Что такое эталон веса
Эталоны массы
В метрологии существует такое понятие как «эталон массы». О чём оно говорит и для чего используется?
Классификация эталонов единиц физических величин
Средства измерений, обеспечивающие воспроизведение и (или) хранение единицы с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений и предназначенные для обеспечения единства измерений, являются эталонами единиц физических величин.
В зависимости от подчиненности национальные эталоны подразделяются на первичные (исходные) и вторичные (подчиненные).
Первичные и специальные эталоны являются исходными для страны и поэтому утверждаются в качестве государственных эталонов.
Вторичные эталоны подразделяются на:
Эталоны-копии являются связующими звеньями для передачи размера единицы от первичных к рабочим эталонам. Эталоны сравнения предназначены для взаимного сличения первичных эталонов, рабочие эталоны — для поверки образцовых и рабочих средств высшей и высокой точности.
В зависимости от состава технических средств, входящих в эталон, различают:
Одиночный состоит из одного средства измерений (меры, измерительного прибора, измерительной установки), обеспечивающего воспроизведение и (или) хранение единицы самостоятельно, без участия других средств измерений того же типа.
Групповой эталон — это совокупность однотипных средств измерений, применяемых как одно целое для повышения точности и метрологической надежности эталона. Размер единицы, хранимой групповым эталоном, определяют как среднее арифметическое из значений, найденных с помощью отдельных средств измерений, входящих в состав группового эталона.
Эталонный набор — совокупность средств измерений (мер или измерительных приборов), каждое из которых позволяет воспроизводить и хранить значения физической величины в определенном диапазоне. Иными словами, каждое отдельное средство измерений, входящее в состав эталона, имеет свои номинальные значения или диапазоны измерений. Совокупность средств измерений эталонного набора дает возможность расширить границы диапазона кратных и (или) дольных значений воспроизводимой физической величины.
Эталонный комплекс средств измерений — совокупность неоднотипных технических средств, необходимых для воспроизведения и хранения единицы. Именно к таким эталонам принадлежит государственный первичный эталон единицы массы.
Из чего состоит эталон массы
Он состоит из комплекса следующих средств измерений:
Номинальное значение массы, воспроизводимое эталоном, составляет 1 кг. Государственный первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы со средним квадратическим отклонением результата измерений при сличении с Международным прототипом килограмма, не превышающим 2*10(-3) мг. Гирю R1 с номинальным значением массы 1 кг и набор гирь с номинальными значениями массы от 1*10(-6) до 5*10(-1) кг сличают с номинальным прототипом килограмма — копией № 12 — со средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 8*10(-3) мг для гири R1 и 2*10(-4) — 1,6*10(-2) мг — для набора гирь.
В качестве компараторов применяют эталонные весы однорычажного равноплечего исполнения, имеющие наибольшие пределы взвешивания 1 кг (НмПВ— 2*10(-3) мг), среднее квадратическое отклонение результатов наблюдений которых от 5*10(-4) до 3*10(-2) мг. Цена деления весов составляет от 1*10(-4) до 4*10(-2) мг. Вторичными эталонами единицы массы являются эталоны-копии и рабочие эталоны. В качестве эталонов-копий применяют гири с номинальным значением массы 1 кг, изготовленные из немагнитной нержавеющей стали и компаратор (весы). Среднее квадратическое отклонение результатов сличения эталонов-копий с государственным не должно превышать 1*10(-2) мг.
Эталонные весы, используемые в качестве компаратора, с наибольшим пределом взвешивания 1 кг имеют среднее квадратическое отклонение результата наблюдений, не превышающее 3*10(-2) мг. Цена деления весов, не должна превышать 4*10(-2) мг. Нестабильность эталонов-копий v за межповерочный срок не должна превышать 3*10(-2) мг. Эталоны-копии применяют для передачи размера единицы массы рабочим эталонам сличения с помощью компаратора. В качестве рабочих эталонов применяют одиночные гири, номинальной массы 1 кг и наборы гирь массой от 1 до 500 г, изготовленные из немагнитной нержавеющей стали, и компараторы (весы).
Среднее квадратическое отклонение результатов сличения рабочих эталонов с эталонами-копиями должно лежать в пределах от 8*10(-4) до 2*10(-2) мг.
Эталонные весы (компараторы), имеющие диапазон измерений от 2*10(-3) до 1 кг, обеспечивают значение среднего квадратического отклонения результатов наблюдений на весах от 5*10(-4) до 5*10(-2) мг. Цена деления эталонных весов составляет от 1*10(-4) до 4*10(-2) мг. Нестабильность рабочих эталонов v за межповерочный интервал составляет от 16*10(-4) до 4*10(-2) мг.
Рабочие эталоны применяют для поверки образцовых гирь Iа и I разрядов и рабочих гирь 1-го класса сличением на компараторе. Средства, входящие в состав вторичных эталонов, выполняют следующие функции:
Средства, методы и точность передачи размера единицы от эталона рабочим средствам измерений регламентируются документами, утвержденными в установленном порядке, называемыми поверочными схемами. Различают государственные и локальные поверочные схемы.
Государственные поверочные схемы утверждаются в качестве государственных стандартов. Приведенные в поверочных схемах названия эталонных, образцовых и рабочих средств измерений сопровождаются числовыми значениями рабочих диапазонов воспроизведения (для мер) или измерения (для измерительных приборов) воспроизводимых или измеряемых физических величин, а также значениями пределов допускаемой погрешности всех средств измерений, входящих в поверочную схему.
Методы поверки
Важное значение для четкой регламентации и ранжирования взаимосвязи средств измерений, входящих в ту или иную поверочную схему, имеют методы, применяемые при поверке. Методы поверки, указанные в поверочной схеме, отражают специфику поверки данного вида средств измерений. Они должны соответствовать одному из следующих общих методов:
Специфика средств измерений, входящих в приведенную на рис.1 схему, позволяет использовать и регламентировать только два из шести перечисленных методов поверки:
Для раскрытия взаимосвязей средств измерений, имеющих место при передаче размера единицы массы от эталона рабочим мерам и приборам ниже приведены основные параметры и нормированные значения погрешности образцовых и рабочих средств измерений, входящих в названную поверочную схему, а также указаны методы, применяемые при поверке каждого средства измерений.
История килограмма и вообще
Читатель TJ о происхождении особенной единицы измерения.
Совсем недавно на TJ появилась статья, тема которой мне показалась очень интересной, и вместе с этим не полностью раскрытой. На самом деле, килограмм — по-своему особенная единица измерения, история которой ограничивается не только датами и цифрами, но ещё и полна рядом интересных происшествий.
Но давайте по порядку. Сначала разберёмся с системами измерений. История всех единиц измерения стара, как само человечество, и рассказать о ней у меня не хватит ни времени, ни компетенции. Но сейчас мы будем рассматривать только её небольшую часть — метрическую систему мер.
История метрической системы началась в 19 веке во Франции, в разгаре Великой французской революции. В 1789 году депутаты Третьего сословия не дождались поверки Генеральных штатов и объявили себя Национальным собранием. И понеслась. Бывшие крестьяне получили свой кусок свободы, избавились от грабительских налогов, и давай торговать со всей силы.
Вскоре крестьяне поняли, что традиционная система мер слишком сложна и неудобна из за большого количества единиц измерения и трудности их преобразования, а также в силу ненадёжности её эталонов. Более того, в феодальной Франции значение фунта устанавливал каждый феодал по-своему, так что только к началу 18 века века в Европе уже существовало более ста разных фунтов.
В поисках решения этой проблемы французы придумали собственную систему мер — гораздо более простую, понятную, и надёжную: метрическую. Основная идея этой системы состояла в том, что преобразование всех единиц измерения сводится к простому умножению или делению на степень числа 10.
Первой единицей, принятой в 1791 году, стал метр. Его эталоном стала одна десятимиллионная доля одной четверти земного меридиана от Северного полюса до экватора. Согласитесь, такой эталон гораздо надёжнее, чем длина зёрнышка пшеницы. В защиту традиционных эталонов хочется сказать что они были по своему практичны для простого народа: зерно пшеницы было легко найти под рукой, а вот моментально найти десятимиллионную долю четверти меридиана мог далеко не каждый. Каждому торговцу приходилось всегда иметь при себе свою карманную метровую гирю, и частенько она была немножечко короче или длиннее, что вызывало всякие интересные казусы и споры на тему кто кого и на сколько хочет обмерить.
За мерой длины нужно было принять меру массы. Для определения единицы массы использовали идею английского философа Джона Уилкинса: связать между собой меры длины и массы, установив вторую на основе первой. Для этого французы использовали уже принятый метр и установили меру одной единицы массы как «абсолютный вес объёма чистой воды, равного кубу со стороной в сотую часть метра, и при температуре тающего льда».
Если кто не знает, при температуре ниже 4°C вода резко и с невероятной силой начинает расширяться, при переходе в твёрдое агрегатное состояние. От этого явления частенько страдают люди, которые в системы охлаждения автомобиля осенью заливают воду вместо специальной незамерзающей жидкости — антифриза. В мороз вода расширяется с такой силой, что легко может расколоть блок двигателя автомобиля. От этого же эффекта и прорывает трубы под землёй, когда вода начинает замерзать.
Но вернёмся к килограмму. Он пока ещё не стал килограммом, а назывался grave, от латинского слова gravitas, что, вы наверняка догадались, означает «вес». Так его назвал в 1793 году французский аристократ и известный французский учёный Антуан Лоран Лавуазье, состоявший в комиссии по определению мер.
Но и тут не обошлось без политики: слово grave (произносилось как grav) звучало очень похоже на слово graf (дворянский титул), а Великая французская революция не для того выпиливала господ с лозунгом «равенство для всех», чтобы получить очередной главный над остальными единицами мер грав. Республиканцы решили выпилить Лавуазье на виселице (он продолжал собирать налоги как дворянин), и ещё использовать gramme — одну тысячную часть килограмма.
По мнению комиссии, килограмм всё равно был слишком большой единицей, чтобы использовать её повседневно. Со временем выяснилось что, всё-таки граммы использовать не так уж и удобно, и французы вернулись к определению тысячи граммов. Логика подсказала, что всем будет хорошо и политкорректно, если использовать приставку kilo (тысяча) к слову gramme. Вот так, в виде ёмкости с холодной водой, появился килограмм, который мы все знаем сегодня.
Интересная особенность килограмма заключается в том, что из-за вот этой вот политической истории — это единственная среди семи (метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль, кандела) единица в Международной системе единиц, которая имеет приставку «кило».
В 1889 году, спустя почти сто лет, эталон килограмма заменили на небольшого размера цилиндр платиново-иридиевого сплава, который по сей день является главным эталоном этой меры массы. Французы уважительно называют его Le Grand K, что в переводе означает «Большой К». Как бы парадоксально это ни звучало, но вы только задумайтесь: это единственная вещь, которая весит точно один килограмм.
Потому что только эта единственная вещь определяет саму суть килограмма, и только она весит точно столько же, сколько должен весить килограмм, по нашему мнению. Этот цилиндр находится под тремя замками в подвале Бюро Мер и Весов чуть севернее Парижа, накрытый тремя стеклянными куполами, в окружении шести таких же цилиндров-дубликатов, и как бы это ни было иронично, оказывается практически буквально сферическим килограммом в вакууме.
Но человечество не остановилось в своих попытках усовершенствовать эталоны физических мер. После того, как Бюро Мер и Весов определило значение килограмма, они создали еще сорок дубликатов эталона. Они были не совсем точно такими же, но их отличия тщательно задокументировали, чтобы в будущем их можно было сравнить друг с другом. Дубликаты разослали по разным странам мира, дабы у них так же был эталон килограмма.
Но когда в 1948 году дубликаты решили собрать обратно вместе, и измерить их массу заново, оказалось что все они отличаются. Несмотря на то, что хранились они в одинаковых условиях, а доступа к ним практически ни у кого не было. Даже масса самого «Большого К» отличалась от массы его шести братьев-дубликатов, хранившихся с ним в одном помещении. Самое главное — эта разница в массе увеличивалась со временем. Это выяснилось уже в 1992, когда все дубликаты были снова собраны вместе для взвешивания. Разница была невелика — примерно в 40 микрограммов, но она была. 40 микрограммов — это примерно масса отпечатка пальца. Этот факт сразу натолкнул учёных на мысль о том, что возможно кто-то оставил отпечатки на эталонах, но ситуация повторилась даже после того как цилиндры тщательно и аккуратно почистили.
Всё это означало, что масса цилиндров платиново-иридиевого сплава нестабильна и меняется со временем. А что за эталон, который сам меняет своё значение со временем? Ситуация оказалась буквально катастрофической, ведь четыре из семи единиц измерения основываются на килограмме (Не говоря уже о производных единицах, таких как Ньютон, Ватт, или Джоуль). А самое смешное, что даже традиционная система мер теперь основывается на метрической: фунт уже не представлен физическим объектом-эталоном, а официально равняется 0,45359237 килограмма. Учёные решили, что так это оставлять нельзя, и начали искать новые способы установить эталон.
Явным способом установить стабильный эталон было сделать так, чтобы он не был представлен физическим объектом. Для этого учёные создали кремниевую сферу — самый «круглый» физический объект на Земле. Эта сфера обошлась человечеству в миллионы долларов и тысячи часов человеческого труда, но зачем, если это снова физический объект?
Форму сферы используют потому, что это простейшая форма, объём которой можно легко подсчитать, зная её диаметр. Ей проще всего придать «идеальную» форму. Обрабатывают этот объект с помощью очень мягких абразивов и с использованием лазерных измерительных технологий, буквально «растирая атомы». Учёные с помощью такого нехитрого способа хотят рассчитать количество атомов кремния в этой самой сфере. Таким образом можно будет больше не привязывать эталон к рукотворному физическому объекту, а вместо этого использовать фундаментальные природные величины.
Для этого используют не просто кремний, а его изотоп — Кремний-28 (28Si). Структура его атомов не имеет смещений и пустот, а также обладает стабильным временем полураспада, и, если можно так сказать, это «чистейший» и соответственно очень дорогой материал. А значит, точно подсчитать количество атомов в сфере из этого возможно. Поэтому она и стоит так дорого, а её тщательнейшая обработка занимает так много времени.
После измерения, даже если сфера и потеряется, или будет повреждена — это уже не будет иметь никакого значения, поскольку килограмм определяет не физическим объектом, а количеством атомов Кремния-28 в определённом объёме. И так эталон массы наконец станет константой, а не переменной. Нам, с нашей колокольни, это может показаться не очень значительным событием, но для науки это огромный шаг в сторону точности и опредёленности.
Возвращаясь назад к общей теме систем измерения, хочется сказать, что метрическая система оказалась настолько хороша и удобна, что декретом, изданным 4 июля 1837 года, была объявлена как обязательная для использования на территории Франции. А её усовершенствованный вариант — Международная система единиц, СИ (от французского Le Système International d’Unités) вскоре начала использоваться в остальном мире.
Забавно, что всего три страны в мире до сих пор не перешли на эту систему: Либерия, Мьянма, и США. Либерия и Мьянма особых переживаний по этому поводу не испытывают, а вот США очень страдают от лишних сложностей в конвертировании величин, при участии в совместных проектах с другими странами. Несколько раз это даже оборачивалось очень большими фэйлами. Например, при запуске ракет в космос.
Пересмотр системы единиц СИ: новые определения ампера, килограмма, кельвина и моля
Сфера из кремния-28 с чистотой 99,9998% может быть использована для вычисления максимально точного числа Авогадро, которое войдёт в определение единицы измерения количества вещества, известной как моль. Фото: Национальная физическая лаборатория Великобритании
Международное бюро мер и весов планирует провести самую значительную реформу в международной системе единиц (СИ) со времени последней большой ревизии этого стандарта в 1960 году, пишет Nature. Придётся принимать новые ГОСТы, а также внести исправления в учебники физики в школе и вузах.
