Что такое эталон где хранятся эталоны людям каких профессий нужны весы

Опубликовано: 17.05.2024

Этало́н (фр. etalon ) — 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.

Содержание

Определение понятия

Точная мера или точный измерительный прибор, служащие для воспроизведения, хранения и передачи единицы измерения какой-либо величины.
Измерительный прибор большей точности, предназначенный для поверки других измерительных приборов. , образец для подражания, сравнения.
До 2001 года в русскоязычной терминологии под понятием эталон понимались только эталоны высшего уровня — международные и государственные, рабочие эталоны назывались образцовыми средствами измерений.

Виды эталонов

Первичный эталон — эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же единицы) точностью.
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.
Рабочий эталон — эталон, предназначенный для передачи размера единицы рабочим средствам измерений.
Государственный первичный эталон — первичный эталон, признанный решением уполномоченного на то государственного органа в качестве исходного на территории государства.
Национальный эталон — эталон, признанный официальным решением служить в качестве исходного для страны.
Международный эталон — эталон, принятый по международному соглашению в качестве международной основы для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами.

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

ФГУП СНИИМ
ВНИИФТРИ
ФГУП ВНИИР

Краткая история метрологии

Поговорка всяк купец на свой аршин мерит была верна буквально до начала 19 века, когда появился государственный эталон длины. В царской России всерьёз заинтересовались эталонами только в конце 19 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, проходимого светом в вакууме за (1 / 299 792 458) секунды.

Ссылки

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Эталоны" в других словарях:

Эталоны — средства измерений или их комплексы, обеспечивающие воспроизведение и хранение узаконенных единиц физических величин, а также передачу их размера другими средствами измерений. Без Э. невозможно достичь сопоставимости результатов измерений … Большая советская энциклопедия

ЭТАЛОНЫ МАГНИТНЫЕ — В СИ единицы измерения магн. величин производные. В эталонной базе России им соответствуют государственные эталоны индуктивности (генри), магн. потока (вебер), магн. индукции (тесла), магн. момента (А/м 2), дифференциальной резонансной пара магн … Физическая энциклопедия

ЭТАЛОНЫ МАГНИТНЫЕ — образцы материалов с известными, измеренными приборами высокого класса точности значениями магнитной восприимчивости и магнитного момента. Предназначены для эталонирования магнитометров и приборов для измерения магнитных свойств. Эталонами служат … Геологическая энциклопедия

Точность не бывает лишней. Именно поэтому во всем мире создана и существует система международных измерений, выраженная в эталонах всех известных человеку измерений. И только эталон килограмма выделяется в линейке единиц измерения. Ведь именно он единственный имеет физический реально существующий прототип. Сколько весит и в какой стране хранится международный эталон килограмма, ответим в этой статье.

Зачем нужны эталоны?

Килограмм, например апельсинов, весит одинаково в Африке и в России? Ответ - да, почти. А все благодаря международной системе определения стандартов эталона килограмма, метра, секунды и других физических параметров. Эталоны измерений необходимы человечеству для обеспечения экономической деятельности (торговли) и строительной (единство чертежей), промышленной (единство сплавов) и культурной (единство временных интервалов) и многих других сфер деятельности. И если в ближайшем будущем сломается ваш айфон, то весьма вероятно, что это случилось из-за изменений в весе самого главного эталона массы.

История стандартов

Каждая цивилизация имела собственные стандарты и эталоны, которые сменяли друг друга по прошествии веков. В Древнем Египте масса предметов измерялась в кантарах или киккарах. В Древней Греции это были таланты и драхмы. А в России масса товара измерялась в пудах или золотниках. При этом люди разных экономических и политических систем как бы договаривались о том, что единица измерения массы, длины или другого параметра будет сопоставима с единой договорной единицей. Что интересно, даже пуд в давние времена мог отличаться на треть у торговцев из разных стран.

Физика и стандарты

Договоренности, часто устные и условные, работали до того, пока человек не занялся всерьез наукой и инженерным делом. С пониманием законов физики и химии, развитием промышленности, созданием парового котла и развитием международной торговли появилась необходимость в более точных единых стандартах. Подготовительная работа была длительной и кропотливой. Физики, математики, химики всего мира работали над поиском универсального эталона. И в первую очередь – международного эталона килограмма, ведь именно от меры веса отталкиваются другие физические параметры (Ампер, Вольт, Ватт).

Метрическая конвенция

Знаменательное событие произошло в предместье Парижа в 1875 году. Тогда впервые 17 стран (и Россия в их числе) подписали метрическую конвенцию. Это международный договор, обеспечивающий единство стандартов. Сегодня к ней присоединились 55 стран в качестве полноправных членов и 41 страна как ассоциированные члены. Тогда же созданы Международное бюро мер и весов и международный комитет мер и весов, главная задача которых следить за единством стандартизации по всему миру.

