Эталоны

Эталоном единицы величины называют средство измерений, предназначенное для воспроизведения и хранения единицы величины (или кратных либо дольных значений единицы величины) с целью пере­дачи ее размера другим средствам измерений данной величины.

Эталоны делят на первичные, специальные и вторичные.

Первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы с наивысшей в

стране точностью (по сравнению с другими этало­нами той же единицы). Первичный эталон основной единицы дол­жен воспроизводить единицу в соответствии с ее определением.

Специальный эталон обеспечивает воспроизведение единицы в особых условиях и заменяет для этих условий первичный эталон. При этом единица, воспроизводимая специальным эталоном, должна быть согласована по размеру с единицей, воспроизводи­мой с помощью соответствующего первичного эталона. Первич­ные и специальные эталоны, официально утвержденные в ка­честве исходных средств измерений в стране, называются госу­дарственными.

Например, в России в настоящее время действуют три госу­дарственных эталона единицы электрического напряжения: госу­дарственный первичный эталон единицы постоянного напряжения (ГОСТ 8.027—81), государственный специальный эталон единицы переменного напряжения в диапазоне частот 20 Гц - 30 МГц (ГОСТ 8.184 - 76) и государственный специальный эталон еди­ницы переменного напряжения в диапазоне частот 30 - 3000 МГц (ГОСТ 8.072—82).

Вторичным называют эталон, для которого размер воспроиз­водимой им единицы устанавливают по первичному эталону. Вто­ричные эталоны делят на рабочие эталоны, эталоны-свидетели, эталоны-копии и эталоны сравнения. Рабочий эталон предназна­чается для передачи размера единицы образцовым средствам из­мерений высшей точности; эталон-свидетель — для проверки со­хранности государственного эталона и замены его в случае порчи или утраты; эталон-копия - для передачи размера единицы рабо­чим эталонам, он не всегда является физической копией государ­ственного эталона. Эталон сравнения (эталон-переносчик, транс­портируемый эталон) предназначен для сличения эталонов, кото­рые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличены друг с другом, например, при международных сличениях, при необходимости транспортирования эталона и т. д.

В области электрических и электронных измерений в настоя­щее время действуют более 50 государственных первичных и спе­циальных эталонов. Они эксплуатируются во многих научно-исследовательских метрологических институтах страны [6].

Такое количество эталонов, существенно превышающее число единиц электрических величин, объясняется технико-экономиче­ской целесообразностью централизованного воспроизведения еди­ниц с помощью эталонов в специальных условиях, определяемых в основном широким диапазоном частот электронных средств из­мерений.

Децентрализованное воспроизведение производных единиц электрических величин посредством косвенных измерений, выпол­няемых в органах метрологической службы с помощью образцовых средств измерений, применяется относительно редко.

Следует отметить, что создание и совершенствование этало­нов является чрезвычайно сложной задачей, требующей больших усилий коллективов ученых, инженеров, конструкторов и произ­водственников. Это объясняется, в первую очередь, высокой точ­ностью эталонов единиц электрических величин, превышающей в десятки раз точность рабочих средств измерений. К тому же требования к точности воспроизведения единиц величин непрерывно растут. В современ­ных эталонах все большее применение находят новейшие дости­жения физики, химии, технологии. Это требует высокой квалифи­кации специалистов, применяющих эталоны. Для ведения работ с эталонами Госстандартом назначается ученый хранитель из числа наиболее квалифицированных специалистов в данной об­ласти измерений. Работа с эталонами производится в соответствии с правилами их хранения и применения, в которых указываются порядок применения, наблюдения за правильностью хранения, проведения исследований и сличений эталонов, в том числе и международных.

Кроме национальных эталонов единиц, существуют и между­народные эталоны Международного бюро мер и весов (МБМВ), которое проводит систематические между­народные сличения эталонов национальных метрологических ор­ганизаций разных стран с международными эталонами и между собой.

Государственный первичный эталон единицы массы — кило­грамма состоит из национального прототипа килограмма (гири из платиново-иридиевого сплава) и эталонных весов, предназначен­ных для передачи размера единицы массы вторичным эталонам. Среднее квадратическое отклонение относительной погрешности воспроизведения эталоном единицы массы равно 7×10^-9.

В настоящее время ведутся работы по созданию «естествен­ного» эталона единицы массы, например, с использованием подсчета числа молекул.

Государственный первичный эталон единиц длины — ком­плекс средств, воспроизводящих метр в виде 1650763,73 длин волн излучения в вакууме, соответствующего переходу между опреде­ленными уровнями атома криптона-86. Эталон обеспечивает вос­произведение метра с относительным средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 5×10 ^-9.

