Onde está armazenado o padrão de comprimento ou como medir comprimentos

A ideia de entender esse problema e, eventualmente, escrever este texto nasceu aqui no site - em uma das publicações, vi uma declaração de que as linhas vendidas nas lojas são calibradas de acordo com os padrões secundários, aqueles de acordo com os padrões primários e as principais de acordo com os padrões internacionais. Isso é apenas em pequena parte verdade; portanto, se você estiver interessado, vamos descobrir.

Isenção de responsabilidade: eu não sou um metrologista, portanto o texto não é uma tentativa muito chata (espero) de uma história científica popular; portanto, pode haver algumas imprecisões que podem ser relatadas tanto no PM quanto nos comentários - como desejar.

Muitos provavelmente se lembram da escola que o padrão do medidor está armazenado na Câmara de Pesos e Medidas de Paris em uma jarra de vidro sob vácuo no mesmo local que o padrão de potência - um cavalo pesando um quilograma . Nos voltamos para a enciclopédia e lemos os detalhes.

Uma das primeiras tentativas de criar um universal, ou seja, reproduzida, uma medida de comprimento, tornou-se em 1668 o comprimento do pêndulo (matemático), cujo meio ciclo de oscilações é igual a um segundo. A idéia é boa, mas durante uma viagem à América do Sul, o astrônomo Jean Richet teve que encurtar o comprimento do padrão, porque o período de suas flutuações aumentou. Isso ocorreu devido à planicidade do geóide e, consequentemente, à diminuição da gravidade no equador. Em 1790, foi proposto um esclarecimento de que o padrão de comprimento deve ser medido a uma latitude de 45 ° N (aproximadamente entre Bordeaux e Grenoble), esse comprimento é de 0,994 metros modernos. A proposta, apesar da elegância, no entanto, não foi aceita.Em 1791, o medidor foi definido pela Academia Francesa como um quadragésimo milionésimo do meridiano de Paris (ou seja, um décimo milionésimo da distância do Polo Norte ao equador ao longo da superfície do elipsóide da terra na longitude de Paris). A simplicidade da calibração levanta algumas dúvidas, mas a milha náutica tem uma referência semelhante (mover uma milha náutica ao longo do meridiano corresponde a uma mudança nas coordenadas geográficas por um minuto de latitude). Você pode pensar que a influência da rugosidade do terreno terá um efeito catastrófico na precisão do padrão, mas não é assim - alterar a altura em 1000 metros levará a um alongamento do meridiano de apenas 6283 metros, o que gera um erro relativo de um décimo e meio milésimos (o conhecido problema de alongar o equador por um metro e uma mosca) ) Na realidade, as medições foram realizadas com muito mais precisão, principalmente ao nível do mar.Os interessados ​​encontrarãohá muitas coisas interessantes. Vou me limitar a uma imagem impressionante:

Desde então, os países que adotaram o sistema métrico começaram a fazer canais de referência de várias ligas, alteram os regulamentos, por exemplo, fazem medições a uma certa temperatura para eliminar o efeito da expansão térmica (ponto de fusão do gelo) e também introduzem a definição de quilograma como massa de água por volume em um decímetro cúbico. Gradualmente, a precisão da reprodução do padrão aumentou, atingindo um total de 0,1 mícron em vez dos 50 mícron originais. Os padrões foram armazenados em condições estéreis em laboratórios metrológicos em todo o mundo até que em 1960 foi decidido abandonar o uso de um assunto não tão reprodutível, sujeito ao envelhecimento, em favor de um fenômeno físico que possa ser reproduzido com precisão e precisão no laboratório, após muitos anos. . Desde então, o medidor foi definido como 1.650.763.73 comprimentos de onda da linha laranja (6 056 Å) do espectro emitido pelo isótopo de criptônio 86Kr no vácuo (transição entre os níveis 2p¹⁰ e 5d ⁵ ). A precisão do padrão foi de 4 nanômetros. As barras de referência ainda são armazenadas nas mesmas condições, mas não como padrões, mas como pensionistas de honra, que ainda podem trazer benefícios. Em 1983, eles foram ainda mais longe e definiram o medidor como a distância percorrida pela luz no vácuo em 1/299792458 por uma fração de segundo. By the way, o segundo deixou de ser uma fração do ano tropical, agora esse tempo é igual a 9192631770 períodos de radiação correspondentes à transição entre dois níveis ultrafinos do estado fundamental do átomo de césio-133, que está em repouso a uma temperatura de 0 K. Se todas as condições forem atendidas e as correções forem introduzidas, a reprodutibilidade o medidor padrão é 0,1 nm (erro relativo de 10 a ¹⁰ ). O último valor é o tamanho característico do átomo.

