1.7.4 Система передачі розміру одиниць

Кількість засобів вимірювальної техніки в різних видах вимірювань може сягати сотен тисяч і навіть мільйонів одиниць, тому первинний еталон не в змозі забезпечити передачу розміру відтворюваної ним одиниці навіть невеликій часині робочих ЗВТ.

Розмір одиниці ФВ передається від державного первинного еталона, який “задає точність”, іншим ЗВТ за допомогою “багатоповерхової” системи, куди входять еталони різного рівня і робочі ЗВТ [8]. Цю систему можна подати у вигляді піраміди (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Багатоповерхова система передавання розміру одиниці

Вершиною цієї піраміди є державний первинний еталон, який є єдиним у країні і має найбільшу точність. Він передає розмір одиниці вторинному еталону, а в разі його відсутності – робочому еталону 1-го розряду. Питання про необхідність створення вторинного еталона, а також кількість розрядів робочих еталонів вирішується для кожної одиниці ФВ окремо, у залежності від необхідної точності, кількості робочих ЗВТ і ряду інших критеріїв. Очевидно, чим нижче поверх цієї піраміди, тим нижче точність відповідного засобу і його вартість, але більша кількість.

Наприклад, система передачі розміру одиниці напруги постійного струму – вольта − включає, крім державного еталона, вторинний еталон (близько десяти) і робочі еталони 1-го, 2-го і 3-го розрядів, кількість яких становить кілька тисяч, а кількість робочих ЗВТ – близько мільйона. Нормативний документ, що регламентує метрологічну підпорядкованість ЗВТ, які беруть участь у передаванні розміру одиниці ФВ зі встановленням методу і похибок передавання, носить назву повірочної схеми. Завдяки існуванню системи передавання розміру одиниці і повірочної схеми забезпечується простежуваність вимірювань, під якою розуміється властивість еталона одиниці вимірювань або результату вимірювань бути пов’язаними з державними первинними еталонами відповідної одиниці шляхом звірення еталонів, повірки, калібрування або атестації ЗВТ.

Більш докладно питання побудови повірочних схем будуть розглянуті в розділі 2.

1.7.5 Стандартні довідкові дані про фізичні сталі та властивості речовин і матеріалів

Під стандартними довідковими даними (СДД) розуміють дані, одержані на основі аналізу і оцінки достовірності результатів розрахунків і вимірювань та затверджені центральним органом виконавчої влади в сфері метрології (Держспоживстандартом України).

Дослідження фізичних сталих, властивостей речовин та матеріалів, що проводяться у світі, відображаються у сотнях тисяч публікацій в різних журналах і довідниках, що видаються у багатьох країнах. З метою забезпечення збору, обробки, оцінки та стандартизації даних про фізичні сталі та властивості речовин і матеріалів, а також з метою видання довідкових матеріалів створено Державну службу стандартних довідкових даних (ДССДД) у системі Держспоживстандарту України.

Основними завданнями цієї служби є:

забезпечення вичерпною оперативною інформацією про властивості та склад речовин і матеріалів, які використовуються у виробництві; прискорення одержання нових речовин і матеріалів з визначенням їх властивостей та складу;

підвищення продуктивності праці науковців та інженерів за рахунок зниження затрат на пошук інформації;

забезпечення відповідного рівня точності значень фізичних констант та довідкових даних;

розвиток міжнародного співробітництва в галузі стандартизації.

Вико­нання одного із важливих завдань щодо забезпечення науковців і виробників достовірною та оперативною інформацією про властивості речовин та матеріалів можливе лише при використанні потужних електронно-обчислювальних засобів для збору та опрацювання даних на потребу споживача.

СДД і відповідна служба – важлива складова системи забезпечення єдності вимірювань у країні, оскільки уніфікована інформація широко використовується в науково-дослідних, проектно-конструкторських і виробничих організаціях і сприяє досягненню необхідного рівня достовірності результатів досліджень і вимірювань.

Окремо підкреслимо значення фізичних сталих (ФС) для забезпечення єдності вимірювань.

ФС – незалежні фізичні сталі, що є, як правило, характерними коефіцієнтами фундаментальних фізичних теорій. РМГ 29-99 [6] дає таке визначення: фізична стала – фізична величина, що має незмінне значення при визначених обставинах в обраній системі одиниць. Фундаментальна фізична стала (ФФС) – така фізична величина, значення якої, визначене експериментально в обраній системі одиниць, містить інформацію про найбільш загальні (фундаментальні) властивості матерії і залишається незмінним за будь-яких умов. До числа ФФС відносяться швидкість світла у вакуумі , електрична () і магнітна () сталі, стала Планка, елементарний заряд електронаі т.ін. Розрізняють універсальні, електромагнітні, атомні та фізико-хімічні сталі.

У табл. 1.3 наведено значення універсальних і деяких електромагнітних ФФС, погоджені XV Генеральною асамблеєю КОДАТА^ в 1986 р [11, 12].

На початку XX століття німецький фізик М. Планк довів, що основні одиниці можуть бути складені з фундаментальних фізичних сталих: швидкості світла c, сталої Планка h і гравітаційної сталої . Значення цих сталих фігурують у вигляді коефіцієнтів у рівняннях основних фізичних теорій − класичній і квантовій електродинаміці та загальній теорії відносності. Знаючи ці сталі, можна обчислити одиниці довжини часу і маси [13]^.

Таблиця 1.3

Значення деяких ФФС

Найменування величини	Позначення	Вихідне рівняння	Значення величини ± абсолютна похибка	Відносна похибка (·10-6)
Універсальні сталі
Швидкість світла у вакуумі		-	299792458 м/с	точно
Магнітна стала		-	410-7 Гн/м = 12,566370614·10-7 Гн/м	точно
Електрична стала			8,854187817 ·10-12 Ф/м	точно
Гравітаційна стала			(6,67259±0,00085)·10-11 м3кг –1с-2	128
Стала Планка			(6,6260755±0,0000040)·10-34 Дж ·с	0,60
Планківська маса			(2,17671±0,00014)·10-8 кг	64
Електромагнітні сталі
Елементарний заряд		-	(1,60217733±0,00000049)·10-19 Кл	0,30
Квант магнітного потоку			(2,06783461±0,00000061)·10-15 Вб	0,30
Стала Джозефсона			(4,8359767±0,0000014)·1014 Гц·В-1	0,30
Стала Клітцинга			25812,8056±0,0012 Ом	0,043
Гіромагнітне відношення протона		-	(26752,2128±0,0081)·104 с-1 Тл-1	0,30

Однак “планківські велечини” знаходяться дуже далеко від використовуваних на практиці діапазонів. Крім того, значення гравітаційної сталої, як і сталої Планка, дотепер відомо з недостатньою точністю. Але найголовнішим недоліком планківських одиниць є те, що вони не відтворюються за допомогою реальних фізичних об'єктів. Саме тому планківські одиниці не використовуються в метрології.

Подальший розвиток науки і техніки, успіхи квантової фізики і технології дозволили знайти практичне використання ФФС у метрології.

Як буде показано нижче, багато первинних еталонів, зокрема, деяких основних і ряду похідних одиниць (саме в області електрики), відтворюють одиниці, розміри яких виражаються через ФФС.