Для чего нужны эталоны
Эталон единицы величины
Эталон – средство измерений (или комплекс средств измерений), обеспечивающее воспроизведение и (или) хранение единицы, а так же передачу её размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке.
В Федеральном законе N 102-ФЗ от 26.06.2008 г. «Об обеспечении единства измерений» эталону дано следующее определение: эталон единицы величины – техническое средство, предназначенное для воспроизведения, хранения и передачи единицы величины.
Основным назначением эталонов является хранение и воспроизведения единицы физической величины для передачи ее размера другим эталонам и рабочим средствам измерений. Под передачей размера единицы величины понимается приведение размера величины, хранимой средством измерений, к размеру единицы, воспроизводимой эталоном. Эта процедура осуществляется при поверке средств измерений.
Виды эталонов:
Ученый-хранитель – ответственное лицо, назначаемое для ведения работ с эталонами, наблюдения за правильным хранением, сличением и исследованием эталонов в метрологических институтах, в том числе и межденародным сличением.
Эталонная база РФ насчитывает 118 государственных эталонов и более 300 вторичных эталонов. Государственные эталоны служат для воспроизведения физических величин, поэтому структура эталонной базы соответствует структуре единиц СИ. Основа этой базы – эталоны основных единиц СИ, кроме эталона единицы количества вещества (моль). Одной из причин того, что эталон единицы количества вещества не создан, является недостаточная четкость определения этой единицы и отсутствие метода ее измерения в соответствии с определением. Тем более, эту единицу трудно назвать основной, так как ее определение связано с единицей массы. Вполне возможно, что эта единица будет переведена в разряд специальных единиц массы.
Крупнейшие хранители эталонов РФ – метрологические институты: Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева (ФГУП ВНИИМ) и Всероссийскй научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ФГУП ВНИИФТРИ).
Кроме национальных эталонов единиц существуют международные эталоны, хранимые в Международном бюро мер и весов (МБМВ). Программой деятельности МБМВ предусмотрены систематические международные сличения национальных эталонов крупнейших метрологических лабораторий разных стран с международными эталонами и между собой.
По инициативе международных метрологических организаций в октябре 1999г. директора национальных метрологических институтов большинства стран мирового сообщества – членов Метрической конвенции подписали «Договоренность» о взаимном признании национальных эталонов и сертификатов на измерения и калибровки, выдаваемых национальными метрологическими институтами». Согласно этому документу степень эквивалентности национальных эталонов будет определяться на основе результатов их международных сличений друг с другом, проводимых под эгидой консультативных комитетов Международного комитета по мерам и весам и региональных метрологических организаций и являющихся юридической основой признания эквивалентности сличаемых эталонов и соответственно правильности измерений и сертификационных испытаний в странах-участниках ключевых сличений.
Что такое эталоны и зачем они нужны?
Не задумывались ли вы о том, как получается у разных заводов делать одинаковые линейки? Или почему все часы делают полный оборот секундной стрелки ровно за минуту?
Во всем “виноваты” эталоны единиц измерения!
Согласитесь, удобно сделали?
Давайте начнем с простого, и поговорим о единице измерения длины – “метре”.
1. Первым эталоном метра служила длина маятника, полупериод колебаний которого составлял 1с.
Но из-за того, что земля не идеально круглая, возникли трудности с воспроизводимостью в разных точках планеты.
2. Далее в качестве эталона решили использовать одну сорокамилионную длины парижского меридиана. Но общелкнулись на 0.5 мм из-за неровности места, где проводили измерения.
3. Первый эталон из платины создали в 1799 году, который давал погрешность в 0.05 мм
4. Ещё два эталона из платино-ирридиевого сплава в 1889, а затем в 1927 году, который хранился при температуре таяния льда и атмосферном давлении. Погрешность 0.2 микрометра.
5. В 1960 году решили отказаться от созданных человеком эталонов и стали использовать в качестве метра длину волны оранжевого спектра, излучаемую изотопом криптона в вакууме, умноженную на какое-то число. Погрешность 4 нм.
6. С 1983 года и по сей день, в качестве метра используют расстояние, которое проходит свет за 1/299 792 458 секунды в вакууме. Погрешность 0.1 нм.
