Архив номеров

Государственный первичный эталон единицы массы ГЭТ 3-2008

Совместный проект Управления метрологии Росстандарта и журнала “Мир измерений” НАЦИОНАЛЬНОЕ ДОСТОЯНИЕ: ГОСУДАРСТВЕННЫЕ ПЕРВИЧНЫЕ ЭТАЛОНЫ И ИХ ХРАНИТЕЛИ Ведёт проект Н.В. Разикова, начальник отдела законодательной метрологии Сегодня килограмм – самый проблемный эталон в мире: единственный оставшийся на сегодняшний день в обиходе эталон-артефакт загадочным образом теряет в весе

Совместный проект Управления метрологии Росстандарта и журнала “Мир измерений” НАЦИОНАЛЬНОЕ ДОСТОЯНИЕ: ГОСУДАРСТВЕННЫЕ ПЕРВИЧНЫЕ ЭТАЛОНЫ И ИХ ХРАНИТЕЛИ Ведёт проект Н.В. Разикова, начальник отдела законодательной метрологии Сегодня килограмм – самый проблемный эталон в мире: единственный оставшийся на сегодняшний день в обиходе эталон-артефакт загадочным образом теряет в весе. Массы международного прототипа килограмма и его национальных копий, выполненных из идентичного сплава и практически в одно и то же время, постепенно расходятся. И пока у учёных достойного объяснения этому нет: они не знают, стал ли легче оригинал или потяжелели образцы из других стран, хотя склоняются к мнению, что “худеет” всё же парижский эталон.

СНЕГОВ ВИКТОР САВЕЛЬЕВИЧ

Снегов В.С.Родился в 1946 г. в Ленинграде. Окончил физический факультет ЛГУ по специальности “Радиофизика”.

В 1967 г. пришёл на работу во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева на должность инженера. В 1973 г. по конкурсу избран на должность младшего научного сотрудника. С 1986 г. по настоящее время работает во ВНИИМ в должностях ведущего инженера, старшего научного сотрудника, ведущего научного сотрудника.

С 2002-го по 2005 г. – руководитель лаборатории массы и плотности.

Успешно овладел техникой и методами точных измерений массы и плотности твёрдых тел. Уже в 1973 г. им проведены исследования по разработке и усовершенствованию весового метода измерения плотности воздуха. В 1974 г. Снеговым В.С. сконструирована установка для дистанционного измерения температуры воздуха в витрине эталонных весов; проведены исследования магнитных свойств материалов, предназначенных для изготовления эталонов массы. В 1988 г. выполнены работы по созданию эталонных средств массы, основанных на новых физических принципах. В этом же году В.С. Снегов участвовал в международных взаимных сличениях вторичных эталонов единиц массы.

В 1989 г. защитил диссертацию с присуждением учёной степени кандидата технических наук.

Автор более 40 научных публикаций и ряда основополагающих стандартов в области метрологии массы. Является разработчиком ГОСТ 8.021-84 “ГСИ. Государственный первичный эталон и общесоюзная поверочная схема для средств измерения массы”.

В настоящее время в связи с реорганизацией структуры научных лабораторий и отделов Виктор Савельевич Снегов работает ведущим научным сотрудником ВНИИМ им. Д.И. Менделеева. Является учёным хранителем Государственного первичного эталона единицы массы.

Плавающая единица измерений – большая помеха научно-техническому прогрессу, негативно отражающаяся на результатах прецизионных работ. Поэтому самой актуальной для метрологического сообщества сегодня является проблема смены прототипа килограмма. Пока предложено два альтернативных варианта определения единицы массы через физические константы: “электрический” килограмм и “химический” килограмм…

О современном состоянии дел и о перспективах развития фундаментальной метрологии в этой области читателям “Мира измерений” рассказывает учёный хранитель российского прототипа килограмма Снегов В.С.

Весы были известны в Древнем Египте и на Среднем Востоке ещё за несколько тысяч лет до нашей эры, о чём свидетельствуют настенные рисунки, найденные при археологических раскопках египетских пирамид: на них изображены простейшие коромысловые равноплечие весы с двумя чашками, подвешиваемые за центр коромысла. Найдены и гири, которыми пользовались древние египтяне.

Теорией весов, в частности теорией коромысловых весов, занимались и учёные Древней Греции. Архимед первым построил гидростатические весы (III век до н.э.). С их помощью можно было взвешивать различные металлы и в воздухе, и в жидкости, что позволило Архимеду создать шкалу металлов, которые имели одинаковый вес в воздухе, но различный вес в воде. В качестве эталонного металла естественно было выбрано золото.

На протяжении многих тысячелетий люди не различали понятия “масса” и “вес”. Впервые понятие “масса” ввёл в физику И. Ньютон (1643–1727 гг.), определяя его как количество материи*. Масса входила в открытые им закон всемирного тяготения и второй закон динамики. Соответственно были введены понятия “тяжёлая масса” и “инертная масса”. Принцип эквивалентности этих масс неоднократно проверялся и не опровергнут до наших дней на уровне точности около 1·10-12 [1]. В понимание массы как физической величины внесли вклад А. Лагранж, Л. Эйлер, А. Эйнштейн и др. Как оказалось, масса не всегда обладает свойством аддитивности**, а при скоростях, сравнимых со скоростью света, зависит от скорости. С другой стороны, масса имеет энергетический эквивалент, т.е. её можно рассматривать как вместилище энергии.

Таким образом, масса является фундаментальной физической величиной, присущей всем видам материи. Она связана с такими характеристиками материи, как пространство и время. Массой обладают и элементарные частицы – порядка 10-30 кг, и космические объекты, такие как наша Галактика, – порядка 1040 кг. Массу объектов микромира принято выражать в атомных единицах массы. Атомная единица массы (а.е.м.) определяется через массу изотопа углерода 12С. Массу же объектов макрокосмоса выражают через массу Солнца МС. Так, большинство галактик Вселенной имеет массу порядка (1·1010…3·1011) МС [2].

Конечно, в микромире и в космосе понятия веса, а значит, и взвешивания (определения массы тел с помощью весов. – Прим. ред.) теряют смысл. В этих областях приняты другие методы измерений. Область взвешиваний, где распространены прямые методы измерений, охватывает диапазон масс от долей микрограмма до нескольких тысяч тонн.

Уже в Древнем мире понимали значимость систем единиц веса.

В Средние века и позднее единицы веса часто использовались в качестве денежных единиц: примером может служить английская денежная система во главе с английским торговым фунтом***. Кроме него в Британии в ходу были монетный и аптекарский фунты.

К XVIII веку в Европе и в России использовалось много различных весовых единиц, одних только фунтов в Европе образовалось несколько десятков. (В России основу системы единиц веса составлял русский фунт.) Это создавало большие трудности в оценках результатов измерений и неизбежно затрудняло торговлю между разными народами.

В связи с этим появились предложения о создании единой международной системы единиц величин, которая была бы пригодна “на все времена, для всех народов”, – таким девизом руководствовались создатели метрической системы единиц.

В основу этой системы мер и весов был положен принцип естественности: меры и единицы веса должны быть взяты из природы и, таким образом, могли быть воспроизведены в любом месте и в любое время. В качестве единицы длины – метра – была предложена одна сорокамиллионная часть земного меридиана, а в качестве единицы массы – килограмма – масса одного кубического дециметра дистиллированной воды при температуре +4oС в условиях вакуума. Затем (в 1799 г.) были изготовлены платиновые прототипы метра и килограмма, названные впоследствии архивными.

Выбранное определение килограмма оказалось не вполне удачным, т.к. зависело от метра. В конце концов, в 1872 г. международная комиссия, созванная по инициативе Петербургской академии наук, приняла новое определение килограмма: килограмм стал просто равен массе архивного килограмма. Он утратил связь с метром, но потерял свою естественность, в результате отказа от прототипа (эталона), взятого из природы, и замены его “рукотворным” изделием. В этом же году было решено создать платино-иридиевые прототипы метра и килограмма, имеющие более высокие механические свойства.

В 1875 г. в Париже состоялось историческое событие – представители 17 государств, среди которых и Россия, подписали метрическую конвенцию, утвердившую платино-иридиевые прототипы в качестве международных эталонов. За единицу массы была принята масса Международного прототипа килограмма (МПК), хранящегося в Международном бюро мер и весов (МБМВ) в Севре – одном из предместий Парижа.

Килограмм обозначается как KI и представляет собой прямой цилиндр диаметром и высотой около 39 мм, выполненный из сплава платины и иридия с массовыми долями 90% и 10% соответственно. Этот сплав, созданный в результате долгих исследований, обладает большой химической инертностью, высокой твёрдостью и износоустойчивостью, имеет относительно малый коэффициент температурного расширения, большую плотность и обладает парамагнитными свойствами. В пределах погрешности измерений KI был точно подогнан по массе к массе архивного килограмма.

В 1889 г. фирмой “Маттей, Джонсон и К” изготовлены 42 копии килограмма KI из того же платино-иридиевого сплава. По решению первой Генеральной конференции Международного комитета мер и весов (ГК МКМВ) две копии KII и KIII переданы МБМВ в качестве копий МПК. Впоследствии к ним добавили ещё 4 копии. Остальные 40 копий распределили между государствами, подписавшими Метрическую конвенцию. В том числе России переданы две копии – № 12 (рис. 1) и № 26.

