Wo ist der Längenstandard gespeichert oder wie werden Längen gemessen?

Die Idee, dieses Problem zu verstehen und schließlich diesen Text zu schreiben, wurde hier auf der Website geboren - unter einer der Veröffentlichungen sah ich eine Aussage, dass die in Geschäften verkauften Linien nach Sekundärstandards, nach Primärstandards und nach internationalen Standards kalibriert sind. Dies ist nur zu einem kleinen Teil der Fall. Wenn Sie also interessiert sind, lassen Sie es uns herausfinden.

Haftungsausschluss: Ich bin kein Metrologe, daher ist der Text kein sehr langweiliger (ich hoffe) Versuch einer populärwissenschaftlichen Geschichte. Daher kann es einige Ungenauigkeiten geben, die sowohl in PM als auch in Kommentaren gemeldet werden können - wie Sie es wünschen.

Viele erinnern sich wahrscheinlich aus der Schule daran, dass der Standard des Messgeräts in der Pariser Kammer für Gewichte und Maße in einem Glas unter Vakuum an derselben Stelle wie der Standard der Pferdestärke aufbewahrt wird - ein Pferd mit einem Gewicht von einem Kilogramm . Wir wenden uns der Enzyklopädie zu und lesen die Details.

Einer der ersten Versuche, ein universelles zu schaffen, d.h. reproduziert, ein Längenmaß, wurde 1668 die Länge des (mathematischen) Pendels, dessen Schwingungshalbzyklus gleich einer Sekunde ist. Die Idee ist gut, aber während einer Reise nach Südamerika musste der Astronom Jean Richet die Länge des Standards verkürzen, weil Die Periode seiner Schwankungen hat zugenommen. Dies war auf die Ebenheit des Geoids und dementsprechend auf eine Abnahme der Schwerkraft am Äquator zurückzuführen. 1790 wurde eine Klarstellung vorgeschlagen, dass der Längenstandard bei einem Breitengrad von 45 ° N (ungefähr zwischen Bordeaux und Grenoble) gemessen werden sollte. Diese Länge beträgt 0,994 moderne Meter. Der Vorschlag wurde trotz der Eleganz jedoch nicht angenommen.1791 wurde der Zähler von der Französischen Akademie als ein vierzigmillionster Teil des Pariser Meridians definiert (dh ein Zehnmillionstel der Entfernung vom Nordpol zum Äquator entlang der Oberfläche des Erdellipsoids auf der Länge von Paris). Die Einfachheit der Kalibrierung lässt einige Zweifel aufkommen, aber die Seemeile hat einen ähnlichen Bezug (die Bewegung einer Seemeile entlang des Meridians entspricht einer Änderung der geografischen Koordinaten für eine Minute Breitengrad). Sie könnten denken, dass der Einfluss der Geländeunebenheit einen katastrophalen Einfluss auf die Genauigkeit des Standards hat, aber das ist nicht der Fall - eine Änderung der Höhe um 1000 Meter führt zu einer Verlängerung des Meridians von nur 6283 Metern, was einen relativen Fehler von eineinhalb Zehntausendstel ergibt (das bekannte Problem der Verlängerung des Äquators um einen Meter und eine Fliege) ) In der Realität wurden Messungen viel genauer durchgeführt, hauptsächlich auf Meereshöhe.Interessenten findenEs gibt viele interessante Dinge. Ich werde mich auf ein beeindruckendes Bild beschränken:

Seitdem haben Länder, die das metrische System eingeführt haben, damit begonnen, Referenzkanäle aus verschiedenen Legierungen herzustellen, die Vorschriften zu ändern, beispielsweise Messungen bei einer bestimmten Temperatur durchzuführen, um den Effekt der Wärmeausdehnung (Schmelzpunkt von Eis) zu beseitigen, und auch die Definition eines Kilogramms als Wassermasse nach Volumen eingeführt in einem Kubikdezimeter. Allmählich erhöhte sich die Genauigkeit der Reproduktion des Standards und erreichte insgesamt 0,1 Mikrometer anstelle der ursprünglichen 50 Mikrometer. Die Standards wurden unter sterilen Bedingungen in messtechnischen Labors auf der ganzen Welt gelagert, bis 1960 beschlossen wurde, die Verwendung eines nicht so reproduzierbaren Subjekts, das dem Altern unterliegt, zugunsten eines physikalischen Phänomens aufzugeben, das im Labor mit der erforderlichen Genauigkeit und nach vielen Jahren genau reproduziert werden kann . Seitdem wurde der Zähler als 1.650.763 definiert.73 Wellenlängen der orangefarbenen Linie (6 056 Å) des vom 86Kr-Kryptonisotop im Vakuum emittierten Spektrums (Übergang zwischen 2p-Pegeln)¹⁰ und 5d ⁵ ). Die Genauigkeit des Standards betrug 4 Nanometer. Referenzbalken werden weiterhin unter den gleichen Bedingungen aufbewahrt, jedoch nicht als Standard, sondern als geehrte Rentner, die möglicherweise noch Leistungen erbringen können. 1983 gingen sie noch weiter und definierten den Zähler als die Entfernung, die Licht im Vakuum in 1/299792458 im Bruchteil einer Sekunde zurücklegte. Übrigens ist die Sekunde längst kein Bruchteil des tropischen Jahres mehr, jetzt entspricht diese Zeit 9192631770 Strahlungsperioden, die dem Übergang zwischen zwei ultradünnen Niveaus des Grundzustands des Cäsium-133-Atoms entsprechen, das sich bei einer Temperatur von 0 K in Ruhe befindet. Wenn alle Bedingungen erfüllt sind und Korrekturen eingeführt werden, ist die Reproduzierbarkeit der Moderne Das Standardmessgerät ist 0,1 nm (relativer Fehler ^10-10 ). Der letzte Wert ist die charakteristische Größe des Atoms.

Jetzt haben wir den internationalen Primärstandard des Messgeräts und können endlich das staatliche System GOST R 8.763-2011 untersuchen, um die Einheitlichkeit der Messungen sicherzustellen. Zustandskalibrierungstabelle für Längenmessgeräte im Bereich von 1 · 10 ^-9bis zu 50 m und Wellenlängen im Bereich von 0,2 bis 50 Mikrometer (Datum der Einführung 01.01.2013). GOST konnte erst ab der zweiten Lesung verstanden werden, weil strukturell ist es meiner Meinung nach perfekt falsch geschrieben, wenn auch professionell. Als Ergebnis der Studie werden wir versuchen zu verstehen, wie die Lineale kalibriert und verifiziert werden. Nach diesem GOST ist unser staatlicher Primärstandard ein Aufbau, der auf einem stabilisierten He-Ne / I-Laser (einem durch die gesättigte Absorptionslinie in molekularem Jod - 127 stabilisierten Laser) und Vergleichskomparatoren und Interferometern basiert. Die Depotbank ist FSUE VNIIM, benannt nach D.I. Mendeleev "(zusammen mit FSUE" VNIIFTRI "speichern sie fast alle primären Mengenstandards).

Jetzt werden wir uns mit der Hierarchie der Standards befassen. Sekundärstandards befinden sich in vertikaler Richtung niedriger, gefolgt von Arbeitsstandards in Reihe von der ersten bis zur vierten Kategorie, niedriger sind Arbeitsmessgeräte mit Genauigkeitsklassen von 0 bis 5 (genaue Messinstrumente, die einer hierarchischen Kalibrierung unterzogen werden, die bis zum internationalen Standard rückverfolgbar ist). Letztere werden direkt für Messungen verwendet und sollten (zumindest sollten) für die Herstellung von Geräten verwendet werden, die Risiken (Striche) für Massenprodukte darstellen - dieselben Linien, Maßbänder und andere Haushaltsmessgeräte. Insgesamt habe ich vertikal 13 Schritte gezählt, die vor der Herstellung des Endprodukts liegen. In der Tat werden sie etwas weniger sein, weil Arbeitsmessgeräte werden je nach Genauigkeitsklasse in unterschiedlichen Höhen von der Hierarchie getrennt.