Agora temos o padrão primário internacional do medidor e podemos finalmente estudar o sistema estadual GOST R 8.763-2011 para garantir a uniformidade das medições. Tabela de calibração de estado para instrumentos de medição de comprimento na faixa de 1 a 10 ^-9até 50 me comprimentos de onda na faixa de 0,2 a 50 mícrons (data de introdução 01.01.2013). GOST pôde ser entendido apenas a partir da segunda leitura, porque estruturalmente, está escrito perfeitamente, na minha opinião, incorretamente, embora profissionalmente. Como resultado do estudo, tentaremos entender como as réguas são calibradas e verificadas. De acordo com este GOST, nosso padrão primário do estado é uma configuração baseada em um laser He-Ne / I estabilizado (um laser estabilizado através da linha de absorção saturada em iodo molecular - 127) e comparações - comparadores e interferômetros. Sua instituição custodiante é FSUE VNIIM, em homenagem a D.I. Mendeleev "(junto com FSUE" VNIIFTRI ", eles armazenam quase todos os padrões primários de quantidades).

Agora vamos lidar com a hierarquia de padrões. Os padrões secundários estão localizados mais abaixo na direção vertical, seguidos pelos padrões de trabalho em série da primeira à quarta categoria; mais baixos estão trabalhando instrumentos de medição com classes de precisão de 0 a 5 (instrumentos de medição precisos que passam por uma calibração hierárquica rastreável até o padrão internacional). Estes últimos são usados ​​diretamente para medições e (pelo menos deveriam) para a fabricação de dispositivos que apresentam riscos (traços) para produtos produzidos em massa - as mesmas linhas, fitas métricas e outros instrumentos domésticos de medição. No total, contei verticalmente 13 etapas anteriores à fabricação do produto final. De fato, eles serão um pouco menos, porque os instrumentos de medição de trabalho são divididos da hierarquia em diferentes alturas, dependendo da classe de precisão.

O sistema de padrões também possui uma divisão horizontal em quatro ramos independentes, de acordo com o tipo de medidas realizadas. Esses ramos são chamados de partes (primeiro ao quarto) e destinam-se ao seguinte:

Parte 1. Fontes de radiação e meios de medir comprimentos de onda;
Parte 2. Medidas de traço e medidores de deslocamento;
Parte 3. O comprimento mede o plano final paralelo;
Parte 4. Medidores de deslocamento, medidas de alívio e microscópios na região da nanoescala;

Então, vamos dar uma olhada na Parte 2. que nos interessa. O padrão primário é comparado usando um comparador com configurações de interferência secundária para verificar as medidas de comprimento da linha no intervalo de 0,001 a 1000 mm. Os padrões de trabalho da 1ª categoria são comparados com eles - medidas pontilhadas de comprimento, medidas holográficas de difração de comprimento; alternadamente usando comparadores comparar. Normas de trabalho da 2ª categoria - medidas de comprimento de linha, sistemas de medição holográfica de movimentos lineares. Normas de trabalho da 3ª categoria - medidas de comprimento de linha, transdutores de medição raster. Normas de trabalho da 4ª série - medidas de comprimento.

Os instrumentos de medição de trabalho das classes zero e primeira precisão são comparados com o padrão de trabalho da primeira categoria, a segunda e a terceira - com o padrão de trabalho da segunda categoria, quarta e quinta classes - com o padrão de trabalho da terceira categoria. Os padrões de trabalho da 4ª categoria são usados ​​para medições usando comparação direta. Os meios de trabalho para medir a quinta classe de precisão, em teoria, devem ser utilizados na fabricação de matrizes para a fabricação de réguas e fitas métricas, ou pelo menos para a verificação de máquinas utilizadas na produção.

Ilustração do GOST (finamente, mas clicável):

Não vou escrever sobre o princípio de operação dos comparadores de interferência óptica, uma vez que isso é descrito muito onde, além disso, será chato para uma ampla audiência. Os interessados ​​podem ler aqui .

No final do artigo, vou colocar algumas das minhas fotos. Ao mesmo tempo, foi necessário verificar a estabilidade de vários geradores, para os quais foi montado um circuito comparador simples - os sinais de dois geradores de uma empresa muito conhecida são alimentados a duas válvulas (analógicas de um diodo), atrás delas existem dois atenuadores, depois uma ponte em forma de T, na qual ocorre a mistura sinais, na saída da ponte é um detector. Os geradores são configurados para frequências estreitamente espaçadas, com a ajuda de atenuadores, alcançamos a igualdade das amplitudes de oscilação dos dois sinais, após o que obtemos um sinal de diferença do detector, cuja frequência será um indicador da estabilidade dos dois geradores. Dois geradores muito bons em um teste com duração de três dias:

Pode-se observar que os geradores são comparados com uma precisão da ordem de 3 · 10 ^-9 . O teste foi realizado durante as férias para minimizar picos de calor. No entanto, várias explosões agudas podem ser observadas, seguidas de relaxamento exponencial. O guarda ficou bastante surpreso quando eu a informei a que horas e quantas vezes ela foi a um laboratório trancado para despejar água em uma chaleira. Ah-ah-ah! Na figura abaixo, a linha vermelha é uma repetição do gráfico anterior e a azul é obtida misturando o gerador do primeiro par com um gerador de tubo doméstico menos preciso, mas quente :

A estabilidade a longo prazo do doméstico é praticamente a mesma, mas a estabilidade a curto prazo é muito pior. O preço, no entanto, também não diferem fracamente.

Provavelmente é tudo, obrigado pela atenção e um bom final de semana! Espero que tenha sido informativo e não muito chato.

GOST R 8.763-2011

Source: https://habr.com/ru/post/pt398553/