Методички 3-й курс 1-й семестр / ДЛЯ ТЕХ КТО МЕТРОЛОГИЮ ЗАВАЛИЛ / sergeev_a_g_metrologiya_istoriya_sovremennost_p

Глава 6. Международная система единиц (СИ)

Обеспечение правильной передачи размера единиц ФВ во всех звеньях метрологической цепи осуществляется посредством поверочных схем. Поверочная схема – это нормативный документ, который устанавливает соподчинение средств измерений, участвующих

âпередаче размера единицы от эталона к рабочим средствам измерения с указанием методов и погрешности. Основные положения о поверочных схемах приведены в ГОСТ 8.061–80. Поверочные схемы делятся на государственные и локальные.

Государственная поверочная схема распространяется на все средства измерения данной ФВ, имеющиеся в стране. Она разрабатывается в виде государственного стандарта, состоящего из чертежа поверочной схемы и текстовой части, содержащей пояснения к чертежу.

Локальная поверочная схема распространяется на средства измерения данной ФВ, применяемые в данном регионе, отрасли, ведомстве или на отдельном предприятии (организации).

Локальные поверочные схемы не должны противоречить государственным поверочным схемам для средств измерения одних и тех же ФВ. Они могут быть составлены при отсутствии государственной поверочной схемы. В них допускается указывать конкретные типы (экземпляры) приборов. Локальные поверочные схемы оформляют

âвиде чертежа, элементы которого приведены на рис. 6.1.

Поверочная схема устанавливает передачу размера единиц одной или нескольких взаимосвязанных величин. Она должна вклю- чать не менее двух ступеней передачи размера. Поверочную схему

Рис. 6.1. Элементы графического изображения поверочных схем при передаче размера: а – от эталона 1 к объекту 5 методом 3; б – от эталона 1 к объектам поверки 5 и 6 методом 3; в – от эталона 1 к объекту поверки 5 методом 3 или 4; г – от эталона 1 к объекту поверки 5 методом 3 и к объекту поверки 6 методом 4

184

6.4. Передача размеров единиц физических величин

для средств измерения одной и той же величины, существенно отличающихся по диапазонам измерений, условиям применения и методам поверки, а также для средств измерения нескольких ФВ допускается подразделять на части. На чертежах поверочной схемы должны быть указаны:

Øнаименования средств измерения и методов поверки;

Øноминальные значения ФВ или их диапазоны;

Øдопускаемые значения погрешностей средств измерения;

Øдопускаемые значения погрешностей методов поверки. Правила расчета параметров поверочных схем и оформление

чертежей поверочных схем приведены в ГОСТ 8.061–80 и в рекомендациях МИ 83–76.

На 2006 г. эталонная база России представляет собой комплекс государственных эталонов, включающий 125 первичных, 307 вторичных и 64 322 рабочих эталона.

185

Глава 7. Воспроизведение эталонной базы СИ

Глава 7

ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ЭТАЛОННОЙ БАЗЫ СИ

«

7.1. Эталон длины

Хранению эталона длины во всех странах придавали большое значение. Иногда условия хранения и сам эталон для современного специалиста показались бы весьма оригинальными. Вспомним пояс Святослава Ярославича в XI в. на Руси. Не менее любопытны условия хранения французского эталона длины XVII–XVIII вв. – сажени Шателя (туаза). Этот эталон представлял собой металлический кривоколенный циркуль, вделанный в стену Шателя. Ножки циркуля заканчивались двумя выступами с параллельными гранями, между которыми должны были вмещаться все находившиеся в употреблении торговые сажени.

Сажень Шателя прослужила около 100 лет и лишь в 1766 г. была заменена саженью Перу, с помощью которой экспедиция Французской академии наук измеряла часть земной дуги в Перу в 1735–1739 гг. Перуанский туаз, равный 6 парижским футам или 864 линиям, знаменит в истории метрологии тем, что он, в сущности, явился основой метрической системы, в то время как за метр принимали часть туаза, равную 441,296 линии.

