Лекционный курс «Физические основы измерений и эталоны» Раздел ВВЕДЕНИЕ. ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЙ И ЭТАЛОНЫ

Лектор - ЕВДОКИМОВ ИГОРЬ НИКОЛАЕВИЧ доктор физико-математических наук, профессор кафедры физики (ауд. 354-А)

/

Международная система единиц СИ и ее реализация в эталонах

Система СИ была принята XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 г. На территории РФ действует с 1 января 1982 г. в соответствии с ГОСТ 8.417–81.

Основные единицы СИ Наименование единицы Обозначение Измеряемая величина международноерусское КилограммkgкгМасса МетрmмДлина СекундаsсВремя АмперААСила электрического тока КельвинККТермодинамическая температура МольmolмольКоличество вещества КанделаcdкдСила света

Эталон – это средство измерений (или комплекс средств измерений), предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке.

ИСТОРИЯ ЛИНЕЙНЫХ МЕР И ЭТАЛОНОВ

Испания – сигара (расстояние, которое проплывает корабль, пока выкуривается сигара). Япония – лошадиный башмак (расстояние, которое проходит лошадь, пока не износится ее соломенная подкова). Египет – стадий (расстояние, которое проходит мужчина за время от первого луча солнца до появления всего солнечного диска). У многих народов – стрела (расстояние, которое пролетает стрела). САМЫЕ ДРЕВНИЕ МЕРЫ

еры Египта Меры Египта и Рима и Рима Большие расстояния римляне измеряли в пасах.

Пядь, или четверть (18 см) = 1/4 аршина 1/16 аршина – вершок (4, 4 см) На Руси издавна использовали аршин («арш» – локоть), ту же меру длины, которой пользовались египтяне.

САЖЕНЬ Маховая Косая

В Англии использовался дюйм, ярд и фут.

Переход к единой системе мер

Май 1875г. Подписана Международная метрическая конвенция. Создано Международное бюро мер и весов (Париж).

В 1782 г. приняли за единицу длины 1/ часть длины земного меридиана, проходящего через Париж. Измерить длину меридиана было поручено астрономам Мешену и Деламберу. Работа продолжалась шесть лет. На основании полученных учеными данных, из сплава 90% платины и 10% иридия был изготовлен эталон новой единицы, хранившийся в г. Севре во Франции. Эту единицу назвали метром от греческого слова «метрон», что значит «мера». С основного эталона метра были сделаны копии. Копия 28 долго служила государственным эталоном метра России.

Сентябрь 1889г. 1-я Генеральная конференция по мерам и весам. Метр – длина, равная 1/ длины Парижского меридиана Прототип метра – платино-иридиевый жезл – штриховая мера. Неопределенность 0,1 мкм.

Октябрь 1960г. XI Генеральная конференция по мерам и весам. Метр – длина, равная ,73 длин волн в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2p d 5 атома криптона-86 (Резолюция 6). Неопределенность 0,01 мкм

Октябрь 1983г. XVII Генеральная конференция по мерам и весам. Метр есть длина пути проходимого светом в вакууме за интервал времени, равный 1/ секунды (Рекомендация 1) Значение скорости света в вакууме с= м/с точно!

Сентябрь1997г. 9-я Сессия Консультативного комитета по длине. Рекомендованное значения частоты и длины волны излучения в вакууме He-Ne / I 2 лазера ν = кГц λ = 632, нм Наивысшая точность воспроизведения метра м

РАЗВИТИЕ ЭТАЛОННОЙ БАЗЫ РОССИИ

Именной указ Императора Николая I от 11 октября 1835 г. «О системе Российских мер и весов» утвердил первые государственные эталоны. За основание системы были приняты: линейная мера – сажень в 7 английских футов с разделением на 3 аршина, каждый в 28 дюймов, или 16 вершков; мера веса – фунт, равный весу перегнанной воды в объеме 25,019 куб. дюймов; мера жидких тел – ведро в 30 фунтов перегнанной воды или 750,57 куб. дюймов; мера сыпучих тел – четверик в 64 фунта или в 1601,22 куб. дюйма при температуре 13 1/3º Реомюра.

