Эталоны основных единиц СИ. Состав и метрологические характеристики. Справочное пособие
.pdf∙комплекса передачи единиц времени, частоты и национальной шкалы времени;
∙комплекса средств технического обеспечения (источники бесперебойного питания, средства поддержания температуры и влажности).
Воспроизведение единицы времени (и частоты) в соответствии с
ееопределением реализуется в специально созданной, уникальной по своим характеристикам установке. Это цезиевый репер частоты, в котором с наивысшей точностью реализован принцип цезиевой меры частоты (рис. 4).
Основные физические принципы работы ГПЭ – явление резонансного поглощения электромагнитного излучения атомами цезия133, охлаждение атомов до температур в единицы мкК, удержание и управление их движением путем взаимодействия с лазерным излучением. Конструкция атомного спектроскопа обеспечивает баллистическую траекторию атомов цезия фонтанного типа.
В состав эталона входят два цезиевых квантовых стандарта частоты (см. рис. 4) и 4 водородных стандарта частоты. В состав эталона входят также водородные реперы частоты (рис. 5), принцип действия которых основан на резонансном излучении с меньшей частотой (1420405751,8 Гц). Эти реперы являются эталонами-копиями и позволяют долгое время сохранять установленный с помощью первичного (цезиевого) репера размер секунды, не прибегая к его частому включению. Все реперы воспроизводят значение частоты, определяющей размер секунды, лишь периодически.
Комплекс средств технического обеспечения предназначен для обеспечения бесперебойного электроснабжения технических средств эталона, мониторинга и поддержания в специализированных помещениях, где размещен эталон, требуемых условий эксплуатации.
Хранение единиц времени и частоты осуществляется группой водородных стандартов времени и частоты. Это непрерывно работающие меры (кварцевые плюс квантовые), обеспечивающие формирование и хранение шкал времени.
–21 –
Рис. 4. Репер метрологический |
Рис. 5. |
Стандарты частоты |
|
цезиевый «Фонтан» |
|||
и времени водородные Ч1-75А |
|||
МГФК.411711.097 |
|||
|
|
||
Основная шкала, хранимая эталоном, – шкала равномерного атомного времени (ТА). Это равномерная шкала интервалов с фиксированным нулем отсчета. Размер ее секунды соответствует определению 1967 г. (см. раздел 1.1). Шкала никак не связана с вращением Земли, с ее положением в пространстве. Наряду с ней существует группа неравномерных шкал времени, связанных с положением Земли в пространстве и калибруемых по результатам астрономических и радиоастрономических наблюдений:
∙шкала всемирного времени UT0, длительность секунды в которой равна средней солнечной секунде;
∙шкала всемирного времени UT1, которая отличается от UT0 поправкой на колебания полюсов Земли:
∙шкала всемирного времени 
, которая отличается от 
поправкой на сезонную неравномерность вращения Земли:
Шкалы ТА и UT постепенно и постоянно расходятся. Чтобы максимально устранить последствия этого, введена шкала координированного времени UTC. Секунда UTC равна секунде ТА, а начало счета может меняться ровно на 1 с с первого числа каждого месяца (предпочтительно 1 января или 1 июня) в 0 ч по шкале UT2 с тем, чтобы расхождения между UTC и UT2 не превышали бы 0,9 с. Практически поправка вводится раз в год – 1 января.
– 22 –
Шкала UTC (точнее, ее национальная версия UTC(SU)) также поддерживается эталоном времени и частоты России.
Именно шкала UTC(SU) используется для передачи сигналов времени через радио- и телевизионные каналы.
Комплекс аппаратуры ГПЭ хранится и применяется во ВНИИФТРИ, где он размещен в пяти термостатных комнатах и четырех аппаратных залах. Аппаратура размещена на специальных фундаментах, развязанных от корпуса здания, экранирована от внешних магнитных полей. Температура в термостатных комнатах в течение года изменяется не более чем на 4 ° С, в течение суток – не более 0,2 ° С. Влажность колеблется в пределах 70±10 %.
ГПЭ единиц времени, частоты и национальной шкалы времени применяют для передачи единиц времени, частоты и шкалы времени национальным, вторичным, рабочим средствам измерений. Для этого используют метод сличений с помощью компараторов, метод сличений с использованием перевозимых квантовых часов, а также метод сличений с использованием сигналов времени и частоты, передаваемых по каналам связи и космическими навигационными системами.
3.2. Метрологические характеристики ГЭВЧ
НЗД: номинальное значение частоты, при котором воспроизводятся единицы времени и частоты: 9192631770 Гц.
Диапазон измеряемых интервалов времени от 1,0×10–9 до 1,0×108 с, диапазон измеряемых частот – от 1,0 до 5,0×1014 Гц.