Основатели метрической системы, ученые Французской академии наук, установив, что единица длины равна одной четверти земного меридиана, поручили измерить ее астрономам Деламбру и Мешэну. Для измерения отрезка меридиана они воспользовались методом триангуляции, применяемым и по сей день в геодезии. Был выбран меридиан, проходящий через Париж (около 2° восточной долготы), а в качестве концов отрезка взяты Дюнкерк и Барселона (расстояние между ними около 1100 км). За базу триангуляции было выбрано расстояние от Льесена до Мелена (около 13 км), величина которого была известна в одних из старых единиц – туазах. В ходе

186

7.1. Эталон длины

триангуляции были промерены 100 треугольников, в ряде случаев – до 170. В результате стало известно расстояние в туазах между пунктами 1 и 2 (рис. 7.1). Географические широта и долгота этих пунк-

Рис. 7.1. Определение одной четвертой части окружности меридиана Земли по астрономическим наблюдениям и по измерению длины дуги s

тов были измерены с очень большой точностью. Тогда при наблюдении некоторой неподвижной звезды, зная значения географичес-

ких широт ϕ 1 è ϕ 2 имеем:

что дает длину одной четвертой окружности меридиана:

Таким образом, было обнаружено, что длина S = 5 130 740 туазов, соответственно, 1 м = 0,513074 туаза.

Таким путем удалось прийти к неизменному стандарту меры в 1799 г., и был изготовлен эталон – платиновая концевая мера длины в виде линейки длиной 1 м, шириной 25 мм и толщиной 4 мм.

В ходе развития измерительной техники эталон метра оказался недостаточно точным, а как концевая мера длины – часто неэффек-

187

Глава 7. Воспроизведение эталонной базы СИ

тивным, к тому же нельзя было вполне полагаться на неизменность материала, а значит, на постоянство самого эталона. Исследования в этом направлении привели к успеху французского химика Г. Сент- Клер-Девиля. В 1855–1859 гг., получив материалы и средства на проведение опытов от русского правительства, он впервые сумел расплавить значительное (12–15 кг) количество платины. Для этого более или менее крупные куски платины удавалось получать лишь обжатием и ковкой, поэтому однородность изделий оставляла желать лучшего.

Сент-Клер-Девиль получил сплав 90% платины и 10% иридия с поистине замечательными свойствами. Сплав не поддавался действию воды и воздуха, и даже все разрушающая «царская водка» действовала на него меньше, чем на чистую платину. Расплавить иридий можно было только в пламени гремучего газа или в электрической дуге. И при всем том он был тверже и более упруг, чем сама платина.

В начале 70-х годов XIX в. по предложению Сент-Клер-Девиля Международный комитет мер и весов заказал лондонской фирме «Джонсон-Маттеи» 43 платиноиридиевых образца килограмма и 34 образца метра. Из них на долю России достались два образца метра – ¹ 11 и 28 и один килограмма – ¹ 12.

Платиновый эталон метра был заменен штриховым масштабом из платиноиридиевого сплава (90% Pt, 10% Ir), неизменность которого можно было считать более гарантированной. Французский инженер А. Треска в 1872 г. разработал для поперечного сечения эталона Х-образный профиль (рис. 7.2) желоба с открытой нейтральной плоскостью, которая при сгибании стержня не удлиняется и не сжимается. Именно на нее и нужно было наносить деления. Все поперечное сечение вписывается в квадрат со стороной 20 мм.

