¿Dónde se almacena la longitud estándar o cómo medir longitudes?

La idea de entender este problema y eventualmente escribir este texto nació aquí en el sitio: en una de las publicaciones vi una declaración de que las líneas que se venden en las tiendas están calibradas de acuerdo con estándares secundarios, aquellas de acuerdo con estándares primarios y las primarias de acuerdo con estándares internacionales. Esto solo es cierto en una pequeña parte, así que si estás interesado, vamos a resolverlo.

Descargo de responsabilidad: no soy un metrólogo, por lo que el texto no es un intento muy aburrido (espero) de una historia científica popular, por lo que puede haber algunas imprecisiones que se pueden informar tanto en PM como en comentarios, como lo desee.

Muchos probablemente recuerden de la escuela que el estándar del medidor se almacena en la Cámara de Pesos y Medidas de París en un frasco de vidrio al vacío en el mismo lugar que el estándar de potencia: un caballo que pesa un kilogramo . Pasamos a la enciclopedia y leemos los detalles.

Uno de los primeros intentos de crear un universal, es decir reproducido, una medida de longitud, se convirtió en 1668 en la longitud del péndulo (matemático), cuyo semiciclo de oscilaciones es igual a un segundo. La idea es buena, pero durante un viaje a Sudamérica, el astrónomo Jean Richet tuvo que acortar la longitud del estándar, porque El período de sus fluctuaciones ha aumentado. Esto se debió a la planitud del geoide y, en consecuencia, a una disminución de la gravedad en el ecuador. En 1790, se propuso una aclaración de que la longitud estándar debería medirse a una latitud de 45 ° N (aproximadamente entre Burdeos y Grenoble), esta longitud es de 0,994 metros modernos. La propuesta, a pesar de la elegancia, sin embargo, no fue aceptada.En 1791, el metro fue definido por la Academia Francesa como una cuadragésima millonésima parte del Meridiano de París (es decir, una diezmillonésima parte de la distancia desde el Polo Norte hasta el ecuador a lo largo de la superficie del elipsoide de la tierra en la longitud de París). La simplicidad de la calibración plantea algunas dudas, pero la milla náutica tiene una referencia similar (mover una milla náutica a lo largo del meridiano corresponde a un cambio en las coordenadas geográficas durante un minuto de latitud). Puede pensar que la influencia de la rugosidad del terreno tendrá un efecto catastrófico en la precisión del estándar, pero no es así: cambiar la altura en 1000 metros conducirá a una extensión del meridiano de solo 6283 metros, lo que da un error relativo de una y media diez milésimas (el conocido problema de alargar el ecuador por un metro y una mosca). ) En realidad, las mediciones se llevaron a cabo con mucha más precisión, principalmente a nivel del mar.Los interesados ​​encontraránHay muchas cosas interesantes. Me limitaré a una imagen impresionante:

Desde entonces, los países que han adoptado el sistema métrico comenzaron a hacer canales de referencia de varias aleaciones, enmendar las regulaciones, por ejemplo, tomar medidas a cierta temperatura para eliminar el efecto de la expansión térmica (punto de fusión del hielo), y también introdujeron la definición de un kilogramo como una masa de agua por volumen en un decímetro cúbico Gradualmente, la precisión de la reproducción del estándar aumentó, alcanzando un total de 0.1 micras en lugar de las 50 micras originales. Los estándares se almacenaron en condiciones estériles en laboratorios de metrología de todo el mundo hasta que en 1960 se decidió abandonar el uso de un sujeto no tan reproducible, sujeto al envejecimiento, en favor de un fenómeno físico que puede reproducirse con precisión en el laboratorio con la precisión necesaria y después de muchos años. . Desde entonces, el medidor se ha definido como 1,650,763.73 longitudes de onda de la línea naranja (6 056 Å) del espectro emitido por el isótopo de criptón 86Kr en vacío (transición entre niveles de 2p¹⁰ y 5d ⁵ ). La precisión del estándar fue de 4 nanómetros. Las barras de referencia todavía se almacenan en las mismas condiciones, pero no como estándares, sino como pensionistas honrados, que aún pueden aportar beneficios. En 1983, fueron aún más lejos y definieron el medidor como la distancia recorrida por la luz en el vacío en 1/299792458 una fracción de segundo. Por cierto, el segundo ha dejado de ser una fracción del año tropical, ahora esta vez es igual a 9192631770 períodos de radiación correspondientes a la transición entre dos niveles ultrafinos del estado fundamental del átomo de cesio-133, que está en reposo a una temperatura de 0 K. Si se cumplen todas las condiciones y se introducen las correcciones, la reproducibilidad de la moderna el medidor estándar es 0.1 nm (error relativo ^10-10 ). El último valor es el tamaño característico del átomo.

