Государственные эталоны основных единиц СИ

Третья причина  создания специальных государственных  эталонов — существенная смена характера объекта измерений. Например, смена агрегатного состояния вещества при переходе от измерения объемного расхода жидкости к измерению объемного расхода газа, от плотности жидкости к плотности твердых веществ, от скорости твердого тела к скорости жидкости или газового потока и т. д. Или — смена вида элементарных частиц, например, при измерении параметров нейтронного и электронного полей. В этих случаях не меняются не только природа и единица физической величины, но и ее определение, однако может резко измениться способ (метод) измерения из-за резкого различия свойств объектов измерения при смене природы этого объекта.

Наконец, еще  одну обширную группу особых условий  составляют измерения физических величин, сильно зависящих от какой-либо другой величины, при изменении влияющей величины. Примером являются измерения теплоемкости или теплопроводности при разных значениях температуры излучаемого образца, измерения поглощенной дозы гамма-излучения (или другого вида излучения) при различных значениях энергии этого излучения, измерения различных параметров оптического излучения для разных длин волн и т. п.

Возможны и  более сложные случаи особых условий  в виде комбинаций из перечисленных выше четырех типов, например, в области акустических измерений, где измеряются переменные звуковые давления в различных средах (водной и воздушной). Во всех этих случаях могут создаваться специальные государственные эталоны.

Необходимость обеспечения единства измерений  в особых условиях является необходимым условием создания специальных эталонов, но недостаточным. Достаточным условием может служить невозможность передачи с требуемой точностью размера единицы от первичного эталона к средствам измерений данной величины в особых условиях. Таким образом, первичные государственные эталоны воспроизводят единицу данной физической величины и являются самыми высокоточными измерительными устройствами среди всех средств измерений этой величины; специальные государственные эталоны также воспроизводят эту единицу, но в соответствующих особых условиях, и являются самыми высокоточными среди всех средств измерений данной величины в этих особых условиях.

Таким образом, для каждой физической величины должен быть (если обоснована необходимость  централизации воспроизведения  единицы) только один государственный первичный эталон. Специальных же государственных эталонов для той же физической величины может быть несколько в зависимости от числа представляющих практический интерес особых условий измерений и от возможностей первичной системы воспроизведения и передачи размера единицы.

Система передачи единицы физической величины от эталона  к рабочим средствам измерений называется поверочной схемой. Она имеет несколько ступеней и в общем виде может быть представлена структурной схемой, показанной на рисунке 1.

 

Передача единицы  величины от эталона ко всем рабочим  средствам измерений осуществляется не единожды, а периодически, ибо  нельзя гарантировать, что хранение единицы в рабочем средстве измерений  не повлечет изменение размера этой единицы через некоторое время.

До 1994 года в  нашей стране в течение более 200 лет применялся термин «образцовое средство измерений», которое служило промежуточным метрологическим звеном, расположенным между эталоном и рабочими средствами. 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-его, а иногда даже до 4-го разряда, то рабочие эталоны стали называться рабочими эталонами 1-го разряда, 2-го разряда и т. д.

Рабочие средства измерений, или просто средства измерений, могут быть существенно разного класса точности, поэтому сличение их с эталоном производится на соответствующей ступени поверочной схемы.

Схема состоит  из некоторого числа ступеней передачи размера единицы физической величины. На каждой ступени используется один из методов поверки. Каждая ступень характеризуется допускаемой погрешностью поверки.

Стандартизованы следующие общие методы поверки:

• метод непосредственного сличения (т.е. без специальных средств сравнения);
• метод сличения при помощи компаратора;
• метод прямых измерений;
• метод косвенных измерений.

      Государственная поверочная схема для каждой физической величины или даже для конкретных диапазонов устанавливается стандартом (ГОСТ Р). Она представляется в документах чертежом (графически). [4]

 

3. ГОСУДАРСТВЕННЫЕ ЭТАЛОНЫ ОСНОВНЫХ ЕДИНИЦ СИ

 

В соответствии с современными положениями СИ в качестве основных единиц приняты:

• единица длины — метр (м);
• единица массы — килограмм (кг);
• единица времени — секунда (с);
• единица силы электрического тока — ампер (А);
• единица термодинамической температуры —кельвин (К):
• единица силы света — кандела (кд);
• единица количества вещества — моль (моль).

Каждая из основных единиц имеет строгое определение, выработанное в решениях Генеральной конференции мер и весов.

Метр — длина пути, проходимого в вакууме светом за 1/299792458 доли секунды.

Килограмм — масса, равная массе международного прототипа килограмма, хранящегося в международном бюро мер и весов.

Секунда — интервал времени, равный 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 .

Ампер — сила неизменяющегося электрического тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2 10^-7 Н.

Кельвин — интервал температуры, равный 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды.

Кандела — сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540 ·10¹² Гц, энергетическая сила излучения которого в этом направлении составляет 1/683 Вт · ср^-1.