Эталоны первой метрической конвенции

Эталоном метра стала линейка из сплава платины и иридия (9 к 1) длиною в одну сорокамиллионную часть Парижского меридиана. Эталон килограмма из такого же сплава соответствовал массе одного литра (дециметра кубического) воды при температуре в 4 градуса по Цельсию (наивысшая плотность) при стандартном давлении над уровнем моря. Стандартом секунды стала 1/86400 часть длительности средних солнечных суток. Все 17 стран участников конвенции получили по копии эталона.

Место Z

Прототипы и оригинал эталона сегодня хранятся в Палате мер и весов в г. Севр под Парижем. Именно в предместье Парижа и находится место, где хранится эталон килограмма, метра, канделы (сила света), ампера (сила тока), кельвина (температура) и моль (как единица вещества, физического эталона нет). Система мер и весов, которая основана на этих шести эталонах, названа Международной системой единиц (СИ). Но история эталонов на этом не окончилась, она еще только начиналась.

Система стандартов, которой мы пользуемся – СИ (SI), от французского Systeme International d’Unites – включает семь базовых величин. Это метр (длина), килограмм (масса), ампер (сила тока), кандела (сила света), кельвин (температура), моль (количество вещества). Все остальные физические величины получаются путем различных математических исчислений с использованием базовых величин. Например, единица силы равна кг х м/с 2 . Все страны мира, кроме США, Нигерии и Мьянмы, используют систему СИ для измерений, что означает сравнение неизвестной величины с эталоном. А эталон – это эквивалент физического значения, о котором все договорились, что он абсолютно точен.

Эталон кило это сколько?

Казалось бы чего проще – эталон 1 килограмма это вес 1 литра воды. Но на самом деле это не совсем так. Что принимать за эталон килограмма из порядка 80 прототипов – вопрос довольно сложный. Но волею случая был выбран оптимальный вариант состава сплава, который просуществовал более 100 лет. Эталон килограмма массы изготовлен из сплава платины (90 %) и иридия (10 %), и представляет собой цилиндр, диаметр которого равен высоте и составляет 39,17 миллиметров. Были также изготовлены и его точные копии, количеством в 80 штук. Копии эталона килограмма находятся в странах-участниках конвенции. Главный же эталон хранится в предместье Парижа и накрыт тремя герметичными капсулами. Везде, где находится эталон килограмма, с периодичностью в десять лет проводится сверка с самым главным международным эталоном.

Самый главный эталон

Международный эталон килограмма был отлит в 1889 году и хранится в г. Севр во Франции в сейфе Международного бюро мер и весов, накрытый тремя герметичными колпаками из стекла. Ключи от этого сейфа есть лишь у трех высокопоставленных представителей бюро. Вместе с главным эталоном в сейфе находится и шесть его дублеров или преемников. Каждый год главную меру веса, что принимается за эталон килограмма, торжественно извлекают для освидетельствования. И с каждым годом он становится все худее и худее. Причина такого похудения – отрыв атомов при извлечении образца.

Российская версия

Копия эталона есть и в России. Хранится он во ВНИИ метрологии им. Менделеева в Санкт-Петербурге. Это два платиново-иридиевых прототипа - № 12 и № 26. Они находятся на подставке из кварца, накрыты двумя стеклянными колпаками и закрыты в металлическом сейфе. Температура воздуха внутри капсул 20 °С, влажность 65 %. Отечественный прототип имеет вес 1, 000000087 килограмма.

Эталон килограмма худеет

Сверки эталона показали, что точность национальных эталонов порядка 2 мкг. Все они хранятся в аналогичных условиях, и расчеты показывают, что эталон килограмма за сто лет теряет в весе 3 х 10 −8 веса. Но по определению, масса международного эталона соответствует 1 килограмму, а любые изменения реальной массы эталона приводят и к изменению самого значения величины килограмма. В 2007 году выяснилось, что килограммовый цилиндр стал весить на 50 микрограмм меньше. И уменьшение его веса продолжается.

Новые технологии и новый эталон меры веса

Для устранения погрешностей ведется поиск новой структуры эталона килограмма. Есть разработки по определению эталоном определенного количества изотопов кремния-28. Существует проект «Электронный килограмм». В национальном институте стандартов и технологий (2005, США) сконструирован прибор, основанный на измерении мощности, необходимой для создания электромагнитного поля, способного поднять 1 кг массы. Точность такого измерения – 99,999995 %. Есть разработки определения массы в отношении к массе покоя нейтрона. Все эти разработки и технологии позволят уйти от привязки к физическому эталону массы, достичь более высокой точности и возможности проведения сверки в любой точке мира.

