«Метрология, стандартизация и сертификация» : «Эталоны единиц физических величин». » Мы с АГНИ

метки: Эталон, Аттестация, Шкала, Излучение, Значение, Составлять, Погрешность, Цезий

Эталоном называется средство измерений (комплекс средств измерений), предназначенное для воспроизведения и (или) хране­ния единицы величины и передачи ее размера другим средствам измерений.

первичным.

государственным.

По приоритету воспроизведения и хранения единицы первичному эталону соподчиняются вторичные и рабочие эталоны.

Размер единицы, воспроизводимой вторичными эталонами, «поддерживается» с помощью первичных (государственных).

К первичным эталонам относят как соответствующие эталоны основ­ных СИ, так и производных единиц СИ. Статус государственных эталонам присваивается Госстандартом России.

Вторичные эталоны (часто их называют эталонами-копиями) утверждаются в зависимости от особенностей их применения Гос­стандартом России или государственными научными метрологиче­скими центрами.

Рабочие эталоны получают размер единицы, как правило, от вторичного эталона и служат для передачи размера единицы дру­гим рабочим эталонам (меньшей точности) и рабочим средствам измерений.

Ранее (до 1994 г.) в нашей стране в течение более 200 лет при­менялся термин «образцовое средство измерений», которое служи­ло промежуточным метрологическим звеном, расположенным меж­ду эталоном и рабочим средством. С целью приближения термино­логии, применяемой метрологами страны, к международной, было принято решение именовать образцовые средства измерений рабо­чими эталонами. Поскольку образцовые средства измерений в за­висимости от точности подразделялись на разряды от 1-го (более высокой точности) до 3-го, а иногда даже до 4-го разряда (наи­меньшей для образцовых средств измерений точности), то и рабо­чие эталоны стали называться рабочими эталонами 1-го разряда, 2-го разряда и т. д. К порядку взаимодействия государственного эталона с вторичными эталонами, «разрядными» рабочими этало­нами и рабочими средствами измерений мы обратимся позже.

эталоны сравнения,

В ряде случаев вторичные эталоны могут быть не только в Госстандарте России, но и других ведомствах, где они являются исходными средствами измерений в метрологических службах ве­домств и обычно называются ведомственными эталонами. В от­дельных случаях рабочие средства измерений могут иметь точ­ность, превосходящую точность рабочих эталонов того или иного разряда. В этих случаях размер единицы передается им от рабо­чих эталонов высших разрядов, вплоть до вторичного эталона. Другими словами, некоторые рабочие средства измерений, не яв­ляясь по метрологическому предназначению эталонами, по точнос­ти могут превосходить некоторые рабочие эталоны. Создание вы­сокоточных рабочих средств измерений диктуется необходимостью измерений параметров и характеристик презиционных технологи­ческих процессов (высоких технологий) или высокоточных техниче­ских устройств, например, в ракетно-космической технике.

Эталоны единиц измерений

... и передачи единицы измерения какой-либо величины. Измерительный прибор большей точности, предназначенный для проверки других измерительных приборов., Мерило, образец для подражания, сравнения., Эталон метра. Метр был впервые ... В качестве основных единиц в СИ выбрано семь единиц : 1. Метр 2. Килограмм 3. Секунда 4. Ампер 5. Кельвин 6. Кандела 7. Моль Эталоны единиц измерений. Этало́н Точная ...

Международные эталоны хранятся в Международном бюро мер и весов и в соответствии с международными соглашениями с их помощью периодически проводятся сличения национальных эталонов разных стран, в том числе взаимные сличения нацио­нальных эталонов. Например, национальные эталоны метра и ки­лограмма сличаются один раз в 20—25 лет, а эталоны вольта и ома и ряд других сличаются раз в три года.

Теоретическая часть

Эталоны единицы длины

Как известно, в 1791 г. Нацио­нальное собрание Франции приняло длину десятимиллионной части четверти дуги парижского меридиана в качестве единицы длины — метра. В тот период времени во Франции применялся в качестве единицы длины туаз. Соотношение между метром и туазом оказа­лось равным 1 м = 0,513074 туаза. Но уже в 1837 г. французские ученые установили, что в четверти меридиана содержится не 10 млн., а 10 млн. 856 м. Кроме того, примерно в тот же период времени стало очевидным, что форма и размеры Земли со временем, пусть незначительно, изменяются. Поэтому 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. Кстати, измерения 1964—1967 гг. показали, что в четверти меридиана содержится 10 млн. 1954, 4 м, т. е. «метр Архива» короче меридионального метра при­мерно на 0,2 мм.

Рис. 1. Эталоны метра

В 1889 г. был изготовлен 31 эталон метра в виде платиноиридиевого стержня Х-образного поперечного сечения (рис.1, а).

Эталон № 6 оказался при 0°С точно равным длине метра Архи­ва и был принят в 1889 г. I Генеральной конференцией по мерам и весам в качестве международного прототипа метра. Остальные 30 эталонов были переданы различным странам. Экземпляры № 28, № 11 в 1889 г. были переданы России, при этом экземпляр № 28 был утвержден в качестве государственного эталона (вначале фа­культативно).

