5.2 Существующие типы эталонов единиц физических величин
Эталоны специально классифицируют в зависимости от метрологического назначения
(рис. 8.1) [5].
Рис. 8.1. Классификация эталонов
Первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы с наивысшей в стране точностью.
Специальный эталон служит для воспроизведения единицы в условиях, в которых первичный эталон не может использоваться и прямая передача размера единицы от первичного эталона с требуемой точностью технически неосуществима (например, на высоких и сверхвысоких частотах, в начале и конце участков диапазонов измерений и т.д.).
Первичные и специальные эталоны являются исходными для страны, их утверждают в качестве государственных. Все эталоны характеризуются неисключенной систематической погрешностью воспроизведения соответствующей единицы и относительным среднеквадратическим отклонением результата измерения размера этой единицы. Первая величина показывает точность эталона по отношению к принятому определению единицы и важна как для обеспечения правильности измерений, так и для их единства в международном масштабе. Вторая характеризует воспроизводимость эталоном размера единицы и является важнейшей характеристикой обеспечения единства измерений в стране.
Вторичный эталон — эталон, значение которого устанавливается по первичному эталону и он занимает подчиненное положение.
Вторичные эталоны, в свою очередь, подразделяются на эталоны-копии,
эталоны сравнения и рабочие эталоны.Эталон-копия предназначен для передачи размера единицы рабочим эталонам. Благодаря этому первичный эталон разгружается от текущих работ по передаче размера единицы, что повышает срок его службы.
Эталон сравнения применяется для взаимного сличения эталонов, которые по тем или иным причинам нельзя непосредственно сравнивать друг с другом (например, международные сличения эталонов).
Рабочие эталоны являются наиболее распространенной категорией вторичных эталонов, и они предназначены для поверки образцовых и наиболее точных рабочих средств измерений. Отметим, что рабочими называют такие средства, которые применяются для измерений, не связанных с передачей размера единиц.
5.3. Исторические примеры построения эталонов длины, массы, времени и частоты
В 1791 г. Национальное собрание Франции приняло длину
десятимиллионной части четверти дуги парижского меридиана в
качествеединицы длины – метра. В 1872 г. по инициативе Петербургской академии наук была создана международная комиссия, решившая не создавать уточненных эталонов метра, а принять в качестве исходной единицы длины «метр Архива» Франции.
В 1889 г. был изготовлен 31 эталон метра в виде платиноиридиевого стержня Х-образного поперечного сечения (рис. 4.1) [3].
Рис. 4.1. Эталон метра
Как следует из рассмотрения рис. 4.1,эталон в виде линейки Х-образного сечения вписывается в квадрат 20 на 20 мм. Длина линейки составляет 102 см. На каждом из ее концов нанесены три штриха на расстоянии 0,5 мм друг от друга. Таким образом, расстояниемежду средними штрихами равно 1 м.
Погрешность платино-иридиевых штриховых метров составляет ±1,1·10¯7 м.
В 1960 г. XI Генеральной конференцией по мерам и весам было принято новое, уже упоминавшееся определение метра: метр – длина, равная 1650763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2Р10 и 5d5 атома криптона-86.
Погрешность воспроизведения метра, оцениваемая среднеквадратическим отклонением результата измерения, с помощью данного эталона существенно уменьшилась по сравнению с погрешностью платиноиридиевого прототипа метра и составила 5·10¯9. Но такая погрешность в век ракетно-космической техники для многих потребителей оказывается слишком большой, и ученые искали пути создания эталона длины на других принципах.
Повышение точности эталона длины стало реальным при получении возможности распространения абсолютных измерений частоты (в радиочастотном спектре колебаний) на оптический диапазон и разработкой высокостабильных лазеров, что позволило уточнить значение скорости света. В 1983 г. XVII Генеральная конференция мер и весов приняла новое определение метра: «Метр – длина пути, проходимого в вакууме светом за 1/299792458 доли секунды». Данное определение метра принципиально отличается от определения 1960 г.: «криптоновый» метр не был непосредственно связан со временем, новый метр опирается на эталон единицы времени – секунду и известное значение скорости света.
В 1872 г. решением Международной комиссии по эталонам метрической системы за единицу массы была принята масса прототипа килограмма, хранящегося в Национальном архиве Франции. Этот прототип представляет собой платиновую цилиндрическую гирю высотой и диаметром 39 мм.
За международный прототип килограмма была принята платиноиридиевая гиря, наиболее близкая к массе платинового килограмма Архива. Следует отметить, что масса международного прототипа килограмма несколько отличается от массы кубического дециметра воды. В результате объем 1 литра воды и 1 кубического дециметра воды не равны друг другу (1 л = 1,000028 дм3). В 1964 г XII Генеральная конференция по мерам и весам решила приравнять 1 л = 1 дм3.
Международный прототип килограмма был утвержден на I Генеральной конференции по мерам и весам в 1889 г. как прототип единицы массы.
Погрешность воспроизведения килограмма, выраженная среднеквадратическим отклонением результата измерений, составляет 2·10¯9.
Эталон единицы времени и частоты соответствует определению единицы времени – секунды как интервала времени, в течение которого совершается 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями (F = 4, тF= 0 и F = 3, mF = 0) основного состояния атома цезия-133 в отсутствие внешних полей.
Воспроизведение секунды обеспечивается атомно-лучевым цезиевым стандартом частоты. Если отсутствует влияние внешних полей, прежде всего электрических и магнитных, частота излучения при переходе атома между двумя энергетическими уровнями E2 и E1очень стабильна и определяется внутренней структурой атома.
Атомы цезия обладают небольшим магнитным моментом и
поэтому взаимодействуют (отклоняются) в неоднородном магнитном поле. Таким образом, пропуская атомы цезия через неоднородное магнитное поле, можно отделить их состояния с уровнем F = 3 от состояний с уровнем F = 4.