Национальный прототип килограмма – копия № 12 Международного прототипа килограмма

Копия № 12 выполняет роль национального прототипа килограмма, а копия № 26 – роль эталона-свидетеля, который в случае порчи или утраты копии № 12 может её заменить.

В 1892 г. все копии исследованы и сличены с Международным прототипом килограмма, в результате чего определены их поправки по отношению к массе МПК (его масса принята точно равной 1 кг) и значения их объёмов.

В 1893 г. в России произошло ещё одно важное событие – по инициативе Д.И. Менделеева в Санкт-Петербурге учреждена Главная палата мер и весов, впоследствии преобразованная во Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии. С 1893 г. национальный прототип килограмма – копия Международного прототипа килограмма № 12 – применяется во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева для воспроизведения, хранения и передачи размера единицы массы в России. Воспроизведение единицы массы, осуществляемое при периодических сличениях национального прототипа с МПК, позволяет обеспечить единство измерений массы в стране на требуемом уровне точности. За всё время проведено пять сличений копии № 12 с Международным прототипом килограмма [3]. Результаты этих сличений приведены на рис. 2: действительное значение массы, полученное по результатам сличений копии № 12 с МПК в 1993 г. в МБМВ, составляет 1 кг + 0,100 мг; погрешность результатов измерений не превышает 0,0023 мг, относительная погрешность 2 · 10 -9.

Результаты сличений копии № 12 с Международным прототипом килограмма

Сейчас Государственный первичный эталон единицы массы представляет собой комплекс следующих средств измерений [4]:

  • национальный прототип килограмма – копия № 12 МПК;
  • эталон-свидетель национального прототипа килограмма – копия № 26 МПК;
  • набор компараторов для передачи размера единицы массы в диапазоне от 1 мг до 20 кг.

Передача единицы от 1 кг в область меньших масс осуществляется методом деления до дольных значений, а в область больших масс – методом умножения до кратных значений килограмма с помощью совокупных измерений.

При этом система уравнений измерений в матричной форме имеет вид:

I = AX + V, (1)

где I – вектор измеренных параметров, т.е. соответствующих разностей масс гирь или их комбинаций; А – конструкционная матрица, определяющая порядок и последовательность проводимых сличений; X – вектор неизвестных параметров, т.е. поправок сличаемых гирь; V – вектор остаточных погрешностей.

Такие совокупные измерения выполняют, как правило, подекадно. В каждой декаде измерения выполняются на одном компараторе, поэтому измерения являются равноточными c дисперсией S2.

Измеренные параметры характеризуются матрицей с дисперсий D, которая имеет вид D = S2E, где E – единичная матрица.

В этом случае решение уравнения (1) имеет следующий вид:

X = (A*TA*)-1A*TI*, (2)

где A* = D-1/2Aи I* = D-1/2I; A*T– транспонированная матрица А*.

В результате решения простой системы уравнений находят неизвестные значения массы гирь калибруемых наборов. Аналогично находят массы гирь остальных декад наборов, обеспечивая передачу единицы в установленном диапазоне [5].

Компаратор можно определить как техническое средство, предназначенное для сравнения одной физической величины с другой однородной величиной. Представленный на рис. 3 главный автоматический компаратор на 1 кг позволяет производить сличения сразу четырёх килограммов в автоматическом режиме, т.е. без участия человека. Чувствительность его равна одной миллиардной в относительных единицах.

Главный автоматический компаратор на 1 кг. Изготовлен немецкой фирмой “Сарториус”; Система передачи размера единиц массы на основе нового определения килограмма

Систематическое изменение массы килограмма № 12 за сто с лишним лет составило около 30 мкг, т.е. 0,3 мкг за год по отношению к МПК. Остальные платино-иридиевые копии также изменились по сравнению с МПК на величину около 20…50 мкг. Поскольку килограмм является одним из семи основных единиц в международной системе единиц CI (французская транскрипция. – Авт.), то можно предположить, что большая часть производных от массы величин также должна измениться. Подобные накапливающиеся изменения килограмма могут со временем привести к так называемому техническому системному кризису. К счастью, есть две причины, по которым эти изменения не несут практически значимых последствий:

1) точность определяемых через килограмм производных величин значительно меньше его предполагаемых изменений;

2) определения единиц СI сильно отличаются от своей практической реализации. Например, метр определён как расстояние, которое проходит свет в вакууме за время, равное 1/299792458 с. Однако практическая реализация метра основана на применении гелий-неонового лазера, а единица длины “метр” характеризуется (не определяется) как 1579800,298728 длины волны света от этого лазера. Теперь предположим, что официальные измерения показали нестабильность около нескольких частей на миллиард.

Не будет никакого автоматического эффекта на единицу длины метр, потому что секунда и таким образом метр абстрагируются через практическую реализацию метра с помощью лазера. То же самое верно и для килограмма.

