ПОНЯТИЕ ИЗМЕРЕНИЯ. ОБЪЕКТ ИЗМЕРЕНИЯ

ИЗМЕРЕНИЕ – нахождение значения величины опытным путём с помощью специальных технических средств.

Основным ОБЪЕКТОМизмерений в метрологии являются ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ, применяемые для описания материальных систем и объектов, изучаемых в любых науках. Существуют ОСНОВНЫЕ и ПРОИЗВОДНЫЕ физические величины.

ОСНОВНЫЕ –величины, которые характеризуют фундаментальные свойства материального мира.

ГОСТ 8.417устанавливает семь основных ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН:

· длина,

· масса,

· время,

· термодинамическая температура,

· количество вещества,

· сила света,

· сила электрического тока,

и, соответственно, семь основных ЕДИНИЦ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН: метр, килограмм, секунда, Кельвин, моль, кандела, ампер.

ПРОИЗВОДНЫЕ ЕДИНИЦЫ: ньютон, джоуль, ватт, вольт, градус Цельсия и т.д.

Могут быть получены из семи основных единиц величин путем умножения, деления и возведения в степень, например, ньютон (единица измерения силы) равен кг·м/с².

Понятие МЕТР было впервые введено во Франции в 1799 г. - как одна сорокамиллионная часть Парижского меридиана (одна десятимиллионная часть расстояния от северного полюса до экватора по поверхности земного эллипсоида на долготе Парижа).

Наиболее точный эталон метра разработан в 1889 г. и до сих пор хранится в Международном бюро мер и весов в г. Севр около Парижа. Изготовлен из сплава 90 % платины и 10 % иридия и имеет поперечное сечение в виде буквы «X». Его копии были переданы на хранение в страны, в которых метр был признан в качестве стандартной единицы длины.

Рост требований к точности линейных измерений стимулировал работы по определению метра через длину световой волны. Современное определение метра, принятое в 1983 г., основано на значении фундаментальной постоянной - скорости света в вакууме: МЕТР — это длина пути, проходимого светом в вакууме за (1 / 299 792 458) секунды.

В качестве источника света для высокоточных измерений длины используют лазер.

Российский эталон единицы длины хранится во ВНИИ метрологии имени Д. И. Менделеева в Петербурге. Состоит из источника оптического излучения с известной длиной волны (лазер) и интерферометра — прибора, с помощью которого подсчитывают число волн на проверяемом образце.

За единицу массы в 1795 г. был принят ГРАММ, определенный как масса 1 см³ воды при температуре 4°C и стан-

дартном атмосферном давлении на уровне моря 101,3 кПа, из чего следовало, что килограмм эквивалентен массе одного кубического дециметра (литра) воды.

В настоящее время КИЛОГРАММопределяется как масса международного эталона килограмма, изготовленного в 1889 г., хранящегося в Международном бюро мер и весов, и представляющего собой цилиндр диаметром и высотой 39,17 мм из платино-иридиевого сплава (90 % платины, 10 % иридия).

Килограмм никак не связан ни с физическими константами, ни с какими-либо природными явлениями. Поэтому эталон берегут тщательнее, чем зеницу ока — в буквальном смысле не дают пылинке на него сесть, ведь пылинка — это уже несколько делений на чувствительных весах. Международный прототип эталона достают из хранилища не чаще одного раза в пятнадцать лет, российский — раз в пять лет. Все работы ведутся со вторичными эталонами (только их допускается сравнивать с основным), от вторичного эталона значение массы передается рабочим эталонам, от них — к образцовым наборам гирь. Ученые пытаются найти новый эталон единицы массы, например, предлагается определять 1 кг на основе постоянной Планка – это основная константа квантовой теории, коэффициент, связывающий величину энергии кванта электромагнитного излучения с его частотой.

ЭТАЛОНЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ должны быть основаны на периодических процессах, период которых постоянен с большой точностью. Первоначально единственным известным процессом такого рода было вращение Земли вокруг своей оси, поэтому за ЭТАЛОН ВРЕМЕНИ был принят период вращения Земли вокруг своей оси, и назывался он солнечные сутки (24 часа). Единица времени — СЕКУНДА — определялась как 1/86 400 часть периода этого вращения, то есть суток.

