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

Глава 7. Воспроизведение эталонной базы СИ

Â1986 г. в СССР был создан единый эталон времени, частоты и длины. Он объединял эталон времени и частоты с эталоном длины

ñпомощью радиооптического частотного моста (РОЧМ), созданного во ВНИИФТРИ. В результате проведенных работ был осуществлен переход на новое определение единицы длины, которая факти- чески, как и единицы времени и частоты, основана на определении частоты перехода в сверхтонкой структуре атома цезия. Измерения малых и больших длин стали опираться на один и тот же первичный эталон и перестали быть независимыми друг от друга. Скорость света была зафиксирована как фундаментальная константа. Соответственно, погрешность измерения больших расстояний уже не ограничивается погрешностью определения скорости света (порядка 10–7), как было ранее, а определяется только техническими возможностями и может достигать 10–10 и менее.

Â1980-õ годах стали проводить работы по обеспечению единства измерений в коротковолновой части миллиметрового диапазона частот.

Длительное время для ГСВЧ сложной проблемой было снижение погрешностей сличений эталонов зарубежных стран с ГЭВЧ. Эта проблема разрешилась созданием в Ужгороде вторичного эталона времени и частоты, находящегося на границе с Венгрией и Че- хословакией в зоне приема телесигнала этих стран и принимающего сигналы времени Московского телевидения, передаваемые по радиорелейным линиям. С использованием результатов приема в Ужгороде сигналов Московского и Чехословацкого телевидения, принимаемого также на эталонах в Братиславе и Праге, и результатов сличений шкал времени эталонов в Праге и ФРГ (Физико-тех- нический институт – РТВ) и РО (Франция) обеспечивалось сличе- ние шкалы времени ГЭВЧ со шкалой зарубежных стран.

Â1990-õ годах были проведены модернизация метрологического цезиевого репера частоты, разработка и совершенствование программного обеспечения автоматизированной аппаратуры сличений

ñводородными генераторами. Важным этапом в работе ГСВЧ стало использование для целей синхронизации удаленных эталонов сигналов спутниковых навигационных систем.

Работа ГСВЧ России за годы, прошедшие с момента принятия XIII Генеральной конференцией мер и весов в 1967 г. нового опре-

214

7.3. Эталон единицы времени

деления секунды, позволила повысить воспроизводимость размера атомной секунды (и герца) в 1000 раз, неисключенную системати- ческую погрешность снизить почти в 1000 раз, погрешность сличе- ния эталонов – более чем в 10 000 раз.

Работы по определению параметров вращения Земли (ПВЗ) являются неотъемлемой частью деятельности ГСВЧ, составляя вместе с ГЭВЧ метрологическую основу координатно-временного обеспечения страны.

Действующий во ВНИИФТРИ государственный первичный эталон единиц времени, частоты и национальной шкалы времени (ГЭТ-1 – 1988) представляет собой комплекс средств измерений, состоящий из аппаратуры воспроизведения единиц времени и частоты – метрологического цезиевого репера частоты, аппаратуры хранения размеров единиц и шкал времени – группы водородных хранителей частоты и времени, аппаратуры внутренних и внешних сличений эталона, аппаратуры формирования шкалы времени, комплекса аппаратуры радиооптического частотного моста. Эталон позволяет воспроизводить единицу частоты с погрешностью не более 10–13.

В табл. 7.3 приведены достижимые точности измерения времени в различных сферах народного хозяйства.

Таким образом, сегодня в каждом из приборов времени, частоты и длины, используемых в стране, бьется «сердце тончайших ча- сов» атомного эталона. На подходе использование фундаментальных физических констант и в эталоне массы.

Атомная секунда обладает исключительным постоянством, поскольку зависит только от строения атомов и молекул цезия. Существуют еще два типа атомных часов, способных создать конкуренцию цезиевым. Речь идет об использовании сверхтонких атомных переходов рубидия и водорода. Пока в этих разработках не удается на высоком уровне стабилизировать частоту. Однако прогресс в лазерной технике позволяет надеяться, что в недалеком будущем в нашем распоряжении окажутся многочисленные атомные часы, даже превосходящие современные по точности. Предполагается, что в ближайшие годы относительная неопределенность стандарта частоты и времени будет на уровне 10–16. В этом случае использование оптических стандартов частоты открывает уникальную возможность для создания эталонов времени, частоты и длины нового по-

215

Глава 7. Воспроизведение эталонной базы СИ

Примечание. 1 миллисекунда – 1 мс = 10–3 с; 1 микросекунда – 1 мкс = = 10–6 с; 1 наносекунда – 1 нс = 10–9 ñ.

