Материал: Н.Н. Акифьева. Метрология, стандартизация и сертификация

Неудобства, возникающие в связи с пересчетами при переходе от одной системы единиц к другой, вызвали необходимость создания единой универсальной системы единиц, которая охватывала бы все отрасли науки и техники и была бы принята в международном масштабе.

В 1948 г. на IX Генеральной конференции по мерам и весам поступили предложения принять для международного обмена единую практическую систему. В качестве основных единиц рекомендовались: метр, килограмм, секунда и одна из электрических единиц.

В 1954 г. X Генеральная конференция по мерам и весам приняла в качестве основных единиц новой системы следующие:

• единица длины – метр;

• единица массы – килограмм;

• единица времени – секунда;

• единица силы электрического тока – ампер;

• единица термодинамической температуры – кельвин;

• единица силы света – кандела;

После X Генеральной конференции Международный комитет мер и весов подготовил список производных единиц новой системы и предложил ее назвать Международной системой единиц.

В 1960 г. XI Генеральная конференция по мерам и весам окончательно приняла новую систему, присвоив ей наименование Международная система (SI – System International) с сокращением «SI», в русской транскрипции «СИ».

В 1971 г. XIV Генеральная конференция приняла седьмую основную единицу СИ – единицу количества вещества – моль.

Первые три единицы (метр, килограмм, секунда) СИ позволяют образовывать производные единицы для измерения механических и акустических величин. При добавлении к ним четвертой (кельвина) можно образовывать производные единицы для измерений теплового состояния.

Метр, килограмм, секунда, ампер служат основой для образования производных единиц в области электрических и магнитных измерений, а также измерений ионизирующих излучений.

Моль используется для образования единиц в области физико-химических измерений.

Дополнительными в Международной системе СИ являются единица плоского угла (радиан) и единица телесного угла (стерадиан). Они используются для образования производных единиц угловых величин.

В Приложении 5 приведено достаточно подробное изложение Международной системы СИ. Такое внимание к этой системе единиц объясняется тем, что в Российской Федерации узаконенными единицами являются единицы СИ [9].

2.2Порядок передачи размеров единиц физических величин

Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, в которых отградуированы все средства измерений одной и той же физической величины.

Единство измерений достигается путем точного воспроизведения и хранения установленных единиц физических величин с помощью эталонов и передачи их размеров применяемым средствам измерений [6].

Передача размера единиц – это приведение размера единицы физической величины, хранимой поверяемым средством измерения, к размеру единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном, осуществляемое при поверке или калибровке.

Систему передачи единиц физических величин можно представить в виде иерархической схемы, подобной той, что приведена на рис.2.1.

Рис.2.1. Схема передачи единиц физических величин от эталонов к рабочим средствам измерения.

Высшую ступень иерархической схемы занимают международные эталоны физических величин. Международные эталоны хранятся в Международном бюро мер и весов во Франции. Вторую ступень занимают Государственные эталоны, воспроизводящие единицы в соответствии с их определением и с наивысшей в стране точностью. Эталоны представляют собой комплекс средств измерений и вспомогательных устройств, обеспечивающих воспроизведение единицы и в необходимых случаях ее хранение, а также передачу размера единицы рабочим эталонам. Государственные эталоны проходят периодическое сличение между собой и с международными эталонами. По результатам периодического сличения, Российские эталоны заслужили международное признание своих измерительных возможностей и публикации информации о них на сайте Международного бюро мер и весов.

В парке Государственных эталонов различают: Государственные первичные эталоны и вторичные эталоны. Первичным является эталон физической величины, утвержденный в качестве исходного для всей Российской Федерации. Вторичные эталоны создаются для проведения различных метрологических работ. Это эталоны-свидетели, эталоны-сравнения, эталоны-копии.

Эталоны-свидетели предназначены для поверки сохранности и неизменности первичного эталона и для замены его в случае порчи или утраты. Эталоны-сравнения применяются для сличения эталонов, которые по каким-либо причинам (например, сложность транспортировки) не могут непосредственно сличаться друг с другом. Эталоны-копии используются для передачи размеров единиц рабочим эталонам.

Следующие ступени в иерархической схеме занимают рабочие эталоны 1-го, 2-го и 3-го разрядов (ранее называвшиеся образцовыми измерительными средствами), которые также относятся к парку вторичных эталонов.

