ИЗМЕРЕНИЯ МАССЫ
621.753.38
Современноесостояниегосударственного первичногоэталона единицымассы
Ю.И.КАМЕНСКИХ,В.С.СНЕГОВ
Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д. И. Менделеева,
С.-Петербург, Россия, e-mail: V.S.Snegov@vniim.ru
Рассмотрены результаты работы по совершенствованию государственного первичного эталона единицы массы. Российский прототип килограмма по своей точности воспроизведения и стабильности соответствует лучшим мировым аналогам. В состав эталона введены современные электронные компараторы массы ведущих мировых фирм.
Ключевые слова: масса, килограмм, прототип, эталон, компаратор, ключевые сличения, физические константы.
The results of the Russian state primary standard of a mass unit improvement are considered. The Russian prototype of kilogram reproduction accuracy and stability corresponds to the best world analogues. The modern electronic comparators of mass from leading world firms are placed into standard structure.
Key words: mass, kg, a prototype, the standard, the comparator, key comparisons, physical constants.
В Международной системе единиц (СИ) за единицу массы 1 кг принята масса международного прототипа килограмма с очищенной определенным способом поверхностью и хранящегося глубоко под землей в специальном сейфе Международного Бюро Мер и Весов в Севре — предместье Парижа. Он представляет собой прямой цилиндр диаметром и высотой 39 мм, изготовленный из платино-ириди-евого сплава Р1 — 90 и 1г — 10 % в массовых долях. Почти такая же масса у кубического дециметра дистиллированной воды при температуре около 4 °С, при которой вода имеет максимальную плотность. Именно так, с помощью природных констант определяли килограмм создатели метрической системы. Однако это решение имело ряд неудобств и недостатков, главным из которых была зависимость от единицы длины — метра, который находили как одну десятимиллионную часть четверти Парижского меридиана. Поэтому было принято приведенное выше определение килограмма.
В 1872 г. специальной комиссией Международного комитета по мерам и весам (МКМВ) было принято решение о создании платино-иридиевых прототипов килограмма и их сличении с архивным платиновым килограммом (его масса приведена к массе кубического дециметра воды). Сплав, из которого были сделаны прототипы, обладает высокой твердостью и прочностью, имеет малый коэффициент температурного расширения, парамагнитные свойства и высокую плотность материала, т. е. минимальные объем и поверхность из всех возможных цилиндров массой 1 кг Английской фирмой «Джонсон и Мэтью» в 1889 г. были изготовлены 43 таких прототипа килограмма. Один из них получил статус международного, четыре выполняют роль его контрольных копий, а остальные были распределены между 17 государствами, подписавшими 20 мая 1875 г Метрическую конвенцию. Россия получила по жребию два прототипа килограмма № 12 и 26, выполняющих роль национальных. С 1889 г их
хранят и применяют во ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева» в Санкт-Петербурге.
Со времени утверждения государственного первичного эталона (ГПЭ) единицы массы в 1978 г. бурное развитие весоизмерительной техники, произошедшее на основе достижений современных технологий, электронной и вычислительной техники, привело к количественному и качественному изменениям всего парка рабочих средств измерений массы. Он насчитывает более 100 млн. единиц — это весы различных принципов действия, конструкций и назначения: для дискретного и непрерывного взвешивания, лабораторные и для статического взвешивания, конвейерные и дозаторы непрерывного действия, для взвешивания транспортных средств в движении, а также гири семи классов точности по [1]. Диапазон измерений также огромен и составляет 1 ■ 10-9 — 2 ■ 106 кг Погрешности измерений массы характеризуются значениями от миллионных долей до единиц процентов.
Подавляющее большинство рабочих средств измерений массы относятся к сфере технического регулирования и подлежат метрологическому контролю со стороны государства. Во главе всей системы обеспечения единства измерений массы в стране стоит ГПЭ единицы массы. Однако действующий до настоящего времени эталон по своим техническим возможностям уже не соответствует возросшим требованиям, в том числе по диапазону и точности передачи размера единицы и, как следствие, по степени эквивалентности эталонам других развитых стран. Компараторы массы, с помощью которых должна обеспечиваться передача размера единицы вторичным эталонам метрологических служб, за 30 лет практически полностью исчерпали свой технический ресурс и морально и физически устарели. Все это определило необходимость совершенствования этого эталона.
Исследование и совершенствование ГПЭ единицы массы были проведены во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева в период 2004—2008 гг. В ходе работ был разработан, утверж-
Т а б л и ц а 1
Метрологические характеристики эталонных компараторов массы
№ п/п Наименование компаратора Наибольший предел измерений, г Дискретность, мг СКО, мг Фирма-изготовитель
1 иМХ 5 5 0,0001 0,0002 МеШег То1е<о
2 СС 100081. 1000 0,001 0,002 8а|10Г|иЗ
(Автомат)
3 СС 2000 2000 0,1 0,2 »
4 1681МР8 5000 1 2 »
5 Е40К3 20000 1 2 »
ден Межгосударственным советом по стандартизации и введен в действие в РФ межгосударственный стандарт на поверочную схему для средств измерений массы [2]. Стандарт разрабатывали с учетом произошедших изменений структуры парка рабочих средств измерений и необходимости гармонизации требований к метрологическим и техническим характеристикам весоизмерительной техники с международными правилами и нормами. Также были повышены требования к ГПЭ по диапазону и погрешности передачи размера единицы массы вторичным эталонам.