И вот как происходит процесс!
Каждый год с эталона метра делают несколько копий. С этими копиями сверяются эталоны всех стран мира. Затем с этих эталонов в каждой стране делают ещё много-много копий, которые раздают в конторы, которые занимаются метрологией.
Это не те, которые по погоде, а которые занимаются поверкой измерительных приборов и следят, чтобы ваша метровая линейка показывала ровно метр.
Эталоны
А в попугаях я гораздо длиннее!
Один знаменитый удав
Все наши измерения, все наши приборы опираются на эталоны. Однако не только на них, а еще на гипотезы о них и вообще об этом мире, на весь опыт физики. Говоря об эталонах, часто рассуждают об их большей или меньшей точности — но это неправильно: эталон точен по определению, мы так решили. И за нашим решением как раз и стоит опыт, физическая модель. В некоторых случаях мы уверены, что эталон — физическая константа: скорость распространения электромагнитной волны в вакууме, постоянная Планка и т. д. В некоторых — мы понимаем, что это не совсем так, и отчасти знаем почему (современный эталон килограмма). В этих случаях лучше говорить «нестабильность».
Возможные причины нестабильности эталонов — интересный физический вопрос. Метрология начала с естественных эталонов (части тела человека как мера длины, зернышко растения как мера веса), потом частично перешла к искусственным (метр, килограмм), сейчас возвращается к естественным, но уже квантовым. Причины такой эволюции — погоня за стабильностью и легкостью повторения и передачи. Некоторые из этих новых эталонов намного меньше тех, с которыми обычно приходится иметь дело, поэтому необходима масштабирующая цепь устройств. Такие цепи существуют для времени и длины; для некоторых возможных и перспективных эталонов масштабирующие цепи не нужны: например, для эталона напряжения на квантовом эффекте Джозефсона и сопротивления — на квантовом эффекте Холла.
Что касается конкретных эталонов, то метр уже давно определяется не по насечкам на палке и даже не по длине волны излучения, а через секунду и скорость распространения электромагнитной волны, которой приписано точное значение.
В природе полно периодических процессов, поэтому с естественным эталоном времени проблем не было; правда, лично я взял бы не вращение Земли, а периодическое засыпание. Потому что вращается Земля или нет — мы видим только при надлежащем состоянии облачности, а спать хочется в любую погоду. Потом выяснилось, что вращается она неравномерно, и перешли к атомному эталону. А именно: постановили, что секунда — это интервал времени, равный 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133, находящегося в покое при температуре 0 К. Из определения видно, что период излучения заметно меньше обычно измеряемых временных интервалов, и достижением метрологии было создание системы приборов, преобразующих частоты и временные интервалы из задаваемых атомным эталоном в те, которые обычно приходится измерять.
Эталон массы — это гиря из платиноиридиевого сплава, хранящаяся под двойным колпаком и т. д. Логичен вопрос: почему не взять естественный эталон — атом? Вот уж у кого по всем современным воззрениям с постоянством массы дело обстоит хорошо. Ответ прост: потому что атом маленький, а отсчитать число Авогадро атомов — замучаешься. В пустыне Сахара всего три моля песчинок, а моль однодолларовых бумажек покрыл бы Землю, кажется, слоем в два километра толщиной. Но перейти на естественный псевдоатомный эталон хочется. Поэтому ведутся работы по созданию нового эталона массы на основе атомных свойств; размер самой единицы сохранится, так что выкидывать безмены и прочие весы не придется. Если, конечно, кто-то не «выиграет» всероссийский тендер на замену всех весов.
Эталон количества вещества — это моль. Отдельного эталона моля не существует, по определению — это количество вещества, которое содержит столько молекул (атомов, ионов), сколько атомов в 12 граммах углерода-12, то есть попросту — постоянная Авогадро.