ГПЭ единиц времени и частоты обеспечивает воспроизведение единиц времени и частоты (секунды и герца) с НСП 5,0×10–16 [19]. Относительная нестабильность единиц времени и частоты при интервалах времени измерений 1–30 сут. не превышает 1,0×10–15 . СКО результатов измерений при воспроизведении единиц времени и частоты при интервале времени измерений 1 сут. не превышает 5,0×10–15 . Пределы допускаемого смещения национальной шкалы времени UTC(SU) относительно Международной шкалы координированного времени UTC 
.
– 23 –
4.ЭТАЛОН ЕДИНИЦЫ ДЛИНЫ
4.1.Состав ГПЭ единицы длины (ГЭТ 2-2010)
Согласно ГОСТ Р 8.763-2011 ГПЭ единицы длины представляет собой комплекс аппаратуры, в состав которого входят следующие средства измерений [20]:
∙источник эталонного излучения – He-Ne/I 2 – лазер, стабилизированный по линии насыщенного поглощения (прил. 3) в молекулярном йоде-127;
∙установка для измерений разности частот источников лазерного излучения (рис. 6);
∙универсальный интерференционный метровый компаратор;
∙лазерный интерференционный тридцатиметровый компаратор
(рис. 7);
∙лазерный интерференционный компаратор для измерений длины в субмикронном и нанодиапазоне (рис. 8);
∙гетеродинный интерферометр (рис. 9).
Рис. 6. Установка для измерений |
Рис. 7. |
Лазерный интерференцион- |
|
разности частот источников |
|||
ный тридцатиметровый компаратор |
|||
лазерного излучения |
|||
|
|
||
– 24 –
Рис. 8. Компаратор лазерный |
|
интерференционный для измерений |
Рис. 9. Интерферометр |
длины в субмикронном |
гетеродинный |
инанодиапазоне
4.2.Метрологические характеристики ГПЭ единицы длины
Номинальное значение длины волны, при котором воспроизводится единица, составляет 0,633 мкм. НЗД эталона – 1 ×10–9 –30 м.
ГПЭ обеспечивает воспроизведение единицы с СКО результата измерений, не превышающим 5,6×10–12 при 100 независимых измерениях. НСП не превышает 2,2×10–12 .
ГПЭ применяют для передачи единицы длины вторичным и рабочим эталонам методом прямых измерений и методом сличения с помощью компараторов и мер сравнения.
Определения единиц СИ значительно отличаются от своей практической реализации. В частности, метр определён как расстояние, которое проходит свет в вакууме за время, равное 1/299792458 с. Практическая реализация осуществляется интерференционным методом в соответствии с рекомендацией ГКМВ. При этом длина измеряется через N длин волн (его целую и дробную часть). Практическая реализация метра основана на применении гелий-неонового лазера, а единица длины «метр» характеризуется (не определяется) как 1579800,298728 длины волны света от этого лазера.
Применение ГПЭ единицы длины (метра):
позволяет обеспечить единство измерений во многих областях науки и производственной деятельности, в т.ч.:
– 25 –
∙в приборостроении и машиностроении;
∙на транспорте;
∙в электронных, космических, оборонных технологиях, нанотехнологиях;
направлено на решение измерительных задач приоритетных направлений развития науки, технологий и техники, утвержденных Указом Президента РФ от 7 июля 2011 года № 899 с изменениями и дополнениями от 16 декабря 2015 года.
ГПЭ единицы длины обеспечивает передачу единицы длины эталонам Армении, Беларуси, Болгарии, Венгрии, Индии, Казахстана, Кубы, Латвии, Литвы, Польши, Словакии, Украины, Чехии [21].
– 26 –
5. ЭТАЛОН ЕДИНИЦЫ ТЕМПЕРАТУРЫ
Согласно ГОСТ 8.558-2009 «Государственная поверочная схема для средств измерений температуры» [22] ГПЭ единицы температуры, состоит из двух комплексов – ГПЭ-I (ГЭТ 35-2010) и ГПЭ-II (ГЭТ 34-2007) – и предназначен для воспроизведения, хранения и передачи единицы температуры в соответствии с Положением о Международной температурной шкале МТШ-90 (прил. 4).
Температурная шкала, воспроизводимая ГПЭ-I в диапазоне от 0,3 до 273,16 K (от минус 272,85 до 0,01°C), непрерывно переходит в точке 273,16 K (0,01°C) в шкалу с диапазоном от 273,15 до 1234,93 K (от 0 до 961,78°C), воспроизводимую ГПЭ-II. Эталон хранится в ФГУП «ВНИИФТРИ».
Температурная шкала, воспроизводимая ГПЭ-II в диапазоне от 273,15 до 1234,93 K (от 0 до 961,78°C), непрерывно переходит в точке
1234,93 K (961,78°C) в шкалу с диапазоном от 1234,93 до 3273,15 K (от 961,78 до 3000,0°C), воспроизводимую ГПЭ-II. Эталон хранится в ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева».
