Класифікація еталонів

Потрібен був новий природний еталон часу, який забезпечував би високу точність відтворення одиниці часу — секунди. У 1960 році було прийняте нове астрономічне визначення одиниці часу, в основу якого покладено не обертання Землі навколо своєї осі, а рух Землі навколо Сонця. Це забезпечувало підвищення точності вимірювання одиниці часу на три порядки (у 1000 разів).

За секунду прийняли 1/31556925,9747 частини тропічного року на 0 січня 1900 року о 12-й годині ефемеридного часу. Тропічний рік сам по собі не є постійним, тому дата "0 січня 1900 р. 12 годин" виражена у прийнятому астрономами відліку часу і відповідає полудню 31 грудня 1899 р. Під ефемеридним часом розуміють час у системі рахунку, де тривалість одиниці дорівнює ефемеридній секунді, визначеній через тропічний рік на 0 січня 1900 р.

Практично точна одиниця часу стала доступною завдяки сигналам точного часу, що передаються по радіо з кварцових годинників, які є мірами частоти.

Останнім часом створені нові молекулярні та атомні еталони частоти і часу, які ґрунтуються на здатності молекул та атомів випромінювати і поглинати енергію під час переходу між двома енергетичними рівнями в діапазоні радіочастот.

 

 

У 1967 р. XIII Генеральна конференція з мір та ваги ухвалила нове визначення секунди як інтервалу часу, протягом якого відбувається 9 192 631 770 коливань. Такі коливання відповідають резонансній частоті енергетичного переходу між рівнями надтонкої структури основного стану атома цезію-133 за відсутності збурень зовнішніми полями.

На рис. 1 подано схему цезієвого атомно-променевого еталона часу та частоти. Джерело 1 атомного пучка розміщене у металевому контейнері, у стінці якого є канал для формування потоку. Температура джерела — 100—150 °С. Магнітом 2 здійснюється сортування атомів пучка за сигналами надтонкої структури: виділяються атоми зі станом F = 3, M = 0 i F = 0, M = 0.

Рис. 1. Схема цезієвого атомно-променевого еталона часу і частоти

 

До резонаторів 3 підводиться надвисокочастотний сигнал з частотою 9 192 631 770 Гц від кварцових генераторів, яка може змінюватися у незначних межах. Під дією цього сигналу виділені атоми переходять зі стану F = З, М = 0 до стану F = 4, М = 0 або ж у зворотному напрямку.

Другий сортувальний магніт 2' виділяє з атомного пучка лише ті атоми, які перейшли з одного стану в інший в результаті взаємодії з полем сигналу. Атоми, які здійснили перехід, потрапляють до приймача 4 і реєструються індикатором 5.

Якщо частота підведеного сигналу від кварцових генераторів 6 відповідає частоті переходу, то покази індикатора 5 є максимальними. Якщо ж частоти не збігаються, то покази індикатора різко знижуються. Максимальні покази індикатора відповідають стабільності та точності частот. Частота сигналу за

 

 

максимальними показами індикатора дорівнює 9 192 631 770 Гц.

Всі вузли установки розміщені у камері з високим вакуумом.

Стабільність цезієвих еталонів дорівнює 10-11, що дозволяє використовувати їх службам часу та частоти.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Еталон одиниці сили електричного струму — ампер

Виходячи з визначення сили струму як фізичної величини, яка дорівнює кількості електрики, що проходить крізь поперечний переріз провідника за одиницю часу, слід було б за основну одиницю прийняти певний заряд, який, наприклад, був би рівний заряду електрона. Проте сьогодні це не можна реалізувати з достатньою точністю, тому довелося відмовитися від одиниці кількості електрики як основної електричної одиниці і прийняти за еталонну одиницю силу струму — ампер.

У 1893 р. Міжнародний конгрес електриків у Чикаго затвердив перший еталон сили електричного струму — ампер, установивши так званий міжнародний ампер. Ампер відтворювався за допомогою срібного вольтметра і визначався так: "Міжнародний ампер — незмінний струм, який проходячи через водний розчин азотнокислого срібла за дотримання прикладеної інструкції і специфікації виділяє 0,001118 грама срібла за 1 с".

У 1948 р. при переході на абсолютну практичну систему електричних одиниць міжнародний ампер було відмінено, а в основу сучасного еталона ампера покладено закон взаємодії електричних струмів.

IX Генеральна конференція з мір та ваги у 1948 р. ухвалила таке визначення ампера: "Ампер — сила незмінного струму, який проходячи по двох паралельних прямолінійних провідниках нескінченної довжини і занадто малого круглого перерізу та розміщеними на відстані 1 метра один від одного у вакуумі, при силі струму в провідниках в 1 А утворював би між провідниками силу взаємодії у 2 –10-7Н на кожний метр довжини".