В физике есть несколько разных способов определения температуры, в метрологии они все опираются на так называемую термодинамическую температуру. Это та самая, которая однозначно связана с энергией через постоянную Больцмана (поэтому физики часто измеряют температуру в единицах энергии). Она же входит в универсальный газовый закон. Шкала температур условна, и таких шкал много. Наиболее распространены сегодня шкалы Кельвина, Цельсия и Фаренгейта. В некоторых регионах используют более простую шкалу с тремя температурами — холодно, терпимо, жарко. Или четырьмя, как объяснил мне один из авторов нашего журнала, — в Сибири добавляют «мороз, блин». На шкале Кельвина ноль совпадает с абсолютным нулем, а реперная точка — тройная точка воды. Значение температуры в этой точке выбрано так, чтобы цена деления шкалы Кельвина совпадала с ценой деления шкалы Цельсия (для упрощения пересчета). Другие реперные точки, которые нужны для калибровки термометров, — это точки фазовых переходов чистых веществ. Для получения промежуточных значений требуется интерполяция между этими точками, она делается термометрами сопротивления и газовым термометром. То есть опять же на основе всей физики.
Эталонами электрических величин сначала были ток (через гальванопроцесс и вес осадка) и сопротивление (через сопротивление ртутного цилиндрика), напряжение определялось законом Ома, а передавалось — особо стабильным гальваническим элементом («нормальный элемент»). Позже ампер определили через взаимодействие токов, и эталоном стали токовые весы, в которых измеряется сила притяжения между двумя катушками с «эталонируемым» током; эталоном напряжения стал нормальный элемент, а ом стали определять по Ому.
Потом перешли к квантовым стандартам: было показано, что при увеличении тока, протекающего через переход сверхпроводник — диэлектрик — сверхпроводник, облучаемый СВЧ с некоторой частотой, напряжение на переходе увеличивается не плавно, а скачками, причем величина скачка зависит от этой частоты, постоянной Планка и заряда электрона (эффект Джозефсона). Поскольку частота измеряется с высокой точностью, возникла возможность построения квантового эталона напряжения.
Далее было показано, что на переходе металл — диэлектрик — полупроводник при низких температурах имеет место квантовый эффект Холла — при увеличении магнитного поля сопротивление изменяется скачками, зависящими только от постоянной Планка и заряда электрона. Соответственно при наличии квантового эталона напряжения и тока на их основе может быть дано новое определение ампера.
В заключение отметим, что бегать с каждой ученической линейкой в гости к эталону метра не удастся. Поэтому эталоны и средства измерений для любой величины представляют пирамидальную структуру высокой сложности и стоимости. На вершине находятся государственные эталоны основных величин, многомиллионные установки, изолированные комнаты, сложнейшие процедуры, ниже — рабочие эталоны разных классов, потом рабочие средства измерений и, наконец — напольные весы, на шкалу которых с трепетом смотрит лучшая часть человечества. А также деревянная линейка, на которой Вовочка выцарапывает свое мнение о Марь-Иванне. Когда она это обнаружит, его выгонят из класса, а вечером он получит ремня.
Эталон
Содержание
Виды эталонов
Наиболее известные эталоны
Эталоны длины и массы, хранящиеся в Международном бюро мер и весов в Севре. Первый из них — «архивный метр» — на сегодня имеет лишь исторический интерес. Второй — эталон килограмма — сохраняет функцию международного эталона массы.
Организации — хранители эталонов высших уровней
Международные
Российские
Краткая история метрологии
Попытка ввести эталоны предпринята ещё в 1136 г. в Великом Новгороде. Там был утверждён устав «О церковных судах, и о людях, и о мерах торговли». «Мерила торговли» включали в себя: «пуд медовый, гривенку рублевую, локоть еваньский». Всем торговым людям предписывалось «торговые все весы и мерила блюсти без пакости, ни умаливати, ни умноживати, а на всякий год извещати…», то есть соблюдать эталоны длины и веса, а также ежегодно сверять с ними свои гири и мерила. Сами же эталоны хранились в церкви Евань (Ивана) на Опоках. Нарушителям закона эталонов устав грозил карами вплоть до «предания казни смертию». Однако плутоватые купцы зачастую мошенничали, надеясь на ловкость рук и на «искупительное покаяние вкупе со мздой Ивану на Опоках». Поговорка всяк купец на свой аршин мерит была верна буквально до начала XIX века, когда появился государственный эталон длины. В царской России всерьёз заинтересовались эталонами только в конце XIX века. Была создана Главная палата мер и весов и заказаны в Англии государственные эталоны длины и массы, согласованные с международными.
