Лекция № 9. Государственное регулирование обеспечения единства измерений (гроеи)
9.1. Эталоны. Эталонная база рф
Средства измерений не вечны. Чтобы быть уверенным в их исправности, необходимо периодически проверять значения их метрологических характеристик при помощи более точных средств измерений (эталонов). Эталономназывается средство измерений (комплекс средств измерений), предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы величины и передачи ее размера менее точным средствам измерений. Такую операцию называют поверкой или калибровкой.
Воспроизведением называют совокупность операций, имеющих целью воссоздание участке (или точки) шкалы, соответствующего ее определению (спецификации). Передача – это процедура приведения шкалы рабочего средства измерений (или поверяемого эталона) в соответствие со шкалой, хранимой более точным СИ-эталоном.
Различают следующие виды эталонов. (см. след. стр.)
Классификация эталонов
Воспроизводимое эталоном единицы измерения значение величины может отличаться как от единицы измерения, так и от ее кратного или дольного десятичного значения. Так, ГПЭ единицы электрической емкости имеет номинальное значение 0,2 пФ, ГПЭ единицы крутящего момента – диапазон от 20 до 2500 Н·м
Все эталоны занесены в Реестр эталонов. Как правило, эталон является уникальным сложнейшим измерительным комплексом, в котором использованы новейшие достижения науки, техники и технологии. Например, Государственный первичный эталон единицы длины - метра - ГЭТ 2-85 реализуется при помощи метода, основанного на определении количества длин волн светового излучения, которое укладывается в измеряемый отрезок. В составе данного эталона: источники эталонного излучения - гелий-неоновые лазеры, стабилизированные по линии насыщенного поглощения в молекулярном йоде-127 (He-Ne/J2 - лазеры); установка для измерения отношений длин волн источников излучения; интерференционный компаратор с лазерным интерференционным рефрактометром.
Эталонную базу РФ образуют государственные эталоны единиц величин. Государственные первичные эталоны единиц величин не подлежат приватизации. Сведения о государственных эталонах единиц величин вносятся в Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений.
Государственные первичные эталоны единиц величин содержатся и применяются в государственных научных метрологических институтах. Эти эталоны подлежат периодическим сличениям с эталонами величин Международного бюро мер и весов и национальными эталонами единиц иностранных государств. Применяемые в РФ эталоны (вторичные и рабочие) должны прослеживаться к государственным первичным эталонам соответствующих единиц величин.
Эталонами обеспечены почти все основные единицы Международной системы единиц (исключение составляет единица количества вещества – моль) и многие производные единицы. В связи с освоением метрологией новых областей измерений, увеличением числа допущенных к применению единиц величин (на сегодняшний день их более 2000) и, соответственно, числа эталонов все больше внимания уделяется совершенствованию эталонной базы, в первую очередь повышению точности эталонов.
Единица измерения массы – килограмм – оказалась последней основной единицей SI, воспроизводимой вещественным, рукотворным эталоном, никак не связанным с фундаментальными физическими константами (ФФК), естественными явлениями природы.
Международный эталон килограмма ("килограмм Архива") представляет собой цилиндр из платино-иридиевого сплава диаметром и высотой 39 мм. Наличие международного эталона в единственном экземпляре не исключает возможности его утраты, вызывает необходимость периодических непосредственных сличений с ним национальных эталонов.
Наименьшая относительная погрешность измерения килограмма составляет 1·10-9 (при абсолютной погрешности 1 мкг для верхнего предела измерения 1 кг).
Поэтому в некоторых научных метрологических центрах проводится большая работа по созданию эталона килограмма, связанного с естественными или фундаментальными константами. В первую очередь здесь стоит отметить метод, согласно которому килограмм может быть определен как 1/12 киломоля углерода при уточнении значения постоянной Авогадро (достигнутая погрешность метода 3·10-7). Другой метод предусматривает выражение килограмма с помощью силы, развиваемой в электростатических весах. Этот метод опирается на эффект Джозефсона, значения скорости света в вакууме, ускорения свободного падения, постоянной Планка и имеет относительную погрешность 8·10-8.
Исследования метрологов направлены на поиск и изучение высокостабильных процессов и явлений микромира, воспроизводимость которых обеспечивалась бы фундаментальными положениями физики и позволила решить проблему перехода эталонной базы на систему так называемых естественных эталонов, опирающихся на фундаментальные физические константы, глубокая связь метрологии с ФФК проявляется, в частности, в тенденции создания комплексных эталонов:
- единого эталона времени-частоты-длины на основе общего физического процесса – распространения электромагнитных волн в вакууме;
- единого эталона силы тока-напряжения-сопротивления, опирающегося на квантовые эффекты Джозефсона и Холла.