Существуют эталоны для воспроизведения как основных единиц, так и ряда производных единиц, например, эталон единицы давления, эталоны э.д.с., сопротивления, емкости, индуктивности. Создание эталонов производных единиц позволяет повысить точность, с которой передаются размеры этих единиц нижестоящим образцовым средствам измерений. При создании эталонов производных единиц обеспечивается их связь с эталонами основных единиц.

Воспроизведение основных единиц Международной системы единиц СИ должно осуществляться с помощью государственных эталонов, то есть в централизованном порядке.

Воспроизведение дополнительных и производных единиц может осуществляется как централизованно – с помощью единого государственного эталона, так и децентрализованно. Централизованно воспроизводятся большинство важнейших производных единиц СИ: ньютон, паскаль, джоуль, ом, вольт, генри, вебер и др.

Важное место в воспроизведении единиц величин, характеризующих свойства и состав веществ и материалов (металлов и сплавов, медицинских препаратов, нефтепродуктов, минерального сырья, почв и т.п.) занимают стандартные образцы состава и свойств веществ и материалов. В качестве стандартных образцов состава и свойств понимаются образцы веществ или материалов, чей химический состав или физические свойства типичны для данной группы веществ или материалов, которые определены с необходимой точностью, отличаются высоким постоянством и удостоверены сертификатом. Стандартные образцы сопровождаются методиками контрольного сопоставления своих характеристик с характеристиками веществ и материалов, которые производятся промышленными, сельскохозяйственными и другими предприятиями.

2.3Эталоны единиц основных физических величин

2.3.1Эталон единицы длины

В 1889 году в Париже собралась I Генеральная конференция по мерам и весам, утвердившая международные прототипы метра и килограмма, которые были переданы на хранение Международному бюро мер и весов. После установления международных эталонов метра и килограмма, Генеральная конференция распределила остальные образцы по жребию между государствами, подписавшими Метрическую конвенцию (подробно о Метрической конвенции см. п 5.1.2). Россия получила два эталона метра (№11 и №28), который представлял собой стержень X-образного поперечного сечения из сплава платины и иридия. Несмотря на значительную твердость и стойкость к окислению сплава, использованного при изготовлении эталона, не было полной уверенности в том, что образец не изменит своей первоначальной длины. Объяснялось это тем, что стержни, подвергшиеся при изготовлении механической и термической обработке, впоследствии медленно меняют свою микрокристаллическую структуру.

С личения эталонов различных стран с международным эталоном не способны выявить такие изменения размера, так как все эталоны изготовлены одним способом и из одного материала и, следовательно, претерпевают одинаковые изменения.

Рис.2.2. Схема лампы с криптоном-86

1- светящийся капилляр трубки; 2- газоразрядная трубка с криптоном; 3 – накаленный электрод; 4 - манометр; 5- сосуд Дюара; 6- герметически закрывающаяся камера; 7- термопара

В 1895 году II Генеральная конференция по мерам и весам признала, что естественным свиде-телем метра является длина волны монохроматического света. После изучения спект-ральных линий ряда элементов, было обнару-жено, что наибольшую точность вопроизведения обеспечивает оранжевая линия криптона-86. XI Генеральная конференция в 1960 году приняла выражение размера метра в длинах этих волн как наиболее точное значение. На основе этого решения было принято следующее определение метра: «Метр- длина, равная 1650763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2p₁₀ и 5d₅ атома криптона-86».

Метр в длинах световых волн воспроизводится интерференционным методом на специальной установке с помощью лампы, заполненной изотопом криптона-86. И интерференционная установка, и криптоновая лампа входят в состав государственного эталона. С целью получения необходимых условий для излучения линии, криптон заключают в капилляр и охлаждают жидким азотом до 58-60 К. Возбуждение атомов криптона производят путем пропускания через него электрического тока. Схема лампы приведена ни рис.2.2.

Осуществление этого нового метода воспроизведения метра дало возможность снизить погрешность воспроизведения метра до 10^-8 м, что позволяет выразить результат измерений числом из восьми цифр.

