Еталон

Еталон (англ. measurement standard, etalon , фр. étalon ) - засіб вимірювань (або комплекс засобів вимірювань), що забезпечує відтворення та (або) зберігання одиниці, а також передачу її розміру засобам вимірювань, що стоять за перевірочною схемою, і затверджене як зразок у встановленому порядку.

Види ідеалів

• Первинний стандарт — це стандарт, що відтворює одиницю фізичної величини з найвищою точністю, можливу у цій галузі вимірів на рівні науково-технічних досягнень. Первинний стандарт може бути національним (державним) та міжнародним.
• Вторинний стандарт — стандарт, одержує розмір одиниці безпосередньо від первинного стандарту цієї одиниці.
• Еталон порівняння - еталон, що застосовується для звірень еталонів, які з тих чи інших причин не можуть бути безпосередньо звірені один з одним.
• Вихідний стандарт — стандарт, що має найвищими метрологічними якостями (в даній лабораторії, організації, на підприємстві), від якого передають розмір одиниці підлеглим стандартам і наявним засобам вимірювань.
• Робочий стандарт — стандарт, призначений передачі розміру одиниці робочим засобам вимірів.
• Державний первинний еталон — первинний еталон, визнаний рішенням уповноваженого те що державного органу як вихідного біля держави.
• Національний стандарт — стандарт, визнаний офіційним рішенням служити як вихідного для держави.
• Міжнародний еталон - еталон, прийнятий за міжнародною угодою як міжнародна основа для узгодження з нею розмірів одиниць, що відтворюються і зберігаються національними еталонами.

Найбільш відомі зразки

Еталони довжини та маси, що зберігаються у Міжнародному бюро заходів та ваг у Півночі. Перший із них — «архівний метр» — на сьогодні має лише історичний інтерес. Другий — стандарт кілограма — зберігає функцію міжнародного стандарту маси.

Організації - зберігачі еталонів вищих рівнів

Міжнародні

Російські

• ФГУП ВНДІМЗ
• ФГУП ВНІІФТРІ
• ФГУП ВНИІМ ім. Д. І. Менделєєва
• ФДКУ «ГНМЦ» Міноборони Росії
• ФГУП ЗНІМ
• ФГУП УНІІМ
• ФГУП ВНДІОФІ

Коротка історія метрології

Спроба запровадити зразки зроблено ще 1136 р. у Великому Новгороді. Там було затверджено статут «Про церковні суди, і людей, і заходи торгівлі». «Мірила торгівлі» включали: «пуд медовий, гривневу рублеву, лікоть єванський». Всім торговим людям наказувалося «торгові всі ваги і міряла дотримуватися без капості, ні вмалювати, ні множити, а щороку сповіщати…», тобто дотримуватися зразки довжини і ваги, і навіть щорічно звіряти із нею свої гирі і мірила. Самі ж зразки зберігалися у церкві Євань (Івана) на Опоках. Порушникам закону стандартів статут загрожував карами до «смертної страти». Однак шахраї купці часто шахраювали, сподіваючись на спритність рук і на «викупне покаяння разом із хабаром Івану на Опоках». Приказка кожен купець на свій аршин мірить була вірна буквально на початок ХІХ століття, коли народився стандарт довжини. У царській Росії всерйоз зацікавилися зразками лише наприкінці ХІХ століття. Була створена Головна палата заходів і терезів і замовлені в Англії державні зразки довжини та маси, узгоджені з міжнародними.

З розвитком науки і техніки виникла потреба у великій кількості інших стандартів. Наприклад, еталон частоти, часу, температури, напруги тощо.Прогрес як вводив нові зразки, а й підвищував точність старих. Довжина одного метра зараз встановлена ​​рівною дорогою, що проходить світлом у вакуумі за (1/299 792 458) секунди.