Промышленный подъем в России, конец ХIХ – начало ХХ вв. Менее чем за десятилетие ( гг.) объем промышленного производства удвоился. Интенсивно развивались наука, торговля, страна утверждалась на мировом экономическом рынке. Количество машиностроительных заводов с 1860 по 1890 гг. возросло в три раза. Длина железнодорожной сети возросла с 1,5 тысяч километров в 1860 г. до 33 тыс. километров в 1895 г. Возникает нефтяная промышленность. В 1865 г. добывали всего 557 тысяч пудов нефти, в 1890 г млн. пудов, а в 1895 г млн пудов. Активно развиваются текстильная, бумажная, химическая, газовая отрасли промышленности.

«…нефтяная промышленность, по случаю вздорожания нефти и продуктов ее переработки, требует более точного учета... Помимо указанных выше больших, по мнению заинтересованных лиц, ошибок в весе нефти, правильному течению сделок с нею много вредит и отсутствие у нас каких либо правил и постановлений об однообразных приемах определения в нефти и ее остатках воды и других примесей, вследствие чего возникают многие споры и недоразумения между продавцами и покупателями, пользующимися для указанной цели неодинаковыми приборами и методами». «Показания одних и тех же ареометров, проверенных в разных правительственных учреждениях (Техническом комитете Министерства финансов и в Главной палате мер и весов), оказываются несогласными, а именно: по свидетельству Технического комитета ареометр оказался верным, а по свидетельству Главной палаты-имеющим погрешность в 0,001. Старший инспектор Главной палаты А.Н.Доброхотов объяснил такое несогласие тем, что Технический комитет в своих свидетельствах не указывает величины погрешности, а в свидетельствах Главной палаты таковая погрешность приводится.»

1. Создание новой усовершенствованной и расширенной базы национальных эталонов единиц физических величин. 2. Основание научного метрологического центра страны – Главной палаты мер и весов, способного на должном уровне решать научные, практические и организационные задачи по обеспечению единства измерений. 3. Разработка новых законов в области метрологии, обеспечивающих юридическую поддержку реформы. 4. Открытие сети поверочных учреждений в различных городах Российской Империи для контроля за применением мер и контрольно-измерительных приборов на местах. 5. Проведение комплекса работ по подготовке России к переходу на международную метрическую систему единиц. Метрологическая реформа предусматривала следующие основные мероприятия:

Эталонные установки и лаборатории Главной палаты мер и весов, конец XIX- начало XX веков «Для сохранения в государстве единообразия, верности и взаимного соответствия мер и весов в ведении Министерства финансов состоит в С.- Петербурге Главная палата мер и весов»

Д.И.Менделеев, первый управляющий Главной палатой мер и весов ( гг.) «Поручили мне дело упорядочения мер и весов в России, чем я занят с тех пор с увлечением, так как тут чистая наука тесно переплеталась с практической» Великий русский ученый, мыслитель, энциклопедист, патриот, советник правительства, педагог

Новые эталоны длины и массы –аршин и фунт, воспроизведенные под руководством Д.И.Менделеева «… основную задачу Палаты мер и весов должно составлять точное объединение мер, применяемых в торговле и промышленности Империи, и укрепление во всем мире доверия к постановке метрологических задач в России» Д.И.Менделеев Эталонные весы фирмы «Неметц»

В настоящее время эталонная база России имеет в своем составе 114 государственных эталонов (ГЭ) и более 250 вторичных эталонов единиц физических величин. 52 находятся во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии им. Д. И. Менделеева (ВНИИМ, Санкт- Петербург), в том числе эталоны метра, килограмма, ампера, кельвина и радиана. 25 – во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радио­технических измерений (ВНИИФТРИ, Москва), это эталоны единиц времени и частоты. 13 – во Всероссийском научно-исследовательском институте оптико-физических измерений, в том числе эталон канделлы. 5 и 6 – в Уральском и Сибирском научно-исследовательских институтах метрологии.

