1.2.1 Эталоны мер, их значение для развития общества

Метрология скачёк вбудущее

Едва появившись на свет, человек становится объектом измерений. Людям важно знать вес, рост и температуру каждого нового члена общества. В последствии человек сам учится измерять, сравнивать и делить. Весы, линейки, термометры, часы и счетчики - неотъемлемые атрибуты нашей жизни. Как только появились быстрые средства коммуникации: транспортные, информационные, радио и т.д., вот это-то и потребовало жесткой увязки временной. И поэтому сейчас если представить себе, что вдруг по той или иной причине застопорится, остановится, то это кризис цивилизации.

Без единых стандартов не возможен порядок. Без точных измерений не возможен прогресс. Метрология - главное поле битвы за технологии будущего.

В начале 20 века инженеру Генри Лиланду - создатель Кадиллака пришла в голову невероятная идея. Изобретатель тут же решил подтвердить свое открытие экспериментом. Он разобрал 3 Кадиллака до мельчайших деталей и перемешал их с другими компонентами, а затем собрал автомобили снова, доказав, что детали могут быть взаимозаменяемыми. Их не нужно производить для каждого автомобиля отдельно, как раньше, если у каждой будет точный размер. История знает много случаев, когда размер имеет значение. В начале прошлого века полностью сгорел город Чикаго, хотя вблизи текла река Чикаго. Но пожар не смогли потушить, потому что пожарные шланги были изготовлены без соблюдения размеров, и они друг с другом просто не соединялись. В транспорте точность размеров - это, прежде всего, безопасность. Если фрагмент обшивки авиалайнера сместится при сборке всего на сотую долю миллиметра, трагедии не избежать. Как добиться того, чтобы этот миллиметр был точно определен, чтобы все этапы производства использовали единые меры измерений?

Эталон длины.

В каждой стране на определенном этапе были созданы меры длины , массы, которые хранились в специальных учреждениях, либо в правительственных учреждениях, которые считались образцами. Вот английский ярд. По легенде Ярд - это расстояние от кончика носа до конца вытянутой руки короля Генриха Первого. А что будет, если вдруг этот ярд по каким-то причинам утратится? Стало понятно, что пользоваться эталонными мерами, которые были созданы от каких-то произвольных вещей, это не удобно. О необходимости международных единиц измерения говорили ученые разных стран. Но впервые единую меру длины предложили французы. За стандарт приняли одну сорокамиллионную часть земного меридиана, проходящего через Париж. Изготовленный в 1889 году эталон назвали метром подлинным и окончательным.

Эталон метра представлял собой платиново-иридиевый стержень Х-образного сечения длинной 1020 мм. На нейтральной плоскости при 0° С было нанесено по 3 штриха с каждой стороны, расстояние между средними штрихами составляло 1 метр (рисунок 1.1). Эталоны были пронумерованы и сличены с Архивным метром. Наиболее близким к Архивному оказался прототип №6, он и был утвержден в качестве международного прототипа (в 1889 году). Таким образом эталон метра стал искусственным и представлял собой штриховую меру.

Рисунок 1.1.

К эталону № 6 было добавлено еще 4 эталона-свидетеля и они были оставлены в Международном Бюро. Остальные эталоны были распределены по жребию между странами, подписавшими Конвенцию. России достались эталоны №11 и №28, причем №28 был ближе к международному прототипу , поэтому он стал национальным эталоном России.

Со временем оказалось, что французский метр далеко не подлинный, так как точность расчета меридиана не соответствует современным требованиям, да и само изготовление эталона тоже. Сегодня от этого определения осталось лишь первое слово - метр. Погрешность передачи единицы длины от эталона к измерительным средствам составляла 0,1-0,2 мкм, что, с развитием техники, становится явно недостаточно. Поэтому и уменьшение погрешности передачи и желание иметь естественный неразрушаемый эталон стимулировало совершенствование эталона метра. В 1983 году XVII Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение метра: 1 метр – это единица длины, равная пути, проходимому в вакууме светом за 1/299792458 долю секунды. То есть обратная величина скорости света. Метр стал связан однозначно с интервалом времени. Фактически это означает, что метр перестал быть независимой величиной. Так все основные средства измерений оказались взаимосвязаны. Прежде чем определить метр, нужно договориться, что такое секунда. Прежде чем высчитать секунду, нужно точно знать скорость вращения Земли. Прежде чем сделать эталон килограмма, нужно понять, что такое кубический дециметр воды. Вообще в мире вся система мер - это вещь договорная. Человечество собралось и договорилось.