По расчетам Треска, стержень Х-образной формы по жесткости в 1,5 раза уступал бронзовому прототипу английского ярда с квадратным поперечным сечением (2,54Ч 2,54 см), зато по массе давал выигрыш в 4 раза, и это при том, что плотность платино-иридиево- го сплава более чем вдвое превышала плотность бронзы. Кроме того, толщина всех частей предложенной Треска меры составляла не более 3 мм, поэтому она, быстро и равномерно прогреваясь, прини-

188

7.1. Эталон длины

à) á)

каждой; расстояние между средними штрихами равнялось 1 м. С тех пор это расстояние стало эталоном метра. При этом фактически отпала ссылка на длину 1/4 земного меридиана, тем более что уже в 1837 г. Бессель установил, что новая единица была несколько коро-

189

Глава 7. Воспроизведение эталонной базы СИ

че задуманной (по новейшим измерениям 1964–1967 гг. – на 2 · 10– 4 м = 0,2 мм; длина 1/4 меридиана равна 10 001 954,5 м).

Однако и в отношении нового эталона не было уверенности, что его длина не станет очень слабо изменяться в силу перекристаллизации материала. Предполагают даже, что между 1889 и 1957 гг. эталон укоротился на 0,5 мкм. «Метр истинный и окончательный», – записали французские ученые, принявшие за единицу длины одну десятимиллионную часть четверти парижского меридиана и создавшие так называемый платиноиридиевый метр. Но прошло несколько десятков лет, и выяснилось, что этот метр существенно отлича- ется от истинного. Это обусловило поиски другого выражения эталона. Кроме того, значительно возросли требования к точности измерений. В 1800 г. считалась вполне достаточной точность измерения длины, равная 0,25 мм; к 1900 г. предельные требования дошли до 0,01 мм, к 1950 г. – до 0,25 мкм, а сейчас существуют отрасли промышленности, где нужно выдерживать точность 10–9–10–10 м. Пределы точности национальных эталонов метра составляют около 10–2 ì.

Ко времени введения эталона метра (1889) американские уче- ные Майкельсон и Морли предложили сопоставлять метр с длиной волны светового излучения, т. е. определять, сколько длин волн укладывается в 1 м. Этому предшествовали исследования во Франции.

От металлического ученые шли к спектральному эталону длины. В 1829 г. французский физик Ж.Бабине (1794–1872) предложил за единицу длины принять длину определенной световой волны, которая остается абсолютно неизменной даже при космических катаклизмах. Хотя практическое осуществление этой идеи выходило за рамки технических возможностей того времени, она не была забыта. Через несколько десятилетий другой французский физик И.Физо (1819–1896) писал: «Луч света с его рядами поразительно мелких, но вполне регулируемых волнообразных движений может рассматриваться как в высшей степени совершенный микрометр, особенно пригодный для измерения длины...» [18]. Практическое же осуществление этой идеи стало возможным лишь после того, как американский физик А.Майкельсон (1852–1931) существенно повысил точность интерферометра – прибора для измерения длины

190

7.1. Эталон длины

волны света, изобретенного английским физиком лордом Рэлеем (1842–1919).

Майкельсон создал интерферометр для измерения скорости света в 1881 г., а через шесть лет он совместно с американским химиком Э.Морли опубликовал статью «О методах использования длины волны света натрия в качестве естественного и практического эталона длины». Позднее от желтых линий натрия он перешел к зеленым линиям ртути, а потом к ярко-красным линиям кадмия. В 1892 г. Майкельсон сообщил о своих исследованиях астроному Б.Гульду, представлявшему США в Международном бюро мер и весов. По настоянию последнего директор бюро Р.Бенуа пригласил Майкельсона в Париж для проведения совместных работ (рис. 7.3).

В экспериментах Майкельсона – Бенуа для измерения расстояний до 20 см использовалась красная линия кадмия, которая обла-

à)

á)

Рис. 7.3. Интерферометр Майкельсона (а) и схема измерения (б)

191

Глава 7. Воспроизведение эталонной базы СИ

дала наибольшей известной тогда длиной когерентности. Но при измерениях больших расстояний интерференционная картина становилась расплывчатой, а счет максимумов и минимумов – невозможным. Для измерения длины, достигающей метра, приходилось устанавливать ряд малых эталонов по 20 см и затем шаг за шагом продвигаться дальше. Ценой многочисленных усилий к 1893 г. было установлено, что на длине платиноиридиевого эталона, хранящегося в Международном бюро мер и весов в Париже, укладывается 1 553 163,5 длины волны красной линии кадмия.