Другие перспективные проекты

И пока мировые светила науки определяются, какой путь решения проблемы более надежен, самым перспективным считают проект, при котором масса не будет меняться с течением времени. Таким эталоном стало бы тело кубической формы из атомов изотопа углерода-12 с высотой в 8,11 сантиметра. В таком кубе будет 2250 х 281489633 атомов углерода-12. Исследователи из национального института стандартов и технологий США предлагают определять эталон килограмма, используя постоянную Планка и формулу E=mc^2 .

Современная метрическая система

Современные эталоны совсем не те, что были ранее. Метр, первоначально соотнесенный с длиною окружности планеты, сегодня соответствует расстоянию, что проходит луч света за одну 299792458-ю секунды. А вот секунда – это то время, за которое проходит 9192631770 колебаний атома цезия. Преимущества квантовой точности в данном случае очевидны, ведь они могут быть воспроизведены в любом месте планеты. В итоге, единственным эталоном, который существует физически, остается пока эталон килограмма.

Сколько стоит эталон?

Просуществовав более 100 лет, эталон уже стоит немало, как предмет уникальный и артефактный. А в целом для определения ценового эквивалента необходимо подсчитать количество атомов в килограмме чистого золота. Число получится из порядка 25 цифр и это без учета идейной ценности данного артефакта. Но пока о продаже эталона килограмма говорить рано, ведь мировое сообщество пока не избавилось от единственно оставшегося физического эталона международной системы единиц.

Интересно об измерениях

Во всех часовых поясах планеты время определяется относительно всемирного времени UTC (например, UTC+4:00). Что примечательно, у аббревиатуры вообще нет расшифровки, она принята в 1970 году международным союзом электросвязи. Были предложены два варианта: английский CUT (Coordinated Universal Time) и французский TUC (Temps Universel Coordonné). Выбрали среднюю нейтральную аббревиатуру.

На море используется измерение «узел». Для измерения скорости корабля использовали специальный лаг с узлами на одинаковом расстоянии, который бросали за борт и отсчитывали количество узлов за определенный период времени. Современные приборы куда более совершенны, чем веревка с узлами, но название осталось.

Слово скурпулезность, значение которого чрезвычайная точность и аккуратность, пришло в языки от названия древнегреческого эталона веса – скрупула. Он был равен 1,14 грамму и использовался при взвешивании серебряных монет.

Название денежных единиц также часто берут начало в названиях мер веса. Так, стерлингами в Британии назывались монеты из серебра, а 240 таких монет весили фунт. В Древней Руси в ходу были «гривны серебра» или «гривны золота», что означало определенное количество монет, выраженное в весовом эквиваленте.

Странное измерение мощности автомобилей в лошадиных силах имеет вполне реальное происхождение. Изобретатель паровой машины Джеймс Уайт именно так решил продемонстрировать преимущество своего изобретения над тяговым транспортом. Он подсчитал, сколько лошадь может поднять груза в минуту и обозначил это количество как одну лошадиную силу.

В прошлом году во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии им. Д. И. Менделеева появился сложнейший аппарат, который вывел нашу страну на новый уровень в точности определения килограмма. По мнению ученых, подобный компаратор массы позволит добиться не только независимости от других стран в области измерений, но и поспособствует развитию в других сферах, например, в приборостроении. Корреспондент Города+ отправился в «колыбель» отечественной метрологии и узнал, чем ученых не устроила «старая версия» килограмма, как эти изменения могут коснуться повседневной жизни горожан и зачем городу нужен специализированный технопарк.

Мы часто не замечаем, но самые разные меры и величины сопровождают нас постоянно - в течение всего дня и ночи. Эксперты даже считают, что получение любой информации (визуальной, аудио или в виде текста) является своего рода измерением. Ведь когда мы различаем какие-то слова, символы или образы, то сравниваем их с определенными понятиями, которые изначально заложены у нас в голове (например, это могут быть метры, килограммы, литры, вольты). В этой связи важность науки, которая изучает эти самые измерения, становится очевидной.