Утвердив меру в качестве эталона, ее нужно хранить как высшую государственную ценность. Например, эталон длины. Этот размер перенесется на все, что это предприятие выпускает. Ошибка в первичном размере приведет к пролонгированной ошибке на всей цепочке технологической, поскольку из отдельных деталей собираются узлы, из узлов собирается полная конструкция. Это умноженная многократно ошибка. Единые длины имеются в 89 странах мира, подписавших метрическую конвенцию. Стальные копии этих эталонов хранятся в региональных центрах метрологии. От них идеальные размеры передаются на заводы. Наконец каждый завод делает еще одну копию эталона - рабочие средства измерения.

Авиационные двигатели могут делать только 5 стран мира, потому что они очень точные по своим параметрам. А точность обеспечивается, в первую очередь, метрологическими измерениями.

Например, авиационный двигатель весит около 1,5 тонн. А точность, при которой изготавливаются отдельные элементы этого двигателя, достигает около микрона, это очень маленькая величина. Крошечный дефект может стать причиной поломки всего двигателя самолета. Поэтому поверхность каждой детали обрабатывается так, что в нее можно смотреться как в зеркало. Для сборки используется полмиллиона средств линейных измерений. Каждая деталь самолета аттестуется по сотням параметров: масса, плотность, время обтачивания, реакции материала на перепады температуры, шероховатость. Но главное в любом машиностроении - это размер.

меры.

Храниться меры длины должны законсервированными в специальном масле или чем-то таком, иначе просто начнется коррозия, ржавление и т.д. По этой же причине меры нельзя трогать руками, в противном случае останутся отпечатки, опять же мера начнет ржаветь и размер будет утерян. Эталоны размеров на производстве применяются настолько интенсивно, что за их износом следит особое бюро технического контроля. Раз в год все средства измерений проходят обязательную переаттестацию. Бруски металла только выглядят прочными, а на деле могут деформироваться сотней разных способов. Влажность в помещении, пыль, вибрация - все это влияет на точность размеров.

В настоящее время эталон не является физическим предметом и представляет собой установок. Состав эталона метра:

1. Источник первичного эталонного излучения – высокостабилизированный по частоте лазер (гелий-неоновый).

2. Эталонный интерферометр, применяемый для исследования источников первичного и вторичных эталонных измерений.

3. Эталонный интерферометр, применяемый для измерений длины штриховых и концевых мер (вторичных эталонов).

В качестве вторичных эталонов используются:

1. Платиновоиридиевые штриховые меры длины;

2. Интерференционные установки для абсолютных измерений длины в длинах волн эталонных излучений:

криптона-86;

ртути-198;

кадмия-114.

Минимальное деление обычной школьной линейки - миллиметр. Силовой микроскоп измеряет с точностью в одну тысячную миллиметра, лазерный интерферометр - с точность в одну стотысячную миллиметра. Ошибка измерений школьной линейкой полмиллиметра. Несомненно современные технологии требуют несравнимо более точных размеров. . Современная микроэлектроника оперирует с объектами размером с атом Сегодня длину определяют с точностью до 10 в минус 10 степени метра. (1 Нанометр = 10^-9м. Так в метрологии возникает шкала сверхмалых величин. Микрометр - одна миллионная часть метра. Нанометр - одна миллиардная часть метра. Ангстрем - одна десятимиллиардная часть. Попробуем представить эти масштабы. Если 60 микрометров - средяя толщина человеческого волоса, то размеры керотиновых чешуек на поверхности волоса рассчитываются уже в нанометрах. Что касается ангстремов, в этих величинах определяется расстояние между аминокислотами молекул белка, входящих в состав твердой структуры волос. Нанометрология - область науки, где сливаются воедино достижения генной инженерии, медицины и точнейших линейных измерений.

