Предыдущий уровень изложения текущего раздела   Текущий уровень изложения предыдущего раздела   Текущий уровень изложения следующего раздела   Первый уровень изложения следующего раздела   Уровень: Глоссарии:


Воспроизведение единиц физических величин

В соответствии с основным уравнением измерения (2) главная измерительная процедура сводится к сравнению неизвестного размера с известным, в качестве которого выступает размер соответствующей единицы СИ. Информация об этих единицах и их размерах содержится в нормативно-технических документах, в частности, в ГОСТ 8.417-81 (СТ СЭВ 1052-78). Чем ближе используемый для сравнения размер единицы к её определению, тем точнее в этих единицах будет выражено значение измеряемой физической величины. Этим объясняются высокие требования к точности воспроизведения единиц, удовлетворение которых составляет одно из важнейших направлений постоянных метрологических работ. Размеры единиц могут воспроизводиться там же, где выполняются измерения, либо информация о них должна передаваться с централизованного места их хранения или воспроизведения. В зависимости от этого различают децентрализованое и централизованное воспроизведение единиц. Примером децентрализованного воспроизведения может служить воспроизведение единицы площади 1 м2. Децентрализовано воспроизводятся единицы многих производных физических величин (информация о размерах основных единиц передаётся с места централизованного хранения или воспроизведения). Централизованное воспроизведение единиц осуществляется с помощью специальных технических средств, называемых эталонами. Эталон- это техническое устройство, обеспечивающее воспроизведение и (или) хранение единицы с целью передачи информации о её размере средствам измерений, выполненное по особой спецификации и официально утвержденное в установленном порядке в качестве эталона. Эталоны, воспроизводящие единицу с наивысшей в стране точностью, называются первичными. Эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы в особых условиях и заменяющий в этих условиях первичный эталон, называется специальным. Официально утвержденные в качестве исходных для страны первичный или специальный эталоны называются государственными. Основные единицы в настоящее время воспроизводятся только централизованно. Эталоны основных единиц воспроизводят их строго в соответствии с определением. Каждый эталон состоит из воспроизводящей части и приспособлений или устройств, обеспечивающих съём и передачу информации о размере единицы. Во всех без исключения случаях результат воспроизведения является случайной величиной. Основных единиц в Международной системе семь: секунда, метр, килограмм, кельвин, кандела, ампер и моль. Соответственно должно было бы быть и семь государственных первичных эталонов основных единиц. Однако в эталоне моля нет необходимости. В 0,012 кг изотопа углерода-12 содержится 6,022*1023 атомов. Это число называется числом Авогадро. Если число структурных элементов, составляющих вещество известно, то деление его на число Авогадро даёт количество этого вещества в молях. Можно при необходимости воспроизвести 1 моль любого вещества как 6,022*1023 его структурных элементов. Масса одного моля водорода, например, составляет 2 г, кислорода-32г, воды-18г и т.д. Государственный первичный эталон единиц времени и частоты и шкалы времени Советского Союза воспроизводит основную единицу СИ секунду в соответствии с её определением (см. разд. 1.4). Принципиальная схема воспроизводящей части эталона показана на рис. 45. Атомы цезия-133 испускаются нагретым источником 1. Пучок этих атомов попадает в область неоднородного магнитного поля, создаваемого магнитом 2. Угол отклонения атомов в таком магнитном поле определяется их магнитным моментом. Поэтому неоднородное магнитное поле позволяет выделить из пучка атомы, находящиеся на определённом энергетическом уровне. Эти атомы направляются в объёмный резонатор 3, пролетая через который взаимодействуют с переменным электромагнитным полем сверхвысокой частоты. Частота электромагнитных колебаний в резонаторе может регулироваться в небольших пределах. При совпадении её с частотой, соответствующей