також

Література та документація

• Еталони / Упоряд. Сафронова - Пенза: Пенз. держ. ун-т, 2006
• Захаров І. П., Павленко Ю. Ф. Еталони в галузі електрорадіовимірювань - М.: Гаряча лінія - Телеком, 2008
• ГОСТ Р 8.000-2000 Державна система забезпечення єдності вимірів. Основні положення
• ГОСТ 8.057-80 Державна система забезпечення єдності вимірів. Еталони одиниць фізичних величин. Основні положення
• ГОСТ 8.372-80 Державна система забезпечення єдності вимірів. Еталони одиниць фізичних величин. Порядок розробки, затвердження, реєстрації, зберігання та застосування
• ГОСТ 8.381-80 Державна система забезпечення єдності вимірів. Еталони. Способи вираження похибок

Посилання

Wikimedia Foundation. 2010 .

28.2. Еталони, їх класифікація та види

Еталон - це високоточна міра, призначена для відтворення та зберігання одиниці величини з метою передачі її розміру іншим засобам вимірів. Від зразка одиниця величини передається розрядним стандартам, а від них - робочим засобам вимірів.

Еталони класифікують на первинні, вторинні та робітники.

Первинний еталон це стандарт, який відтворює одиницю фізичної величини з найвищою точністю, можливу у цій галузі вимірів на рівні науково-технічних досягнень. Первинний стандарт може бути національним (державним) та міжнародним.

Національний стандарт затверджується як вихідний засіб вимірювання для держави національним органом з метрології.У Росії її національні (державні) зразки затверджує Держстандарт РФ.

Міжнародні еталони зберігає і підтримує Міжнародне бюро заходів (МБМВ). Найважливіше завдання діяльності МБМВ полягає в систематичних міжнародних звіреннях національних еталонів найбільших метрологічних лабораторій різних країн з міжнародними еталонами, а також між собою, що необхідно для забезпечення достовірності, точності та єдності вимірів як однієї з умов міжнародних економічних зв'язків. Звіренню підлягають як зразки основних величин системи СІ, і похідних. Встановлено певні періоди звіряння. Наприклад, зразки метра і кілограма звіряють кожні 25 років, а електричні та світлові зразки - один раз на 3 роки.

Первинному стандарту підпорядковані вторинні і робочі (розрядні) зразки. Обсяг відтворюваної одиниці вторинним стандартом збігається з національним стандартом. Вторинні зразки (їх іноді називають "еталони-копії") можуть затверджуватись або Держстандартом РФ, або державними науковими метрологічними центрами, що пов'язано з особливостями їх використання. Робочі зразки приймають розмір одиниці від вторинних стандартів і своєю чергою служать передачі розміру менш точному робочому стандарту (чи стандарту нижчого розряду) і робочим засобам вимірів.

Найпершими офіційно затвердженими еталонами були прототипи метра і кілограма, виготовлені у Франції, які в 1799 р. були передані на зберігання до Національного архіву Франції, тому їх почали називати "метр Архіву" та "кілограм Архіву". З 1872 р. кілограм став визначатися як рівний масі "кілограма Архіву".Кожен еталон основної чи похідної одиниці Міжнародної системи СІ має свою цікаву історію та пов'язаний з тонкими науковими дослідженнями та експериментами.

Наприклад, прийнятий 1791 р. Національними зборами Франції еталон метра, рівний однієї десятимиллнонной частини чверті дуги паризького меридіана, 1837 р. довелося переглянути. Французькі вчені встановили, що у чверті меридіана міститься не 10 млн., а 10 млн. 856 метрів. До того ж відомо, що відбуваються, хоч і незначні, але все ж таки постійні зміни форми та розміру Землі. У зв'язку з цим вчені Петербурзької академії наук в 1872 р. запропонували створити міжнародну комісію для вирішення питання про доцільність внесення змін до зразка метра. Комісія вирішила не створювати новий зразок, а прийняти як вихідну одиницю довжини "метр Архіву", що зберігається у Франції. У 1875 р. було прийнято Міжнародну метричну конвенцію, яку підписала і Росія. Цей рік метрологи вважають другим народженням метра як основну міжнародну одиницю довжини.