Эталон массы

Старейшая на сегодняшний день материальная единица измерения - эталон массы. Международное определение идеального килограмма не меняется с 1875 года. Килограмм определили как вес одного кубического дециметра воды при наибольшей ее плотности, при температуре 4 градуса. В России копия идеального килограмма хранится в Петербургском научно-исследовательском институте метрологии им. Д.И.Менделеева.

Кубический дециметр воды из парижской реки Сена увековечили в платиноиридиевом прототипе. Чистая платина не окисляется и имеет большую плотность и твердость. Но платина не идеальный металл, слишком чувствительно реагирует на изменения температуры. Проблему решило добавление иридия. 90% платины и 10% иридия стали совершенным материалом для хранения весовой гири в 19 веке. Как ни странно, этот прототип до сих пор служит всеобщим эталоном веса. Хотя его точность не столь высока как у других более современных эталонов. Если единица времени воспроизводится с погрешностью несколько единиц 16-го знака, то, скажем, величины типа электрические, тот же килограмм, те же тепловые величины, это что-нибудь типа девятый, восьмой знак. То есть отличие 6-7 порядков, то есть десятки миллионов раз. Килограмм - самый проблемный эталон в мире. Несмотря на аккуратность при хранении, сверхпрочная гиря постепенно меняется в весе.

За последние 100 лет относительно международного эталона, международного прототипа, который хранится в Париже, российский эталон килограмма изменился на 30 микрограмм. С поверхности металла происходит испарение, механический износ, на металл осаждаются атомы кислорода, водорода, тяжелых металлов. Пока мы используем этот прототип, этого не избежать. Чем грозит отклонение от эталона веса на 30 микрограммов? Что такое один микрограмм? Тысячная доля миллиграмма или миллионная доля грамма? 500 микрограммов обычных яблок - это 1 кубический миллиметр. В сфере бытовой торговли таких изменений никто не заметит. Другое дело - фармацевтика. Если ошибка при изготовлении лекарства будет на один миллиграмм, последствия могут быть очень трагичными. Ученые всего мира работают над созданием обновленного эталона массы - шара из сверхчистого кремния. Кремний имеет идеальную кристаллическую решетку. С помощью силовых микроскопов метрологи определят точное количество атомов в одном килограмме кремния.

Эталоны времени.

Уже сейчас современный человек ежеминутно сталкивается с работой сложнейших метрологических устройств, даже не подозревая об этом. Например, мобильная связь, мобильный телефон. . Кто задумывался, почему оно работает? Кнопочку нажал - работает. Для того чтобы мобильная связь работала, вот эти станции сотовые, вот эти вышки, которые люди все видят, должны быть жестко синхронизованы межу собой, то есть увязаны по времени. И эта увязка по времени для обеспечения работоспособности мобильной связи, это миллионные доли секунды.

Люди измеряли время по обращению небесных светил до середины 20 века. Но такой способ оказался далеко не идеальным. Земля потихоньку замедляется в своем вращении. Более того она вращается не совсем равномерно. То есть, грубо говоря, то побыстрее, то помедленнее. Перед метрологией встал вопрос: как вычислить и сохранить точный интервал времени? В 1967 году был создан новый эталон.

Это 9 млрд. 192 млн. 631 тысяча 770 периодов излучения атома цезия 133 в основном состоянии. Когда столько периодов излучения отсчитают, это и есть одна секунда. И есть устройства, конкретные приборы, физические установки, которые это реализуют. Почему цезий? Он наиболее нечувствителен к внешним воздействиям. В России главный эталон времени хранится в подмосковном научно-исследовательской институте физико-технических и радиотехнических измерений. За определение точного времени отвечает сложнейший комплекс приборов - хранителей и частоты, и шкал времени. Российский эталон времени входит в группу лучших мировых эталонов. Его относительная погрешность не более 1 секунды за полмиллиона лет.