В ВНИИМ им. Д.И. Менделеева специалисты преследуют сразу несколько задач. Во-первых, активная деятельность ведется по обеспечению единства всех измерений. «Без единства невозможно организовать торговлю. Ведь когда вы приходите в магазин, то хотите, чтобы упаковка, на которой написано «один килограмм» содержала ровно килограмм. Также невозможно без единства собрать автомобиль. Представьте, что в машине десятки тысяч деталей, производимых на предприятиях в разных концах мира. Все детали должны быть сделаны по единым размерам. То же самое можно сказать об электрической энергии - в каждой розетки напряжение и частота должны быть точно определены и установлены. Это нужно для того, чтобы миллионы электрических приборов работали правильно», - рассказал директор института Кирилл Гоголинский. Во-вторых, уделяется большое внимание созданию и совершенствованию измерительных технологий, необходимых для развития промышленности и, как следствие, роста экономики. «Это важный инструмент для улучшения качества производимой продукции, обеспечения работы транспортных систем, систем связи. Это также серьезная составляющая для обеспечения обороноспособности страны», - добавил руководитель Агентства по техническому регулированию и метрологии Алексей Абрамов.

Сегодня Россия находится в первой пятерке стран, которые активно продвигают метрологию в своей деятельности. В одном только ВНИИМ им. Д.И. Менделеева находится четыре из семи эталонов основных величин международной системы СИ - это метр, килограмм, ампер и кельвин. Кроме того, здесь хранятся и совершенствуются 54 первичных образца измерений из 165, имеющихся в России. Интересно, что ранее первичные эталоны основных величин были привязаны к природным объектам или явлениям. Современный уровень развития науки и промышленности стал требовать от человечества более точных измерений. По этой причине научное сообщество решило перейти на квантовые эффекты. Этот переход рукотворных эталонов к квантовым величинам, которые отличаются абсолютной точностью, завершится уже в 2018 году. «Те артефакты, которые использовались раньше, со временем утрачивают свои метрологические характеристики – в итоге происходит старение и потеря их изначальных свойств», - поясняет необходимость Алексей Абрамов.

Что не так с килограммом?

Оказывается, масса – это последняя мера из основных единиц СИ, которая осталась в виде артефакта. Иными словами, она сохранилась в виде первичного рукотворного эталона – то есть гири, оригинал которой находится во Франции, в Международном бюро меры весов. Сегодня ее точные копии находятся во всех метрологических институтах мира и являются государственными первичными эталонами. В Северной столице подобный слиток платины и иридия хранят с 1892 года в здании, где раньше жил сам Дмитрий Иванович Менделеев. «Этим гирям уже больше ста лет. Но, несмотря на то, что они сделаны из абсолютно инертного сплава, все равно происходит окисление, а также есть риск утраты объекта при несчастных случаях. И на самом деле ситуация такова, что если украсть первичный килограмм под Парижем, то весь мир потеряет данную единицу», - рассказывает директор ВНИИМ им. Д.И. Менделеева Кирилл Гоголинский. По его словам, с течением времени оригинальные артефакты теряют в весе. Французский килограмм, например, уже успел «похудеть» на сорок микрограмм. Его копии, которые разлетелись по всему миру, понятное дело, также не застрахованы от потери веса. Это создает проблему точности измерений и проблему сохранения и воспроизведения самого килограмма. «Поэтому мировое метрологическое сообщество приняло решение на ряду с другими основными единицами переопределить на основе фундаментальных базовых констант килограмм. Ученые ничего лучше не придумали, как изготовить вместо одной гири – другую, а именно кремниевый шар. Состоит он из идеальной кремниевой структуры, в которой содержится счетное количество атомов. То есть если мы будем знать точное количество атомов, из которых состоит эта сфера, то мы можем четко определить, из скольких атомов кремния весит килограмм», - отмечает директор учреждения.

Но мало изготовить сам кремниевый шар, его еще нужно распространить. Для того, чтобы это сделать, как раз и нужен специальный и очень сложный прибор, который называется компаратор массы. Хотя внешне он и смахивает на стиральную машину, стоимость аппарата весьма значительная - миллион евро. Он может сравнить эталонную гирю с рабочим вариантом (по факту - другой гирей) на атомном уровне. Если образно себе представить суть изобретения, то получается, что это суперсовременные весы, работающие в условиях высокого вакуума. Этот аппарат - первый в России, всего в мире их не больше десяти. По первым результатам ВНИИМ точность передачи единицы массы благодаря компаратору массы повысилась в десять раз (как в вакууме, так и в условиях атмосферного воздуха). Теперь кремниевые сферы считают будущими прототипом эталона килограмма. Кстати, по словам хранителя эталона массы, он лежит в сейфе и достается крайне редко (раз в пять лет). Чтобы открыть хранилище, используются три ключа (они находятся в разных местах). Для этого созывается специальная комиссия.