Вже у XX ст. (1967 р.) було опубліковано дослідження більш точного виміру паризького меридіана, які показали, що чверть меридіана дорівнює

10 млн. 1954,4 метрів. Таким чином, "метр Архіву" всього на 0,2 мм коротший за меридіональний метр.

У 1889 р. було виготовлено 31 екземпляр еталона метра з платино-іридієвого сплаву. Виявилося, що еталон № 6 при температурі 0°С точно відповідає довжині "метра Архіву", і саме цей екземпляр еталона за рішенням I Генеральної конференції з мір і ваг був затверджений як міжнародний еталон метра, який зберігається в м. Сєврі (Франція). Інші 30 стандартів було передано різним державам.Росія отримала № 28 та № 11, причому як державний був прийнятий еталон № 28.

Похибка платино-іридієвих еталонів метра, рівна + 1.1*10 -7 м вже на початку XX ст, оцінювалася як незадовільна, і в 1960 р. XI Генеральна конференція з мір і ваг виробила інше визначення метра - в довжинах світлових хвиль, що засноване на сталості довжини хвилі спектральних ліній випромінювання атомів. Це основа криптонового зразка метра. Похибка криптонового зразка набагато менша, ніж платино-іридієвого, і дорівнює 5-Ю" 9 .

Однак у космічний вік і ця точність виявилася недостатньою, а новітні досягнення науки дозволили в 1983 р. на XVII Генеральній конференції мір і терезів прийняти нове визначення метра як довжини шляху, що проходить світлом за 1/299792458 частки секунди в умовах вакууму. Слід зазначити, що на цій же конференції було оголошено значення швидкості світла, що точно визначається сучасною наукою.

Так само цікава історія зразка одиниці маси. "Кілограм Архіву", який був прийнятий за еталон маси в 1872 р., є платинової циліндричної гирю, висота і діаметр якої рівні по 39 мм. Прототипи (вторинні зразки) для практичного застосування були зроблені з платино-іридієвого сплаву, За міжнародний прототип кілограма була прийнята платино-іридієва гиря, яка точно найбільшою мірою відповідає масі "кілограма Архіву".

За рішенням I Генеральної конференції з мір і ваги Росії з 42 екземплярів прототипів кілограма були передані № 12 і № 26, причому № 12 ут-

вержден як державний-

ного еталона маси (див. рис. 28.1). Прототип № 26 використовувався як вторинний стандарт.

Національний (державний) еталон маси зберігається у НВО "ВНДІМ ім. Д.І.Менделєєва" (м. Санкт-Петербург) на кварцовій підставці під двома скляними ковпаками в сталевому сейфі, температура повітря підтримується в межах 20 +/- 3°С, відносна вологість 65%. Один раз на 10 років з ним звіряються два вторинних зразки.

При звіренні з міжнародним стандартом наш національний стандарт маси отримав значення 1,0000000877 кг. Для передачі розміру одиниці маси від прототипу № 12 вторинним еталонам використовуються спеціальні ваги № 1 та № 2 з дистанційним керуванням на 1 кг; ваги № 1 виготовлені фірмою "Рупрехт", а № 2 - НВО "ВНДІМ ім. Д.І. Менделєєва". Похибка відтворення кілограма становить 2*10 -9.

За 100 із лишком років існування описаного прототипу кілограма, звичайно, були спроби створити більш сучасний еталон на основі фундаментальних фізичних констант мас різних атомних частинок (протона, електрона і т.д.). Однак на сучасному рівні науково-технічного прогресу поки що не вдалося відтворити цим новітнім методом масу кілограма з меншою похибкою, ніж існуюча.

Відхилення маси еталонів, що визначаються при міжнародних звіряннях, показують достатню міру її стабільності. У табл. 28.1 наведено результати двох звірень.