В настоящее время СИ (современный вариант метрической системы) принята в качестве основной системы единиц большинством стран мира и почти везде используется в области техники. Полное определение всех единиц СИ приведено в официальной брошюре (8-е издание) и дополнении к ней от 2014 года. Нынешний стандарт утверждён в СССР 1 января 1963 года ГОСТом 9867-61 «Международная система единиц».
Руководство международной организации проголосует за предложенные изменения на Генеральной конференции по мерам и весам в 2018 году, а в случае положительного решения изменения вступят в силу с мая 2019 года. Новые определения для единиц измерения и эталонов никак не отразится на жизни обывателей: один килограмм картофеля в магазине останется тем же килограммом картофеля. Весы будут измерять овощи и мясо с той же точностью, что и раньше. Но эти определения важны для учёных, потому что в научных исследованиях должна соблюдаться идеальная точность формулировок и измерений. Международное бюро мер и весов считает, что новые эталоны позволят «обеспечить высочайший уровень точности в различных способах измерений в любом месте и времени и в любом масштабе, без потери точности».
Итак, какие же изменения нас ждут?
Сейчас Международное бюро мер и весов намерено пересмотреть определения и эталоны следующих единиц измерения:
Килограмм
Современное определение принято III Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ) в 1901 году и формулируется так: «Килограмм есть единица массы, равная массе международного прототипа килограмма». При этом Международный прототип (эталон) килограмма хранится в Международном бюро мер и весов (расположено в городе Севр неподалёку от Парижа) и представляет собой цилиндр диаметром и высотой 39,17 мм из платино-иридиевого сплава (90% платины, 10% иридия). Размер прототипа примерно соответствует размеру мяча для гольфа.
Компьютерное изображение международного прототипа килограмма
Проблема с эталоном килограмма состоит в том, что любые материалы могут терять атомы или, наоборот, пополняться атомами из окружающего пространства. В частности, различные официальные копии эталонного килограмма, который хранится в Севре, отличаются по весу от официального эталона. Разница достигает 60 микрограмм. Такие изменения произошли за более чем 100 лет с момента создания копий.
Ещё одна проблема с единицами измерения фиксированного масштаба — то, что элемент неопределённости (погрешность) увеличивается по мере удаления от этой фиксированной точки (эталона). Например, сейчас при измерении миллиграмма элемент неопределённости в 2500 раз больше, чем при измерении килограмма.
Эта проблема решается, если определить единицу измерения через другую физическую постоянную. Собственно, в новом определении килограмма так и сделано: здесь используется постоянная Планка.
Измерение массы на практике возможно с помощью ваттовых весов: через два отдельных эксперимента со сравнением механической и электромагнитной силы, а затем путём перемещения катушки через магнитное поле для создания разности потенциалов (на иллюстрации внизу). Грубо говоря, масса вычисляется через электроэнергию, которая необходима, чтобы поднять предмет, лежащий на другой чаше весов.
Кельвин
Современное определение: как записано в ГОСТе, 1 кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Начало шкалы (0 К) совпадает с абсолютным нулём. В обязательном Техническом приложении к тексту Международной температурной шкалы МТШ‑90 Консультативный комитет по термометрии установил требования к изотопному составу воды при реализации температуры тройной точки воды.
Тройная точка воды — строго определённые значения температуры и давления, при которых вода может одновременно и равновесно существовать в виде трёх фаз — в твердом, жидком и газообразном состояниях.
Международный комитет мер и весов подтвердил, что определение кельвина относится к воде, чей изотопный состав определён следующими соотношениями:
0,00015576 моля 2 H на один моль 1 Н
0,0003799 моля 17 О на один моль 16 О
0,0020052 моля 18 О на один моль 16 О.
Проблемы современного определения очевидны. При практической реализации величиа кельвина зависит от изотопоного состава воды, а на практике практически невозможно добиться молекулярного состава воды, который соответствует Техническому приложению к тексту Международной температурной шкалы МТШ‑90.