Помимо эталона килограмма, во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева находится также эталон единицы температуры – кельвин. Основная его особенность заключается в том, что он на семьдесят процентов состоит из приборов и деталей, произведенных в России. Само по себе данное устройство – сложнейшие тепловые излучатели, оптические приборы. Также здесь хранится квантовый эталон вольта. Это единственный в мире транспортируемый эталон. С помощью него были произведены международные свечения (пока первые в мире), где наша страна показала хорошие результаты. «Эталон вольта представляет из себя, по сути, микросхему, которая помещается в жидкий гелий. И при определенных условиях эта микросхема обеспечивает точно известные значения вольта. Таким образом, происходит воспроизведение основной единицы», - поясняет Кирилл Гоголинский.

Зачем нужен технопарк «Ломоносов»?

В течение следующих пяти лет (до 2022 года) на базе ВНИИМ им. Д.И. Менделеева планируют создать специализированный технопарк «Ломоносов». Несложно догадаться, что находиться он будет в одноименном городе на месте метрологической инфраструктуры института, которая была создана еще в советские годы. Общая площадь территории там составляет более 35 гектар. «Есть уже конкретные резиденты, которые изъявили желание разместить производство на этих площадках (порядка пяти компаний). И есть направления, по которым мы хотели развивать это приборостроение. Прежде всего – производство автоматизированных измерительных систем экологического мониторинга, медицинские приборы, приборы для использования в газовой промышленности, нефтехимии и для механических измерений», - комментирует руководитель Агентства по техническому регулированию и метрологии Алексей Абрамов. Для создания технопарка необходимо произвести масштабную реконструкцию пустующих площадей (это около 40 процентов от общего объема). Стоимость проекта оценивается в 9,1 млрд рублей. Одновременно с ремонтом планируют запустить процесс по проектированию зданий.

Человечество окончательно отказывается от материальных эталонов, теперь все главные единицы СИ будут привязаны к фундаментальным физическим константам. От точных измерений времени, расстояний и масс сегодня зависит множество вещей — от спутниковой навигации до правильной работы магазинных весов. А точность этих измерений зависит от эталонов — сложных устройств, которые сегодня обслуживают тысячи ученых и инженеров. Нужны ли будут они в новой «нематериальной» метрологии, разбиралась редакция N + 1 .

В международной системе единиц измерения СИ (от французского Le Systeme International d’Unites, SI) приняты семь основных величин, через которые определяются все остальные, производные единицы. Для точного измерения этих величин ученые создают эталоны, ведь измерение и есть сравнение чего-либо с эталоном. Первый эталон системы СИ — эталон килограмма — был официально принят в июне 1799 года во Французской республике. С тех пор основные единицы не единожды переопределялись, например единица длины, метр, первоначально была привязана к длине парижского меридиана, потом — к длине волны излучения атома криптона-86 и, наконец, — к скорости света в вакууме. Почти все другие единицы тоже постепенно оказались привязаны к фундаментальным физическим константам (ФФК).

Сейчас во Франции проходит 26-я Генеральная конференции по мерам и весам, и на ней будет принято решение еще раз переопределить килограмм , моль , кельвин и ампер . Американский Национальный институт стандартов (NIST) называет это будущее решение «поворотным пунктом в истории человечества». Система СИ будет обновлена, и из нее исчезнет последний материальный эталон — эталон килограмма. Все единицы будут привязаны к константам, не подверженным износу.

В Россию, согласно реестру Росстандарта , хранятся 165 различных эталонов основных и производных единиц. Что же будет с ними дальше, после новой реформы?

«Система СИ будет окончательно „отвязана“ от материального мира. Килограмм, вслед за остальными единицами, будет переопределен через фундаментальную физическую константу. Но это не значит, что и метрология станет „нематериальной“. Останутся эталоны, останется необходимость их сличений, нужно будет, как и раньше, обеспечивать единство и точность измерений, технически совершенствовать оборудование, передавать единицы измерения основным потребителям — промышленности, медицине, науке. Более того, у нас прибавится работы — понадобится разрабатывать новые измерительные технологии для квантовых единиц», — сказал N + 1 руководитель ВНИИ метрологии имени Дмитрия Менделеева Антон Пронин.

В этой статье мы расскажем о том, как «живут» российские эталоны, как ученые следят за их «здоровьем» и какое будущее их ожидает.

Национальный килограмм

Российский национальный эталон килограмма (его номер в ресстре — ГЭТ 3-2008, у каждого эталона есть такой номер) — это цилиндр из сплава платины и иридия с массовыми долями 90 и 10 процентов соответственно, диаметром и высотой около 39 миллиметров. Хранится образец в лаборатории массы и силы петербургского ВНИИ метрологии . На самом деле эталонов сразу два — это копии № 12 и № 26. 12-й играет роль национального прототипа килограмма, а 26-й — роль эталона-свидетеля, способный в случае порчи или утраты 12-го его заменить.

