Еталони, їхня класифікація і види

Особливим засобом вимірювання є еталон. Еталон - це високоточна міра, призначена для відтворення і збереження одиниці величини з метою передачі її розміру іншим засобам вимірювання. Від еталона одиниця величини передається розрядним еталонам, а від них робочим засобам вимірювання.

Еталони класифікують на первинні, вторинні і робочі.

Первинний еталон - це еталон, що відтворює одиницю фізичної величини з найвищою точністю, можливої в даній області вимірювання на сучасному рівні науково-технічних досягнень. Первинний еталон може бути національним (державним) і міжнародним.

Національний еталон затверджується національним органом з метрології як вихідний засіб вимірювання для країни. В Україні національні (державні) еталони затверджує Держспоживстандарт.

Міжнародні еталони зберігає і підтримує Міжнародне бюро мір і ваг (МБМВ). Найважливіша задача діяльності МБМВ складається в систематичних міжнародних звіреннях національних еталонів найбільших метрологічних лабораторій різних країн з міжнародними еталонами, а також і між собою, що необхідно для забезпечення вірогідності, точності і єдності вимірювання як однієї з умов міжнародних економічних зв'язків. Звіренню підлягають як еталони основних величин системи СІ, так і похідних. Установлено певні періоди звірення. Наприклад, еталони метра і кілограма звіряють кожні 25 років, а електричні і світлові еталони - один раз у 3 роки.

Первинному еталонові супідрядні вторинні і робочі (розрядні) еталони. Розмір відтвореної одиниці вторинним еталоном звіряється з державним еталоном. Вторинні еталони (їх іноді називають "еталони-копії") можуть затверджуватися або Держспоживстандартом, або державними науковими метрологічними центрами, що зв'язано з особливостями їхнього використання. Робочі еталони сприймають розмір одиниці від вторинних еталонів і у свою чергу служать для передачі розміру менш точному робочому еталонові (або еталонові більш низького розряду) і робочим засобам вимірювання.

Найпершими офіційно затвердженими еталонами були прототипи метра і кілограма, виготовлені у Франції, які у 1799 р. були передані на збереження в Національний архів Франції, тому їх стали називати з 1872 р. "метр Архіву" і "кілограм Архіву". 1 кілограм став визначатися як рівний масі "кілограма Архіву".

Кожен еталон основної або похідної одиниці Міжнародної системи СІ має свою цікаву історію і зв'язаний з тонкими науковими дослідженнями й експериментами. Наприклад, прийнятий у 1791 р. Національними зборами Франції еталон метра, що дорівнює однієї десятимільйонній частини чверті дуги паризького меридіана, у 1837 р. довелося переглянути. Французькі вчені установили, що у чверті меридіана міститься не 10 млн., а 10 млн. 856 метрів. До того ж відомо, що відбуваються, хоча і незначні, але все-таки постійні зміни форми і розміру Землі. У цьому зв'язку вчені Петербурзької академії наук у 1872 р. запропонували створити міжнародну комісію для рішення питання про доцільність внесення змін в еталон метра. Комісія вирішила не створювати новий еталон, а прийняти як вихідну одиницю довжини "метр Архіву", що зберігається у Франції. У 1875 р. була прийнята Міжнародна метрична конвенція, яку підписала і Росія. Цей рік метрологи вважають другим народженням метра як основної міжнародної одиниці довжини.

Вже в ХХ ст. (1967 р.) були опубліковані дослідження більш точного вимірювання паризького меридіана, які показали, що чверть меридіана дорівнює 10 млн. 1954,4 метри. Таким чином, "метр Архіву" усього на 0,2 мм коротше меридіанного метра.

У 1889 р. був виготовлений 31 екземпляр еталона метра з платино-іридієвого сплаву. Виявилося, що еталон № 6 при температурі 0^оС точно відповідає довжині "метра Архіву", і саме цей екземпляр еталона за рішенням Першої Генеральної конференції по мірах і вагам був затверджений як міжнародний еталон метра, що зберігається в м. Севру (Франція). Інші 30 еталонів були передані різним державам.

Погрішність платино-іридієвих еталонів метра, що дорівнює +1,1´10^-7 м уже на початку ХХ ст. оцінювалася як незадовільна, і в 1960 р. ХI Генеральна конференція по мірах і вагам виробила інше визначення метра - у довжинах світлових хвиль, що засновано на сталості довжини хвилі спектральних ліній випромінювання атомів. Це основа криптонового еталона метра.

Погрішність криптонового еталона набагато менша, ніж платино-іридієвого, і дорівнює 5´10^-9 м.

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

Не менш цікава історія еталона одиниці маси. "Кілограм Архіву", що був прийнятий за еталон маси в 1872 р., являє собою платинову циліндричну гирю, висота і діаметр якої рівні по 39 мм. Прототипи (вторинні еталони) для практичного застосування були зроблені з платино-іридієвого сплаву. За міжнародний прототип кілограма була прийнята платино-іридієва гиря, по точності найбільшою мірою відповідній масі "кілограма Архіву".

За рішенням Першої Генеральної конференції по мірах і вагам було виготовлено 42 екземплярів прототипів кілограма, які були передані по 2 екземпляри країнам-учасникам. Один із прототипів був затверджений як державний еталон маси, інший прототип використовувався як вторинний еталон.

Наш Національний (Міждержавний країн СНД) еталон маси зберігається в 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 ± 0,1^оС, відносна вологість 65%. Один раз у 10 років з ним звіряються два вторинних еталони.

При звірянні з міжнародним еталоном наш національний еталон маси одержав значення 1,0000000877 кг. Для передачі розміру одиниці маси від прототипу №12 вторинним еталонам використовуються спеціальні ваги на 1 кг № 1 і № 2 з дистанційним керуванням; ваги № 1 виготовлені фірмою "Рупрехт", а № 2 - НВО "ВНДІМ їм Д.І. Менделєєва". Погрішність відтворення 1 кілограма складає 2´10^-9.

За 100 із зайвим років існування описаного прототипу кілограма, звичайно, були спроби створити більш сучасний еталон на основі фундаментальних фізичних констант мас різних атомних часток (протона, електрона і т.д.). Однак на сучасному рівні науково-технічного прогресу поки не удалося відтворити цим новітнім методом масу кілограма з меншою погрішністю, чим існуюча. Відхилення маси еталонів, що визначені при міжнародних звіряннях, показують достатній ступінь її стабільності.