Ещё в 2011 году на заседании Генеральной конференции по мерам и весам было предложено в будущей редакции Международной системы единиц переопределить кельвин, связав его со значением постоянной Больцмана. Таким образом, значение кельвина впервые будет точно зафиксировано.
Новое определение: 1 кельвин соответствует изменению тепловой энергии на 1,38064852 × 10 −23 джоулей. Для выражения единицы требуется постоянная Больцмана.
Измерять точную температуру можно с помощью измерения скорости звука в сфере, заполненной газом. Скорость звука пропорциональна скорости перемещения атомов.
Современное определение: моль есть количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг. При применении моля структурные элементы должны быть специфицированы и могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами и другими частицами или специфицированными группами частиц.
Новое определение: количество вещества системы, которая содержит 6,022140857 × 10 23 специфицированных структурных единиц. Для выражения единицы требуется постоянная Авогадро (число Авогадро).
Для вычисления числа Авогадро — и определения моля через него — учёные предлагают создать идеальную сферу из чистого кремния-28. У этого вещества идеально точная кристаллическая решётка, так что количество атомов в сфере можно определить, если точно измерить диаметр сферы (с помощью лазерной системы). В отличие от существующего куска платиново-иридевого сплава, скорость потери атомов кремния-28 точно предсказуема, что позволяет вносить коррективы в эталон.
Первые опыты по созданию такого эталона предприняли в 2007 году. Исследователи из берлинского Института выращивания кристаллов под руководством Хелге Риманна (Helge Riemann) приобрели в России обогащённый кремний-28 и сумели получить образец изотопа 28 с чистотой 99,994%. После этого исследователи ещё несколько лет анализировали состав 0,006% «лишних» атомов, определяли точный объём сферы и проводили рентгеноструктурный анализ. Изначально предполагалось, что «идеальные» сферы из кремния-28 могут быть утверждены в качестве нового стандарта для килограмма. Но сейчас более вероятно то, что их используют для вычисления числа Авогадро, и, как следствие, определения моля. Тем более что за время, прошедшее с 2007 года, физики научились производить гораздо более чистый кремний-28.
Сфера из кремния-28 с чистотой 99,9998. Фото: CSIRO Presicion Optics
В 2014 году американские физики сумели обогатить кремний-28 до беспрецедентного качества в 99,9998% в рамках международного проекта по расчёту числа Авогадро.
Ампер
Современное определение предложено Международным комитетом мер и весов в 1946 году и принято IX Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ) в 1948 году: «Ампер есть сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 метр один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 метр силу взаимодействия, равную 2·10 −7 ньютона».
В современном определении ампер определяется через некий мысленный эксперимент, который предусматривает возникновение силы в двух проводах бесконечной длины. Очевидно, что на практике мы не может измерить такую силу, потому что по определению не может существовать двух проводников бесконечной длины.
Изменить определение ампера предложили на том же заседании Генеральной конференции по мерам и весам в октябре 2011 года, что и определение кельвина. Идея заключалась в том, что новое определение должно быть основано не на созданный человеком артефактах через мысленный эксперимент, а на фундаментальных физических постоянных или свойствах атомов. Итак, новое определение выражается только через одну постоянную — заряд электрона.
Новое определение: электрический ток, соответствующий потоку 1/1,6021766208 × 10 −19 элементарных электрических зарядов в секунду. Для выражения единицы требуется заряд электрона.
На практике для определения ампера понадобится только один инструмент — одноэлектронный насос. Такие инструменты создали несколько лет назад. Они позволяют перемещать определённое количество электронов в течение каждого насосного цикла, что является крайне ценным качеством для фундаментальной науки и метрологии.
Определения секунды, метра и канделы, судя по всему, остаются неизменными, как показано на иллюстрации.
В новой системе СИ определение всех единиц выражается через константу с фиксированным значением. Многие единицы определяются во взаимосвязи с другими единицами. Например, определение килограмма определяется через постоянную Планка, а также через определения секунды и метра.
Считается, что такая система гораздо более устойчива и самодостаточна.