«ИНТЕЛЛЕКТУАЛИЗАЦИЯ» МЕСТОРОЖДЕНИЙ ФОНТАНЫ НЕФТИ И ФОНТАНЫ ДАННЫХ Разработка нефтегазовых месторождений и организация нефтепромыслов сопровождается в современных условиях большим количеством данных технологического процесса

Эталонная база насчитывает в настоящее время большое количество государственных эталонов, причем их число продолжает увеличиваться. Эту тенденцию нельзя назвать положительной, поскольку независимое воспроизведение основных единиц, невысокая точность и несогласованность воспроизведения на их основе производных единиц в разных условиях и диапазонах их значений не способствует обеспечению единства измерений. Поэтому главной задачей современной метрологии является создание системы взаимосвязанных эталонов на основе использования фундаментальных физических констант и высокостабильных квантовых явлений.

Квантовая метрология В начале 20 века немецкий физик М. Планк показал, что основные единицы для нашей Вселенной, однозначно предопределенные наиболее общими законами физики, могут быть составлены из фундаментальных физических констант: скорости света с, постоянной Планка h, и гравитационной постоянной g. Значения этих констант, фигурирующие в виде коэффициентов в уравнениях основных физических теорий – классической и квантовой электродинамике и общей теории относительности – являются максимально стабильными и не зависящими от внешних условий.

Однако планковские единицы длины l см, времени t с, массы m г лежат очень далеко от используемых на практике диапазонов. Кроме того, значение гравитационной постоянной до сих пор известно с недостаточной точностью. Но самым главным недостатком планковских единиц является то, что мы не располагаем реальными физическими процессами, в которых бы они воспроизводились. В частности, науке пока не известны объекты, которые бы имели в точности планковскую массу или длились бы планковское время. Именно поэтому планковские единицы, несмотря на их универсальность в метрологии пока не используются.

Реальная возможность создания универсальной системы естественных мер появилась после открытия так называемых макроскопических квантовых эффектов: явлений сверхпроводимости, сверхтекучести, квантового эффекта Холла, эффектов Ааронова-Бома, Зеемана, Джозефсона, Мессбауэра. В этих эффектах в результате когерентного (упорядоченного) поведения огромного числа микрочастиц происходит квантование строго определенными порциями той или иной макроскопической величины. Рассмотрим, в частности, эффект Джозефсона, который возникает в контакте двух сверхпроводников, разделенных тонким слоем диэлектрика

Куперовские пары (пары электронов, обеспечивающих сверхпроводимость) могут просачиваться (туннелировать) через диэлектрик из одного сверхпроводника в другой. При этом, если фазы волновых функций пар в двух сверхпроводниках окажутся различными, то через переход Джозефсона будет протекать ток в отсутствие разности потенциалов. Такое явление получило название стационарного эффекта Джозефсона. Если приложить к двум сторонам джозефсоновского перехода напряжение U, то при туннелировании куперовской пары из одного сверхпроводника в другой избыток ее энергии 2eU излучится в виде кванта света - фотона. Частота 0, этого кванта определяется законом сохранения энергии: h 0 =2eU. Это явление получило название нестационарного эффекта Джозефсона.

Если, наоборот, облучать джозефсоновский переход излучением с частотой, то при совпадении этой частоты с характерной для данного напряжения U частотой 0 возникает резонансное взаимодействие. Такой же резонанс наступает при = 0 /n, где n - любое целое число, в результате чего на вольт-амперной характеристике появляются особенности в виде ступенек при напряжениях:

На использовании эффекта Джозефсона основаны эталоны единицы напряжения – вольта во всех промышленно развитых странах с начала 1980-х гг. В состав эталона обычно входит дискретный переход, возбуждаемый СВЧ излучением на частоте 8…10 ГГц. Значение квантованного напряжения составляет при этом 4…10 мВ. Столь низкое значение воспроизводимого напряжения вынуждает включать в состав эталона масштабные преобразователи напряжения различной конструкции и нормальные элементы, приводящие к потере точности. В связи с этим, в самое последнее время были созданы интегральные схемы, включающие в себя порядка 1000 переходов и позволяющие воспроизводить напряжение непосредственно в 1 В и выше.

КОНЕЦ ТЕМЫ