Государственный первичный эталон единицы времени — ком­плекс средств, воспроизводящих секунду в виде 9192631770 периодов колебаний электромагнитного излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состоя­ния атома цезия-133. Этот эталон является также эталоном еди­ницы частоты - герца. Он обеспечивает воспроизведение единиц с относительным средним квадратическим отклонением результа­та измерений, не превышающим 1×10^-13, при неисключенной относительной систематической погрешности, не превышающей 1×10^-12

Появление высокостабильных лазеров позволило осуще­ствить согласованное определение метра и секунды на основе одной линии излучения. В связи с этим в 1983 г. XVII Генеральной конференцией по мерам и весам принято решение о новом опреде­лении метра, в соответствии с которым метр определен как длина пути, проходимого светом за 1/299 792 548 долю секунды. В на­стоящее время ведутся работы по созданию единого эталона единиц времени, частоты и длины. При этом используется фунда­ментальная зависимость l = c×t, где l — путь, проходимый излуче­нием; c = 299792548 м/с - скорость света (излучения); t-время.

Государственный первичный эталон единицы силы постоянно­го электрического тока — ампера — это комплекс средств, в со­став которых входят токовые весы. В токовых весах, представля­ющих собой рычажные равноплечие весы, с одной стороны на коромысло действует сила взаимодействия двух соленоидов, об­текаемых постоянным током, а с другой - гиря извест­ной массы. При равновесии весов сила тока определяется через массу гири, ускорение свободного падения в месте расположения весов и постоянную электродинамической системы (двух соленои­дов), зависящую от формы и размеров соленоидов, диаметра сечения провода соленоидов, значения относительной магнитной проницаемости среды и т.д. Таким образом, ампер воспроизво­дится через основные единицы — метр, килограмм и секунду. Эталон воспроизводит размер ампера с относительным средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 4×10 ^-6, при относительной систематической погрешности, не превышающей 8×10 ^-6.

Из двух дополнительных единиц СИ (радиана и стерадиана) с помощью эталона воспроизводится единица плоского угла — радиан.

Воспроизведение радиана осуществляется методом калибровки, исходя из того, что сумма всех центральных смежных углов многогранной призмы равна 2л рад (360°).

Государственный первичный эталон единицы плоского угла состоит из 36-гранной призмы, эталонной угломерной автоколли­мационной установки, включающей фотоэлектрические автоколли­маторы с электронным цифровым отсчетным устройством, позво­ляющим выполнять измерения в пределах от -6" до +6", и си­стемы для установки и поворота многогранной призмы.

Цена отсчетного устройства автоколлиматора 0,01". Среднее квадратическое отклонение результата измерения не превышает 0,02".

Для поддержания единства измерений можно ограничиться созданием эталонов только основных величин. Однако для облег­чения выполнения этой задачи созданы эталоны производных единиц. Рассмотрим некоторые эталоны производных единиц электрических величин.

В состав государственного эталона вольта входят: мера на­пряжения на основе эффекта Джозефсона (возникновение на­пряжения между двумя разделенными тонким слоем диэлектрика сверхпроводниками в высокочастотном электромагнитном поле); группа насыщенных нормальных элементов (см. п. 5.3) для хране­ния размера единицы, компенсатор постоян-ного тока для сличе­ния нормальных элементов. Эталон воспроизводит размер вольта с относительным средним квадратическим отклонением результа­та измерения, не превышающим 5×10^-8, при относительной не­ исключенной систематической погрешности, не превышающей 1×10 ^-6.

Государственный эталон единицы сопротивления воспроизво­дит ом с помощью 10 манганиновых катушек сопротивления с относительным средним квадратическим отклонением результа­та измерений, не превышающим 1×10 ^-7, при неисключенной от­носительной систематической погрешности, не превышающей 5×10 ^-7.

Государственный эталон единицы емкости воспроизводит фарад с помощью конденсатора с относительным средним квадрати­ческим отклонением результата измерений, не превышающим 7×10^-7, при неисключенной относительной систематической по­грешности, не превышающей 13×10 ^-7.

Государственный эталон единицы индуктивности воспроизво­дит генри с помощью четырех катушек индуктивности с относи­тельным средним квадратическим отклонением результата изме­рений, не превышающим 1×10 ^-5, при неисключенной относитель­ной систематической погрешности, не превышающей 1×10 ^-5.

Единицы магнитных величин воспроизводятся с помощью соответствующих эталонов. У нас в стране имеются первичные эталоны магнитной индукции, магнитного потока и магнитного момента.

Для передачи размера единиц магнитных величин от первич­ных эталонов рабочим средствам измерений используют рабочие эталоны, образцовые меры магнитных величин и образцовые средства измерений.