энергии квантовых переходов, происходит поглощение энергии СВЧ-поля, и атомы цезия-133 переходят в основное состояние. Отклоняющей магнитной системой 4 они направляются на детектор 5. Ток детектора при настройке резонатора на частоту квантовых переходов оказывается максимальным. Этой частоте приписывается значение 9192631770 Гц, а промежуток времени, равный 9192631770 периодам сверхвысокочастотных колебаний, принимается равным 1с. Выбор числа 9192631770 объясняется следующим образом. До 1960 г. секунда определялась как 1/86400 часть солнечных средних суток (среднего значения суток в течение года). Стандартное отклонение этой случайной величины составляет 10-7с. С 1960 по 1967 гг. за секунду принималась 1/31556925,9747 часть тропического года - промежутка времени между двумя последовательными прохождениями Солнцем точки весеннего равноденствия. Продолжительность тропического года не постоянна, поэтому для расчетов был выбран конкретный 1900 г. Период обращения Земли вокруг Солнца более стабилен, чем Земли вокруг оси. Поэтому стандартное отклонение секунды при воспроизведении по новому определению уменьшилось до 10-10с. Стремление к ещё большему повышению точности воспроизведения секунды побудило ХIII Генеральную конференцию по мерам и весам принять в 1967 г. современное её определение, стандартное отклонение при котором составляет 10-13 с. Размер секунды решено было при этом не менять, чем и объясняется цифра 9192631770, связывающая события элементарного и планетарного уровней. Долговременная стабильность цезиевого репера частоты невелика. Поэтому для хранения единиц времени и частоты в состав государственного первичного эталона входит водородный мазер. Принцип действия его показан на рис. 46. В стеклянной трубке 1 под действием высокочастотного электрического разряда происходит диссоциация молекул водорода. Пучок атомов водорода через коллиматор попадает в неоднородное магнитное поле шестиполюсного осевого магнита 2, где претерпевает пространственную сортировку. В результате последней на вход накопительной ячейки 3, расположенной в объёмном резонаторе 4, попадают лишь атомы водорода, находящиеся на верхнем энергетическом уровне. Находящийся внутри многослойного экрана 5 высокодобротный резонатор настроен на частоту используемого квантового перехода. Взаимодействие возбуждённых атомов с высокочастотным полем резонатора (в течение примерно 1 с) приводит к их переходу на нижний энергетический уровень с одновременным излучением квантов энергии на резонансной частоте 1420405751,8 Гц. Это вызывает самовозбуждение генератора, частота которого отличается высокой стабильностью. Её значение периодически проверяется по цезиевому реперу. Наряду с водородным мазером для хранения шкал времени в состав государственного первичного эталона единиц времени и частоты и шкалы времени Советского Союза входит группа квантово-механических часов. Это непрерывно действующий сложный технический комплекс, главное внимание в котором уделено поддержанию длительного режима работы с высокой стабильностью показаний. Кроме того, в состав эталона входит аппаратура для передачи информации о размерах единиц при внутренних и внешних сличениях (лазеры, СВЧ-генераторы, квантовые часы) и средства обеспечения. Диапазон временных интервалов, воспроизводимых эталоном, составляет 10-9...108 с. Принятое XVII Генеральной конференцией по мерам и весам в 1983 г. новое определение метра (см. разд. 1.4) позволило выразить эту единицу СИ через единицу времени - секунду. Однако секунда воспроизводится в сверхвысокочастотном диапазоне радиоволн, а метр по определению должен воспроизводиться в оптическом. Оптические частоты на 3-4 порядка выше СВЧ. Потребовалось, образно говоря, из одного диапазона в другой перекинуть мост для передачи эталонной точности. Входящий в состав государственного первичного эталона единиц времени и частоты и шкалы времени Советского Союза радио оптический частотный мост (РОЧМ) решает эту задачу в несколько этапов, на каждом из которых используется принцип повышения частоты, общий для всех синтезаторов частот: смешение на нелинейном элементе высокочастотных гармоник опорных