Où est stockée la norme de longueur ou comment mesurer les longueurs

L'idée de comprendre ce problème et finalement d'écrire ce texte est née ici sur le site - sous l'une des publications, j'ai vu une déclaration selon laquelle les lignes vendues dans les magasins sont calibrées selon les normes secondaires, celles selon les normes primaires et les primaires selon les normes internationales. Ce n'est vrai que dans une petite partie, donc si vous êtes intéressé, découvrons-le.

Avertissement: je ne suis pas métrologue, donc le texte n'est pas une tentative très ennuyeuse (j'espère) d'une histoire scientifique populaire, il peut donc y avoir des inexactitudes qui peuvent être signalées à la fois dans PM et dans les commentaires - comme vous le souhaitez.

Beaucoup se souviennent probablement de l'école que l'étalon du mètre est stocké dans la chambre des poids et mesures de Paris dans un bocal en verre sous vide au même endroit que l'étalon de puissance - un cheval pesant un kilogramme . Nous nous tournons vers l'encyclopédie et lisons les détails.

L'une des premières tentatives de création d'un universel, c'est-à-dire reproduit, une mesure de longueur, est devenu en 1668 la longueur du pendule (mathématique), dont le demi-cycle d'oscillations est égal à une seconde. L'idée est bonne, mais lors d'un voyage en Amérique du Sud, l'astronome Jean Richet a dû raccourcir la longueur de l'étalon, car la période de ses fluctuations s'est allongée. Cela était dû à la planéité du géoïde et, par conséquent, à une diminution de la gravité à l'équateur. En 1790, une clarification a été proposée selon laquelle l'étalon de longueur devrait être mesuré à une latitude de 45 ° N (approximativement entre Bordeaux et Grenoble), cette longueur est de 0,994 mètre moderne. La proposition, malgré l'élégance, n'a cependant pas été acceptée.En 1791, le mètre a été défini par l'Académie française comme une quarante-millionième partie du méridien de Paris (soit un dix millionième de la distance du pôle Nord à l'équateur le long de la surface de l'ellipsoïde terrestre à la longitude de Paris). La simplicité de l'étalonnage soulève quelques doutes, mais le mille marin a une référence similaire (le déplacement d'un mille marin le long du méridien correspond à un changement de coordonnées géographiques pour une minute de latitude). Vous pourriez penser que l'influence de la rugosité du terrain aura un effet catastrophique sur la précision de la norme, mais ce n'est pas le cas - le changement de la hauteur de 1000 mètres entraînera un allongement du méridien de seulement 6283 mètres, ce qui donne une erreur relative de un an et demi dix millièmes (le problème bien connu de l'allongement de l'équateur d'un mètre et d'une mouche ) En réalité, les mesures ont été effectuées avec beaucoup plus de précision, principalement au niveau de la mer.Les personnes intéressées trouverontil y a beaucoup de choses intéressantes. Je me limiterai à une image impressionnante:

Depuis lors, les pays qui ont adopté le système métrique ont commencé à faire des canaux de référence de divers alliages, à modifier la réglementation, par exemple, à prendre des mesures à une certaine température pour éliminer l'effet de la dilatation thermique (point de fusion de la glace), et ont également introduit la définition d'un kilogramme comme masse d'eau en volume dans un décimètre cube. Progressivement, la précision de la reproduction de la norme a augmenté, atteignant un total de 0,1 microns au lieu des 50 microns d'origine. Les étalons ont été stockés dans des conditions stériles dans des laboratoires métrologiques du monde entier jusqu'en 1960, il a été décidé d'abandonner l'utilisation d'un sujet peu reproductible, sujet au vieillissement, au profit d'un phénomène physique qui peut être reproduit avec précision en laboratoire avec la précision nécessaire et après de nombreuses années. . Depuis lors, le compteur a été défini comme 1 650 763.73 longueurs d'onde de la raie orange (6 056 Å) du spectre émis par l'isotope krypton 86Kr sous vide (transition entre niveaux 2p¹⁰ et 5d ⁵ ). La précision de l'étalon était de 4 nanomètres. Les barres de référence sont toujours stockées dans les mêmes conditions, mais pas en tant que normes, mais en tant que retraités honorés, qui peuvent toujours être en mesure d'apporter des prestations. En 1983, ils sont allés encore plus loin et ont défini le mètre comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1/299792458 une fraction de seconde. Soit dit en passant, la seconde a depuis longtemps cessé d'être une fraction de l'année tropicale, cette fois-ci est maintenant égale à 9192631770 périodes de rayonnement correspondant à la transition entre deux niveaux ultra-minces de l'état fondamental de l'atome de césium-133, qui est au repos à une température de 0 K.Si toutes les conditions sont remplies et que des corrections sont apportées, la reproductibilité de la modernité le mètre standard est de 0,1 nm (erreur relative ^10-10 ). La dernière valeur est la taille caractéristique de l'atome.