Продолжительными наблюдениями в течение XIX-начала XX веков была установлена неравномерность вращения Земли вокруг своей оси, связанная с вековым замедлением вращения Земли вследствие приливного действия Луны (0,0023 с за 100 лет) и нестационарными процессами внутри Земли. Из-за возникшей в связи с этим неточностью в определении секунды пришлось отказаться от эталона единицы времени, связанного с суточным вращением Земли.

С 1967 года категория времени в Международной системе единиц SI стала определяться АТОМНЫМ СТАНДАРТОМ ВРЕМЕНИ.

Международный комитет мер и весов в 1967 г. принял новое определение секунды,которая получила название АТОМНОЙ СЕКУНДЫ, -это время, в течение которого совершается 9 192 631 770 переходов между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Согласно этому определению, стандартом для измерений времени и частоты является атом цезия-133 при температуре абсолютного нуля по шкале Кельвина.

Для неспециалиста такое определение абсолютно непонятно. Каким же образом единицу времени можно определить через излучение? Итак, излучение можно представить как электромагнитную волну, которая колеблется в определенном ритме, например 9192631770 раз в секунду. Такое излучение возникает при квантовом переходе атома цезия из возбуждённого энергосостояния в спокойное. Избыточная энергия не может просто так исчезнуть, и поэтому атом в виде микроволновых излучений отдает вовне эту разницу энергий. И, наоборот, путём передачи атому такого микроволнового излучения можно перевести его на более высокий энергетический уровень. В природе не существует ничего более точного, чем частота таких квантовых переходов, поэтому этот принцип положен в основу атомных часов.

Воспроизведение секунды стало осуществляться с помощью атомных эталонов частоты, которые называют АТОМНЫЕ ЧАСЫ,- это приборы для измерения времени, в которых в качестве периодического процесса используются собственные колебания атомов различных веществ. С помощью электронных микросхем периоды этих колебаний сопоставляются с измеряемым промежутком времени. В современном мире существует несколько типов атомных часов. В их основе используются электромагнитные колебания водородного, цезиевого или ртутного квантового генератора.

В ЦЕЗИЕВЫХ ЧАСАХ генерируется пучок атомов цезия и облучается определёнными микроволнами, которые заставляют атомы переходить на более высокий энергетический уровень. Специальная установка отсортировывает все атомы с высоким энергетическим уровнем и пересчитывает их. Чем их больше, тем точнее соответствует микроволновое излучение атомному переходу.

Погрешность цезиевых часов, созданных на основе колебаний атомов цезия, составляет 1 секунду за 3 миллиона лет. В настоящее время этот показатель превосходят только ртутные атомные часы, работа которых основана на переходах между энергетическими уровнями иона ртути, который удерживается в электромагнитной ловушке. Их точность в 5 раз выше.

ЭТАЛОН ВРЕМЕНИ — особенный. Все остальные эталоны вводятся в действие периодически, для сличения с ними вторичных и рабочих эталонов. Но эталон, хранящий шкалу времени, нельзя остановить, как нельзя остановить время. Он работает всегда. В России государственный первичный эталон времени - это сложный комплекс, в который входят

• цезиевые генераторы, предназначенные для воспроизведения размеров единицы времени и частоты в международной системе единиц;

• водородные генераторы, предназначенные для хранения размеров единиц времени и частоты;

• группы квантовых часов, предназначенные для хранения шкал времени. Квантовые часы — это устройство для измерения времени, содержащее генератор, частота которого стабилизирована кварцевым резонатором, и управляемое квантовыми стандартами частоты;

• аппаратура для передачи размера единицы частоты в оптический диапазон, состоящей из группы синхронизированных лазеров и сверхвысокочастотных генераторов;
• аппаратура внутренних и внешних сличений, включающей перевозимые квантовые часы и перевозимые лазеры.

Российский государственный эталон времени входит в группу лучших мировых эталонов, его относительная погрешность не превышает 5^.10^-14 с. За полмиллиона лет эталон даст погрешность в одну секунду.