коления и их применения в фундаментальных исследованиях для сверхточных измерений фундаментальных физических констант.

7.4. Эталон единицы силы электрического тока

Серьезные задачи стоят перед метрологами в области совершенствования эталонов электрических единиц. Измерения электрических величин начались с изучения статического электричества и построения электростатических генераторов. Электростатический принцип (притяжение между разноименно заряженными электродами) лежит в основе ряда приборов, измеряющих большие значе- ния постоянных напряжений. Например, электростатический генератор Ван-де-Граафа служил для придания электронам или протонам энергий в несколько миллионов электрон-вольт.

Электромагнитные явления наука открыла лишь к концу XVIII в. (закон Кулона – 1785 г.; гальваническая батарея Вольта («вольтов

216

7.4. Эталон единицы силы электрического тока

столб») – 1799 г.; закон Ампера – 1820 г.; закон Ома – 1826 г.; закон электромагнитной индукции Фарадея – 1831 г.). Первые единицы электрических величин появились в 30–40-х годах XIX столетия. Многие ученые пользовались своими собственными единицами. Например, в 1848 г. Б.С. Якоби изготовил в качестве эталона единицы сопротивления медную проволоку длиной 25 футов и весом 345 гран (около 0,635 Ом). Для измерения напряжения применяли даниель и бунзен – единицы, равные электродвижущей силе (ЭДС) соответствующих гальванических элементов. В 1860 г. немецкий электротехник и предприниматель Вернер Сименс впервые в мире создал высокостабильный ртутный эталон единицы электри- ческого сопротивления – стеклянную трубку определенной длины и сечения, заполненную ртутью. Появилась еще одна единица – сименс.

Â1861 г. Британская ассоциация развития науки назначила специальную комиссию по электрическим единицам, в состав которой вошли видные ученые мира – У. Томсон (лорд Кельвин), Д. Максвелл, В. Сименс и др. В основу своей деятельности комиссия положила абсолютную систему (СГСМ), но поскольку ее единицы оказались слишком велики или слишком малы для практики, она (комиссия) установила практические единицы, образованные путем умножения единиц СГСМ на 10 в соответствующей положительной или отрицательной степени. В 1863 г. комиссия приняла практические единицы – ом (109 единиц СГСМ) и вольт (108 единиц СГСМ),

àв 1867 г. – фарад (10–9 единиц СГСМ). С этого времени электрики всего мира обрели общий язык. Официальное принятие этих практических единиц многими странами, в том числе и Россией, связано с I Международным конгрессом электриков 1881 г. На конгрессе было принято решение об организации Комиссии единиц, в которую вошли А.Г. Столетов (от России), Г. Гельмгольц, В. Томсон, Дж.У. Рэлей, Г.Р. Кирхгоф, К. Клазиус, Р. Беккерель и др. По предложению А.Г. Столетова было принято постановление о электрических единицах (названных абсолютными практическими), где для электрических измерений принимаются основные единицы СГС – сантиметр, грамм-масса, секунда.

Â1884 г. Международная конференция электриков (МКЭ) приняла новое решение, установив, что ампер равен 0,1 единицы

217

Глава 7. Воспроизведение эталонной базы СИ

СГСМ, и приняв его в качестве основной единицы наряду с омом. При изготовлении эталонов для абсолютных практических электри- ческих единиц возникли многочисленные трудности, поэтому в 1893 г. МКЭ ввела новые практические электрические единицы, которые получили название международных и просуществовали до 1948 г. В 1908 г. на лондонской Международной конференции по электри- ческим единицам и эталонам за ампер был принят ток, при прохождении которого через раствор азотнокислого серебра выделяется 0,00118 г серебра за 1 с. Омом принято считать сопротивление столба ртути высотой 106,3 см и массой 14,4521 г. Это были первые определения ампера и ома, которые, по существу, давали и способы их воспроизведения. Особенность этих единиц состояла в том, что они не вытекали из законов электричества и магнетизма и не были связаны с механическими единицами, поэтому ватт механический и ватт электрический различались на 0,02%. Повышение точности измерений требовало ликвидации этого расхождения. Проблема была решена при введении Международной системы единиц. В этой системе ампер воспроизводится в устройстве, называемом токовыми весами, а ом – набором эталонных катушек сопротивления.