Цифры 12 и 26 — это порядковые номера копий Международного прототипа килограмма (МПК), хранящегося в Международном бюро мер и весов (МБМВ) во французском городе Севр. Согласно парижскому соглашению 1875 года, за прототип — «истинный килограмм» — был принят оригинальный платино-иридиевый цилиндр, а 42 его точных копии были пронумерованы и разделены: две остались «дежурными» копиями прототипа, а остальные 40 поделили между собой страны-участницы метрической конвенции. Сплав платины и иридия химически инертен, имеет высокую твердость и износоустойчивость, относительно малый коэффициент теплового расширения, большую плотность и наделен парамагнитными свойствами.

Вес российского эталона килограмма менялся примерно на 0,3 микрограмма в год, то есть на 30 микрограмм за более чем 100 лет. Похудел эталон за счет испарения атомов с поверхности цилиндра. Остальные копии показали похожие темпы «потери массы» — от 20 до 50 микрограмм. Это достаточно большие значения для современных требований к точности. Килограмм является одной из семи основных единиц СИ, и накопленные отклонения могут стать причиной так называемого технического системного кризиса. Именно поэтому научное сообщество решило переопределить килограмм через точно измеренную и фиксированную постоянную Планка.

Свои копии килограмма Россия получила в 1893 году, и с тех пор эталон не покидал стены института метрологии, он оставался здесь даже во время блокады Ленинграда. Обе копии являются государственным достоянием и хранятся в историческом здании, спроектированном при участии самого Дмитрия Менделеева для хранения эталонов. Помещение имеет изолированный от остального здания собственный фундамент массой 750 тонн, а температура воздуха поддерживается постоянно на уровне от 18 до 22 градусов Цельсия, причем скорость изменения температуры не может меняться быстрее 0,1 градуса в час.

Но даже очень мощный фундамент не вполне спасает: все работы по передаче единицы для вторичных эталонов и метрологические сличения производятся в ночное время. Рядом с институтом — станция метро и днем возможны погрешности из-за вибраций. Кроме двух копий прототипа килограмма, в состав государственного эталона входят компараторы массы (специальные приборы для сравнения массы двух образцов), аппаратура для измерений плотности воздуха. После перехода СИ на определение всех величин через фундаментальные физические константы передача единицы должна осуществляться в условиях вакуума, поэтому недавно в лаборатории появился вакуумный компаратор.

Наша российская платино-иридиевая копия № 12 сличалась с главным эталоном недавно, в 2014 году, и перекалибровка потребуется только в 2024–2029 годах. К этому сроку в России планируется осуществить работы для независимой реализации килограмма через постоянную Планка с необходимой точностью порядка 2 × 10-8 килограмма.

После переопределения килограмма процедура сличений останется неизменной: техническим протоколом назначается лаборатория-пилот, организующая определенную программу мероприятия с указанием сроков и участников, она же посылает поочередно всем участникам сличений артефакт и рассчитывает отклонение каждой лаборатории от опорного значения.

Единственное новшество будет заключаться в следующем. Ранее единица (килограмм) передавалась от национального эталона вторичным эталонам при помощи компаратора массы (прибора для измерений разности массы между двумя эталонами) в условиях атмосферного воздуха. Теперь же передача единицы от национального прототипа килограмма вторичным эталонам будет осуществляться с помощью вакуумного компаратора в условиях вакуума, то есть в тех же условиях, в которых калиброван прототип.

От вторичных эталонов единица передается рабочим эталонам при помощи обычных компараторов в условиях атмосферного воздуха. Далее сохраняется вся действующая иерархическая система передачи единицы, вплоть до рабочих средств измерений масс: весов торговых, аналитических, весов для взвешивания вагонов и других.

Фонтаны времени

Единица измерения времени — секунда — с 1967 года определяется как интервал времени, соответствующий 9 192 631 770 периодов излучения между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Это позволяет государствам создавать свои первичные эталоны единиц времени независимо от других государств.

Российский государственный первичный эталон единицы времени (его номер в реестре ГЭТ 1-2018) хранится во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений ( ВНИИФТРИ ). Это устройство на основе фонтана атомов цезия. «Фонтан» устроен так: облако сверххолодных атомов цезия помещают в оптическую ловушку, а затем под действием лазера они «подпрыгивают» вверх. Затем лазеры выключают, облако медленно опускается, а другой лазер считывает значения.

Этот прибор работает не в постоянном режиме: значение частоты воспроизводится примерно каждые 150 секунд. Чтобы потребители имели доступ ко времени непрерывно, время хранят более простые устройства — водородные генераторы частоты. Но у них есть недостаток — дрейф, для компенсации которого используется рубидиевый хранитель. Все устройства комплекса работают сообща, как единый организм.