Âпоследующие 47 лет было проведено девять измерений длины волны красной линии кадмия с помощью более совершенных и удобных установок. В результате было установлено, что на 1 м укладывается 1 553 164,13 длины волны красной линии кадмия. Это означало, что ее длина волны равна 643,84696 ± 0,0001 нм. В 1927 г. это значение было допущено в качестве стандарта наряду с эталоном метра.

Â1940 г. американский физик Л.Альварец предложил избрать в качестве эталона длину зеленой линии искусственного изотопа 198Hg, дающего более тонкие спектральные линии, чем природная

ртуть. В 1950 г. эта идея была осуществлена на практике и в 1954 г. предложена на рассмотрение Х Генеральной конференции по мерам и весам наряду с предложениями использовать в качестве эталона длины линии изотопов криптона и кадмия. Конференция постановила опробовать все предложенные методы, с тем чтобы к 1960 г. установить эталон длины через световую волну.

После обширных исследований выбор пал на длину волны оранжевой линии 86Kr, и на XI Генеральной конференции в 1960 г. метр был определен как 1 650 763,730 длины волны этого излучения в вакууме. Платиноиридиевые эталоны, принятые в 1889 г., сменил спектральный эталон, позволивший уменьшить неопределенность воспроизведения единицы длины с 1–2 · 10–7 äî 2 · 10–8, т. е. на целый порядок.

Совершенствование лазерной техники открыло новые возможности для реализации эталона длины. По сравнению с определением метра по длине волны оранжевой линии криптона лазерные технологии обеспечивают два существенных преимущества:

192

7.1.Эталон длины

Øдлина когерентности для излучения лазера составляет до 104 ì

èнамного больше, чем для света криптоновой лампы (до 0,8 м). То есть становятся возможными измерения для объектов длиной, превышающей 1 м;

Øбольшая интенсивность лазера как источника света делает возможным фотоэлектрический счет интерференционных полос.

Использование микропроцессов при определении единиц времени и длины позволило определить с высокой точностью фундаментальную физическую константу – скорость света – и ввести новый эталон единицы длины. В настоящее время расчеты при определении единицы длины основывают на соотношении для элект-

ромагнитных волн: c = λ v , где с – скорость света в вакууме; λ – длина электромагнитного излучения; v – частота излучения. В качестве источников излучения выбирают высокостабильные лазеры. Работы по измерению длин волн излучений таких лазеров в метрологи- ческих лабораториях ряда стран показали совпадение значения скорости света с относительной неопределенностью, которая находится на уровне 10–9. Эта неопределенность в основном зависит от неопределенности значения единицы длины, так как неопределенность измерения частоты на несколько порядков меньше. В октябре 1983 г. на XVII Генеральной конференции по мерам и весам скорость света отнесли к точным физическим константам. Ее величина составила 299 792 458 м/с, что позволило ввести новое определение единицы длины: метр равен длине пути, проходимого светом за 1/ 299 792 458 часть секунды. Это так называемый световой метр. Здесь скорость света, выраженная в метрах в секунду, является абсолютно точной, не подлежащей дальнейшим измерениям фундаментальной физической константой и представляет собой естественный абсолютный эталон единицы скорости.

Введенные таким образом согласованные метрологические определения единиц длины и времени стали естественным эталоном единицы скорости и согласуются с теорией относительности, в рамках которой значение скорости света не зависит от выбора системы отсчета. На основе определения светового метра во ВНИИФТРИ и ВНИИМ им. Д.И. Менделеева создан объединенный эталон единиц времени, частоты и длины.

193