Nous avons maintenant l'étalon primaire international du compteur, et nous pouvons enfin étudier le système d'état GOST R 8.763-2011 pour assurer l'uniformité des mesures. Tableau d'étalonnage des états pour les instruments de mesure de longueur dans la plage de 1 · 10 ^-9jusqu'à 50 m et des longueurs d'onde comprises entre 0,2 et 50 microns (date d'introduction 01.01.2013). GOST ne pouvait être compris qu'à partir de la deuxième lecture, car structurellement, il est écrit parfaitement, à mon avis, de manière incorrecte, bien que professionnelle. À la suite de l'étude, nous essaierons de comprendre comment les règles sont calibrées et vérifiées. Selon ce GOST, notre étalon primaire est une configuration basée sur un laser He-Ne / I stabilisé (un laser stabilisé par la ligne d'absorption saturée en iode moléculaire - 127) et des comparaisons - comparateurs et interféromètres. Son institution dépositaire est FSUE VNIIM du nom de D.I. Mendeleev "(avec FSUE" VNIIFTRI "ils stockent presque tous les étalons primaires de quantités).

Nous allons maintenant traiter de la hiérarchie des normes. Les étalons secondaires sont situés plus bas dans le sens vertical, suivis des étalons de travail en série de la première à la quatrième catégorie, les instruments de mesure de travail avec des classes de précision de 0 à 5 (les instruments de mesure précis qui subissent un étalonnage hiérarchique traçable jusqu'à l'étalon international) sont inférieurs. Ces derniers sont utilisés directement pour les mesures et (du moins devraient) pour la fabrication d'appareils qui présentent des risques (tirets) pour les produits de masse - ces mêmes lignes, rubans à mesurer et autres instruments de mesure domestiques. Au total, j'ai compté verticalement 13 étapes qui précèdent la fabrication du produit final. En fait, ils seront légèrement inférieurs, car les instruments de mesure de travail sont séparés de la hiérarchie à différentes hauteurs en fonction de la classe de précision.

Le système de normes a également une division horizontale en quatre branches indépendantes selon le type de mesures prises. Ces branches sont appelées parties (de la première à la quatrième) et sont destinées aux éléments suivants:

Partie 1. Sources de rayonnement et moyens de mesure des longueurs d'onde;
Partie 2. Mesures Dash et compteurs de déplacement;
Partie 3. La longueur mesure le plan final parallèle;
Partie 4. Compteurs de déplacement, mesures de relief et microscopes dans la région nanométrique;

Examinons donc la partie 2 qui nous intéresse. La norme principale est comparée à l'aide d'un comparateur avec des paramètres d'interférence secondaires pour vérifier les mesures de longueur de ligne dans la plage de 0,001 à 1 000 mm. Les normes de travail de la 1ère catégorie sont comparées avec elles - mesures de longueur en pointillés, mesures holographiques de diffraction de longueur; en utilisant alternativement comparateurs comparer. Normes de travail de 2e catégorie - mesures linéaires de longueurs, systèmes de mesure holographiques de mouvements linéaires. Normes de travail de la 3ème catégorie - mesures linéaires de la longueur, transducteurs de mesure raster. Normes de travail de 4e année - mesures linéaires de longueur.

Les instruments de mesure de travail des classes de précision zéro et première sont comparés au standard de travail de la première catégorie, aux deuxième et troisième - au standard de travail de la deuxième catégorie, aux quatrième et cinquième classes - au standard de travail de la troisième catégorie. Les étalons de travail de la 4e catégorie sont utilisés pour les mesures par comparaison directe. Les moyens de travail pour mesurer la cinquième classe de précision devraient, en théorie, être utilisés dans la fabrication de matrices pour la fabrication de règles et de rubans à mesurer, ou au moins pour la vérification des machines utilisées dans la production.

Illustration de GOST (finement, mais cliquable):

Je n'écrirai pas sur le principe de fonctionnement des comparateurs optiques d'interférence, car cela est beaucoup décrit où, en plus, ce sera ennuyeux pour un large public. Les personnes intéressées peuvent lire ici .

À la fin de l'article, je glisserai quelques photos. À un moment donné, il était nécessaire de vérifier la stabilité de plusieurs générateurs, pour lesquels le circuit comparateur le plus simple a été assemblé - les signaux de deux générateurs d'une entreprise très connue sont envoyés à deux vannes (analogiques d'une diode), derrière eux se trouvent deux atténuateurs, puis un pont en T, dans lequel le mélange se produit signaux, à la sortie du pont est un détecteur. Les générateurs sont réglés sur des fréquences étroitement espacées, à l'aide d'atténuateurs, nous obtenons l'égalité des amplitudes d'oscillation des deux signaux, après quoi nous obtenons un signal de différence du détecteur, dont la fréquence sera un indicateur de la stabilité des deux générateurs. Deux très bons générateurs dans un test de trois jours:

On voit que les générateurs sont comparés avec une précision de l'ordre de ^{3.10 -9} . Le test a été réalisé pendant les vacances pour minimiser les pics de chaleur. Cependant, plusieurs rafales brusques peuvent être notées, suivies d'une relaxation exponentielle. Le gardien a été assez surpris lorsque je lui ai dit à quelle heure et combien de fois elle était allée dans un laboratoire fermé pour verser de l'eau dans une bouilloire. Ay-ah-ah! Dans l'image ci-dessous, la ligne rouge est une répétition du graphique précédent, et la bleue est obtenue en mélangeant le générateur de la première paire avec un générateur de tube domestique moins précis mais chaud :

La stabilité à long terme du marché intérieur est à peu près la même, mais la stabilité à court terme est bien pire. Le prix, cependant, ils ne diffèrent pas non plus faiblement.

C’est probablement tout, merci pour votre attention et bon week-end! J'espère que c'était instructif et pas très ennuyeux.

GOST R 8.763-2011

Source: https://habr.com/ru/post/fr398553/