Государственный первичный эталон единицы времени существует в нашей стране с конца 1950-х годов. В лесном массиве в окрестностях поселка Менделеево, недалеко от Зеленограда, для эталона на территории ВНИИФТРИ построено отдельное трехэтажное здание. Такое расположение продиктовано требованиями к хранению и эксплуатации эталона: чтобы генератор не подвергался внешним воздействиям, рядом с ним не должно быть больших дорог и сильных электромагнитных полей.

Внутри здания специальная система кулеров следит за отсутствием больших перепадов температур (не более 0,3 градуса Цельсия). Для устранения блуждающих токов проведено высокоэффективное заземление. Предусмотрена защита от перебоев электропитания: в случае необходимости система аккумуляторов способна поддерживать работу всего комплекса в течение часа; если за это время неполадки не будут устранены, подключатся дизельные генераторы, способные снабжать эталон энергией в течение нескольких дней.

Каждые сутки данные от российского эталона поступают с помощью спутников в Международное бюро мер и весов для сличения: бюро сравнивает показатели нашего эталона с показателями эталонов других стран, анализирует полученные результаты и каждый месяц предоставляет информацию о точности работы эталона и отличии национальной шкалы времени от шкалы, формируемой самим бюро. Это отличие в настоящее время не превышает пяти наносекунд.

Способы передачи информации о времени от эталона потребителю зависят от требуемой точности. Один из наиболее массовых каналов передачи единицы времени у нас в стране использует для этого ГЛОНАСС: с его помощью данные непосредственно от эталона распространяются с точностью в несколько наносекунд. Также информацию о времени передают специальные серверы: чтобы воспользоваться ими, пользователи должны обратиться по установленному IP-адресу. Например, для пользователей операционной системы Windows достаточно поставить «галочку» в настройках, чтобы время на компьютере сверялось с серверами ВНИИФТРИ. Четыре сервера российского эталона обслуживают ежедневно несколько десятков миллионов запросов на предоставление данных о точном времени, с погрешностью в миллисекунды.

Специфический и дорогой способ получать точное время предоставляют специализированные радиостанции — это важно для тех, кто обязан его знать даже в том случае, если ГЛОНАСС выйдет из строя. Четвертый способ — использовать мобильные часы, изготовленные во ВНИИФТРИ.

Государственный первичный эталон единицы времени работает сегодня по принципу определения секунды через фундаментальную физическую константу, и изменения данного определения в ближайшее время не предвидится. Однако требования потребителей к точности измерения частоты и времени непрерывно возрастают, и все ведущие исследовательские лаборатории мира, в том числе и ВНИИФТРИ, разрабатывают все более точные часы на других атомных переходах, но уже в оптическом диапазоне, например с использованием стронция и иттербия. В результате этого развития «цезиевая» секунда может однажды смениться на «стронциевую» или «иттербиевую».

Градусы из чистых веществ

В России существуют два государственных первичных эталона температуры. Первый (ГЭТ 35-2010) находится во ВНИИФТРИ и работает в диапазоне от 0,3 кельвина до 273,16 кельвина. В его состав входят наборы эталонных термометров сопротивления в трех блоках сравнения, откалиброванные по газовому термометру постоянного объема, а также аппаратура для реализации плавления гелия-3, комплект аппаратуры для реализации температуры реперных точек международной температурной шкалы МТШ-90, криостаты сравнения, аппаратура для точных измерений сопротивления.

Во что превратилась бы наша жизнь, если бы вдруг исчезли единицы измерения – все эти вольты, граммы, кельвины? Ни тебе телевизор посмотреть, ни в магазин сходить, ни по погоде одеться. И это еще цветочки.

– Любое получение информации – визуальное, текстовое, слуховое – это на самом деле измерение: когда мы различаем слова, символы, образы, мы их с чем-то сравниваем, – объясняет директор Всероссийского научно-исследовательского института метрологии имени Менделеева Кирилл Гоголинский. – Точность измерений определяет уровень экономического развития государства и темпы его развития.

ВЕЛИКОЛЕПНАЯ СЕМЕРКА

Говорить всему миру на одном языке помогает метрология – наука, обеспечивающая единство измерений. Если бы не она, человечество не смогло организовать торговлю, наладить работу инженерных коммуникаций, даже собрать автомобиль.

Институт Менделеева - колыбель русской метрологии

Фото: Олег КУЗЕНКОВ

Воплощением меры служит либо какой-то прибор (к примеру, линейка), либо предмет (та же гиря). Приборы и предметы, с которых делают многочисленные копии, называют эталонами. Каждое государство стремится создать как можно больше эталонов и применить для этого высочайшие технологии, дабы каждый раз не ездить за идеальной гирей к соседям или во Францию (там хранится главный килограмм мира).