Державний первинний еталон ампера — це комплекс вимірювальних засобів у складі струмових ваг електродинамічної системи, ваг з дистанційним управлінням та апаратури для передачі розміру одиниці. Похибка відтворення розміру одиниці сили струму державним первинним еталоном ампера не перевищує 1*10-3 %.

            

 

 

 

Еталон одиниці температури — кельвін

Вимірювання температури з моменту винаходу термометра Галілеєм у 1598 р. ґрунтувалося на використанні властивостей термометричної речовини (газу, рідини) і пов'язано з іменами таких вчених, як Фаренгейт, Реомюр, Цельсій, Томсон (Кельвін) та ін.

У середині XVIII століття У. Томсон (Кельвін) показав, що можна встановити термодинамічну температурну шкалу, яка б не залежала від термометричної речовини.

Винайдення термодинамічної температурної шкали ґрунтується на II законі термодинаміки. Якщо в оберненому циклі Карно тіло, що здійснює цикл, поглинає теплоту Q1 при температурі Т1 і віддає тепло Q2 при температурі Т2, то відношення абсолютних температур Т1/Т2 дорівнює відношенню кількості тепла Q1/Q2. Згідно з положенням термодинаміки, це відношення не залежить від властивостей термодинамічної речовини.

Вимірюючи кількість теплоти з достатньою точністю, можна визначити співвідношення температур та температуру конкретного об'єкта.

Встановлена таким чином термодинамічна температурна шкала, яка незалежна від властивостей термометричної речовини, називається шкалою Кельвіна.

При встановленні термодинамічної температурної шкали для збереження наступності числового вираження її зі стоградусною температурною шкалою Цельсія температурний проміжок між точками танення льоду та кипіння води прийняли за 100 °С.

Томсон і незалежно від нього Д.І. Менделєєв довели доцільність побудови термодинамічної шкали температур за однією реперною точкою — точкою абсолютного нуля. Така шкала має значні переваги і дозволяє визначити абсолютну температуру точніше, ніж шкала з двома реперними точками.

Похибка відтворення точки кипіння води становить 0,002—0,01 °С, точка танення льоду — 0,0002—0,001 °С, потрійна точка води — 0,0001 °С.

 

 

 

X Генеральна конференція з мір та ваги у 1954 році ухвалила рішення про термодинамічну температурну шкалу з однією реперною точкою — потрійною точкою води, яка вища за точку танення льоду на 0,01 °С (273,16 К).

Таким чином, термодинамічна температура є основною і позначається символом Т. її одиницею служить кельвін — 1/273,16 частини потрійної точки води.

Температура у градусах Цельсія позначається символом t і визначається таким чином:

t = Т – Т0.

де Т0= 273,15 К.

Градус Цельсія дорівнює кельвіну.

Вимірювання температури за термодинамічною шкалою шляхом прямої її реалізації за допомогою газових термометрів пов'язане з серйозними труднощами, тому була прийнята Міжнародна практична температурна шкала, яка ґрунтується на відтворенні 11 рівноважних станів речовин (водню, неону, кисню, води, цинку, золота та ін.).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Еталон одиниці сили світла — кандела

У минулому столітті різні держави використовували різні еталонні джерела одиниці сили світла — свічки.

На Міжнародному конгресі електриків у 1881 р. був прийнятий еталон світла — одиниця Віоля. За одиницю Віоля визнавалася сила світла, яка випромінювалась квадратним сантиметром поверхні твердіючої платини у нормальному напрямку до цієї поверхні. Пізніше спосіб відтворення одиниці Віоля одержав назву "абсолютного еталона сили світла". У 1889 році конгресом за практичну одиницю світла була прийнята одна двадцята одиниці Віоля.

З огляду на труднощі реалізації еталона одиниці Віоля Міжнародний конгрес у 1893 році приймає за еталон лампу Гефнера — Альтенека, а пізніше — керамічні трубки та інші джерела світла.

Лише у 1967 році Генеральна конференція з мір та ваги визначила за одиницю сили світла канделу. Це світло, яке випромінюється з площини перерізом 1/600 000 м2 повного випромінювача у перпендикулярному до цього перерізу напрямку при температурі твердіння платини і тиску в 101 325 Па.

Державний первинний еталон одиниці світла — кандела складається з двох взаємозамінних повних випромінювачів та апаратури вимірювання. Повний випромінювач являє собою тонкостінною трубку з оксиду торію, занурену у розплавлену платину. Нагрівання платини проводиться у високочастотній індукційній печі, а вимірювання сили світла — за допомогою фотоелектричного фотометра.

Середнє квадратичне відхилення результату відтворення та передачі одиниці сили світла державним еталоном не перевищує 2 • 103.

 

 

 

 

 

 

 

Список використаної літератури

В.Д.Цюцюра, С.В.Цюцюра. Метрологія та основи вимірювань. Навч. посібн., К., "Знання -Прес", 2003