Как следует из рассмотрения рис.1, а , 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, расстояние между средними штрихами равно 1 м.

Погрешность платиноиридиевых штриховых метров составляет ±1,1´10^{-7 м. Уже в начале} XX в. эта погрешность оказалась доста­точно большой, неудовлетворяющей требованиям измерений длины.

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.

Эталоны основных физических величин

Перечислим эталоны основных физических величин системы СИ в исторической последовательности, приведенной в таблице для основных единиц системы СИ. 1) метр (от французского metre, от греческого metron - мера) - основная единица длины в Международной системе единиц ...

Метр в длинах световых волн воспроизводится интерференцион­ным методом с помощью излучения в газоразрядной трубке газа— изотопа криптона-86 (оранжевая линия).

Принцип действия этого эталона заключается в следующем. В нормальном состоянии атомы не излучают свет и обладают некоторой минимальной энергией. Возбужденные атомы газов излучают линейчатый спектр, причем каждая линия этого спектра представляет монохроматическое излучение с определенной частотой n

n =( E ₂ — E ₁ )/ h ,

где Е₂ — энергия уровня, с которого совершается переход; Е₁ — энергия уровня, на который совершается переход; h — постоянная Планка.

Спектральные линии излучения атомов обычно имеют сложное строение, так называемую сверхтонкую структуру. Существование сверхтонкой структуры спектральной линии обусловлено наличи­ем в естественных элементах изотопов. При этом элементы с четной атомной массой и четным номером в периодической системе эле­ментов излучают более «тонкие» линии, что позволяет точнее опре­делить максимум линии, а, значит, точнее определить длину волны излучения

l = cT = c / n = ch /( E ₂ — E ₁ ) ,

где с — скорость света; Т — период колебаний.

Поскольку длина волны спектральных линий излучения атомов постоянна, то она используется для измерения единицы длины — метра.

Спектральные линии излучения атомов криптона-86 выделяют­ся с помощью монохроматоров (по существу — светофильтров), а длина волны измеряется с помощью интерферометров.

Криптоновый эталон метра состоит из газоразрядной лампы, наполненной криптоном-86, помещенной в сосуд Дюара с жидким азотом (рис.1,б).

При подаче электрического напряжения + 1500 В в лампе образуется свечение возбужденных атомов криптона-86. Капилляр, в котором происходит свечение (с внутренним диаметром около 3 мм), имеет оптический выход на

автоматиче­ский интерференционный фотоэлектрический компаратор. С по­мощью интерференционного компаратора определяется расстояние между штрихами, что позволяет найти число длин волн, уклады­вающихся между средними штрихами линейки (рис.5, а).

Факти­чески определяется не все количество длин волн, «помещающихся» в метре, а оценивается разница между измеряемой длиной (на­пример, платиноиридиевого прототипа метра) и эталонной дли­ной, воспроизводимой газоразрядной лампой. Измерение длины волны и энергетических характеристик свечения проводится с по­мощью спектроинтерферометров.

Погрешность воспроизведения метра, оцениваемая средним квадратическим 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.

История эталонов

... значение скорости света. Не менее интересна история эталона единицы массы. "Килограмм Архива", который был принят за эталон массы в ... и используются 38 государственных эталонов, в том числе первичные эталоны метра, килограмма и секунды, точность которых ... эталон ампера и ома. Квантовые эталоны характеризуются высокой степенью стабильности значений погрешности воспроизведения единиц величин. С помощью ...

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. Ранее использовать значение скорости света как фундаментальной физической кон­станты было затруднительно. Скорость света на Земле была опре­делена еще в 1849 г. и тогда она составляла 313300 км/с. С тех. пор измерения скорости света проводились многими выдающимися физиками и примерно к 1980 г. ее значение принималось как (299792,458±0,0012) км/с, т. е. не могло рассматриваться как кон­станта. Использование при измерениях скорости света высокоста­бильных лазеров позволило XVII Генеральной конференции по ме­рам и весам постулировать значение скорости света точно равной 299792,458 км/с.

В настоящее время для обеспечения высокой степени стабили­зации важнейших параметров лазерного излучения — частоты ши­роко применяются гелий-неоновые лазеры на длине волны излуче­ния l=3,39 мкм (инфракрасная область спектра) и l=0,63 мкм (видимая область спектра), стабилизированные соответственно по насыщенному поглощению в метане (Не- Ne / CH ₄ ) и молекуляр­ном йоде (Не—Ne/I₂ ).

