Эталоны единицы длины

Но уже в 1837 г. французские ученые установили, что в четверти меридиана содержится не 10 млн., а 10 млн. 856 м. Кроме того, примерно в тот же период времени стало очевидным, что форма и размеры Земли со временем, пусть незначительно, изменяются. Поэтому в 1872 г. по инициативе Петербургской академии наук была создана международная комиссия, решившая не создавать уточненных эталонов метра, а принять в качестве исходной единицы длины метр Архива Франции. Кстати, измерения 1964-1967 гг. показали, что в четверти меридиана содержится 10 001 954, 4 м, т.е. метр Архива короче меридионального метра.

В 1889 г. был изготовлен 31 эталон метра платиноиридиевого стержня X-образного поперечного сечения.

Эталон №6 оказался при 0 ° С точно равным длине метра Архива и был принят в 1889 г. I Генеральной конференцией по мерам и весам в качестве международного прототипа метра. Остальные 30 эталонов были переданы различным странам. Экземпляры №11, №28 в 1889 г. были переданы России, при этом экземпляр №28 был утвержден в качестве государственного эталона (вначале факультативно).

Как следует из рассмотрения рис., эталон в виде линейки Х-образного сечения вписывается в квадрат 20 на 20 мм.

Длина линейки составляет 102 см. на каждый из ее концов нанесены три штриха на расстоянии 0,5 мм друг от друга. Таким образом, расстояние между средними штрихами равно 1 м.

В 1960 г. ХI Генеральной конференцией по мерам и весам было принято новое, уже упоминающиеся определение метра: метр – длина, равная 1650763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего перехода между уровнями 2P₁₀ и 5d₅ атома криптона-86.

Метр в длинах световых волн воспроизводится интерференционным методом с помощью излучения в газоразрядной трубке газа – изотопа криптона-86 (оранжевая линия). Принцип действия этого эталона заключается в следующем. В нормальном состоянии атомы не излучают свет и обладают некоторой минимальной энергией. Возбужденные атомы газов излучают линейный спектр, причем каждая линия этого спектра представляет монохроматическое излучение с определенной чистотой ν

Спектральные линии излучения атомов обычно имеют сложное строение, так называемую сверхтонкую струну. Существование сверхтонкой струны спектральной линии обусловлено наличием в естественных элементах изотопов. При этом элементы с четной атомной массой и четным номером в периодической системе элементов излучают более «тонкие» линии, что позволяет точнее определить максимум линии, а значит точнее определить длину волны излучения

где, c – скорость света; Т – период колебаний

Поскольку длина волны спектральных линий излучения атомов постоянна, то она используется для измерения единицы длины – метра.

Спектральные линии излучения атомов криптона-86 выделяются с помощью монохроматоров (по существу – светофильтров), а длина волны измеряется с помощью интерферометров.

Криптоновый эталон метра состоит из газоразрядной лампы, наполненной криптоном-86, помещенной с сосуд Дьюара с жидким азотом. При подаче электрического напряжения +1500В в лампе образуется свечение возбужденных атомов криптона-86. Капилляр, в котором происходит свечение (с внутренним диаметром около 3 мм), имеет оптический выход на автоматический интерференционный фотоэлектрический компаратор. С помощью интерференционного компаратора определяется расстояние между штрихами, что позволяет найти число длин волн, укладывающихся между средними штрихами линийки. Фактически определяется на все количество длин волн, «помещающихся» в метре, а оценивается разница между измеряемой длиной (например платиноиридиевого прототипа метра) и эталонной длиной, воспроизводимой газоразрядной лампой. Измерение длины волны и энергетических характеристик свечения проводится с помощью спектроинтерферометров.

Источник

Что является международным эталоном длины

Метр (русское обозначение: м; международное: m; от др.-греч. μέτρον — мера, измеритель) — единица измерения длины и расстояния в Международной системе единиц СИ. Метр равен расстоянию, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный секунды.

Содержание

История

Метр был впервые введён во Франции в XVIII веке и имел первоначально два конкурирующих определения:

Первоначально за основу было принято первое определение (8 мая 1790, Французское Национальное собрание). Однако, поскольку ускорение свободного падения зависит от широты и, следовательно, маятниковый эталон недостаточно воспроизводим, Французская Академия наук в 1791 предложила Национальному собранию определить метр через длину меридиана. 30 марта 1791 это предложение было принято. 7 апреля 1795 Национальный Конвент принял закон о введении метрической системы во Франции и поручил комиссарам, в число которых входили Ш. О. Кулон, Ж. Л. Лагранж, П.-С. Лаплас и другие учёные, выполнить работы по экспериментальному определению единиц длины и массы. В 1792—1797 гг. по решению революционного Конвента французские ученые Деламбр (1749—1822 гг.) и Мешен (1744—1804 гг.) за 6 лет измерили дугу парижского меридиана длиной в 9°40′) от Дюнкерка до Барселоны, проложив цепь из 115 треугольников через всю Францию и часть Испании. Впоследствии, однако, выяснилось, что из-за неправильного учёта полюсного сжатия Земли эталон оказался короче на 0,2 мм; таким образом, длина меридиана лишь приблизительно равна 40 000 км.