На IX Генеральной конференции по мерам и веса было принято следующее определение ампера: «Ампер – сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого круглого се- чения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызвал бы между этими проводниками силу, равную 2 · 10–7 Н на каждый метр длины» (рис. 7.10).

В основу определения ампера положен закон Ампера (1820) о взаимодействии токов. Для воспроизведения этой единицы наибольшее распространение получило устройство, называемое токовыми весами. Весами это устройство названо в силу того, что взаимодействие двух проводников (в виде соленоидов) уравновешивается гирями.

Установка состоит из весьма точных и чувствительных равноплечих весов (рис. 7.11). К серьгам коромысла весов подвешены два одинаковых соленоида. Один из них – рабочий, другой служит для создания симметричной нагрузки на коромысло. Рабочий соленоид помещается внутри неподвижного соленоида. Через эти два со-

218

7.4. Эталон единицы силы электрического тока

Рис. 7.10. К определению ампера как единицы силы тока

Рис. 7.11. Схема устройства токовых весов

219

Глава 7. Воспроизведение эталонной базы СИ

леноида пропускается один и тот же ток. В результате взаимодействия соленоидов на подвижный соленоид действует сила, пропорциональная квадрату силы тока. Эта сила уравновешивается силой тяжести гирь. Сила тока определяется по формуле

I 2 = mg/F,

где m – масса гирь, уравновешивающих силу взаимодействия; g – ускорение свободного падения; F – постоянная токовых весов, зависящая от геометрических размеров соленоидов, числа витков, шага намотки и других параметров, поддающихся расчету. Относительная погрешность данного метода не превышает 6 · 10–6.

Единицу тока можно определить и с помощью момента силы, действующей на катушку с током. Данная установка имеет прототип – так называемые весы Гельмгольца. Как видно из рис. 7.12, используется фиксированная катушка 1 длиной около 100 см, диаметром 28 см, в которой монтируются передвижные весы с измерительной катушкой 2. Ось измерительной катушки направлена перпендикулярно к оси фиксированной катушки. Диаметр измерительной катушки составляет 11,6 см при длине 25 см. В принципе ток, проходящий через фиксированную катушку 1, создает направленное по горизонтали магнитное поле Н0, в то время как у измерительной катушки имеется магнитный момент. Это вызывает появление момента силы D = M · H0, который и подлежит измерению.

Момент силы можно также рассчитать исходя из взаимной индукции. Для этого добиваются того, чтобы токи, текущие через катушки 1 и 2, были равны и постоянны во времени, а при изменении

Рис. 7.12. Установка для «взвешивания» тока

220

7.5. Эталон единицы температуры

направления одного из них на обратное одновременно перемещают разновесы. В этом случае момент силы выражается как

D = 0N1N2I 2 f (d1,d2,L),

где L – длина катушки 1; d1 – ее диаметр; d2 – диаметр измерительной катушки (ее длина в выражение для момента силы не входит); N1 = 1000, N2 = 140 – число витков; 0 – магнитная проницаемость вакуума.

Относительная погрешность метода не превосходит 8 · 10–6, что, конечно, несравнимо с точностью измерения времени и длины. Более того, ампер-весы – это уже технический анахронизм, а зна- чение ампера определяется так, как это предложил А.Г. Столетов еще в 1881 г. Поэтому есть определенные надежды, что эталон ампера будет усовершенствован.

7.5. Эталон единицы температуры

Понятие «температура» возникло из ощущения теплого и холодного состояния тела. В основе ощущения этого состояния лежал тот факт, что два соприкасающихся тела по прошествии некоторого времени становятся одинаково теплыми, т. е. принимают одинаковую температуру.