5.1. Состав ГПЭ единицы температуры
ГПЭ-I представляет собой набор термопреобразователей сопротивления, помещенных в три устройства сравнения (рис. 10, 11).
ГПЭ-I включает [22]:
устройства для точных измерений сопротивления и давления;
комплект установок для реализации температуры реперных точек МТШ-90 (см. прил. 4);
газовый интерполяционный термометр;
криостаты сравнения.
Диапазон значений температуры, воспроизводимых ГПЭ-I, со-
ставляет от 0,3 до 273,16 K (от минус 272,85 до 0,01°C).
ГПЭ-I применяется для передачи единицы температуры вторичным эталонам непосредственным сличением или калибровкой в реперных точках температурной шкалы МТШ-90.
– 27 –
В диапазоне измерений от 0,3 до 273,16 K (от минус 272,85 до 0,01°C) в качестве эталона-копии ГПЭ-I применяются платиновые и родий-железные термопреобразователи и ампула плавления Ga при температуре 302,9146 K (29,7646ºC).
Рис. 10. Общий вид аппаратуры Рис. 11. Устройства, входящие в состав эталона ГПЭ-I эталона ГПЭ-I
В части воспроизведения, хранения и передачи единицы температуры контактным способом ГПЭ-II содержит следующие средства измерений [22]:
группы платиновых термопреобразователей для диапазонов температуры от 273,15 до 933,473 K (от 0 до 660,323ºC) и от 692,677
до 1234,93 K (от 419,527 до 961,78ºC);
комплект установок для реализации температур реперных точек МТШ-90 (тройной точки воды, плавления Ga, затвердевания In, Sn, Zn, Al, Ag), термостаты сравнения, средства для точных измерений сопротивления и напряжения, аппаратуру для воспроизведения, хранения и передачи единицы температуры неконтактным способом.
Диапазон значений температуры, воспроизводимых ГПЭ-II контактным способом, составляет от 273,15 до 1234,93 K (от 0 до
961,78°C).
ГПЭ-II применяется для передачи единицы температуры эталонукопии непосредственным сличением.
– 28 –
Передача единицы температуры при температурах выше 1234,93 K (961,78°C), осуществляется с помощью излучателей АЧТ (см. прил. 1) и температурных ламп.
В качестве эталона-копии ГПЭ-II применяется аппаратура для воспроизведения реперных точек температурной шкалы МТШ-90 в диапазоне температуры от 273,15 до 2042,15 K (от 0 до 1769°C), а также платиновые термопреобразователи в диапазоне температуры от 273,15 до 1357,77 K (от 0 до 1084,62°C) и термоэлектрические преобразователи в диапазоне температуры от 273,15 до 2042,15 K (от 0 до 1769°C).
ГПЭ-II в части воспроизведения, хранения и передачи единицы температуры неконтактным способом содержит следующие средства измерений [22]:
группу температурных ламп (рис. 12);
излучатели – модели АЧТ, предназначенные для воспроизведения температур затвердевания серебра, золота и меди (рис. 13);
средства для точных измерений напряжения и сопротивления.
Рис. 12. Лампы температурные |
Рис. 13. Высокотемпературный |
эталонные |
излучатель «черное тело» |
В состав ГПЭ-II также входят установка для реализации температур реперных точек МТШ-90 (Ag (рис. 14), Au и Cu), фотоэлектрический компаратор яркостей тепловых излучателей (рис. 15), аппаратура для воспроизведения, хранения и передачи единицы температуры контактным способом.
– 29 –
Рис. 14. Установка |
Рис. 15. Фотоэлектрический |
для воспроизведения температуры |
компаратор яркостей |
затвердевания алюминия, серебра |
тепловых излучателей |
Диапазон температуры, в котором воспроизводится единица не-
контактным способом, составляет 961,78 … 3000°C (1234,93 … 3273,15 K).
ГПЭ-II применяется для передачи единицы температуры неконтактным способом эталону-копии сличением с помощью компаратора по спектральной плотности яркости теплового излучения.
Передача единицы температуры при температуре ниже 1234,93 K (961,78°C) осуществляется с помощью платиновых термопреобразователей.
В качестве эталонов-копий используются температурные лампы, калиброванные в видимой, ближних УФ и ИК-областях спектра, а также излучатели АЧТ на основе фазовых переходов чистых веществ и/или эвтектик в диапазоне температуры от 1234,93 до 3273,15 K (от
961,78 до 3000°C).
5.2. Метрологические характеристики ГПЭ единицы температуры
Государственный первичный эталон ГПЭ-I
НЗД эталона – 0,3…273,16 |
К. |
ГПЭ-I обеспечивает воспроизведение единицы с СКО результата |
|
измерений не более 0,3×10–3 |
K в точке 0,3 K (минус 272,85°C) и |
|
– 30 – |