X Міжнародна студентська наукова конференція Студентський науковий форум – 2018

ЕТАЛОНИ. ПРИКЛАДИ ПОБУДУВАННЯ ЕТАЛОНІВ ОСНОВНИХ ФІЗИЧНИХ ВЕЛИЧИН

Текст роботи розміщено без зображень та формул.
Повна версія роботи доступна у вкладці "Файли роботи" у форматі PDF

З погляду метрології та стандартизації дуже важливим завданням є забезпечення єдності вимірів. Для того, щоб виконати це завдання, необхідно забезпечити тотожність одиниць градуювання всіх засобів вимірювання однієї і тієї ж фізичної величини.

У всьому світі користуються еталонами для зберігання та відтворення одиниць величини як найнадійнішими засобами підтримки єдності вимірів.

Еталон – це засіб вимірювання (або комплекс таких засобів), призначенням якого є відтворення та зберігання одиниці фізичної величини та передачі параметрів цієї одиниці (розміру) нижчим за схемою перевірки засобів.

Еталон одиниці величини - технічний засіб, призначений для відтворення, зберігання та передачі одиниці величини [1, ст.2].

Еталони затверджуються в такій якості в установленому порядку і являють собою вищу ланку передачі розмірів одиниць у метрологічному ланцюжку.

Існує Міжнародне бюро заходів та терезів (МБМВ), у якому зберігаються міжнародні зразки одиниць різних фізичних величин.

Державний еталон - Зразок одиниці величини, що у федеральної власності [1, ст.2]. Такі зразки поділяються на:

- первинні, що забезпечують відтворення, зберігання та передачу одиниці величини з найвищою точністю, досягнутою в даній галузі вимірювань, що затверджуються в цій якості у встановленому порядку та застосовуються як вихідний на території країни [1];

- вторинні, які забезпечують відтворення одиниці у особливих умовах і що замінюють цих умов первинні зразки.

Широке поширення еталонних засобів нижчого рівня та робочих засобів вимірювань, градуйованих у певних одиницях, а також доцільність відтворення одиниці величини у конкретній метрологічній службі з певною точністю визначають необхідність створення державних еталонів.

Так само зразки ділять за типом одиниць виміру. Нижче наведені найпоширеніші з них [5]:

- еталони електричного струму;

- Еталони додаткової одиниці плоского кута.

У нашій країні (як і в більшості розвинених країн) в даний час створена еталонна база, що вважається досить повною, що є головною, центральною ланкою всієї системи метрологічного забезпечення країни. Вважається, що про досягнутий рівень розвитку техніки, промисловості, та й взагалі всієї науки в країні та про її потенціал можна судити за точністю еталонів, які вважаються національними. У Росії існує близько 120 первинних державних і близько 500 вторинних еталонів, які забезпечують зберігання та відтворення близько 70 величин у всіх найбільш поширених областях та видах вимірювань: механічних та геометричних, теплофізичних та температурних, магнітних та електричних, оптичних, радіотехнічних, і навіть вимірювань параметрів іонізуючих випромінювань та в галузі фізикохімії.

Основні одиниці, забезпечені зразками у Росії: довжина (метр), маса (кілограм), час (секунда), сила електричного струму (ампер), термодинамічна температура (кельвін), сила світла (кандела), додаткова одиниця плоского кута (радіан). Будь-які похідні одиниць СІ, а також деякі позасистемні одиниці, допущені до застосування, можна відтворити завдяки цим стандартам.

Створені державні зразки в Росії за своїми характеристиками точності ні в чому не поступаються зразкам передових зарубіжних країн, а найчастіше і перевершують їх.

Еталон одиниці довжини. У системі СІ основною одиницею виміру довжини є метр. Спочатку метр визначався як одна десятимільйонна частина чверті паризького меридіана.У ході ретельних досліджень прийшли до висновку, що це визначення дуже важко відтворюватися з необхідною точністю. науки не влаштовувала світове співтовариство.

Саме тому в ХХ столітті з'явилася ідея використовувати довжину світлової хвилі, а саме довжину хвилі помаранчевої лінії спектру випромінювання криптону – 86 у вакуумі, помножену на 1650763,73, як еталону метра. вимірювання.