сигналов. На первом этапе эталонная точность воспроизведения единиц передается в субмиллиметровый диапазон. При этом частота 3557147,5 МГц D2O-лазера, работающего на длине волны =84 мкм, с помощью лазера на парах синильной кислоты HCN ( =337 мкм) и клистронов с номинальными частотами 74 и 8,2 ГГц привязывается посредством специальной системы фазовой синхронизации к эталонной частоте цезиевого репера. На втором этапе эталонная точность передаётся из субмиллиметрового в инфракрасный диапазон электромагнитных волн. Для этого используется стабилизированный CO2 -лазер ( =10,6 мкм), частота которого привязывается к восьмой гармонике D2O-лазера и синхронизируется с частотой цезиевого репера. Специальной системой фазовой автоподстройки к частоте этого лазера привязывается частота CO2 -лазера с =10,2 мкм, третья гармоника которой суммируется с частотой клистрона 48 ГГц и сравнивается на нелинейном элементе с частотой мощного гелий-неонового лазера, синхронизированного по стабилизированному He-Ne/CH4-лазеру с длиной волны излучения =3,39 мкм. В результате измерения частоты биений последнее звено РОЧМ - He-Ne/CH4лазер аттестуется по первичному цезиевому реперу. В итоге частотный диапазон государственного первичного эталона единиц времени и частоты и шкалы времени Советского Союза расширяется от 1 до 1014 Гц. Расширить с помощью РОЧМ диапазон воспроизведения единиц времени и частоты до видимой части спектра электромагнитных волн не удаётся. Между тем именно оптический диапазон наиболее удобен для перехода интерферометрическим методом от длин волн электромагнитного излучения к концевым и штриховым мерам длины. Поэтому по He-Ne/CH4 -лазеру, входящему в состав государственного первичного эталона времени и частоты и шкалы времени Советского Союза аттестуется гелий-неоновый лазер, стабилизированный по линии насыщенного поглощения иода-127. Излучение He-Ne/I2-лазера относится уже к видимой части оптического диапазона ( =0,633 мкм). На специальной установке, основу которой составляет вакуумированный модуляционный интерферометр Фабри-Перо, сравнивается количество длин волн излучения лазеров He-Ne/CH4 и He-Ne/I2 , укладывающихся на одном и том же элементе длины. По их отношению с эталонной точностью определяется длина волны излучения He-Ne/I2- лазера. Затем с помощью интерференционного компаратора на основании измерения порядка интерференции N аттестуются концевые и штриховые меры длины, согласно соотношению L=N Таким образом, воспроизведение единиц времени, частоты и длины осуществляется единым техническим комплексом - государственным первичнымэталоном единиц времени, частоты и длины. Особенностью его является то, чточасть эталона, включающая цезиевый репер, водородный мазер, квантово-механические часы и РОЧМ, находится под Москвой, в НПО "Всесоюзный научно - исследовательский институт физико-технических и радиотехническихизмерений" (НПО "ВНИИФТРИ"), а другая часть, в которую входит установка для измерения отношения длин волн инфракрасного и оптического лазеров и интерференционный компаратор, - в Ленинграде в НПО "ВНИИМ им. Д. И. Менделеева". Такая территориальная разобщенность эталона потребовала введения в его состав перевозного He-Ne/CH4 -лазера, длина волны излучения которого устанавливается по выходному He-Ne/CH4 -лазеру РОЧМ и служит для измерения длины волны излучения He-Ne/I2 -лазера. Единица длины - метр воспроизводится со стандартным отклонением S=5*10-10 м, что почти на порядок меньше стандартного отклонения результата воспроизведения метра по старому определению с помощью криптоновой лампы (4*9-9 м). В перспективе предполагается повысить точность воспроизведения метра ещё не менее чем на порядок. Единица массы - килограмм - воспроизводится до сих пор гирей из платиноиридиевого сплава (90% Pt и 10% Ir), изготовленной в 1883 г. английской фирмой Джонсон, Маттей и Ко и полученной по жребию Россией в 1889 г. согласно метрической конвенции. Гиря, фотография которой приведена на рис. 47, имеет форму цилиндра с высотой и диаметром основания, равным 39 мм. Она хранится на кварцевой подставке под двумя стеклянными колпаками в стальном шкафу особого сейфа, находящегося