Лазеры на основе (Не— Ne / CH ₄ ) по воспроизводимости частоты приближаются к цезиевому стандарту, являющемуся основой эта­лона времени и частоты. Работающий в видимом диапазоне спект­ра Не— Ne / I ₂ лазер позволяет реализовать новое опреде­ление метра через скорость распространения света в вакууме. На­личие излучения на двух длинах волн (l=0,63 мкм и l =3,39 мкм) дает возможность с помощью интерферометра обеспечить высокую точность измерений. Как будет дальше рассказано, секунда вос­производится с помощью цезиевых стандартов частоты в СВЧ ди­апазоне электромагнитных колебаний, а новый метр — в оптиче­ском диапазоне частот, т. е. на несколько порядков выше частот, применяемых в эталоне времени и частоты. Таким образом, необ­ходим «мост», служащий для передачи эталонной частоты цезиевого стандарта в оптическую часть диапазона.

радиооптическим частотным мостом (РОЧМ).

Единый эталон метра—секунды—герца введен в действие как государственный в 1992 г.

Эталон единицы массы.

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. Прототипы килограмма для практического использования были изготовлены из платиноиридиевого сплава. 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 (1л=1,000028 дм³ ).

В 1964 г. XII Генеральная конференция по мерам и весам решила приравнять 1 л к 1 дм³ .

Международный прототип килограмма был утвержден на I Ге­неральной конференции по мерам и весам в 1889 г. как прототип единицы массы, хотя в тот период еще не существовало четкое разграничение понятий массы и веса, и поэтому часто эталон мас­сы называли эталоном веса. На рис.2 представлен прототип килограмма.

По решению I Конференции по мерам и весам из 42 изготовленных­ прототипов килограмма России были переданы платиноиридиевые прототипы килограмма № 12 и № 26. Прототип кило­грамма № 12 был утвержден в качестве государственного эталона массы, а прототип № 26 использовался и используется в каче­стве вторичного эталона. В состав этого эталона входят:

копия международного прототипа килограмма (№ 12), пред­ставляющая собой платиноиридиевую гирю в виде прямого ци­линдра с закругленными ребрами диаметром и высотой 39 мм. Прототип килограмма хранится в НПО «ВНИИМ им. Д. И. Мен­делеева» (г. Санкт-Петербург) на кварцевой подставке под двумя стеклянными колпаками в стальном сейфе (рис. 2).

Эталон хра­нится при поддержании темпера­туры воздуха в пределах (20±3) °С и относительной влаж­ности 65 %. С целью сохранения эталона с ним сличают два вто­ричных эталона раз в 10 лет. Они и используются для дальнейшей передачи размера ки­лограмма.

При сличении с меж­дународным эталоном килограм­ма отечественной платиноириди­евой гире приписано значение 1,0000000877 кг;

равноплечие призменные весы на 1 кг (№ 1) с дистанционным управлением (с целью исключе­ния влияния оператора на темпе­ратуру окружающей среды), из­готовленные фирмой «Рупрехт» и равноплечие призменные весы на 1 кг (№ 2), изготовленные в НПО «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева». Весы № 1 и № 2-служат для передачи размера единицы массы от прототипа № 12 вторич­ным эталонам.

Погрешность воспроизведения килограмма, выраженная сред­ним квадратическим отклонением результата измерений, составляет 2×10^-9 . Удивительная долговечность эталона единицы массы в виде платиноиридиевой гири не связана с тем, что в свое время был найден наименее уязвимый способ воспроизведения килограмма. Отнюдь нет. Уже несколько десятилетий назад требования к точ­ности измерений массы превзошли возможности их реализации с помощью действующих эталонов единицы массы и столько же вре­мени продолжаются исследования по воспроизведению массы с помощью известных фундаментальных физических констант масс различных атомных частиц (протон, электрон, нейтрон и др.).

Од­нако реально погрешность воспроизведения больших масс (напри­мер, килограмма), привязанных, в частности, к массе покоя нейт­рона, пока что существенно больше, чем погрешность воспроизве­дения килограмма с помощью платиноиридиевой гири. Масса по­коя единичной частицы — нейтрона составляет 1,6949286 (10)´10^{-27 кг и определена со средним квадратическим отклонением 0,59} ´10^-6 .

Со времени создания прототипов килограмма прошло более 100 лет. За истекший период периодически сличали национальные эталоны с международным эталоном. В табл.1 приведены ре­зультаты лишь двух сличений (они были и позже 1954 г.) эталонов килограмма

	№ эталона	Отклонение массы эталона, мг 1889 г. 1954 г.		Разность массы эталонов, мг за 1889– 1954 гг.
Международный эталон МБМВ	31	+0,162	+0,128	—0,034
Франция	35	+0,191	+0,183	—0,008
СССР	12	+0,068	+0,085	+0,017
США	20	—0,039	—0,019	+0,02
Япония	6	+0,169	+ 0,170	+ 0,001
ГДР	15	+0,226	+0,239	+0,013
Италия	5	+0,018	+0,018	0,000
Швейцария	38	+0,183	+0,214	+0,031

Эталон единицы времени и частоты.

Эталон соответствует определению единицы времени—секунды как интервала време­ни, в течение которого совершается 9192 631 770 периодов излуче­ния, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уров­нями (F =4, m_F =0 и F =3, m_F =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 Е₂ и Е₁ в соответствии с выражением (1) очень стабильна и определяется внут­ренней структурой атома.