Моль — количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в образце из углерода - 12 массой 0,012 кг.

Выбор размеров основных единиц, как известно, произволен. В приведенных определениях отражены принципы преемственности размеров единиц и максимальной точности их воспроизведения. Номенклатура основных единиц позволяет охватить все области науки и техники.

До недавнего  времени единицы плоского угла (радиан, равный углу между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу) и телесного угла (стерадиан, равный телесному углу с вершиной в центре сферы, вырезающему на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной размером с радиус этой сферы) были выделены в особую группу так называемых дополнительных единиц. С 1995 года они переведены в разряд производных единиц.

В настоящее  время созданы и действуют  государственные эталоны для единиц длины, массы, времени, температуры, силы света, силы электрического тока. Для единицы количества вещества (моля) эталоны пока не созданы нигде в мире, по-видимому, прежде всего по той причине, что практическое использование такого эталона не очень ясно. [4]

Общее число  государственных эталонов основных единиц (18) значительно (в 3 раза) превышает число воспроизводимых ими основных единиц (6), так как и для основных единиц потребовалось создание не только первичных, но и специальных эталонов. Так, для основной единицы длины (метра) функционируют 5 государственных эталонов: помимо первичного эталона метра, созданы специальные эталоны для таких специфических областей линейных измерений, как измерения длин волн оптического излучения в спектроскопии, измерения параметров шероховатости, измерения параметров эвольвентных поверхностей для зубчатых зацеплений, измерения амплитуды перемещений при колебательном движении твердых тел. Для основной единицы температуры — кельвина — функционируют 7 государственных эталонов; для единицы силы тока — ампера — 3 государственных эталона; для остальных основных единиц (килограмма, секунды и канделы) в настоящее время имеется только по одному (первичному) государственному эталону.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

      Эталонная база России является, с одной стороны, самостоятельной и независимой, а с другой стороны, адаптированной к европейской и мировой системам обеспечения единства измерений.

Основными направлениями  развития эталонной базы России в  настоящее время являются:

• оптимизации эталонной базы по составу и структуре;
• создание системы взаимосвязи эталонов, в том числе "естественных", основанных на фундаментальных физических константах и статистических физических исследованиях в области воспроизведения основных и важнейших производных единиц;
• создание систем эталонов, в которой разумно сочетается централизованное и децентрализованное воспроизведение единиц;
• поисковое исследование и внедрение новых физических явлений и технологий, способных обеспечить научный прорыв при создании эталонов;
• разработка предельных по точности методов и средств измерений эталонного значения.

 

Эти направления  конкретизованы в научно-технической  программе "Эталоны России", главная  цель которой – создание новых  и совершенствование существующих государственных эталонов в таких важнейших областях науки и техники, как механика, электромагнетизм, термодинамика, оптико-физика, физикохимия, ядерная физика и др. [5]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

1.  Российская метрологическая энциклопедия. – Санкт-Петербург. Лики России, 2001.

2. ГОСТ 8.057-80 ГСИ. Эталоны единиц физических величин. Основные положения.

3. Тарбеев Ю. В., Балалаев В. А. Государственные эталоны СССР. – М.: Машиностроение, 1981.

4. Кузнецов В. А., Ялунина Г. В. Метрология (теоретические, прикладные и законодательные основы): Учеб. пособие. – М.: ИПК Издательство стандартов, 1998.

5. Сергеев А. Г., Крохин В. В. Метрология: Учебное пособие для вузов. – М.: Логос, 2000.

 

 

Приложение 1.

Рисунок 1. Структура  передачи единицы физической величины рабочим средствам измерений  различной точности.

 

Приложение 2.

Таблица 1.

Величина, значение или диапазон	СКО случайной погрешности	Неисключенная систематическая погрешность
Длина, 0-1 м	2х10-11	10-9
Масса, 1 кг	8х10-9
Время, с	1х10-14	5х10-14
Температура, К 0,8 – 273,16 Температура, 0С 0-2500	0,001 К   0,00005-1,4 0С	0,003 К   0,00005-0,3 0С
Сила постоянного  электрического тока, А 1
1х10-3 1х10-9 – 1х10-16	5х10-8 5х10-8 3х10-5…1х10-2	2х10-7 2х10-7 5х10-4…2,5х10-2
Сила переменного (20 – 106 Гц) электрического тока в диапазоне 1 мА – 20 А	< 5х10-6 – 1х10-4	< х10-5 – 3х10-4
Сила переменного (0,1 – 300 МГц) электрического тока в диапазоне 0,04 – 300 А	1х10-3	8,5х10-3
Электродвижущая сила и электрическое напряжение,   1 В и 10 В	1х10-9	1х10-9
Индуктивность 0,01 Гн 1х103 Гн	1х10-6	5х10-6
Активное электрическое  сопротивление, Ом 12906,4035 6453,20175 1	2,5х10-8	10х10-8
Электрическая емкость, пФ 0,2	2х10-7	5х10-7