Только изобретение атомных эталонов времени часов позволило создать сложнейшие системы навигации: GPS и Глонасс. Для того чтобы передвижение на дороге было удобным, система должна определить положение машины в пределах одного метра. Метр для спутника - это 3 миллиардные доли секунды. С такой невероятной скоростью идет обновление информации о передвижении автомобиля. При помощи сигналов спутников метрологи всего мира обмениваются данными о точном времени. Установки фиксируют разность показания часов лабораторий и спутника. Затем данные всех лабораторий сличаются специальной программой. В результате получается синхронизированное международное атомное время. Подмосковный спутниковый комплекс осуществляет передачу данных в космос с погрешностью всего в одну наносекунду, то есть в одну миллиардную часть секунды обычной.

«Хранители времени». Как бы загадочно должность этих специалистов ни звучала, атомные часы в Институте радиотехнических измерений, по которым сверяет стрелки вся страна, не выглядят фантастически. Хотя здесь оперируют нано и пико секундами, человеку почувствовать такую точность не дано.

«Когда говорят о точном времени, то в своей массе, на бытовом уровне, люди слышат, передающие сигналы проверки времени по радио «пи, пи, пи», вот это точное время. На самом деле это время с нашей колокольни мало точное, очень скромной точности. Национальная шкала времени та, которую мы здесь формируем. Погрешность за сутки составляет приблизительно несколько стомиллиардных долей секунды в сутки», Чтобы атомные часы убежали вперед или отстали на секунду, должны пройти миллионы лет. Главные потребители эталонного времени – сотовая связь и навигация.

«Современные системы радионавигации пользуются электромагнитными сигналами, которые распространяются со скоростью света». За миллиардную долю секунды свет распространяется на 30 сантиметров. Если мы хотим с помощью ГЛОНАСС определять своё местоположение с метровой точностью, это значит, что вся система должна работать с погрешностью одну – две миллиардные доли секунды. GPS, ГЛОНАСС – это система спутников, которые предназначены для точного определения географических координат и точного времени. GPS, иначе ее называют NAVSTAR – американская группировка спутников, ГЛОНАСС – российская.

Атомному времени столько же лет, сколько и космонавтике. Полвека. Бурное развитие квантовой физики привело к тому, что в середине XX века появились первые атомные часы, а Международный комитет по мерам и весам принял решение перейти на атомный стандарт. Современный эталон времени – это цезиевый репер частоты. Прибор за стеклом, заходить в комнату нельзя, т.к. у прибора «тепличные условия», они созданы специально для того, чтобы внешний мир не мешал работе. А если говорить о точности, то это десятимиллионная часть миллиардной доли секунды. Выговорить и осмыслить сложно. Казалось бы, что ещё в природе может быть точнее? Оказывается, может - нейтронные звёзды. Пульсары или нейтронные звезды - это то, во что превращаются звёзды после своей гибели. Они взрываются, быстро закручиваются. Появляется шар с железной оболочкой и огромной силой притяжения, излучающий волны со строгой периодичностью. «Электрическое поле вырывает электроны прямо с поверхности звезды, а она железная, они летят, ускоряются и в направлении своего движения они излучают разные волны». Пульсары открыли английские астрономы в 1967 году. Информация долго была секретной. Думали, что это сигнал внеземных цивилизаций. Ведь не могут природные объекты давать радиосигналы с такой частотой. Привлекали даже шифровальщиков. Однако гипотеза об искусственном происхождении вспышек не подтвердилась. «Если бы мы захотели с кем-то вступить в контакт, - говорит Михаил Попов, - можно подавать позывные, они никакой информации не несут, импульсы, которые в жизни не должны образовываться. Пока не открыли пульсары, так думали». Идею, использовать пульсары для сверки земных часов, предложили российские ученые. Точность звёздных импульсов превосходит атомный эталон на несколько порядков. Получается, что вскоре, на вопрос: «Который час?» человечеству будет отвечать Вселенная.