Эталоны основных единиц СИ. Состав и метрологические характеристики. Справочное пособие

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Автоматизированные станочные и инструментальные системы»

С.И. ЯРЕСЬКО

ЭТАЛОНЫ ОСНОВНЫХ ЕДИНИЦ СИ: СОСТАВ И МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Справочное пособие

Самара Самарский государственный технический университет

2018

– 1 –

Печатается по решению ученого совета СамГТУ (протокол № 9 от 31.03.2017).

УДК 006.354

ББК 30ц

Я 72

Яресько С.И.

Я 72 Эталоны основных единиц СИ: состав и метрологические харак-

теристики: справочное пособие / С.И. Яресько. – Самара: Самар. гос. техн.

ун-т, 2018. – 70 с.

Содержит краткие сведения о составе и основных метрологических характеристиках Государственных первичных эталонов основных единиц СИ. Представленные материалы базируются на действующей нормативной документации и данных Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии. Приведены сведения о возможных путях развития эталонной базы России до 2025 г., о предстоящей в 2018 г. ревизии Международной системы единиц. Представлена информация о переопределении основных единиц СИ, в результате которого каждая из них будет связана с некоторой определяющей константой, значение которой будет зафиксировано с нулевой неопределенностью.

Представленные сведения о составе и метрологических характеристиках ГПЭ позволяют получить полное представление о структуре, принципах действия и применении эталонов.

Предназначено для бакалавров, обучающихся по направлению подготовки 27.03.01 «Стандартизация и метрология», и может быть полезно студентам других естественно-научных направлений.

УДК 006.354

ББК 30ц

Я 72

Рецензент канд. техн. наук Н.Д. Папшева

– 2 –

ВВЕДЕНИЕ

Предлагаемое справочное пособие по дисциплине «Эталоны и поверочные средства» является учебным изданием, предназначенным для изучения студентами, обучающимися по направлению 27.03.01 «Стандартизация и метрология» с получением квалификации бакалавр, и может быть полезно при изучении других естественнонаучных дисциплин.

Ни одна область техники не может существовать без разветвленной системы измерений, с помощью которой можно контролировать технологические процессы, оценивать свойства и качество продукции. Об этом же свидетельствует мнение известного русского физика Б.Я. Якоби, высказанное им более 150 лет назад: «Искусство измере-

ния является могущественным оружием, созданным человеческим разумом для проникновения в законы природы и подчинения ее сил нашему господству». Определение значения физической величины возможно в соответствии с основным уравнением измерения при сравнении измеряемой величины с некоторой мерой. Мера, как известно, – это средство измерений, предназначенное для воспроизведения и/или хранения физической величины одного или нескольких размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью. Мера наивысшей точности называется эталоном. Многообразие физических величин определяет и многообразие эталонов.

Для обеспечения единства измерений, как одной из главных задач метрологии, необходима тождественность единиц, в которых проградуированы все средства измерений одной и той же физической величины. Решение этой задачи невозможно без создания эталонной базы измерений, обеспечивающей точное воспроизведение, хранение установленных единиц физических величин и передачу их размеров применяемым средствам измерений.

Основу государственной системы обеспечения единства измерений составляют первичные эталоны – уникальные измерительные комплек-

– 3 –

сы, созданные с учетом новейших достижений науки и техники. Первичный эталон, официально утвержденный в качестве исходного для страны, называется государственным. Основу эталонной базы России составляют государственные эталоны основных единиц СИ.

Содержанием настоящего пособия является изучение состава, метрологических характеристик и физических основ функционирования государственных первичных эталонов основных единиц СИ. Основная цель пособия – оказание информационной и методической поддержки студентам, изучающим дисциплину «Эталоны и поверочные средства», помощь при освоении нормативной документации при изучении государственных поверочных схем средств измерений основных единиц СИ и соответствующих им государственных первичных эталонов.

При изложении материала основное внимание уделено информированию пользователей СИ о предстоящей реформе Международной системы единиц и демонстрации высокого уровня российской эталонной базы, подтверждаемого метрологическими характеристиками действующих государственных первичных эталонов России.

Данное учебно-методическое издание, с одной стороны, основывается на знаниях, полученных студентами при изучении общей физики, химии, метрологии, основ теории измерений и физических основ измерений, с другой – оно же предоставляет дополнительный материал, способствующий их углубленному изучению.

Автор надеется, что представленные справочные сведения, отличающиеся достоверностью, доступностью и последовательностью изложения материала, логической взаимообусловленностью его отдельных разделов, послужат неотъемлемой составной частью комплекса учебных материалов при изучении дисциплины «Эталоны и поверочные средства».

– 4 –

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

– 5 –

1. СТРУКТУРА ОСНОВНЫХ ЕДИНИЦ СИ

1.1. Основные единицы СИ

Разнообразие ФВ упорядочивается при помощи систем ФВ (прил. 1). В системе ограниченный перечень величин принимается за основные, а другие (производные) величины выводятся из них при помощи уравнений связи (см. прил. 1). В настоящее время в качестве основной системы единиц большинством стран мира принята Международная система единиц, СИ (см. прил. 1). СИ – это когерентная система, включающая в себя основные величины, их единицы и производные единицы. СИ – современный вариант метрической системы, является наиболее широко используемой системой единиц в мире как в повседневной жизни, так и в науке и технике. Даже в тех странах, где в повседневной жизни используются традиционные для этих стран единицы, в областях техники, как правило, применяется СИ.

