Эталоны единиц системы СИ

Эталонная база России имеет в своем составе 114 ГЭ и более 250 вторичных эталонов единиц ФВ. Из них 52 находятся во ВНИИ метрологии им. Д.И. Менделеева, Санкт-Петербург, в том числе эталоны метра, килограмма, ампера, кельвина и радиана; 25 - во ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ, Москва), в том числе эталоны единиц времени и частоты; 13 - во ВНИИ оптико-физических измерений, в том числе эталон канделлы; соответственно 5 и 6 - в Уральском и Сибирском НИИ метрологии.

Единица времени — секунда впервые определялась через период вращения Земли вокруг оси или Солнца. До недавнего времени секунда равнялась 1/86400 части солнечных средних суток. Однако продолжительные наблюдения показали, что вращение Земли подвержено нерегулярным колебаниям, которые не позволя-ют рассматривать его в качестве достаточно стабильной естественной основы для определения единицы времени. Средние солнечные сутки определяются с погреш-ностью до 10^-7с. Эта точность недостаточна при нынешнем состоянии техники.

Проведенные исследования позволили создать новый эталон секунды, основанный на способности атомов излучать и поглощать энергию во время перехода между двумя энергетическими состояниями в области радиочастот. В 1967 г. IX Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение секунды как интервала времени, в течение которого совершается 9 192 631 770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения внешними полями. Данное определение реализуется с помощью цезиевых реперов частоты.

Диапазон значений интервалов времени, воспроизводимых эталоном, составляет 1´10^-10¸1´10⁸с, диапазон значений частоты 1¸1´10¹⁴Гц. Воспроизведение единиц времени обеспечивается со средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 1´10^-14 за три месяца, НСП не превышает 5´10^-14. Нестабильность частоты эталона за интервал времени от 1000 с до 10 суток не превышает 5´10^-15.

Метр - был в числе первых единиц, для которых были введены эталоны. Первоначально в период введения метрической системы мер за первый эталон метра была принята одна десятимиллионная часть четверти длины Парижского меридиана. В 1799 г. на основе ее измерения изготовили эталон метра в виде платиновой концевой меры (метр Архива), представлявший собой линейку шириной около 25 мм, толщиной около 4 мм с расстоянием между концами 1 м.

До середины XX в. проводились неоднократные уточнения принятого эталона. Так, в 1889г. был принят эталон в виде штриховой меры из сплава платины и иридия. Он представлял собой платиноиридиевый брусок длиной 102 см, имеющий в поперечном сечении форму буквы X, как бы вписанную в воображаемый квадрат, сторона которого равна 20 мм.

Требования к повышению точности эталона длины (платиноиридиевый прототип метра воспроизводится с точностью не выше 0,1 - 0,2 мкм), а также целесообразность установления естественного и неразрушимого эталона привели к принятию (1960) в качестве эталона метра длины, равной 1 650 763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2р₁₀ и 5d₅ атома криптона-86 (криптоновый метр). Этот эталон мог воспроизводиться в отдельных метрологических лабораториях, точность его по сравнению с платиноиридиевым прототипом была на порядок выше.

Дальнейшие исследования позволили создать более точный эталон метра, основанный на длине волны в вакууме монохроматического излучения, генерируемого стабилизированным лазером. За эталон метра в 1983 г. было принято расстояние, проходимое светом в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды. Данное определение метра было законодательно закреплено в декабре 1985 г. после утверждения единых эталонов времени, частоты и длины.

Другой важной основной единицей в механике является килограмм. При становлении метрической системы мер в качестве единицы массы приняли массу одного кубического дециметра чистой воды при температуре ее наибольшей плотности (4°С). Изготовленный при этом первый прототип килограмма предс-тавляет собой платиноиридиевую цилиндрическую гирю высотой 39 мм, равной его диаметру. Данное определение эталона килограмма действует до сих пор.

В области термодинамических величин действуют:

• два первичных и один специальный эталоны, воспроизводящие единицу температуры — кельвин в различных диапазонах;

• 11 государственных эталонов теплофизики — количества теплоты, удельной теплоемкости, теплопроводности и др.

Погрешность воспроизведения точки кипения воды составляет 0,002 - 0,01^оС, точки таяния льда — 0,0002 - 0,001^оС. Тройная точка воды, являющаяся точкой равновесия воды в твердой, жидкой и газообразной фазах, может быть воспроизведена в специальных сосудах с погрешностью не более 0,0002°С. В 1954 г. было принято решение о переходе к определению термодинамической температуры Т по одной реперной точке - тройной точке воды, равной 273,16К. Таким образом, единицей термодинамической температуры служит кельвин, определяемый как 1/273,16 части тройной точки воды.

В сентябре 1989 г. на 17-й сессии Консультативного комитета по термомет-рии была принята международная практическая температурная шкала МТШ-90.

В области измерений электрических и магнитных величин (включая радиотехнические) созданы и функционируют 32 эталона. Это государственные первичные эталоны единиц ЭДС, сопротивления и электрической емкости.

До последнего времени единицу силы электрического тока - ампер на практике приходилось определять по тем действиям, которые ток оказывал в окружающей среде, например выделение теплоты при прохождении тока через проводник, осаждение вещества на электродах при прохождении тока через электролит, механические действия тока на магнит или проводник с током.

ГПЭ ампера состоит из аппаратуры, выполненной на основе квантовых эффектов Джозефсона и квантования магнитного потока (эффект Холла), включая меру напряжения, меру электрического сопротивления, сверхпроводящий компа-ратор тока и регулируемые источники тока (ГОСТ 8.027-89, ГОСТ 8.022-91).

В 1979 г. на XVI Генеральной конференции мер и весов было принято новое определение, по которому канделла воспроизводится путем косвенных измерений. В России единство измерений световых величин обеспечивает ГОСТ 8.023-90. Современный государственный эталон канделлы имеет диапазон номинальных значений 30-110 кд, среднее квадратическое отклонение результата измерений — 1´10^-3 кд; НСП составляет 2,5´10^-3 кд.

Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для измерения плоского угла устанавливаются ГОСТ 8.016-81. Первичный эталон обеспечивает воспроизведение градуса с НСП не более 0,02".