По мере развития науки и техники появилась нужда в большом количестве других эталонов. Например, эталон частоты, времени, температуры, напряжения и т. д. Прогресс не только вводил новые эталоны, но и повышал точность старых. Длина одного метра в настоящий момент установлена равной пути, проходимому светом в вакууме за (1 / 299 792 458) секунды.
См. также
Литература и документация
Ссылки
Полезное
Смотреть что такое «Эталон» в других словарях:
ЭТАЛОН — (франц. etalon образец, мерило) измерит. устройство, предназначенное и утверждённое для воспроизведения и (или) хранения и передачи шкалы измерений или размера единицы измерений средствам измерений. Э. призваны обеспечивать единство измерений в… … Физическая энциклопедия
Эталон — Эталон. Международный эталон единицы массы килограмма платино иридиевая гиря в форме цилиндра диаметром и высотой 39 мм. ЭТАЛОН (французское etalon), 1) мера или измерительный прибор, служащие для воспроизведения, хранения и передачи единицы… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
эталон — а, м. étalon m. 1. Образцовая мера ил образцовый измерительный прибор, служащий для воспроизведения,хранения и передачи единицы измерения чего л. БАС 1. Якоби изготовил и разослал многим ученым эталон сопротивления, медную проволоку, особым… … Исторический словарь галлицизмов русского языка
эталон — образец, стандарт, стандартный образец, оригинал; мера, мерило, образчик, пример, идеал Словарь русских синонимов. эталон см. образец 1 Словарь синонимов русского языка. Практический справочник. М.: Русский язык. З. Е. Александрова … Словарь синонимов
ЭТАЛОН — (французское etalon), 1) мера или измерительный прибор, служащие для воспроизведения, хранения и передачи единицы какой либо величины. Эталон, утвержденный в качестве исходного для страны и являющийся копией международного эталона, называется… … Современная энциклопедия
ЭТАЛОН — ЭТАЛОН, эталона, муж. (франц. étalon). Образец меры, служащий для проверки измерительных приспособлений, находящихся в обращении (тех., физ.). Эталон метра. || перен. Шаблон, готовая мерка для чего нибудь (книжн.). Толковый словарь Ушакова. Д.Н.… … Толковый словарь Ушакова
ЭТАЛОН — ЭТАЛОН, а, м. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова
Эталон — Эталонами называют образцы мер, содержащие возможно точноопределенное число единиц той меры, образцом которой должен служить Э.Измерение большинства принятых в науке и технике величин может быть, какизвестно, сведено к измерению длин, масс и… … Энциклопедия Брокгауза и Ефрона
ЭТАЛОН — (от фр. etalon мерило, мера) англ. standard; нем. Etalon. 1. Мерило, образец для сравнения с чем либо. 2. Нормативная конфигурация будущей деятельности, любая целевая система, к рая может быть положена в основу поиска практических решений и… … Энциклопедия социологии
ЭТАЛОН — образцовая мера, образец для сравнения. Райзберг Б.А., Лозовский Л.Ш., Стародубцева Е.Б.. Современный экономический словарь. 2 е изд., испр. М.: ИНФРА М. 479 с.. 1999 … Экономический словарь
Метрология, стандартизация и сертификация
Лекция 3. Эталоны единиц физических величин
1. Эталоны единиц физических величин.
2. Методы обработки экспериментальных данных.
1. Эталоны единиц физических величин
Государственные эталоны единиц величин используются в качестве исходных для воспроизведения и хранения единиц величин с целью передачи их размеров всем средствам измерений данных величин на территории Российской Федерации.
Государственные эталоны единиц величин являются исключительной федеральной собственностью, подлежат утверждению Госстандартом России и находятся в его ведении.
Конструкция эталона, его свойства и способ воспроизведения единицы определяются природой данной физической величины и уровнем развития измерительной техники в данной области измерений.
Эталон должен обладать следующими существенными признаками (по М. Ф. Маликову): неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью.
Различают следующие виды эталонов: первичный; специальный; государственный; вторичный; эталон-свидетель; эталон-копия; эталон сравнения; рабочий эталон; международный эталон и др.
Наивысшей в стране точностью воспроизведения единицы физической величины обладает первичный эталон.