Основное состояние атома цезия расщеплено на два сверхтонких уров­ня (верхний F =4 и нижний F =3); при этом верхний уровень расщепляет­ся на 9, а нижний — на 7 магнитных подуровней (рис.3).

На уровнях F =4 и F =3 при под­уровне m_F =0 зависимость изменения частоты от индукции магнитного поля имеет вид

n=n₀ +4,26´10⁶ В² ,

где n₀ =9192,631770´10⁶ Гц — частота перехода при отсутствии магнитного поля (m_F = 0); В — магнитная индукция.

Если магнитная индукция равна примерно 5´10^-6 Тл разностью между v и v ₀ , т.е. между частотой перехода при наличии и отсутст­вии магнитного поля, можно пренебречь. Если В =5´10^-6 Тл, час­тота отличается от соответствующего значения при нулевом поле всего на 1,8´10⁴ Гц и поэтому нетрудно отделить переходы , для ко­торых m_F = 0, от переходов с m_F =±1.

Для этого достаточно на пе­ременное магнитное поле наложить слабое однородное магнитное поле. Атомы цезия обладают небольшим магнитным моментом и поэтому взаимодействуют (отклоняются) в неоднородном магнит­ном поле. Таким образом, пропуская атомы цезия через неоднород­ное магнитное поле, можно определить их состояние с уровнем F = 3 от состояний с уровнем F =4.

Рассмотрим принцип действия эталона времени и частоты, реализирующего принятое определение секунды. Блок-схема эталона, одним из основных элементов которого является цезиевая атомно-лучевая трубка, представлена на рис.4.

. А нестабильность цезиевого пучка атомов на частоте перехода (F =4, m_F =0 « F = 3, m ‘ _F =0) достигает 10^-13 . Устройство эталона позволяет нестабильность высокочастотных электромагнитных колебаний кварцевого генератора довести до нестабильности цезиевого пучка.

Атомы цезия испаряются при температуре порядка 100 °С в цезиевой печи, с помощью коллиматора образуют узкий пучок (при­мерно 5 мм).

Затем коллимированный пучок атомов цезия про­ходит между плюсами первого сортирующего (отклоняющего) ма­гнита, поле которого неоднородно из-за специальной конфигурации полюсов. В поле первого магнита атомы цезия отклоняются и те из них, которые имеют энергетический уровень F =4, m_F =0, направ­ляются к центру установки* где находится диафрагма (знаки маг­нитного момента для атомов цезия с уровнями F =4, m_F =0 и F =3, m_F =0 противоположны и это позволяет определить состояния с F =4 от состояний с F =3).

При этом атомы проходят через первый высокочастотный резонатор, где действует переменное электромаг­нитное поле с частотой 9192,631770 МГц (высокочастотные колеба­ния кварцевого генератора в умножителе преобразуются в такие колебания и подаются в оба высокочастотных резонатора).

Таким образом, высокочастотное магнитное поле в резонаторе имеет час­тоту, соответствующую частоте перехода F =4, m_F =0 « F = 3, m_F =O).

В области между резонаторами существует слабое одно­родное магнитное поле.

В резонаторах высокочастотное магнитное поле имеет энергию, достаточную для того, чтобы перевести часть атомов в состояние F =3, m_F =0. При этом атомы изменяют свой дипольный момент. После резонаторов пучок атомов цезия проходит через второй сор­тирующий магнит с неоднородным магнитным полем. Здесь атомы, перешедшие из состояния F =4 в состояние F =3, не испытывают отклонения и попадают на детектор пучка. Те же атомы, которые не совершили этого перехода, отклоняются в сторону от детектора. Детектор представляет собой раскаленную вольфрамовую прово­локу. Попадая на нее нейтральные атомы цезия ионизируются и проволока получает некоторый электрический заряд, соответству­ющий числу атомов, совершивших переход.

Если частота колебаний кварцевого генератора из-за его недос­таточной стабильности изменилась, и, следовательно, частота ко­лебаний высокочастотного поля отклонилась от частоты перехода, то атомы цезия не будут взаимодействовать с высокочастотным магнитным полем резонатора и, испытав в сортирующих магнитах дважды отклонения в одну и ту же сторону, не попадут на детек­тор пучка. Очевидно, чем ближе частота электромагнитного поля в резонаторах к частоте перехода атомов цезия, тем атомный пучок точнее приближается к оси атомно-лучевой трубки и тем больший заряд получает детектор пучка. Следовательно, число атомов, воз­вращенных к оси, определяемое по существу детектором пучка_, является мерой ухода частоты кварцевого генератора.