в термостатированном помещении НПО "ВННИИМ им. Д. И. Менделеева". В состав государственного первичного эталона единицы массы кроме гири входят эталонные весы, на которых один раз в 10 лет с помощью манипуляторов дистанционно сличаются с эталонной гирей эталоны - копии. Несмотря на все предосторожности, как показывают результаты международных сличений, за 90 лет масса эталонной гири, воспроизводящей килограмм со стандартным отклонением (1..2)*10-8 кг, увеличилось на 0,02 мг. Объясняется это адсорбцией молекул из окружающей среды, оседанием пыли на поверхность гири и образованием тонкой коррозионной пленки. В перспективе предполагается перейти к воспроизведению единицы массы через счетное число атомов какого-нибудь химического элемента, скорее всего изотопа кремния-28. Для этого, однако, необходимо повысить точность определения числа Авогадро, на что сейчас направлены усилия многих метрологических лабораторий в мире. Воспроизведение единицы термодинамической температуры - кельвина как 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды не представляет особого труда. Температуру тройной точки воды удаётся поддерживать со стандартным отклонением 0,2 мК, чем и определяется стандартное отклонение воспроизведения кельвина, составляющее примерно 10-3 К. Трудности возникают тогда, когда появляется необходимость измерить температуру, отличающуюся от 273,16 К. Свойство нагретости тел можно представить в виде отдельных частей только мысленно. На практике для определения количественной характеристики этого свойства используют тепловое расширение тел (например, столба ртути или спирта), изменение электрического сопротивления и т. п. Термометрические свойства различных веществ (газов, жидкостей, твёрдых тел) сложным образом и недостаточно точно отражают изменение в широком диапазоне их термодинамической температуры. Поэтому на температурной шкале устанавливается несколько реперных точек, температура в которых определяется газовым термометром, использующим соотношение между объёмом, давлением и температурой идеального газа. Это наиболее точные, но очень трудоёмкие измерения, выполняемые лишь в немногих ведущих метрологических лабораториях мира. Основная сложность их состоит в учете несоответствия реального газа идеальному. В промежутках между реперными точками температура измеряется с помощью термометрических веществ, градуированных по этим точкам. С 1968 г. по решению XIII Генеральной конференции по мерам и весам Международная практическая температурная шкала (МПТШ-68) включает 11 реперных точек, значение температуры в которых приведено ниже. 
Реперные  точки                Температура, К





Тройная  точка  водорода                        13,81  
Точка  кипения  водорода при давлении                   33330,6
Па                17,042
Точка  кипения  водорода при нормальном давлении        20,28
Точка     кипения     неона27,102
Тройная    точка кислорода54,361
Точка   кипения   кислорода90,188
Тройная  точка океанской  воды273,16
Точка кипения океанской воды (точка затвердевания олова)373,15
Точка  затвердевания цинка692,73
Точка затвердевания серебра1235,08
Точка затвердевания золота1337,58
В диапазоне 1,5..4,2 К воспроизведение температуры обеспечивается государственным специальным эталоном единицы температуры на основе шкалы 4He 1958 г. В диапазоне 4,2..13.81 К температура воспроизводится государственным специальным эталоном единицы температуры на основе температурной шкалы германиевого термометра сопротивления. В диапазоне 13,81..273,15 К государственным первичным эталоном единицы температуры воспроизводится шесть реперных точек, а значение температуры в интервалах между ними определяется эталонным платиновым термометром сопротивления. Все эти эталоны хранятся в НПО "Всесоюзный научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений". В диапазоне 273,15..1337,58 К государственным первичным эталоном единицы температуры, хранящимся в НПО "ВНИИМ им. Д. И. Менделеева", воспроизводится тройная точка воды, а также точки затвердевания олова, цинка, серебра и золота. В промежутках между ними значение температуры устанавливается платиновым