Das Standardsystem ist auch horizontal in vier unabhängige Zweige unterteilt, je nach Art der durchgeführten Messungen. Diese Zweige werden als Teile (erster bis vierter Teil) bezeichnet und sind für Folgendes bestimmt:

Teil 1. Strahlungsquellen und Mittel zur Messung von Wellenlängen;
Teil 2. Strichmaße und Wegmesser;
Teil 3. Länge misst die Endebene parallel;
Teil 4. Wegmesser, Entlastungsmaßnahmen und Mikroskope im Nanobereich;

Schauen wir uns also Teil 2 an, der für uns von Interesse ist. Der Primärstandard wird mit einem Komparator mit Sekundärinterferenzeinstellungen verglichen, um Leitungslängenmaße im Bereich von 0,001 bis 1000 mm zu überprüfen. Arbeitsstandards der 1. Kategorie werden mit ihnen verglichen - gestrichelte Längenmaße, holographische Beugungslängenmaße; weiter abwechselnd mit Komparatoren vergleichen. Arbeitsstandards der 2. Kategorie - Linienlängenmaße, holographische Messsysteme für lineare Bewegungen. Arbeitsstandards der 3. Kategorie - Linienlängenmaße, Rastermesswandler. Arbeitsstandards der 4. Klasse - Linienmaße der Länge.

Die Arbeitsmessgeräte der Genauigkeitsklassen Null und Erste werden mit dem Arbeitsstandard der ersten Kategorie, der zweiten und dritten - mit dem Arbeitsstandard der zweiten Kategorie, der vierten und fünften Klasse - mit dem Arbeitsstandard der dritten Kategorie verglichen. Arbeitsstandards der 4. Kategorie werden für Messungen im direkten Vergleich verwendet. Das Arbeitsmittel zur Messung der fünften Genauigkeitsklasse sollte theoretisch bei der Herstellung von Matrizen zur Herstellung von Linealen und Maßbändern oder zumindest zur Überprüfung von Maschinen verwendet werden, die in der Produktion verwendet werden.

Illustration von GOST (fein, aber anklickbar):

Ich werde nicht über das Funktionsprinzip von optischen Interferenzkomparatoren schreiben, da dies viel beschrieben wird, wo es außerdem für ein breites Publikum langweilig sein wird. Interessenten können hier lesen .

Am Ende des Artikels werde ich ein paar meiner Bilder ausrutschen. Zu einer Zeit war es notwendig, die Stabilität mehrerer Generatoren zu überprüfen, für die eine einfache Komparatorschaltung zusammengebaut wurde - die Signale von zwei Generatoren eines sehr bekannten Unternehmens werden zwei Ventilen (analog einer Diode) zugeführt, hinter denen sich zwei Dämpfungsglieder befinden, dann eine T-förmige Brücke, in die gemischt wird Signale, am Ausgang der Brücke befindet sich ein Detektor. Die Generatoren sind auf eng beieinander liegende Frequenzen eingestellt. Mit Hilfe von Dämpfungsgliedern erreichen wir die Gleichheit der Schwingungsamplituden der beiden Signale. Danach erhalten wir ein Differenzsignal vom Detektor, dessen Frequenz ein Indikator für die Stabilität der beiden Generatoren ist. Zwei sehr gute Generatoren in einem dreitägigen Test:

Es ist ersichtlich, dass die Generatoren mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von 3 · 10 & ^supmin ; & ^sup9 ; verglichen werden . Der Test wurde in den Ferien durchgeführt, um Hitzewallungen zu minimieren. Es können jedoch mehrere scharfe Bursts festgestellt werden, gefolgt von einer exponentiellen Relaxation. Die Wache war ziemlich überrascht, als ich ihr mitteilte, wann und wie oft sie in ein verschlossenes Labor ging, um Wasser in einen Wasserkocher zu gießen. Ay-ah-ah! Im Bild unten ist die rote Linie eine Wiederholung des vorherigen Diagramms, und die blaue Linie wird erhalten, indem der Generator aus dem ersten Paar mit einem weniger präzisen, aber warmen Haushaltsröhrengenerator gemischt wird :

Die Langzeitstabilität des Inlands ist ungefähr gleich, aber die Kurzzeitstabilität ist viel schlechter. Der Preis unterscheidet sich jedoch auch nicht schwach.

Das ist wahrscheinlich alles, danke für Ihre Aufmerksamkeit und ein gutes Wochenende! Ich hoffe, dass es informativ und nicht sehr langweilig war.

GOST R 8.763-2011

Source: https://habr.com/ru/post/de398553/