Платино-иридиевый эталон метра также не потерял своего значения, но он стал вторичным эталоном, точность которого поверяется по длине волны оранжевой линии спектра криптона-86.

2.3.2Эталон единицы массы

На I Генеральной конференции по мерам и весам в 1889 году, утвердившей международные прототипы метра и килограмма, кроме двух эталонов метра, Россия получила два эталона килограмма (№12 и №26), который представлял собой гирю из сплава платины и иридия. Созданный одновременно с платино-иридиевым эталоном метра, прототип килограмма с аналогичными ему копиями до настоящего времени является носителем и воплощением единицы массы СИ – килограмма. Определение килограмма: «килограмм – единица массы – равен массе международного эталона килограмма».

В состав государственного эталона входят:

1. Копия международного прототипа килограмма – платино-иридиевая гиря, в виде прямого цилиндра с закругленными ребрами диаметром и высотой 39 мм, носящая знак №12

2. Равноплечие призменные весы №1 и №2 на 1 кг с дистанционным управлением, служащие для передачи размера единицы массы вторичным эталонам.

Эталон хранится на кварцевой подставке под двумя стеклянными колпаками в стальном шкафу, помещенном в хранилище эталонов, при атмосферном давлении, температуре 20⁰С и относительной влажности воздуха 65%. Чтобы предотвратить износ эталона, с ним сличают только два эталона-копии один раз в десять лет. Размер единицы массы от первичного эталона к рабочим передается с помощью эталонов-копий.

2.3.3Эталон единицы времени

Определение единицы времени претерпело наибольшее изменение. Первоначально, за единицу времени – секунду принимали 1/86400 средних солнечных суток. Это определение секунды было связано с вращением Земли вокруг своей оси, которое, как обнаружили позднее, происходит неравномерно. Затем в основу определения единицы времени положили период вращения Земли вокруг Солнца – тропический год. Размер секунды был определен как 1/31556925,9747 часть тропического года. Но поскольку тропический год тоже изменяется, то в 1960 году для определения секунды был принят тропический год, отнесенный к определенному моменту времени: 12 часов 31 декабря 1899 года..

В 1967 году XIII Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение секунды, основанное на физическом явлении, которое позволяет более точно и стабильно воспроизводить ее размер. «Секунда – 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133».

В соответствии с определением единицы времени ее воспроизведение осуществляется атомно-лучевыми часами, блок-схема которых показана на рис.2.3.

Рис.2.3. Блок-схема цезиевых часов.

Электромагнитные колебания кварцевого генератора умножаются до частоты спектральной линии цезия. В резонаторе атомно-лучевой трубки энергия высокочастотных колебаний поглощается атомами цезия. При отклонении частоты кварцевого генератора от номинального значения интенсивность переходов атомов цезия и, следовательно, плотность пучка на выходе трубки резко сокращается. Блок авторегулирования, связанный с трубкой, вырабатывает сигнал, возвращающий частоты кварцевого генератора к номинальному значению.

Погрешность вопроизведения частоты цезиевыми часами составляет 10^-12 с^-1.

2.3.4Эталон единицы силы электрического тока

На XI Генеральной конференции по мерам и весам было принято следующее определение ампера: «Ампер – сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого круглого сечения, расположенным на расстоянии 1м один от другого в вакууме, вызвала бы между этими проводниками силу, равную Н на каждый метр длины». В основу этого определения положен закон Ампера.

Рис.2.4. Схема токовых весов.

Эталоном для воспроизведения единицы силы тока ампера служат так называемые токовые весы. Схема установки показана на рис.2.4. К серьгам коромысла чувствительных равноплечих весов подвешены два соленоида. Один из них является рабочим, другой служит для создания симметричной нагрузки на коромысло. Рабочий соленоид помещается внутри неподвижного соленоида. Через неподвижный и размещенный внутри него подвижный соленоиды пропускается один и тот же ток. В результате взаимодействия соленоидов на подвижный действует сила, которая уравновешивается силой тяжести гирь, навешиваемых на противоположное плечо коромысла. Сила тока определяется по формуле:

, (2.4)

где - масса гирь, уравновешивающих силу взаимодействия; - ускорение свободного падения; - постоянная токовых весов, заввисящая от геометрических размеров соленоидов, числа витков, шага намотки и других расчетных параметров.