Поскольку изменения массы самого Международного прототипа проконтролировать невозможно, то в 70-е годы прошлого столетия начали проводиться исследования по переходу на естественный эталон единицы массы, основанный на его связи с атомными или фундаментальными физическими константами. Килограмм может быть определён через массу атомов, например через массу атомов кремния. Для этого необходимо знать постоянную Авогадро с очень высокой точностью порядка 2·10-8. Другой способ – это определение килограмма через постоянную Планка с помощью сравнения электрической и механической мощности на ватт-весах. В этом направлении достигнуты значительные успехи, и на 94-м заседании в 2005 г. МКМВ принял рекомендацию о необходимости подготовительных работ к переопределению килограмма и ещё трёх основных единиц – ампера, кельвина и моля – так, чтобы эти единицы были привязаны к точно известным фундаментальным константам [6]. Это позволило бы осуществлять практическую реализацию единицы в любом месте, в любое время и на требуемом практикой уровне точности. После успешного перехода в будущем на новое определение килограмма и соответствующий новый способ его воспроизведения методы и средства передачи единицы останутся прежними, т.к. точные гири являются простыми по конструкции, относительно недорогими и высокостабильными средствами измерений массы. Изменятся лишь определение, способ воспроизведения килограмма и условия передачи и хранения платино-иридиевых копий. В результате килограмм потеряет свою абсолютную точность – ему будет приписана некоторая неопределённость, но приобретёт естественность и воспроизводимость, а соответствующие физические константы будут закреплены с абсолютной точностью.

После перехода на новое определение килограмма международная система передачи единицы массы претерпит существенные изменения (рис. 4): она будет осуществляться через ватт-весы или кремниевые сферы к международному прототипу килограмма КI и от него к национальным прототипам. Поскольку передача единицы от ватт-весов или кремниевых сфер МПК должна осуществляться в условиях вакуума, то и передача единицы от МПК национальным платино-иридиевым прототипам тоже будет осуществляться в условиях вакуума. Отсюда возникает насущная необходимость странам, имеющим платино-иридиевые килограммы, переходить на вакуумное взвешивание. Это позволит, с одной стороны, остаться в мировой системе передачи единицы и, с другой стороны, на порядок повысить точность Государственного первичного эталона единицы массы благодаря устранению самого сильно влияющего на результаты взвешиваний фактора – атмосферного воздуха. На сегодняшний день вакуумными компараторами располагают более 16 стран, среди них есть наши ближайшие соседи – это Турция и Чехия. Конечно, аналогичные компараторы имеются и в ведущих странах, таких как США, Япония, Германия и др.


Литература

1. Брагинский В.Б., Панов В.И. Проверка принципа эквивалентности инертной и гравитационной масс // Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 1972. – № 34.
2. Завельский Ф.С. Масса и её измерения. – М.: Атомиздат, 1974.
3. Каменских Ю.И., Снегов В.С. Современное состояние государственного первичного эталона единицы массы // Измерительная техника. – 2009. – № 6.
4. ГОСТ 8.021–2005. ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений массы.
5. ГОСТ 7328–2001. Гири. Общие технические условия.
6. Mills I. M. е. а. // Metrologia. – 2006. – № 43. – С. 227.


* Вес тела в классической механике трактуется как сила, с которой тело вследствие его притяжения к Земле действует на горизонтальную опору или подвес. – Прим. ред.
** Аддитивность (от лат. additivus – прибавляемый) (матем.), свойство величин, состоящее в том, что значение величины, соответствующее целому объекту, равно сумме значений величин, соответствующих его частям при любом разбиении объекта на части.
*** 1 английский торговый фунт равен 453,59 г.

Полная версия статьи доступна подписчикам электронного журнала. Подписаться >>>

01.09.2010

448
Поделиться:

Полная версия статьи доступна подписчикам журнала "Мир измерений".

Подписаться

Материалы по данной теме можно СКАЧАТЬ в Электронной Библиотеке >>>


Cannot find 'template1' template with page ''

Доступна мобильная версия журнала "Мир измерений"

Журнал Мир измерений в App Store Журнал Мир измерений на Google play


Открытые статьи:

Измерения качества жилищно-коммунальных услуг
Температурный мониторинг удалённых объектов по GSM-каналу
Главные социальные проблемы России последнего десятилетия
Новый измерительный инструмент?
О потерях в Великой Отечественной войне
Неразрушающий контроль паяных соединений в радиоэлектронной аппаратуре
Военное применение лазерных технологий
Обеспечение качества продовольственных товаров
Государственный первичный эталон единицы массы ГЭТ 3-200842
Автономный прибор для экспресс-контроля пассажирских лифтов в жилых и административных зданиях
Рождение нефтяной отрасли в России
Красота спасет мир... науки




СТАНЬТЕ ПОДПИСЧИКОМ НАШЕГО ЖУРНАЛА!