Эталоны, их классификация

Эталон — это высокоточная мера, предназначенная для воспроизведения и хранения единицы величины с целью пере­дачи ее размера другим средствам измерений. От эталона еди­ница величины передается разрядным эталонам, а от них — ра­бочим средствам измерений.

Эталоны классифицируют на первичные, вторичные и ра­бочие.

Первичный эталон — это эталон, воспроизводящий единицу физической величины с наивысшей точностью, возможной в данной области измерений на современном уровне научно-технических достижений. Первичный эталон может быть на­циональным (государственным) и международным.

Национальный эталон утверждается в качестве исходного средства измерения для страны национальным органом по мет­рологии. В России национальные (государственные) эталоны утверждает Госстандарт РФ.

Международные эталоны хранит и поддерживает Междуна­родное бюро мер и весов (МБМВ). Важнейшая задача деятель­ности МБМВ состоит в систематических международных сли­чениях национальных эталонов крупнейших метрологических лабораторий разных стран с международными эталонами, а также и между собой, что необходимо для обеспечения досто­верности, точности и единства измерений как одного из усло­вий международных экономических связей. Сличению подле­жат как эталоны основных величин системы СИ, так и производных. Установлены определенные периоды сличения. На­пример, эталоны метра и килограмма сличают каждые 25 лет, а электрические и световые эталоны — один раз в 3 года.

Первичному эталону соподчинены вторичные и рабочие (разрядные) эталоны. Размер воспроизводимой единицы вто­ричным эталоном сличается с государственным эталоном. Вто­ричные эталоны (их иногда называют «эталоны-копии») могут утверждаться либо Госстандартом РФ, либо государственными научными метрологическими центрами, что связано с особен­ностями их использования. Рабочие эталоны воспринимают размер единицы от вторичных эталонов и в свою очередь слу­жат для передачи размера менее точному рабочему эталону (или эталону более низкого разряда) и рабочим средствам из­мерений.

Самыми первыми официально утвержденными эталонами были прототипы метра и килограмма, изготовленные во Фран­ции, которые в 1799 г. были переданы на хранение в Нацио­нальный архив Франции, поэтому их стали называть «метр Ар­хива» и «килограмм Архива». С 1872 г. килограмм стал опреде­ляться как равный массе «килограмма Архива». Каждый эталон основной или производной единицы Международной системы СИ имеет свою интересную историю и связан с тонкими науч­ными исследованиями и экспериментами.

Например, принятый в 1791 г. Национальным собранием Франции эталон метра, равный одной десятимиллионной части четверти дуги парижского меридиана, в 1837 г. пришлось пере­смотреть. Французские ученые установили, что в четверти ме­ридиана содержится не 10 млн., а 10 млн. 856 метров. К тому же известно, что происходят, хотя и незначительные, но все же постоянные изменения формы и размера Земли. В связи с этим ученые Петербургской академии наук в 1872 г. предложили создать международную комиссию для решения вопроса о це­лесообразности внесения изменений в эталон метра. Комиссия решила не создавать новый эталон, а принять в качестве исход­ной единицы длины «метр Архива», хранящийся во Франции. В 1875 г. была принята Международная метрическая конвенция, которую подписала и Россия. Этот год метрологи считают вто­рым рождением метра как основной международной единицы длины.

Уже в XX в. (1967 г.) были опубликованы исследования бо­лее точного измерения парижского меридиана, которые пока­зали, что четверть меридиана равна 10 млн. 1954,4 метра. Таким образом, «метр Архива» всего на 0,2 мм короче меридионального метра.

В 1889 г. был изготовлен 31 экземпляр эталона метра из плати­но-иридиевого сплава. Оказалось, что эталон № 6 при темпера­туре 0°С точно соответствует длине «метра Архива». Именно этот экземпляр эталона по решению I Генеральной конференции по мерам и весам был утвержден как международный эталон мет­ра и хранится в г. Севре (Франция). Остальные 30 эталонов бы­ли переданы разным государствам. Россия получила № 28 и № 11, причем в качестве государственного был принят эталон № 28.

Погрешность платино-иридиевых эталонов метра, равная +1,1•10^-7 м уже в начале XX в. оценивалась как неудовлетвори­тельная, и в 1960 г. XI Генеральная конференция по мерам и весам выработала другое определение метра — в длинах свето­вых волн, что основано на постоянстве длины волны спек­тральных линий излучения атомов. Это основа криптоно­вого эталона метра. Погрешность криптонового эталона намного меньше, чем платино-иридиевого, и равна 5•10^-9.

Однако в космический век и эта точность оказалась недос­таточной, а новейшие достижения науки позволили в 1983 г. на XVII Генеральной конференции мер и весов принять новое оп­ределение метра как длины пути, проходимого светом за 1/299792458 доли секунды в условиях вакуума. Следует отме­тить, что на этой же конференции было объявлено точно опре­деляемое современной наукой значение скорости света.

Не менее интересна история эталона единицы массы. «Килограмм Архива», который был принят за эталон массы в 1872 г., представляет собой платиновую цилиндрическую гирю, высота и диаметр которой равны по 39 мм. Прототипы (вторичные эталоны) для практического применения были сде­ланы из платино-иридиевого сплава. За международный прото­тип килограмма была принята платино-иридиевая гиря, по точности в наибольшей степени соответствующая массе «килограмма Архива».

По решению I Генеральной конференции по мерам и весам России из 42 экземпляров прототипов килограмма были переданы № 12 и № 26, причем № 12 утвержден в качестве госу­дарственного эталона массы (рис. 27.1). Прототип № 26 ис­пользовался как вторичный эталон.

Рис. 27.1. Эталон килограмма

Национальный (государственный) эталон массы хранится в НПО «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» (г. Санкт-Петербург) на кварцевой подставке под двумя стеклянными колпаками в стальном сейфе, температура воздуха поддерживается в преде­лах 20 ± 3°С, относительная влажность 65%. Один раз в 10 лет с ним сличаются два вторичных эталона. При сличении с меж­дународным эталоном наш национальный эталон массы полу­чил значение 1,0000000877 кг. Для передачи размера единицы массы от прототипа № 12 вторичным эталонам используются специальные весы № 1 и № 2 с дистанционным управлением на 1 кг; весы № 1 изготовлены фирмой «Рупрехт», а № 2 — НПО «ВНИИМ им Д.И. Менделеева». Погрешность воспроиз­ведения килограмма составляет 2 • 10^-9.

За 100 с лишним лет существования описанного прототипа килограмма, конечно, были попытки создать более современ­ный эталон на основе фундаментальных физических констант масс различных атомных частиц (протона, электрона и т.д.). Однако на современном уровне научно-технического прогресса пока не удалось воспроизвести этим новейшим методом массу ки­лограмма с меньшей погрешностью, чем существующая.

Отклонения массы эталонов, определяемые при междуна­родных сличениях, показывают достаточную степень ее ста­бильности. В табл. 27.1 приведены результаты двух сличений.

Таблица 27.1. Результаты международных сличений эталона массы