Ahora tenemos el estándar primario internacional del medidor, y finalmente podemos estudiar el sistema de estado GOST R 8.763-2011 para garantizar la uniformidad de las mediciones. Cuadro de calibración de estado para instrumentos de medición de longitud en el rango de 1 · 10 ^-9hasta 50 my longitudes de onda en el rango de 0.2 a 50 micras (fecha de introducción 01.01.2013). GOST podría entenderse solo a partir de la segunda lectura, porque estructuralmente, está escrito perfectamente, en mi opinión, incorrectamente, aunque profesionalmente. Como resultado del estudio, trataremos de comprender cómo se calibran y verifican las reglas. Según este GOST, nuestro estándar primario estatal es una configuración basada en un láser He-Ne / I estabilizado (un láser estabilizado a través de la línea de absorción saturada en yodo molecular - 127) y comparaciones - comparadores e interferómetros. Su institución de custodia es FSUE VNIIM nombrada después D.I. Mendeleev "(junto con FSUE" VNIIFTRI "almacenan casi todos los estándares primarios de cantidades).

Ahora nos ocuparemos de la jerarquía de estándares. Los estándares secundarios se ubican más abajo en la dirección vertical, seguidos de los estándares de trabajo secuencialmente de la primera a la cuarta categoría, los más bajos son instrumentos de medición en funcionamiento con clases de precisión de 0 a 5 (instrumentos de medición precisos que se someten a calibración jerárquica, rastreables hasta el estándar internacional). Estos últimos se usan directamente para mediciones y (al menos deberían) para la fabricación de dispositivos que presentan riesgos (guiones) para productos producidos en masa: esas mismas líneas, cintas métricas y otros instrumentos de medición domésticos. En total, conté 13 pasos verticalmente antes de la fabricación del producto final. De hecho, serán un poco menos, porque Los instrumentos de medición de trabajo se dividen de la jerarquía a diferentes alturas dependiendo de la clase de precisión.

El sistema de estándares también tiene una división horizontal en cuatro ramas independientes de acuerdo con el tipo de mediciones tomadas. Estas ramas se denominan partes (primera a cuarta) y están destinadas a lo siguiente:

Parte 1. Fuentes de radiación y medios para medir longitudes de onda;
Parte 2. Medidas de tablero y medidores de desplazamiento;
Parte 3. La longitud mide el plano final paralelo;
Parte 4. Medidores de desplazamiento, medidas de alivio y microscopios en la región a nanoescala;

Entonces, echemos un vistazo a la Parte 2 que nos interesa. El estándar primario se compara usando un comparador con ajustes de interferencia secundaria para verificar las medidas de longitud de la línea en el rango de 0.001 a 1000 mm. Los estándares de trabajo de la primera categoría se comparan con ellos: medidas discontinuas de longitud, medidas holográficas de longitud de difracción; alternativamente utilizando comparadores alternativamente. Normas de trabajo de la segunda categoría: medidas lineales de longitud, sistemas de medición holográficos de movimientos lineales. Normas de trabajo de la tercera categoría: medidas de línea de longitud, transductores de medición de trama. Estándares de trabajo de 4to grado: medidas de longitud de línea.

Los instrumentos de medición de trabajo de las clases de precisión cero y primera se comparan con el estándar de trabajo de la primera categoría, el segundo y el tercero, con el estándar de trabajo de la segunda categoría, la cuarta y la quinta clase, con el estándar de trabajo de la tercera categoría. Los estándares de trabajo de la cuarta categoría se utilizan para mediciones mediante comparación directa. Los medios de trabajo para medir la quinta clase de precisión, en teoría, deberían usarse en la fabricación de matrices para la fabricación de reglas y cintas métricas, o al menos para la verificación de máquinas utilizadas en la producción.

Ilustración de GOST (finamente, pero se puede hacer clic):

No escribiré sobre el principio de funcionamiento de los comparadores de interferencia óptica, ya que esto se describe mucho donde, además, será aburrido para un público amplio. Los interesados ​​pueden leer aquí .

Al final del artículo, deslizaré un par de mis fotos. Hubo un tiempo en que fue necesario verificar la estabilidad de varios generadores, para los cuales se ensambló un circuito comparador simple: las señales de dos generadores de una empresa muy conocida se alimentan a dos válvulas (análogas de un diodo), detrás de ellas hay dos atenuadores, luego un puente en forma de T, en el que se produce la mezcla señales, a la salida del puente hay un detector. Los generadores están configurados para frecuencias muy cercanas, con la ayuda de atenuadores, logramos la igualdad de las amplitudes de oscilación de las dos señales, después de lo cual obtenemos una señal de diferencia del detector, cuya frecuencia será un indicador de la estabilidad de los dos generadores. Dos generadores muy buenos en una prueba que dura tres días:

Se puede ver que los generadores se comparan con una precisión del orden de 3 · 10 - ⁹ . La prueba se realizó durante las vacaciones para minimizar las oleadas de calor. Sin embargo, se pueden observar varias explosiones agudas, seguidas de una relajación exponencial. El guardia se sorprendió bastante cuando le informé a qué hora y cuántas veces fue a un laboratorio cerrado para verter agua en una tetera. Ay-ah-ah! En la imagen a continuación, la línea roja es una repetición del gráfico anterior, y la azul se obtiene mezclando el generador del primer par con un generador de tubo doméstico menos preciso pero cálido :

La estabilidad a largo plazo de lo doméstico es casi lo mismo, pero la estabilidad a corto plazo es mucho peor. El precio, sin embargo, también difieren no débilmente.

Eso es probablemente todo, ¡gracias por su atención y un buen fin de semana! Espero que haya sido informativo y no muy aburrido.

GOST R 8.763-2011

Source: https://habr.com/ru/post/es398553/