Были разработаны и исследованы методики сличений эталонных гирь массой 1 кг и методики передачи размера единицы массы эталонным гирям дольных и кратных значений килограмма с применением современных электронных компараторов ведущих мировых фирм. Эти компараторы, характеристики которых приведены в табл. 1, вошли в состав нового ГПЭ единицы массы.
Средства воспроизведения единицы массы — прототипы килограмма № 12 и 26, выполняющие роль национального прототипа и его свидетеля, остались неизменными в составе ГПЭ, так как стабильность их массы характеризуется ее изменением по отношению к международному прототипу килограмма, равному около 30 мкг за более чем 100 лет применения. Такая стабильность массы соответствует лучшим мировым аналогам. Результаты сличений прототипов № 12 и международного приведены на рисунке. Национальный прототип килограмма № 12 воспроизводит единицу массы путем сличений его с международным со стандартной неопределенностью 2,3 ■ 10-9 кг
Методики сличений эталонных гирь массой 1 кг и методики передачи размера единицы массы эталонным гирям дольных и кратных значений килограмма, а также анализ составляющих суммарной стандартной неопределенности результатов измерений выполнены на основе международной рекомендации [3].
т, мкг 100 806040200-
1993
1948 #___
1889 1979
1936
"Г
1880 1900 1920 1940 1960
1980 2000 Годы
Результаты сличений национального прототипа килограмма № 12 с международным
Сличения отдельной гири массой тВ1 из состава вторичного эталона с национальным прототипом килограмма массой тА проводят методом замещения по схеме цикла «АВВА» в соответствии с уравнением
т
В,
■ тА + Р.
а,А^ВА + (1 - Ра / Рс) Ч
где ра/, рс — плотности окружающего воздуха в /-м цикле взвешивания и гири для юстировки чувствительности компаратора, соответственно; АУВА — разность объемов сличаемой (В) и исходной (А) эталонных гирь; А/ — разность массы гирь, измеренная на компараторе в -м цикле взвешивания.
Эту разность массы гирь рассчитывают по формуле
А/ = [(1в1, + 1в2,) — 1А1/ + 1А2/)] / 2
где /В1/, /В2/, /А1/, /А2/ — показания компаратора в соответствии со схемой взвешивания «АВВА».
Плотность воздуха измеряют в каждом цикле косвенным методом в соответствии с уравнением, рекомендованным МКМВ [4]. Объем эталонных гирь определяют методом гидростатического взвешивания [5].
За результат сличений принимают среднее арифметическое значение по всем циклам взвешиваний. Обычно для эталонных гирь проводят не менее 10 циклов.
Тогда суммарную неопределенность рассчитывают по формуле
ис(тВ) = (а//)+и2 (тА) + и2ь + иЬ
где иш (а/,) — стандартная неопределенность результата
сличений по типу А; и(тА) — стандартная неопределенность национального прототипа; иь — неопределенность, обусловленная влиянием аэростатической силы в воздухе плотностью ра на сличаемые гири; иЬа— неопределенность, обусловленная компаратором с дискретностью б.
Из табл. 2 следует, что основным влияющим фактором при сличениях является аэростатическая сила, действующая на эталонные гири. Она тем больше, чем больше разность
'ьа
Т а б л и ц а 2
Составляющие неопределенности
Обозначение Составляющая неопределенности Закон распределения Числовое значение, мг
иШ (А/ВА ) £(А/ва/ -ат; )2 1 п (п -1) Нормальный 0,001
и (тА) ^и / к )2 + и 2 (тА) Равномерный 0,003
иь Д/а 2(ра) + р2 и v) » 0,015
иЬа бл/2/2-Уэ » 0,0005
ис (тВ) (А/ВА)+и2(тА) + и1+и1а — 0,015
объемов сличаемых гирь, и тем меньше, чем меньше неопределенность результата измерений плотности воздуха. Для гирь, изготовленных, например, из платино-иридиево-го сплава и немагнитной нержавеющей стали с разностью объемов около 80 см3, поправка на ее влияние составляет около 96 мг, что почти в 100 тыс. раз превышает дискретность показаний компаратора.
Положительные результаты исследований подтверждены международными ключевыми сличениями. Отклонение от опорного значения, приведенного к 1 кг, снижено с 48 до 8 мкг, что подтвердило достаточную степень эквивалентности ГПЭ единицы массы России эталонам других развитых стран.
Более чем за 100-летний период применения международного прототипа килограмма стали очевидными его недостатки и недостатки связанного с ним определения килограмма:
масса прототипа со временем меняется, причем насколько — нам неизвестно;
он доступен только в одном единственном месте и не в любой момент времени, т. е. не удо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.