В детекторе пучка ионы цезия ускоряются, поступают в элект­ронный умножитель, входной ток которого является мерой числа атомов, совершивших переход. Ток на выходе детектора соответствует резонансной кривой с максимумом в точке, где частота СВЧ-поля в резонаторах равна частоте перехода атомов цезия. Затем происходит выделение напряжения положительной и отрицатель­ной полярности в зависимости от того, увеличилась или уменьши­лась частота кварцевого генератора относительно частоты перехо­да. Величина этого напряжения определяется степенью расстройки частоты кварцевого генератора. Напряжение с выхода детектора с частотой F _Д в системе автоподстройки преобразуется в напряжение положительной или отрицательной полярности. Это электрическое напряжение поступает на кварцевый генератор и «подстраивает» его до тех пор, пока частота СВЧ-поля резонаторов не станет рав­ной частоте перехода атомов цезия.

В российском государственном эталоне времени и частоты не­стабильность цезиевой атомно-лучевой трубки составляет 1×10^-13 .

Государственный эталон времени и частоты обеспечивает воспро­изведение размеров единиц времени и частоты (секунды и герца) со средним квадратическим отклонением, не превышающем 5´10^-14 , при неисключенной систематической погрешности менее 2´10^-13 . Эталон обеспечивает воспроизведение и хранение размеров единиц времени и частоты, хранение шкал национального атомного времени ТА и так называемого координированного времени UTC.

В состав эталона входят два цезиевых квантовых стандарта (репера) частоты (рис.5), четыре водородных стандарта (репера) частоты (водородные стандарты частоты имеют лучшие по сравнению с цезиевыми показатели нестабильности, но несколько уступа­ют им по показателям воспроизводимости).

Кроме того, в состав эталона входит система хранения шкал времени, состоящей из 5 водородных и 1 цезиевого стандартов частоты, блоки умножителей частоты, делителей частоты (последние обеспечивают получение частоты 1 Гц), и др.

Как говорилось, эталон времени и частоты совместно с гелий-неоновыми лазерами и РОЧМ образуют единый эталон единиц времени, частоты и длины. Но единый эталон единиц времени, час­тоты и длины состоит из двух частей: эталон времени и частоты, а также РОЧМ, составляющие его первую часть, находятся в НПО «ВНИИФТРИ», вторая же часть, составляющая интерферометр для сравнения длин волн, Не—Ne/CH₄ и Не—Ne/h лазеры и ин­терференционный компаратор, находится в НПО «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева». С целью объединения обеих частей эталона в единый был разработан и введен в состав эталона транспортируе­мый Не— Ne / CH ₄ лазер, длина волны которого устанавлива­ется по выходному Не— Ne / CH ₄ лазеру РОЧМ и служит для изме­рения длины волны Не— Ne / I ₂ лазеров, находящихся в НПО «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева».

Государственный эталон времени и частоты является основным, уникальным техническим устройством Государственной службы времени и частоты, обеспечивающей формирование и хранение шкал времени нашей страны и международной шкалы атомного времени ТА, передачу с заданной точностью эталонных сигналов времени и частоты по радио и телевизионным каналам, сличение с вторичными эталонами с помощью перевозимых квантовых (цезие­вых) часов, причем погрешность сличения при времени транспор­тирования от одних до пяти суток составляет (0,03…0,1) мкс.

Расширение диапазона измеряемых с помощью эталона частоты на оптический диапазон спектра (при применении РОЧМ) позво­ляет обеспечить единство и точность прямых измерений частоты вплоть до частоты 10¹⁴ Гц (100 ТГц).

Аппаратура государственного эталона времени и частоты обес­печивает его сличение с групповым эталоном Международного бю­ро мер и весов, в состав которого входят национальные эталоны времени и частоты США, Канады и других стран.

Эталон единицы силы постоянного электрического тока.

В соответствии с определением единицы силы тока эталон должен быть основан на измерении силы взаимодействия двух прямоли­нейных проводников бесконечной длины и ничтожно малого кру­гового сечения, расположенных на расстоянии 1 м один от другого в вакууме. При силе электрического тока в проводниках 1 А сила взаимодействия составляет 2´10^-7 Н на каждый метр длины.

Данное определение длительное время реализовалось с помо­щью токовых весов, включающих подвижную и неподвижную то­конесущие катушки и высокочастотные равноплечие рычажные весы, к одному из плеч которых присоединена подвижная катушка, к другому — «чашка» с уравновешивающим грузом (рис.6).

Взаимодействие подвижной и неподвижной катушек, соединен­ных последовательно, при протекании по ним посто­янного электрического тока, создает силу, которая вызывает отк­лонение левого плеча коромысла токовых весов. Эта сила уравно­вешивается грузом (набор гирь), помещенным на первой «чашке» весов. Взаимодействие токов определяется по закону Ампера

F ₁ = kI ₁ I ₂ (3)

где F ₁ — сила взаимодействия токов в подвижной и неподвижной катушках; I ₁ и I ₂ — сила электрического тока в подвижной и непо­движной катушках; k — постоянная электродинамическая система весов, зависящая от формы и размеров катушек, диаметра сечения проводов катушек, магнитной проницаемости сред и т. д.