У СРСР був створений такий еталон у 1968 році і прийнятий за державний. стабильностью. Ця зміна було внесено у визначення зразка 1983 року.

Метрологи, які у визначенні зразка перейшли з радіодіапазону в оптичний, наблизилися до створення єдиного зразка довжини, частоти та часу, який міг би одночасно виміряти і час, і простір, і, що найважливіше, ще на два порядки підвищити точність відтворення.

Саме таким еталоном, який був створений в СРСР у 1985 році і користуються досі.

Нині у Росії 5 еталонів довжини – метра.Це зумовлюється тим, що крім первинного зразка необхідні й спеціальні, які враховують різні умови виміру.

Еталон одиниці часу та частоти. У системі СІ основною одиницею виміру часу є секунда. Спочатку секунда вважалася рівною 1/86400 частині середньої сонячної доби, що було пов'язано з обертанням Землі навколо своєї осі. Проте вчені під час досліджень встановили, що швидкість обертання Землі нерівномірна, оскільки дуже повільно поступово зменшується. Внаслідок цього з'являється похибка у визначенні секунди, неприпустима за сучасного розвитку техніки і науки загалом.

Тому в 1965 році підвищили точність одиниці часу в 100 разів, завдяки тому, що фізичний сенс секунди прив'язали до більш постійного значення - різниці між двома весняними рівноденнями, тобто до тропічного року.

Проте, дійшли висновку у тому, що прив'язка визначення еталона до астрономії зможе забезпечити необхідну його точність, тому перейшли 1967 року до абсолютно нової концепції. Час обчислення запропонували вести з урахуванням атомних принципів, і визначення зразка прив'язали кількості коливань при резонансної частоті переходу між енергетичними рівнями основного стану атома цезію -133. Похибка за такого визначення становила лише 10 -13 .

У 1983 року у СРСР встановили новий стандарт визначення часу і частоти з урахуванням двох квантових заходів: реперів і хранителей. Репери включаються лише іноді і генерують базову частоту (опорну), задаючи у своїй еталонний розмір секунди. Відштовхуючись від значень частоти репера (встановивши еталонний розмір секунди), зберігачі (годинник) ведуть безперервний відлік часу.Квантові заходи двох видів – водневий та цезієвий, де перший виконує роль зберігача, а другий – репера. Водневий зберігач має більшу стабільність порівняно з цезієвим репером, що знизило похибку зберігання розміру еталона часу та частоти ще на порядок.

Так і формують шкалу часу, що вважається еталонною, працюючи спільно, прилади трьох типів: цезієвий репер задає базовий розмір секунди, водневий його зберігає, а водневий годинник-охоронці відраховують час.

Цей стандарт прийнятий державним у Росії 1998, у тому, що його зразок виник 1967 року, і є єдиним.

Еталон одиниці маси. У системі СІ за одиницю маси, як фізичної величини, прийнято кілограм. Його визначали спочатку як масу кубічного дециметра води за температури 4 градуси за Цельсієм, тобто. при максимальній щільності води.

Нині еталон кілограма представлений як маса міжнародного прототипу – платиноиридиевого циліндра діаметром 39 мм, висотою 39 мм, який стабільно зберігає свою масу, у своїй похибка еталона у такому визначенні становить порядок 10 -9 .

Державний зразок одиниці маси в СРСР прийнятий у 1984 році і використовується до теперішнього часу.

Еталон одиниці сили струму. У системі СІ одиницею сили струму є ампер. Він визначений як сила постійного електричного струму, який, при проходженні по 2-му прямолінійним паралельним провідникам нескінченної довжини і нескінченно малого перерізу, розташованим у вакуумі на відстані одного метра один від одного, викликав би між цими провідниками на кожний метр довжини силу в 2∙ 10 -7 н.Дане визначення недосяжне у практиці, проте, з урахуванням закону Ампера можна досить точно розрахувати силу взаємодії струмів, за умови їх протікання по провідникам кінцевих розмірів.