Первый прототип эталона метра был изготовлен из латуни в 1795 году.

Следует отметить, что единица массы (килограмм, определение которого было основано на массе 1 дм³ воды), тоже была привязана к определению метра.

Во время правления Наполеона метрическая система распространилась по всей Европе. Только в Великобритании, которая не была завоёвана Наполеоном, остались традиционные меры длины: дюйм, фут и ярд.

В 1889 был изготовлен более точный международный эталон метра. Этот эталон изготовлен из сплава 90 % платины и 10 % иридия [3] и имеет поперечное сечение в виде буквы «X». Его копии были переданы на хранение в страны, в которых метр был признан в качестве стандартной единицы длины. Этот эталон всё ещё хранится в Международном бюро мер и весов, хотя больше по своему первоначальному назначению не используется.

С 1960 было решено отказаться от использования изготовленного людьми предмета в качестве эталона метра, и с этого времени по 1983 метр определялся как число 1 650 763,73, умноженное на длину волны оранжевой линии (6 056 Å) спектра, излучаемого изотопом криптона вакууме.

Современное определение метра

Из этого определения следует, что в системе СИ скорость света в вакууме принята равной в точности 299 792 458 м/с. Таким образом, определение метра, как и два столетия назад, вновь привязано к секунде, но на этот раз с помощью универсальной мировой константы.

Кратные и дольные единицы

Десятичные кратные и дольные единицы образуются с помощью стандартных приставок СИ. Существуют также внесистемные единицы измерения: микрон, равный 1 мкм, и ангстрем (Å), равный 0,1 нм, но их применение не рекомендуется.

Соотношение с другими единицами измерения

Погонный метр

Погонный метр — единица измерения количества длинномерных объектов (обычно изделий, материалов и т. п.), соответствующая куску или участку длиной 1 метр. Погонный метр ничем не отличается от обычного метра, это единица, которой измеряют длину материала независимо от ширины. Погонным метром могут, например, измерять кабельные каналы, трубы, плинтуса, оконные уплотнители, ткани. Хотя для тканей правильнее было бы измерять их площадь, но если ширина ткани подразумевается известной и постоянной — используется понятие «погонный метр» (как правило, ширина ткани составляет 1,4 м, и, таким образом, погонный метр ткани является куском 1 м на 1,4 м). Говоря строго, в быту чаще используется понятие именно погонного метра, информация о ширине или высоте предметов подразумевается известной или неважной. Наименование погонного метра выделяется в специальной литературе либо для создания различной экспрессивной окраски речи.

Интересные факты

В компьютерном жаргоне «метр» может означать мегабайт. При этом про компьютерный «метр» говорят, что он «весит». Например: Этот файл весит 20 метров. [6]

Источник

Метр. История создания основной единицы длины

Описана история возникновения метра как основной международной единицы длины.

За единицу измерения «метр» было принято расстояние (при определенных условиях) между двумя специальными штрихами, которые были нанесены на платино-иридиевый стержень. Он был первым признан в 1889 году общенародным эталоном метра и помещен на хранение в Севре (Франция).

История возникновения метра

Метр возник из потребности иметь эталонную единицу длины, независящую от произвола, а также была бы строго постоянной и в случае утери легко могла бы быть восстановлена. Для установления такой единицы длины в 1791 году французское Национальное собрание назначило комиссию в составе Лагранжа, Борда, Лапласа и других ученых. В результате она выбрала единицу длины, которая была равна одной сорокамиллионной длины меридиана, проходящего через Парижскую астрономическую обсерваторию, и назвала ее метром.

При этом предполагалось, что Земля является вполне совершенным шаром. С целью определения длины меридиана, двум французским астрономам Мешену и Деламбру было предложено измерить длину дуги между Барселоной и Дюнкерком, которая заключала в себе приблизительно 9,5°. После того, как такое измерение было сделано, французский мастер Ленуар изготовил несколько образцов метра: двенадцать из железа и два из платины. Один из платиновых метров был сдан комиссией в июне 1799 года в Архив Французской Республики на хранение.

