответствуют основным положениям, заложенным в МПТШ-68 и МТШ-90.

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 воспроизведе-ния единицы температуры в тройной точке воды составляет 0, 2 мК.

Погрешности воспроизведения единиц теплофизических величин нахо-дятся на уровне 10 ^{– 4} – 10 ^{– 2}.

Основу единства измерений оптико-физических величин обеспечивает государственный первичный эталон единицы силы света – канделлы.

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. И, наконец, в 1921 г. был создан международный эталон силы света – группа постоянно возобновляемых электрических ламп нака-ливания с угольной нитью. Дальнейшее развитие науки и техники позво-лило создать (1937 г.) эталон силы света в виде полных излучателей (модель абсолютно черного тела) с приписанной яркостью 60 кд/м² при температуре затвердевания расплавленной платины.

Единство измерений световых величин обеспечивается ГОСТ 8.023-90. ГСИ “Государственная поверочная схема для средств измерений световых величин непрерывного и импульсного излучений”.

Современный государственный эталон канделлы (кд) имеет диапазон номинальных значений 30 – 110 кд; среднее квадратическое отклонение результата измерений – 1∙ 10 ^{– 3} кд; неисключенная систематическая погреш-ность составляет 2, 5∙ 10 ^{– 3} кд.

В области измерений электрических и магнитных величин (включая радиотехнические) созданы и функционируют свыше 32 эталонов. Основу составляют эталоны, которые наиболее точно воспроизводят основные единицы и определяют размеры производных как электрических, так и магнитных единиц. Среди них государственные первичные эталоны единиц ЭДС (напряжения), единиц сопротивления и электрической емкости.

В области эталонов меры электрических величин за последние годы был достигнут значительный прогресс. Покажем как это происходило.

До последнего времени единицу силы электрического тока – ампер на практике приходилось определять косвенно по тем действиям, которые ток оказывал на различные объекты, например выделение теплоты при прохо-ждении тока через проводник, осаждение вещества на электродах при прохождении тока через электролит и т. д. Механическое действие тока на магнит или проводник с током было положено в основу эталона ампера. Это было реализовано на токовых весах [1, п. 4.6]. Погрешность воспроизве-дения размера единицы электрического тока таким эталоном не превышает 4∙ 10 ^{– 4} – 6∙ 10 ^{– 6}.

Наиболее точно воспроизводимый эталон напряжения – нормальный элемент Уэстона имеет точность порядка 10 ^{– 6}. Применение в качестве эта-лона нормального элемента было обусловлено его высокой стабильностью. Такой элемент действителен в течение 20 лет. Позднее он был заменен групповым эталоном, который создается совокупностью отобранных эталонов (элементов), в которой с течением времени новые, более точные экземпля-ры, заменяют менее стабильные элементы. Групповой эталон, составленный из 25 элементов, имел нестабильность 1∙ 10 ^{– 8} В/год. При такой высокой стабильности достаточно проводить контроль с интервалами в несколько месяцев [24].