Первичный эталон – эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же единицы) точностью.
В случае, когда одним первичным эталоном технически нецелесообразно обслуживать весь диапазон измеряемой величины, создают несколько первичных эталонов, охватывающих части этого диапазона с таким расчетом, чтобы был охвачен весь диапазон. В этом случае проводят согласование размеров единиц, воспроизводимых «соседними» первичными эталонами.
Вторичный эталон – эталон, получающий размер единицы непосредственно от первичного эталона данной единицы.
Эталон сравнения – эталон, применяемый для сличений эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличены друг с другом.
Исходный эталон – эталон, обладающий наивысшими метрологическими свойствами (в данной лаборатории, организации, на предприятии), от которого передают размер единицы подчиненным эталонам и имеющимся средствам измерений.
Исходным эталоном в стране служит первичный эталон, исходным эталоном для республики, региона, министерства (ведомства) или предприятия может быть вторичный или рабочий эталон. Вторичный или рабочий эталон, являющийся исходным эталоном для министерства (ведомства) нередко называют ведомственным эталоном.
Эталоны, стоящие в поверочной схеме ниже исходного эталона, обычно называют подчиненными эталонами.
Рабочий эталон – эталон, предназначенный для передачи размера единицы рабочим средствам измерений.
Термин рабочий эталон заменил собой термин образцовое средство измерений (ОСИ), что сделано в целях упорядочения терминологии и приближения ее к международной. При необходимости рабочие эталоны подразделяют на разряды (1-й, 2-й, n-й), как это было принято для ОСИ.
В этом случае передачу размера единицы осуществляют через цепочку соподчиненных по разрядам рабочих эталонов. При этом от последнего рабочего эталона в этой цепочке размер единицы передают рабочему средству измерений.
Пример — Государственные эталоны метра, килограмма, секунды, ампера, кельвина, канделы, ньютона, паскаля, вольта, беккереля.
Национальный эталон – эталон, признанный официальным решением служить в качестве исходного для страны. Данное определение по существу совпадает с определением понятия государственный эталон. Это свидетельствует о том, что термины государственный эталон и национальный эталон отражают одно и то же понятие.
Вследствие этого термин национальный эталон применяют в случаях проведения сличения эталонов, принадлежащих отдельным государствам, с международным эталоном или при проведении так называемых круговых сличений эталонов ряда стран.
Международный эталон – эталон, принятый по международному соглашению в качестве международной основы для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами.
Пример — Международный прототип килограмма, хранимый в международном бюро мер и весов (МБМВ), утвержден 1-й Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ).
Одиночный эталон – эталон, в составе которого имеется одно средство измерений (мера, измерительный прибор, эталонная установка) для воспроизведения и (или) хранения единицы.
Групповой эталон – эталон, в состав которого входит совокупность средств измерений одного типа, номинального значения или диапазона измерений, применяемых совместно для повышения точности воспроизведения единицы или ее хранения.
Групповые эталоны подразделяют на групповые эталоны постоянного или переменного составов.
За результат измерений принимают обычно среднее арифметическое значение результатов измерений однотипными средствами измерений или эталонными установками.
Эталонный набор – эталон, состоящий из совокупности средств измерений, позволяющих воспроизводить и (или) хранить единицу в диапазоне, представляющем объединение диапазонов указанных средств.
Эталонные наборы создаются в тех случаях, когда необходимо охватить определенную область значений физической величины.
Пример — Эталонные разновесы (наборы эталонных гирь) и эталонные наборы ареометров.
Транспортируемый эталон – эталон (иногда специальной конструкции), предназначенный для его транспортирования к местам поверки (калибровки) средств измерений или сличений эталонов данной единицы.
Хранение эталона – совокупность операций, необходимых для поддержания метрологических характеристик эталона в установленных пределах.
Эталонная база страны (эталонная база) – совокупность государственных первичных и вторичных эталонов, являющаяся основой обеспечения единства измерений в стране.
Число эталонов не является постоянным, а изменяется в зависимости от потребностей экономики страны. Обычно прослеживается увеличение их числа во времени, что обусловлено постоянным развитием рабочих средств измерений.
Эталон может состоять из нескольких эталонных установок.