Глава 3. Воспроизведение и передача размеров физических величин.
Как уже было указано, единство измерений - это такое состояние измерений, при котором результаты измерений выражаются в узаконенных единицах, а их погрешность известна с заданной вероятностью. Так же указывалось, что измерение - это нахождение значения ФВ опытным путем с помощью специальных технических средств - средств измерений. (Их определение было дано в главе 1.)
Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, в которых проградуированы все СИ. Это достигается путем точного воспроизведения и хранения установленных единиц ФВ и передачи их размеров применяемым СИ.
Воспроизведение, хранение и передача размеров единиц ФВ осуществляется с помощью эталонов и образцовых СИ. Высшим звеном в цепи передачи размеров единиц ФВ являются эталоны. (Определение всех видов эталонов было дано в главе 1).
Основное назначение эталонов - обеспечение материально-технической базы воспроизведения и хранения единиц ФВ.
Принципы систематизации эталонов по воспроизводимым единицам.
Основные единицы ФВ Международной системы СИ должны воспроизводится централизованно с помощью Государственных эталонов.
Дополнительные, производные, а при необходимости и внесистемные единицы, исходя из технико-экономической целесообразности, воспроизводятся одним из двух способов:
- централизованно - с помощью единого для всей страны Государственного эталона;
- децентрализовано - посредством косвенных измерений, выполненных в органах метрологической службы с помощью образцовых средств измерений (ОСИ).
Централизованно воспроизводится большинство важнейших производных единиц Международной системы единиц СИ:
- ньютон - сила, 1 Н=1 кг× м×с-2;
- джоуль - энергия, работа, 1 Дж=1 Н× м;
- паскаль - давление ,1 Па=1 Н× м-2;
- Ом - электрическое сопротивление;
- вольт - электрическое напряжение.
Децентрализовано воспроизводятся единицы, размер которых не может передаваться прямым сравнением с эталоном (например, единица площади) или, если поверка мер посредством косвенных измерений проще, чем сравнение с эталоном, и обеспечивает необходимую точность (например, единица вместимости и объема). При этом создаются поверочные установки высшей точности.
Государственные эталоны хранятся в метрологических институтах Госстандарта РФ. По решению Госстандарта РФ допускается их хранение и применение в органах ведомственных метрологических служб.
Кроме национальных эталонов единиц ФВ существуют международные эталоны, хранимые в Международном бюро мер и весов. Под эгидой Международного бюро мер и весов проводится систематическое международное сличение национальных эталонов крупнейших метрологических лабораторий с международными эталонами и между собой. Так, например, эталон метра и килограмма сличают раз в 25 лет, эталоны электрического напряжения, сопротивления и световые - раз в 3 года.
Большинство эталонов представляют собой сложные и весьма дорогостоящие физические установки, требующие для своего обслуживания и применения ученых высочайшей квалификации, обеспечивающих их эксплуатацию, совершенствование и хранение.
Рассмотрим примеры государственных эталонов.
Эталон длины.
До 1960 года действовал следующий эталон метра: Метр определялся как расстояние при 0°С между осями двух соседних штрихов, нанесенных на платиново-иридиевом бруске, хранящемся в Международном бюро мер и весов, при условии что эта линейка находится при нормальном давлении и поддерживается двумя роликами диаметром не менее 1 см, расположенными симметрично в одной продольной плоскости на расстоянии 571 мм один от другого.
Требование к повышению точности (платиново-иридиевый брусок не позволяет воспроизводить метр с погрешностью, меньшей 0,1 мкм), а также целесообразность установления естественного и неразмерного эталона привели к созданию в 1960 году нового, действующего по настоящее время, эталона метра, точность которого на порядок выше старого. В новом эталоне метр определяется как длина, равная 1 650 763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2р10 и 5d5 атома криптона-86.
Физические принципы эталона: возбужденные пары и газы излучают свет, в спектре которого имеется ряд линий. Каждая линия определяется источником монохроматического излучения с определенной длиной волны. Атомы излучают свет после возбуждения, когда они переходят в одно из состояний с более высокого уровня энергии Е1, Е2, Е3,... Еn. Затем атом возвращается в какое-либо другое строго допустимое (дискретное) энергетическое состояние с более низким уровнем энергии. Этот процесс связан с излучением световой энергии.
Государственный первичный эталон метра РФ состоит из следующего комплекса аппаратуры:
- Источник излучения - газоразрядная лампа с изотопом криптона-86.
- Эталонный интерферометр с фотоэлектрическим микроскопом и рефлектором для измерений длины в пределах (0...1000) мм, снабженный платиновым термометром сопротивления и дифференциальными термопарами для точных измерений температуры.
- Эталонный спектроинтерферометр для измерения длин волн в пределах (200...3000) мм.
Место хранения эталона метра - ВНИИМ им. Д.И. Менделеева.
Среднее квадратическое отклонение (СКО) воспроизведения единицы метра не превышает 5×10-9 м.
Эталон постоянно совершенствуется с целью повышения точности, стабильности, надежности. В частности, для эталона метра в настоящее время рассматриваются пути повышения точности с учетом последующих достижений физики.