Однако последующие определения длины меридиана (Бессель, 1841 год, и другие) показали, что он имеет несколько другую длину, потому что Земля не имеет формы совершенного шара. Несмотря на это, было решено не изменять выбранного эталона метра. Однако, так как первоначальная форма эталона метра не была достаточно жесткой, Международная метрическая комиссия постановила в 1872 году изготовить новые платино-иридиевые прототипы метра, причем поперечное сечение их было выбрано специальной формы, при которой длина нейтральной плоскости оставалась неизменной даже при прогибании образца.

Длина метра зафиксирована с помощью двух очень тонких штрихов, которые нанесены на средней, нейтральной полосе прототипа. Всего была изготовлены 31 копии прототипа метра. Один из которых, № б, был принят как международный прототип. Из оставшихся 28 были по жребию переданы государствам, заказавшими эти эталоны, а два были приняты как контрольные.

Метр в России

России по жребию достались прототипы № 11 и № 28. Первый из них хранился в Академии наук, а второй — во ВНИИМ в Ленинграде. Длина прототипа № 11 на 0,0005 мм короче, а № 28 — на 0,0005 мм длиннее международного метра, и, следовательно, среднее из них в точности равно международному нормальному метру. Постановлением правительства СССР экземпляр № 28 принят в качестве эталона для нашей страны.

Международное бюро, кроме штриховых метров, распределило по жребию 6 концевых метров. России достался концевой метр № 2. Наблюдения Бенуа показали, что металлические стержни испытывают длительные изменения своей длины, если даже они были подвергнуты кратковременным температурным колебаниям. Хотя у платино-иридиевых стержней такие влияния не были обнаружены, все же нельзя поручиться, что первоначальная длина эталона не меняется со временем.

Поэтому в 1894 году Майкельсон в сотрудничестве с Бенуа сравнили международный эталон с длиной волны красного кадмиевого света. Майкельсон и Бенуа нашли, что длина международного метра равна 1 553 163,5 длин волн красного кадмиевого света при 15°С и давлении 760 мм ртутного столба (влажность воздуха ими не определялась).

Позднее (1904 год) такое же сравнение произвели Фабри, Перо и Бенуа. Они нашли, что в абсолютно сухом воздухе при тех же условиях длина международного метра равна 1 553 164,13 длин волн красного кадмиевого света.

Источник

Где хранится эталон длины или как мериться длинами

Идея разобраться в этом вопросе и в итоге написать данный текст родилась здесь же на сайте — под одной из публикаций увидел утверждение, что продаваемые в магазинах линейки калибруют по вторичным эталонам, те — по первичным, а первичные — по международным. Это лишь в малой части соответствует действительности, так что, если заинтересовались, давайте разбираться.

Disclaimer: я не метролог, так что текст является не очень нудной (я надеюсь) попыткой научно-популярного рассказа, так что в нём возможны некоторые неточности, о которых можно сообщать как в личку, так и в комментариях — как вам угодно.

Многие, наверное, помнят со школьной скамьи, что эталон метра хранится в Парижской палате мер и весов в стеклянной банке под вакуумом там же, где и эталон лошадиной силы — лошадь весом один килограмм. Обратимся к энциклопедии и почитаем подробности.

Одной из первых попыток создать универсальную, т.е. воспроизводящуюся, меру длины, стала в 1668 году длина (математического) маятника, полупериод колебаний которого равен одной секунде. Идея хорошая, но во время путешествия в Южную Америку астроному Жану Рише пришлось укорачивать длину эталона, т.к. период его колебаний увеличился. Связано это было со сплющеностью геоида и, соответственно, уменьшением силы тяжести на экваторе. 1790 году было предложено уточнение, что эталон длины должен быть измерен на широте 45°N (примерно между Бордо и Греноблем), эта длина составляет 0.994 современного метра. Предложение, несмотря на изящность, тем не менее, не было принято. В 1791 году метр был определён Французской Академией как одна сорокамиллионная часть Парижского меридиана (то есть одна десятимиллионная часть расстояния от северного полюса до экватора по поверхности земного эллипсоида на долготе Парижа). Простота калибровки вызывает некоторые сомнения, но аналогичная привязка есть и у морской мили (перемещение на одну морскую милю вдоль меридиана соответствует изменению географических координат на одну минуту широты). Можно подумать, что влияние неровности рельефа будет катастрофически влиять на точность эталона, но это не так — изменение высоты на 1000 метров приведёт к удлинению меридиана всего на 6283 метра, что даёт относительную ошибку в полторы десятитысячных (известная задачка про удлинение экватора на метр и муху). В реальности измерения проводились гораздо точнее, преимущественно на высоте уровня моря. Заинтересовавшиеся найдут тут много интересного. Я ограничусь впечатляющей картинкой:

Теперь разберёмся с иерархией эталонов. Ниже по вертикали находятся вторичные эталоны, за ними следуют рабочие эталоны последовательно с первого по четвёртый разряд, ниже — рабочие средства измерений с классами точности от 0 до 5 (точные измерительные приборы, которые проходят иерархическую калибровку, прослеживаемую вплоть до международного эталона). Последние используются непосредственно для измерений и (по крайней мере должны) для изготовления приспособлений, наносящих риски (чёрточки) на массово изготавливаемую продукцию — те самые линейки, рулетки и прочие бытовые средства измерения. Итого я насчитал по вертикали 13 ступеней, которые проходятся перед изготовлением конечной продукции. На самом деле их будет чуть меньше, т.к. рабочие средства измерений отщепляются от иерархии на разной высоте в зависимости от класса точности.

У системы эталонов есть также и горизонтальное разделение на четыре независимых ответвления по типу проводимых измерений. Эти ветвления называются частями (с первой по четвёртую) и предназначены для следующего:

Часть 1. Источники излучений и средства измерений длин волн;
Часть 2. Меры длины штриховые и измерители перемещений;
Часть 3. Меры длины концевые плоскопараллельные;
Часть 4. Измерители перемещений, меры рельефные и микроскопы в области нанодиапазона;

Итак, пройдёмся по интересующей нас части 2. Первичный эталон сличают с помощью компаратора со вторичными — интерференционными установками для поверки штриховых мер длины в диапазоне от 0,001 до 1000 мм. С ними сличают рабочие эталоны 1-го разряда — штриховые меры длины, дифракционные голографические меры длины; далее поочерёдно с помощью компараторов сличают. Рабочие эталоны 2-го разряда — штриховые меры длины, голографические измерительные системы линейных перемещений. Рабочие эталоны 3-го разряда — штриховые меры длины, растровые измерительные преобразователи. Рабочие эталоны 4-го разряда — штриховые меры длины.

Рабочие средства измерений нулевого и первого класса точности сличают с рабочим эталоном первого разряда, второго и третьего — с рабочим эталоном второго разряда, четвёртого и пятого класса — с рабочим эталоном третьего разряда. Рабочие эталоны 4-го разряда используются для измерений с помощью непосредственного сличения. Рабочие средства измерения пятого класса точности, по идее, должны использоваться при производстве штампов для изготовления линеек и рулеток или, по крайней мере, для поверки станков, использующихся на производстве.

Иллюстрация из ГОСТа (мелко, но кликабельно):

Про принцип работы оптических интерференционных компараторов писать не буду, так как это описано много где, кроме того, для широкой аудитории будет, пожалуй, скучновато. Желающие могут ознакомиться тут.

В завершение статьи подсуну пару своих картинок. В своё время было необходимо проверить стабильность нескольких генераторов, для чего была собрана простейшая схема компаратора — сигналы от двух генераторов очень известной фирмы подаются на два вентиля (аналог диода), за ними стоят два аттенюатора, далее Т-образный мост, в котором происходит смешение сигналов, на выходе моста — детектор. Генераторы выставляются на близко расположенные частоты, с помощью аттенюаторов добиваемся равенства амплитуд колебаний двух сигналов, после чего получаем с детектора разностный сигнал, частота которого и будет индикатором стабильности двух генераторов. Два очень хороших генератора в тесте длительностью в трое суток:

Долговременная стабильность у отечественного примерно такая же, а вот кратковременная — гораздо хуже. Цена, правда, у них тоже отличается не слабо.

На этом, пожалуй всё, спасибо за внимание и хороших выходных! Надеюсь, что было познавательно и не очень нудно.

Источник

Введение в метрологию. Единство измерений. Контроль качества измерений. Аналитические технологии.в КЛД

Метрология

1. Основные понятия

Измерением называется процесс нахождения значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Измерение всегда это сравнение неизвестного с известной однородной величиной.

Средство измерений – это техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным в течение известного интервала времени. Так, результаты наблюдений и экспериментов (данные) имеют вид различных данных (знаков): длины, площади, объема, дозы, массы и т.д., которые мы называем показателями измерений.

Термин «метрология» образован из двух греческих слов: «метрон» – мера и «логос» – учение.

Метрология— наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов с заданной точностью и достоверностью; нормативная база для этого — метрологические стандарты

Погрешность измерения — отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.

Погрешность средства измерения — разность между показанием средства измерений и действительным значением измеряемой физической величины.

Точность средства измерений — характеристика качества средства измерений, отражающая близость его погрешности к нулю.

Источник