– Сегодня у нас в стране существует 164 эталона, – объясняет руководитель Росстандарта Алексей Абрамов. – Россия входит в пятерку стран, которые активно продвигают метрологию.

Часть эталонов хранят в "термосе", здании внутри здания

Фото: Олег КУЗЕНКОВ

54 из 164 эталонов хранятся в НИИ Менделеева, «колыбели русской метрологии». Все эталоны мира рождаются из семи базовых величин: метр (длина), килограмм (масса), секунда (время), ампер (сила электрического тока), кельвин (температура), моль (количество вещества) и кандела (сила света).

Государственные эталоны – это национальное достояние. Но эта великолепная семерка – ценнейшие среди них. И четыре меры – метр, ампер, кельвин и килограмм – хранятся в Петербурге.

ЛУЧШИЙ НА ЗЕМЛЕ

– В кельвине мы лучшие в мире! – говорят институтские. – Отечественные разработки способны расширить диапазон до 3 473 градусов по шкале Кельвина и сократить погрешность при воспроизведении в полтора-два раза.

Кельвин занимает полкомнаты

Фото: Олег КУЗЕНКОВ

Ноль по шкале Кельвина равняется минус 273 градусам Цельсия. Выглядит эталон температуры далеко не как градусник: установка из сложнейших тепловых излучателей, множества линз, двух абсолютно черных тел и нескольких компьютеров, основанная на квантовых эффектах, занимает полкомнаты. Семьдесят процентов деталей – российские.

В помещении, где «живет» кельвин, поддерживают постоянную температуру: даже недолгое пребывание компании людей в лаборатории сказывается на показаниях.

Мерило температуры состоят из множества излучателей м линз

Фото: Олег КУЗЕНКОВ

ХОЛОДНАЯ ПАРОЧКА

Король среди электрических величин – ампер. Но потихоньку происходит переориентация на квантовые эталоны вольта (напряжение) и ома (сопротивление). Вольт «обитает» в сложной установке, помещенной в экранированную комнату. Измерения ведут при сверхнизких температурах.

– Самые низкие температуры применяют при воспроизведении специальных электрических величин, – разъясняет хранитель вольта Александр Катков. – Температуры достигают милликельвинов. В них тепловые колебания атомов настолько малы, что не разрушают электрические свойства материалов. Вольт при четырех кельвинах измеряют с точностью на уровне десять в минус одиннадцатой степени.

Приблизительно так выглядит эталонный вольт

Фото: Олег КУЗЕНКОВ

По сути, вольт представляет собой микросхему, помещенную в жидкий гелий. – У нас разработан единственный в мире переносной эталон вольта, – отмечает Кирилл Гоголинский. – С помощью него проводили международные сличения, и мы показали лучшие в мире результаты.

Ом тоже предпочитает запредельный холод. За сопротивлением можно проследить буквально по одному электрону.

– Одна из проблем – присутствующее магнитное поле, – рассказывает хранитель ома Юрий Семенов. – Вытащить микроструктуры из него непросто. А ведь нам нужно измерять нановеличины.

Фото: Олег КУЗЕНКОВ

Посреди лаборатории вольта стоит каменный стол. Но это не просто предмет интерьера: это… вершина трехэтажного 750-тонного фундамента отдельного здания, находящегося внутри здания. Бетонный «термос» независим от внешних стен. Ведь ни малейшая вибрация – от оживленного Московского проспекта, от соседней станции метро «Технологический институт», от ходящих по Загородному трамваев – не должна добраться до святая святых, до килограмма.

«ХУДЕЕТ» И «СТАРИТСЯ»

Если эталоны шести основных единиц измерения базируются на физических константах и от «железа» не зависят, то килограмм – последний эталон-артефакт. То есть хоть и совершенный, но предмет.

Никакие колпаки и бункеры не в силах спасти металл от "похудения"

Фото: Олег КУЗЕНКОВ

– Всемирный эталон килограмма – гиря, которая хранится в Севре под Парижем, – разъясняет Гоголинский. – Копии ее есть во всех метрологических институтах мира. Ситуация такова: если украсть первичный килограмм во Франции, то весь мир потеряет единицу килограмма.

Главному российскому кило (и его запасному брату-близнецу) 125 лет. Он представляет собой гирю из сплава платины и иридия с высотой и диаметров в 39 миллиметров. Хранится килограмм под герметичным колпаком в сейфе за тремя замками в отдельном бункере в лаборатории с определенными влажностью и температурой, которая и находится в здании-«термосе».

Читайте также: