Перспективы создания новых эталонов. Эталонная база Украины

5. Эталон длины – СР№1

1. Эталон – средство измерения, обеспечивающее воспроизведение и хранение узаконенных единиц физических величин (участка шкалы), а также передачу их размера другим средствам измерения.

Эталон может быть физическим телом; может быть определен посредством стандартизированной измерительной процедуры, в которой применяются эталонные методы измерений и калиброванное оборудование; в качестве эталона можно использовать явления природы.

2. По назначению эталоны делят на следующие виды.

Первичный эталон – это эталон, который воспроизводит единицу физической величины (участок шкалы) с наивысшей точностью, возможной в данной области измерений на современном этапе научно-исследовательских достижений. Это эталон наивысшей метрологической значимости.

По правовому статусу первичный эталон может быть национальным (государственным) и международным.

Первичному эталону соподчинены вторичные и рабочие (разрядные) эталоны.

Вторичный эталон хранит единицу измерения или участок шкалы, полученные путем сличения с первичным эталоном, для последующей передачи рабочим эталонам.

Среди вторичных эталонов выделяют:

- эталоны-свидетели (эталоны-дублеры), предназначенные для проверки сохранности государственных эталонов и замены их в случае порчи или утраты;

- эталоны-копии, создаваемые при большом объеме поверочных работ с целью предохранения аппаратуры государственного эталона от преждевременного износа;

- эталоны сравнения (эталоны-переносчики) – применяются как промежуточное звено для сличения эталонов, которые не могут сличаться непосредственно.

Рабочие эталоны (ранее – образцовое средство измерений) воспринимают размер единицы от вторичных эталонов и, в свою очередь, служат для передачи размера менее точному рабочему эталону (или эталону более низкого разряда – мерам) и рабочим средствам измерения, рис.1.

Рисунок 1 – Схема передачи размера

3. Каждый эталон основной или производной единицы Международной системы SI имеет свою историю и связан с научными исследованиями и экспериментами.

Например, принятый в 1791 г. Национальным собранием Франции эталон метра равнялся 1/10.000.000 четверти дуги Парижского меридиана.

Первыми официально утвержденными эталонами прошлого были прототипы метра и килограмма. Они были изготовлены во Франции, в 1799 г. переданы на сохранение в Национальный архив этой страны. Их стали называть «метр Архива» (платиновый стержень шириной 25 мм, толщиной 4 мм, длиной 1 м) и «килограмм Архива».

В 1875 г. была принята Международная метрическая конвенция. Этот год метрологи считают вторым рождением метра как основной международной единицы длины.

В XX в. (1967 г.) были опубликованы исследования более точного измерения парижского меридиана, которые показали, что четверть меридиана составляет 10 млн 1954,4 м. Т.е. «метр Архива» на 0,2 мм короче меридионального метра.

В 1889 г. были изготовлены 43 экземпляра эталона метра из платиноиридиевого сплава. Эталон №6, наиболее точно соответствующий длине «метра Архива», по решению I Генеральной конференции по мерам и весам был утвержден как международный эталон метра, который сохраняется в г. Севр (Франция). Другие 42 эталона были переданы разным государствам.

Погрешность платиноиридиевых эталонов метра (1,1 ×10^{-7 м = 0,11 мкм)} уже в начале века оценивалась как неудовлетворительная, и в 1960 г. XI Генеральная конференция по мерам и весам утвердила другое определение метра – в длинах волн, что основано на устойчивости длины волны спектральных линий излучения атомов. За основу была принята длина волны оранжевой спектральной линии, излучаемой атомами изотопа криптона. Погрешность криптонового эталона намного меньше, чем платинового и составляет 5 ×10^{-9 м (5 нм).}

Однако далее и эта точность стала недостаточной, и новые достижения науки позволили в 1983 г. на XVII генеральной конференции мер и весов принять новое (действующее в настоящий момент) определение метра как длину пути, который свет проходит за 1/299.792.458 части секунды в вакууме, т.е. определение метра было связано со скоростью света в вакууме и с единицей времени – секундой.

Не менее интересна история эталона массы. «Килограмм Архива», который был принят за эталон массы в 1872 г., представляет собой платиновую цилиндрическую гирю, высота и диаметр которой по 39 мм.

Прототипы (вторичные эталоны) для практического использования были выполнены из платиноиридиевого сплава (90 % платины и 10 % иридия).

По решению I генеральной конференции по мерам и весам разным странам переданы экземпляры прототипов.

За 100 с лишним лет существования описанного прототипа килограмма, воспроизводимого вещественным, рукотворным эталоном, не связанным с естественными явлениями природы, были попытки создать более современный эталон на основе фундаментальных физических констант масс разных атомных частиц (протона, электрона). Однако на современном уровне научно-технического прогресса пока не удалось воспроизвести массу килограмма с меньшей погрешностью, чем существующая (0,007 мг, т.е. 7 ×10^{-6 г}).

4. ■За последние годы получены высокие результаты точности и надежности эталонов, которые созданы на основе использования квантовых эффектов. Это позволяет допустить возможность создания новых эталонов в недалеком будущем.

Например, с помощью квантовых эффектов был создан современный эталон ампера и ома. Квантовые эталоны характеризуются высоким уровнем стабильности значений погрешности воспроизведения единиц величин.

С помощью новых методов и средств уточняются фундаментальные физические константы. Поэтому точность квантовых эталонов будет расти.

Ученые считают, что квантовые эталоны можно будет считать «вечными мерами», поскольку способность воспроизведения единиц физических величин в таких эталонах не подвергается влиянию внешних условий, географического местонахождения и времени.

Если будет создан эталон массы на основе возможностей ядерной физики, то многие существующие эталоны перейдут в разряд «вечных», поскольку размерности их величин связаны так или иначе с массой. В таких условиях изменится и система поверки и калибровки, которая связана с государственными эталонами, т.е. произойдет ее децентрализация, что обеспечит значительный экономический эффект.

■ Особые надежды возлагаются в метрологическом обеспечении также на нанотехнологии.

■ Перспективным направлением развития эталонной базы является также переход от единичных эталонов к комплексным, т.е. эталонам, воспроизводящим не одну, а несколько единиц величин и построенным на основе определенной физической константы или стабильного физического явления.

Национальная эталонная база является составляющей государственной метрологической системы (метрологической системы Украины) и обеспечивает воспроизведение единиц измерений и передачу размеров от государственных эталонов с помощью рабочих эталонов рабочим средствам измерительной техники (СИТ), которые эксплуатируются в производственной и непроизводственной сферах.

Важное значение имеют созданные в ННЦ "Институт метрологии" государственные первичные эталоны основных единиц: метра, килограмма, секунды, кельвина, канделы. Эти эталоны представляют собой сложные высокоточные измерительные комплексы, при создании которых использованы фундаментальные физические константы и новейшие достижения науки и техники, а также технологии.

Для функционирования эталонов создана уникальная инфраструктура, которая обеспечивает заданные условия по параметрам температуры, давления, влажности и, при необходимости, защиту от электромагнитных и механических помех.

На эталонную базу опирается также система обеспечения единства измерений и исходные эталоны Вооруженных Сил Украины.

В Украине создан ряд государственных эталонов единиц измерения для применения в различных отраслях промышленности.

Стратегическим направлением совершенствования национальной эталонной базы является использование квантовых эффектов, фундаментальных физических констант и новых технологий.

Актуальным является подготовка государственной программы "Совершенствование национальной эталонной базы на 2016–2020 годы".