В связи с последовательным соединением катушек токи в них одинаковы (I ₁ = I ₂ ).

Уравновешивающая сила тяжести, определяющая положение правой «чашки» весов, равна F ₂ = mg , где m — масса добавочного груза; g — ускорение свободного падения в месте расположения весов.

При равновесном положении токовых весов, когда F ₁ = F ₂ , сила тока должна иметь значение

I=Ö( m g/ k (4)

где k — постоянная электродинамической системы, с размерностью LMT ^-2 I ^-2 .

Таким образом, можно определить силу электрического тока в зависимости от массы добавочного груза.

Эталон силы постоянного электрического тока в виде токовых весов включает в себя:

электродинамическую систему, состоящую из неподвижной ка­тушки, имеющей две однослойные обмотки, и двух коаксиально расположенных внутри неподвижных катушек с однослойными об­мотками. Постоянная электродинамической системы составляет — 3860555´10^-8 Н/А² ;

рычажные весы с дистанционным управлением, к одному пле­чу которых присоединена подвижная катушка, к другому — чаш­ка» для установки добавочного груза;

цилиндрическую гирю диаметром 5 мм и длиной 50 мм, имею­щую массу 8,16044 г;

аппаратуру для передачи размера ускорения свободного паде­ния вторичному и рабочим эталонам силы электрического тока.

Погрешность воспроизведения данным эталоном единицы ампе­ра, выраженная средним квадратическим отклонением результата измерений, составляет 4´10^-6 , неисключенная составляющая систе­матической погрешности не превышает 8´10^-6 . Этот эталон до 1992 г. служил в качестве государственного эталона ампера.

В 1992 г. в качестве государственного первичного эталона силы постоянного электрического тока в диапазоне 10 ^-16 …30 А утвер­жден эталон, позволяющий значительно повысить точность воспро­изведения и передачи размера единицы силы электрического тока. Новый эталон ампера состоит из двух комплексов. В первом используется способ воспроизведения размера единицы силы тока (1 мА и 1 А) с использованием косвенных измерений силы тока I = U / r , причем размер единицы U электрического напряжения — вольт — воспроизводится с помощью квантового эффекта Джозефсона, а размер единицы r электрического сопротивления — Ом — с помощью квантового эффекта Холла (оба эффекта и соответству­ющие эталоны будут описаны позже).

Второй комплекс воспроизводит силу постоянного тока в диапа­зоне 10^-16 …10-⁹ А. Его основу составляет многозначная мера силы тока, включающая меру линейно измеряющегося электрического напряжения с набором герметизированных конденсаторов (С_о ), прибора для измерения напряжения (U_d ), прибора для измерения времени (T_d ) и компенсирующего (сравнивающего) устройства.

При воспроизведении размеров единицы силы тока последний определяется по формуле

I_o = U_d ( C_o / T_d ) (5)

Воспользовавшись размерностями электрического напряжения и емкости, убедимся, что выражение для силы тока (5) имеет требуемую размерность

dimI_o =L² MT^-3 I^-1 (L^-2 M^-1 T⁴ I² /T)=I

При компенсировании токов производится компенсация электрического заряда, образуемого на одной из пластин измеряемым (калибруемым) током I_x , зарядом, создаваемым на другой пласти­не конденсатора эталонным током I ₀ . При равенстве зарядов I_x =I ₀ таким образом калибруемому источнику тока передан размер еди­ницы эталонного источника тока I ₀ .

Погрешности государственного эталона единицы силы электри­ческого тока в зависимости от воспроизводимой величины приведе­ны в табл.2.

Таблица 2

Диапазон воспроизведения, А	Среднее квадратическое отклонение результата из­мерения, А	Неисключенная системати­ческая погрешность, А
1,0 1´10 -3 1´10 -9 1´10 -10 …1´10-13 1´10 -16	5´10 -8 5´10 -8 3´10 -5 2´10 -4 1´10 -2	2´10 -7 2´10 -7 5´10 -4 1´10 -3 2,5´10 -2

Из сравнения первой строки табл.2 и указанной раньше по­грешности воспроизведения размера единицы ампера с помощью «токовых весов» следует, что погрешность воспроизведения ампе­ра с помощью нового эталона возросла более чем на два порядка, Существенно уменьшилась и неисключенная систематическая по­грешность.

Эталон единицы температуры.

Температура является важной величиной, играющей в науке, промышленности, жизни людей иногда определяющую роль. До 40 % всех измерений сос­тавляют измерения температуры. При этом возрастают требова­ния к точности температурных измерений.

Температура окружающей среды, предметов, как, например, и электрический ток, представляет собой активную величину. Это вносит в измерения существенные особенности, начиная с опреде­ления активной физической величины: обычно определение актив­ной физической величины основано на взаимодействии каких-либо процессов.

В определение единицы термодинамической температуры «заложено» взаимодействие различных состояний воды, находящихся в термодинамическом равновесии: кельвин — 1/273,16 часть тем­пературы тройной точки воды. Это определение позволяет по­строить термодинамическую температурную шкалу.