Методы повышения точности базируются на возможности использования атомных пучков в вакууме как источников монохроматического излучения, стабилизированных лазеров в качестве источников интенсивного монохроматического излучения с узкой спектральной линией и др. физические эффекты.
Эталон массы.
Государственный первичный эталон килограмма РФ хранится во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева. Он обеспечивает воспроизведение единицы массы 1 кг с (СКО) не более 3×10-8 кг. В состав государственного первичного эталона килограмма входят:
- Копия международного прототипа килограмма - платиново-иридиевый прототип №12, представляющий собой гирю в виде цилиндра с закругленными ребрами диаметром 39 мм и высотой 39 мм.
- Эталонные весы №1 и №2 на 1 кг с дистанционным управлением для передачи размера единицы массы от прототипа №12 эталонам-копиям и от эталонов-копий рабочим эталонам.
Эталон времени и частоты
Государственный первичный эталон РФ времени и частоты хранится во ВНИИФТРИ.
В эталоне используются квантовые меры, в которых за опорную меру принимается частота, соответствующая частоте перехода в атомах или молекулах выбранного вещества. Квантовые меры разделяются на реперы и хранители. Реперы включаются эпизодически с целью осуществления поверок и регулировок СИ частоты, а хранители (представляющие собой часы) работают непрерывно.
В состав Государственного эталона времени входят:
- цезиевый репер и часы;
- водородный репер и часы;
- рубидиевые часы (квантовый генератор на рубидиевом кристалле с оптической накачкой);
- аппаратура внутренних и внешних сличений эталонов;
- аппаратура обеспечения.
СКО погрешности воспроизведения времени по частоте не превышает 10-13 Гц при неисключенной систематической погрешности не более 10-12 Гц.
Эталон единицы силы электрического тока - ампера.
Этот эталон хранится во ВНИИМ. Он состоит из следующих частей:
- токовые весы;
- аппаратура для передачи размера единицы силы тока, в которую входит катушка электрического сопротивления, получившая значение сопротивления от первичного эталона единицы электрического сопротивления - Ома.
СКО погрешности воспроизведения не превышает 4×10-6, неисключенная систематическая погрешность не превышает 8×10-6.
Эталон единицы температуры.
Этот эталон представляет собой очень сложную установку. Измерение температуры в диапазоне (0,01...0,8) К осуществляется по температурной шкале термометра магнитной восприимчивости ТШТМВ. В диапазоне (0,8...1,5) К используется шкала гелия-3 (3Не), основанная на зависимости давления насыщенных паров гелия-3 от температуры. В диапазоне (1,5...4,2) К используется шкала гелия-4 (4Н), основанная на том же принципе. В диапазоне (4,2...13,81) К температура измеряется по шкале германиевого термометра сопротивления ТШГТС. Используется зависимость R=R(t). В диапазоне (13,81...6300) К используется международная практическая шкала МПТШ-68, основанная на ряде воспроизводимых равновесных состояний различных веществ.
Передача размеров единиц от первичного эталона рабочим мерам и средствам измерения осуществляется с помощь разрядных эталонов (рис. 3.1).
Разрядный эталон - мера, измерительный преобразователь или измерительный прибор, служащий для поверок по ним других СИ и утвержденный в органах Государственной метрологической службы.
Схема передачи размеров (метрологическая цепь),
от эталонов к рабочим СИ (первичный эталон 
эталон-копия разрядные эталоны рабочие СИ) представлена на рис.3.1).
Между разрядными эталонами существует соподчиненность:
- эталоны первого разряда поверяются непосредственно по эталонам-копиям;
- эталоны второго разряда - по эталонам 1-го разряда и т.д.
Отдельные рабочие СИ наивысшей точности могут поверяться по эталонам-копиям, высшей точности - по эталонам 1-го разряда.
Разрядные эталоны находятся в метрологических институтах Государственной метрологической службы (МС), а также в поверочных лабораториях отраслевых МС, которым в установленном порядке предоставлено право поверки СИ.
СИ в качестве разрядного эталона утверждаются органом Государственной МС. Для обеспечения правильности передачи размеров ФВ во всех звеньях метрологической цепи должен быть установлен определенный порядок. Этот порядок приводится в поверочных схемах.
Как уже было указано, поверочная схема - это исходный документ, утвержденный в установленном порядке и устанавливающий средства, методы и параметры точности передачи размеров единиц ФВ от первичного или разрядного эталона рабочим СИ.
Рис.3.1.
Положение о поверочных схемах установлено в ГОСТ 8.061-80 «ГСИ. Поверочные схемы. Содержание и построение».
Различают Государственные поверочные схемы и локальные (отдельных региональных органов Государственной МС или ведомственных МС). Поверочные схемы содержат текстовую часть и необходимые чертежи и схемы.
Строгое соблюдение поверочных схем и
своевременная поверка разрядных эталонов - необходимые условия для передачи
достоверных размеров единиц физических величин рабочим средствам измерений.