Полное официальное описание основных единиц СИ (рис. 1), а также СИ в целом вместе с её толкованием содержится в действующей редакции Брошюры СИ (8-я редакция) и Дополнении к ней, опубликованных МБМВ (прил. 2) и представленных на сайте МБМВ [1, 2].

В системе в качестве основных выбрано семь величин.

∙L – длина.

∙M – масса.

∙T – время.

∙I – сила постоянного электрического тока.

∙Θ – термодинамическая температура.

∙N – количество вещества.

∙J – сила света.

Считается, что в рамках СИ эти единицы имеют независимую размерность, т.е. ни одна из основных единиц не может быть получена из других.

В нашей стране внедрение СИ началось в 1961 г. С 1 января 1963 года согласно ГОСТ 9867-61 «Международная система единиц»

– 6 –

ГОСТ 8.417-81. ГОСТ 8.417-2002 устанавливает единицы ФВ, применяемые в стране: наименования, обозначения, определения и правила их применения. Согласно п. 4.1 данного стандарта, на территории России подлежат обязательному применению единицы Международной системы единиц.

Структура множества основных величин, входящих в СИ, базируется на выделении двух основных категорий величин:

−величин, характеризующих фундаментальные свойства материального мира: протяженность, масса, время;

−величин, представляющих один из разделов физики: сила тока, температура, количество вещества, сила света.

Существует иная трактовка разделения семи основных единиц СИ на три типа [4].

1. Эталон-артефакт.

2. Единицы, определяемые заданием физического состояния или условия. К таким единицам относятся единицы времени, температуры, количества вещества и силы света.

3. Единицы, определяемые заданием способа их реализации. К ним относятся единицы длины и силы постоянного электрического тока.

– 7 –

Этим величинам соответствуют основные единицы СИ:

· килограмм есть единица массы, равная массе международного прототипа килограмма [I ГКМВ (1889) и III ГКМВ (1901)] (ГОСТ

8.417-2002);

· секунда есть время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями (см. прил. 1) основного состояния атома цезия-133 в отсутствии возмущения полями [XIII ГКМВ (1967), Резолюция 1] (ГОСТ 8.4172002);

·кельвин есть единица термодинамической температуры, равная 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды

(см. прил. 1) [XIII ГКМВ (1967), Резолюция 4] (ГОСТ 8.417-2002);

·моль есть количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг. При применении моля структурные элементы должны быть специфицированы и могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами и другими частицами или специфицированными группами частиц

[XIV ГКМВ (1971), Резолюция 3] (ГОСТ 8.417-2002);

·кандела есть сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540×1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет

1/683 Вт/стер [XVI ГКМВ (1979), Резолюция 3] (ГОСТ 8.417-2002);

·метр есть длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1/299792458 с [XVII ГКМВ (1983), Резолюция 1] (ГОСТ

8.417-2002);

· ампер есть сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2×10–7 Н [МКМВ (1946), Резолюция 2, одобренная

IX ГКМВ (1948)] (ГОСТ 8.417-2002).

– 8 –

1.2. Моль – седьмая основная единица СИ

Моль, как основная единица СИ, был дополнительно введен в систему на XIV ГКМВ (1971), 11 лет спустя после утверждения первых шести единиц.

При введении моля был допущен ряд отступлений от принципов образования систем ФВ. Во-первых, не было дано четкого и однозначного определения основополагающего понятия «количество вещества». Это понятие можно интерпретировать как массу того или иного вещества или как количество структурных единиц, содержащихся в данном веществе. Во-вторых, из определения моля неясно, каким образом возможно получение объективно количественной информации о данной ФВ при помощи измерений [5].

Следовательно, закономерен вопрос о функции, выполняемой молем среди основных единиц СИ. Как известно [5, 6], любая основная единица призвана осуществлять две функции. Воспроизведенная в виде эталона, она должна обеспечивать единство измерений не только собственной ФВ, но и производных величин, в формировании размерности которых она участвует. Формально при образовании удельных величин моль входит в их размерность. Однако удельную величину не следует отождествлять с производной ФВ. Удельные величины отличаются от соответствующих ФВ только количественно. Они представляют тот же количественный аспект измеряемого свойства, но только отнесенный либо к единице массы, либо к единице объема, либо, как в рассматриваемом случае, к молю. Отсюда следует, что моль не выполняет одну из самых главных функций единицы основной ФВ. Не выполняет моль и функции обеспечения единства измерений количества вещества. Моль является расчетной единицей, и эталона для его воспроизведения не существует. Не существует также ни одного метода и средства, предназначенного для измерения моля в соответствии с его определением. Все это свидетельствует о том, что весьма вероятно ожидать исключения моля из числа основных единиц ФВ.

– 10 –