Особенность температуры состоит также в том, что она являет­ся неаддитивной физической величиной. Поэтому, если для эта­лонов длины, массы и других аддитивных величин можно опи­раться на «воспроизведение размеров установленных единиц (метр, килограмм и др.), то для температуры воспроизведение одной эталонной точки не позволит точно устанавливать другие темпе­ратурные точки. Таким образом, измерение температуры требу­ет осуществить точное воспроизведение многих температурных то­чек, совокупность которых образует температурную шкалу. Тем­пературы, определяемые по этой шкале, должны максимально со­впадать с термодинамической шкалой температуры Кельвина. Это требование выполняется тем, что носителями шкалы Кельвина в основном являются термометры сопротивления, градуированные по результатам предельно точных измерений тер­модинамических температур, полученных и сопоставленных в ве­дущих термометрических лабораториях мира. Кроме того, указан­ное требование выполняется за счет возможности независимого воспроизведения международной шкалы в любой стране.

Сформулированным требованиям на современном этапе термо­метрических исследований отвечает Международная температур­ная шкала 1990 г. (МТШ-90).

При этом основной реперной точ­кой шкалы остается кельвин, воспроизводимый в тройной точке воды. Эталон, воспроизводящий размер кельвина, очевидно, был и остается основным «держателем» единицы температуры (табл.3).

Таблица 3

Состояние	Значения	по МТШ-90	Значения по
фазового равновесия	Т 90 , К	t 90 ,°С	МПТШ-68
Давление насыщенных паров 3 Не и		—272,50	—
4 Не	0,65…5	—268,15
Тройная точка водорода	13,803	—259,346	13,803
Точка кипения водорода
(при p=33330 Па)	17,042	—256,108	—
Точка кипения водорода
(при p=101325 Па)	20,280	—252,870	20,300
Тройная точка неона	24,556	—248,593	—
Тройная точка кислорода	54,358	-218,791	54,361
Тройная точка аргона	83,8O5	—189,344	—
Тройная точка ртути	234,315	—38,834	—
Тройная точка воды	273,16	0,01	273,16
Точка плавления галлия
(при p= 101325 Па)	302,914	29,764	—
Точка плавления индия
(при p= 101325 Па)	429,748	156,598	—
Точка плавления скандия
(при p= 101325 Па)	505,078	231,928	—

Точка плавления цинка
(при p= 101325 Па)	692,677	419,527	692,73
Точка плавления алюминия
(при p= 101325 Па)	933,473	660,323	—
Точка плавления серебра
(при p= 1013I25 Па)	1234,93	961,78	1234,93
Точка плавления золота
(при p= 1013125 Па)	1337,33	1064,18	1335,58
Точка плавления меди
(при p= 101325 Па)	1357,77	1084,62	—

В табл.3 приведены основные «приписанные» Международ­ным комитетом по мерам и весам значения температур фазового равновесия веществ и материалов. Для сравнения в табл.3 даны также значения температур шкалы МПТШ-68, имеющей более чем 25-летний опыт использования. МТШ-90 охватывает область от 0,65 К до наивысшей температуры практически доступной измере­нию в соответствии с законом излучения Плавка (для монохрома­тического излучения).

Приписанные значения температуры МТШ-90 обозначаются символом Т₉₀ .

В свое (время Кельвин и позже Д. И. Менделеев обосновал це­лесообразность построения термодинамической шкалы темпера­туры по одной реперной точке, поскольку такая шкала (позволяет определять абсолютную температуру точнее, чем в случае шкалы с двумя реперными точками. В первом случае определенное число­вое значение приписывается только одной экспериментально по­лучаемой точке шкалы. При этом тройная точка воды может быть воспроизведена с (погрешностью не хуже 0,0001 °С, т. е. с наивыс­шей точностью, полученной при измерении температуры. Это тепловое равновесие воды в твердой, жидкой и газообразной фазах и использовано для построения исходного эталона температуры.

В соответствии с реперными точками табл.3 созданы соответствующие эталоны для температур, лежащих выше и ниже температуры тройной точки воды: (раньше эталоны воспроизводили термодинамическую шкалу в соответствии с реперными точка­ми МПТШ-68; в настоящее время эталоны согласованы с более многочисленными и более близкими к термодинамической шкале температуры реперными точками МТШ-90. Это достаточно нагляд­но иллюстрируется рассмотрением значений T₆₈ и Т₉₀ , приведен­ных в табл.3.

Принятым в 1993 г. постановлением Госстандарта России тем­пературная шкала МТШ-90 поддерживается двумя государствен­ными первичными эталонами единицы температуры. Государствен­ный эталон единицы температуры в диапазоне 0…2500°С представляет комплекс эталонов, включающий эталон кельвина, уста­новку для воспроизведения реперных точек затвердевания цинка» серебра, золота и др., а также интерполяционных приборов — платиновых термометров сопротивления и термоэлектрических термометров. Для измерения температуры тройной точки воды используется газовый термометр. Погрешность воспроизведения кельвина (СКО результата наблюдений) составляет 0,0002…1,5 К (нижнее значение «погрешности соответствует воспроизведению тем­пературы тройной точки воды).