термометром. В диапазоне 1337,58..2800 К этим же эталоном значение температуры определяется по яркости накала рабочего тела температурной лампы, которая градуируется последовательным удвоением яркости чёрного тела при температуре затвердевания золота. Этот эталон утвержден в качестве эталона СЭВ. В диапазоне 10000..150000 К в Харьковском научно-производственном объединении "Метрология" создан государственный специальный эталон единицы температуры, предназначенный для обеспечения единства измерения температуры плазменных источников излучения. Перспективы дальнейшего совершенствования эталонов в области контактной термометрии (273,15..1337,58 К) связаны с созданием более точного газового термометра. Рассматривается также возможность использования для создания государственных эталонов термометрических свойств электрического сопротивления, напряжение шумов которого имеет квантовую природу, и температурной зависимости частоты ядерного квадрупольного резонанса. Единица силы света - кандела по последнему определению, данному XVI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1979 г., воспроизводится в НПО "ВНИИОФИ" государственным первичным эталоном, утвержденным в 1983 г. Основу эталона составляет модель черного тела при температуре 2700 К. Излучение черного тела при такой температуре мало отличается по своему спектральному составу от излучения ламп накаливания, широко используемых в качестве источников света. Это облегчает аттестацию последних в качестве вторичных эталонов. Спектральную составляющую излучения чёрного тела на частоте 540*1012Гц (длина волны 555,016 нм) выделяют светофильтром, а энергию её контролируют радиометром. Стандартное отклонение при воспроизведении канделы составляет 10-3 кд. Единица силы электрического тока - ампер - по определению воспроизводиться не может, так как в нём фигурируют проводники "бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения". Однако в некоторых частных случаях ( например, в случае двух соленоидов) можно рассчитать силу взаимодействия электрических токов, протекающих по проводникам конечных размеров, с достаточно высокой точностью. В государственном первичном эталоне единицы силы электрического тока - ампера, хранящемся в НПО "ВНИИМ им. Д. И. Менделеева", используется взаимодействие электрических токов в последовательно соединённых коаксиальных соленоидов (катушках) с однослойной обмоткой (рис.48). Наружный соленоид неподвижен, а внутренний, подвешенный к одному из плеч коромысла весов, при включении электрического тока втягивается внутрь неподвижного с силой F=kI2 , где расчетный коэффициент пропорциональности k зависит от геометрических соотношений в электродинамической системе. На равноплечих весах эта сила уравновешивается массой гирь. Согласно расчётам, при массе уравновешивающих гирь около 8 г сила электрического тока I составляет 1 ампер. Стандартное отклонение при воспроизведении ампера государственным первичным эталоном не превышает 4*10-6 A. В дальнейшем предполагается в качестве основной единицы СИ вместо ампера утвердить единицу электрического напряжения - вольт, стандартное отклонение при воспроизведении которого государственным первичным эталоном, созданным в НПО "ВНИИМ им.Д. И. Менделеева" и утверждённым в1980 г., не превышает 5*10-8 В. Производные единицы воспроизводятся как централизованно - государственными первичными и специальными эталонами, так и децентрализовано. В обоих случаях при этом используется информация о размерах основных единиц. Эталонная база СССР насчитывает в настоящее время около 145 государственных эталонов, причём их число продолжает увеличиваться. Такую тенденцию нельзя оценить положительно. Независимое воспроизведение основных единиц, невысокая точность и несогласованность воспроизведения на их основе производных единиц в разных условиях и диапазонах их значений не способствуют обеспечению единства, точности, сопоставимости и достоверности измерений. Поэтому главной задачей современной метрологии является создание полной системы взаимосвязанных естественных эталонов на основе использования фундаментальных физических констант и высокостабильных квантовых явлений.