Державний первинний стандарт ампера, затверджений у СРСР 1988 року - цілий комплекс засобів вимірів, застосовуваних відтворення, зберігання та передачі одиниці сили струму. Похибка його відтворення – близько 10-5.

Для ампера у Росії створено три державні зразки, які забезпечують єдність вимірів як постійних, а й змінних струмів до НВЧ.

Еталон одиниці температури. У системі СІ прийнято одиницю термодинамічної температури – Кельвін. Кельвін визначено як частину термодинамічної температури потрійної точки води.

Еталон одиниці температури у СРСР створено 1987-1992 роках. У 1998 році до складу зразка введено додаткову апаратуру для реалізації реперних точок. Еталон реалізує міжнародну температурну шкалу (МТШ), засновану на реперних точках (низьці значень температур) та інтерполяційних приладах, які градує у цих точках.

Реперні точки практично являють собою фазові переходи чистих речовин, значення температур яких встановлені. Інтерполяційний прилад - платиновий термометр опору (працює в діапазоні до 961,78 ° С. У діапазоні 961,78 - 2500 ° С шкала температур визначається рішенням рівняння Планка для спектральної щільності випромінювання чорного тіла у вакуумі. Відтворення кельвіна здійснюється з похибкою0 .

У Росії для кельвіна створено сім еталонів, що охоплюють діапазон температур наднизьких (гелієвих) до надвисоких (температура плазми).

Еталон одиниці сили світла. У системі СІ одиницею сили світла прийнята кандела.Кандела визначається, як сила світла в заданому напрямку джерела, що випромінює монохроматичне випромінювання частотою 540 10 12 Гц, енергетична сила світла якого в цьому напрямку становить 1/683 Вт/пор.

У цей еталон створено 1983 року, а прийнятий державним після модернізації 1990 року. Похибка відтворення стандарту порядку 10 -2 .

Еталон одиниці плоского кута. Одиницею плоского кута є радіан (у системі СІ). Радіан визначається, як кут між двома радіусами кола, між якими довжина дуги дорівнює радіусу.

Державний первинний еталон радіана створено СРСР 1960-1980 роках, а затверджений 1980 року. Він складається з кварцової призми, що містить 12 граней, кутомірної автоколімаційної установки та інтерференційного екзаменатора. Похибка відтворення одиниці плоского кута становить 0,02 секунди.

На закінчення хочеться сказати, що стандарт є дуже трудомістким і дорогим у виготовленні засобом вимірювальної техніки. На його розробку, створення та модернізацію часто витрачається не одне десятиліття. Однак, для будь-якої розвиненої сучасної держави наявність необхідної кількості еталонів, що забезпечують необхідну точність відтворення одиниць фізичних величин, просто необхідна.

По-перше, створення необхідної точності є важливим для науково-технічного прогресу, адже вдосконалення систем, механізмів, конструкцій обов'язково веде за собою уточнення розрахунків та проектування, точність складання тощо.

По-друге, сам собою еталон є показником розвитку країни у науково-технічному відношенні, тому його наявність покращує репутацію країни загалом, підвищує її рівень у загальносвітовому рейтингу.

Втішно усвідомлювати, що в нашій країні, починаючи з 60-х років минулого століття, ведеться активна робота зі створення та вдосконалення державних еталонів, і, треба сказати, певних успіхів у цьому в Росії, як наступниці СРСР досягли.

Список литературы

Федеральний закон «Про забезпечення єдності вимірів» N 102-ФЗ, від 26.06.2008 (ред. від 13.07.2015)

Сергєєв А.Г., Крохін В.В. Метрологія. Навчальний посібник - М., "Логос", 2005

Кузнєцов В.А., Ялуніна Г.В. Основи метрології. М. Вид. стандартів, 1995.

ГОСТ 8.401-80 «ДСІ. Класи точності засобів вимірів. Загальні вимоги.

РМГ 29-2013 ДСІ. Метрологія. Основні терміни та визначення.

ПР 50.2.006-94 «ДСІ. Порядок проведення перевірки засобів вимірювань».