Неисключенная составляющая систематической погрешности оценивается значениями 0,0001…0,5 К (нижнее значение соответствует воспроизведению температуры тройной точки воды).

Указанный эталон хранится в НПО «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева».

Рис.7.Схема эталона для воспроизведения единицы температуры Кельвина

На рис.7 показана схема ис­ходного эталона единицы темпера­туры — кельвина. Внутрь защищен­ной от внешних источников тепла камеры помещается сосуд (ампу­ла) для образования тройной точки воды. Вид ампулы показан на рис.7. Внутрь камеры загружается лед (ледяная крошка).

В резуль­тате длительного воздействия льда и воды в той области ампулы, кото­рая соприкасается с ледяной крош­кой, образуется слой льда, а на внутренней области ампулы, в цен­тре которой имеется цилиндричес­кая полость для помещения термо­метра, остается очень тонкий слой воды. В верхней части ампулы вода находится в парообразном состоя­нии. Таким образом, воспроизводит­ся тройная точка воды. В качестве

термометра, регистрирующего состояние тройной точки воды, применяется газовый термометр, представляющий замкнутый объем, снабженный главным манометром и точным ртутным манометром для измерения давления газа. Температура с помощью газового термометра в первом приближении определяется по формуле PV = RT (для идеального газа), где Р и V — давление и объем термо­метра с газом, R — газовая постоянная.

Государственный первичный эталон в диапазоне температур 0,8…303К хранится в НПО «ВНИИФТРИ». Эталон имеет ряд измерительных установок: в диапазонах 0,8…4,2К, 4,2… 13,81К и выше. В диапазоне измерений 0,8…4,2К эталон имеет высо­кие метрологические характеристики: СКО не хуже 0,0006 К, не­исключенная систематическая погрешность 0,001 К. В диапазоне измерений 4,2…13,81 К значение СКО результатов наблюдений составляет 0,0005 К, неисключенная систематическая погрешность не хуже 0,003К. Для наилучшего приближения к термодинами­ческой температурной шкале в указанных диапазонах измерений используется газовый термометр. В эталонных установках, воспро­изводящих температуру выше 13,81 К, используются платиновые термометры сопротивления.

За 25-летний период действия МПТШ-68 были уточнены зна­чения реперных точек, в том числе установлено, что воспроизво­димость платинового термометра примерно в 50 раз выше, чем точность ряда значений МПТШ-68. В связи с этим XVIII Гене­ральная конференция по мерам и весам (1987 г.) и приняла ре­шение о проведении работ по установлению новой Международной температурной шкалы, различия которой с термодинамической температурной шкалой были бы пренебрежимо малы.

При введении новой температурной шкалы достигается ряд усо­вершенствований измерений температуры: повышается точность измерений, действие МТШ-90 расширяется в области низких тем­ператур от 13,8 К до 0,65 К, новая шкала в отличие от МПТШ-68 достаточно «гладкая» в результате использования платинового термометра сопротивления в качестве интерполяционного прибора в диапазоне от 13,8 К до 1235 К. Вместе с тем, МТШ-90 сохраня­ет принцип построения шкалы на основе реперных точек с припи­санными им новыми значениями температур.

Использование квантовых эффектов для построения эта­лонов единиц физических величин.

За последнее десятилетие для построения эталонов стали применять новые физические эффекты, достаточно изученные физиками: квантовый эффект Джозефсона, квантовый эффект Холла, эффект Мейснера, эффект Мёссбауэра и др. Особенно важное значение в развитии эталонной измеритель­ной техники, а в будущем и рабочих средств измерений имеют кван­товые эффекты Джозефсона и Холла.

Квантовый эффект Джозефсона и его применение при построе­нии эталона вольта. При температуре ниже определенной, свойст­венной данному «металлу или сплаву, называемой критической тем­пературой T _кр , он переходит в особое, сверхпроводящее состояние, в котором электрические и магнитные свойства принципиально от­личаются от тех, которые металл (сплав) имеет при обычных тем­пературах. В сверхпроводнике:

полностью отсутствует сопротивление постоянному электричес­кому току;

магнитный поток в сверхпроводящем кольце остается неизмен­ным во времени;

внешнее магнитное поле не проникает вглубь сверхпроводника, если напряженность поля Н<Н_кр (свойство идеального диамагне­тизма).

Имеют место и другие эффекты.

Возникновение сверхпроводящего состояния принято объяс­нять (появлением особого вида носителей электрического заряда — связанных электронных пар (куперовских пар), образуемых при Т<Т_кр . Объединение электронов в пары, как полагают, вызвано колебаниями кристаллической решети, что приводит к появлению эффективной силы фононного притяжения между электронами в сверхпроводнике (сила вза