Слово «температура» в переводе с латинского означает «смесь». Начало научного определения температуры связано с первым толкованием понятия «теплота». Физическая природа теплоты определялась на основе двух гипотез. Первая из них была сформулирована в 1613 г. Галилеем. Согласно этой гипотезе теплота является веществом, для которого применим закон сохранения. Количество такого вещества в физическом объекте определяет его температуру. Термометр показывает «крепость» смеси теплорода (флогистона) с материей. Вторая гипотеза высказана в 1620 г. Бэконом. Согласно его теории, теплота – это характеристика энергии мельчайших частей материи. Механическая теория теплоты получила подтверждение и развитие в работах М.В. Ломоносова.

221

Глава 7. Воспроизведение эталонной базы СИ

Следует отметить, что прошел довольно длительный период прежде чем на смену субъективным впечатлениям при определении температуры не пришли точные и единые методы измерений. Развитие методов измерения температуры стало возможным лишь тогда, когда были установлены такие свойства тел, которые зависят от температуры (длина, объем и т. д.) и которые можно было измерить объективно.

Попытки наглядного представления температурных изменений (охлаждения и нагревания) известны еще с древности. Филон Византийский (300 г.) и Герон Александрийский (130 г.) использовали для этой цели термическое расширение воздуха. На рис. 7.13,а изображен эскиз термоскопа Герона. Шаровой сосуд, заполненный водой и воздухом, выставляется под лучи солнца. Воздух расширяется и вытесняет воду из сосуда, которая попадает в резервуар и после охлаждения вновь поднимается по вертикальной трубке в сосуд. Таким образом, вытеснение воды означает нагревание. В 1592 г. Галилей вновь использовал этот принцип: в его термоскопе (рис. 7.13,б) по высоте водяного столба можно судить о том, является температура высокой или низкой. О применении такого прибора для измерения температуры воды упомянуто в 1611 г. Несмотря на простоту прибор был очень чувствительным, хотя и реагировал кроме темпе-

Рис. 7.13. Термоскоп Герона Александрийского (а) и термоскоп Галилея (б)

222

7.5. Эталон единицы температуры

ратуры на давление воздуха. Считается, что понятие «температура» ввел Галилей.

В 1636 г. впервые появилось слово «термометр». Так назывался прибор голландца К. Дреббеля – «дреббелев инструмент» – для измерения температуры, имевший восемь делений. На основании теплового расширения жидкостей в 1657 г. во Флоренции был создан термометр, наполненный спиртом. При этом было замечено, что можно пренебречь малыми температурными изменениями материала термометра, так как газы обладают наибольшим тепловым коэффициентом расширения.

Ранее при использовании эмпирических методов понятие «температура» оставалось неясным. Лишь с развитием учения о теплоте в начале XVIII в. потребовалось определение этого понятия. В 1662 г. Р. Бойль и в 1676 г. Э. Мариотт независимо друг от друга установили взаимосвязь между давлением и объемом газа при постоянной температуре (закон Бойля–Мариотта: pV = const при Т = const). Затем французский физик Г. Амонтон обнаружил, что в Париже при наибольшей летней жаре и наибольшем зимнем холоде величины давления газа соотносятся как 6 : 5. Он предложил определить температуру на основании давления газа внутри заданного объема. Тем самым он пришел к идее абсолютного нуля, т.е. температуры, при которой давление оказывается нулевым (1702).

И. Ньютон в работе «О шкале степеней тепла и холода» (1701) описал 12-градусную шкалу, в которой 0° соответствовал температуре замерзания воды, а 12° – температуре тела здорового человека. Все эти и многие другие термометры были газовыми – при нагревании в них расширялся воздух.

Однако идея определения температуры путем измерения давления газа не получила в то время распространения. Вместо газовых стали использоваться жидкостные термометры и подходящие для них температурные шкалы. Было установлено, что определенные процессы в одних и тех же условиях всегда протекают при одинаковых температурах, например таяние льда или кипение воды при постоянном давлении. Такие состояния вещества, в которых разные фазы при постоянной температуре находятся в равновесии, принимаются в качестве опорных точек. Их удобно использовать как ка-

223