3.7. Еталони як засіб вимірювання

Зберігання та відтворення одиниць вимірювань з метою передачі їх розмірів ЗВТ, які застосовуються на території України, забезпечуються державними еталонами.

Для забезпечення єдності вимірювань необхідна чітка тотожність одиниць, у яких були б проградуйовані всі засоби технічних вимірювань однієї й тієї ж самої ФВ. Це досягається шляхом точного відтворення та збереження прийнятих на Міжнародній конференції з мір і ваги одиниць ФВ і передачі їх розмірів ЗВ.

Відтворення, збереження і передача розмірів одиниць проводиться за допомогою еталонів та зразкових ЗВ. Вищою ланкою у метроло­гічному колі передачі розмірів одиниць вимірювання ФВ є еталони.

Еталон одиниці ФВ - це ЗВТ, який забезпечує відтворення і зберігання одиниці ФВ та передавання її розміру відповідним засобам, що стоять нижче за повірочною схемою, і офіційно затверджений як еталон.

Усі основні одиниці ФВ відтворюються з найвищою точністю за допомогою міжнародних еталонів відповідних одиниць і зберігаються в Міжнародному бюро мір та ваги (МБМВ) у спеціальних лабораторіях у м. Севра поблизу Парижа. Програмою діяльності МБМВ передбачені систематичні міжнародні зіставлення національних еталонів великих метрологічних лабораторій різних держав з міжнародними еталонами та між собою. Еталони метра та кілограма звіряються один раз на 25 років, електричні та світлові еталони (ампера, вольта, ома, кандели) - один раз на 3 роки. Проводяться також епізодичні міжнародні звіряння еталонів джерел іонізаційного випромінювання, платинових термометрів опору, температурних ламп та ін.

Основне призначення еталонів - бути матеріальною базою для відтворення і збереження одиниць ФВ.

Державні еталони є виключно державною власністю, затвер­джуються ДКТРСП України та перебувають у його віданні. Однією з основних вимог, які висуваються до еталонів, є точність. Як правило, створення, зберігання, застосування, відтворення еталонів регла­ментовано певним стандартом країни, наприклад, ДСТУ 3231-95 «Метрологія. Еталони одиниць фізичних величин: основні положення, порядок розроблення, затвердження, реєстрації, зберігання та застосування». Розробляються стандарти і на повірочні схеми з використанням еталонів, зокрема для концентрації газів у газових середовищах (ДСТУ 3214-95). Питаннями розробки, зберігання, вдосконалення еталонів займаються науково-дослідні інститути ДКТРСП України. Еталони складають особливу групу ЗВ.

Еталони для посередніх вимірювань ФВ не застосовуються, а використовуються для передачі розміру одиниць іншим ЗВ.

За точністю відтворення розмірів одиниць і за службовим при­значенням еталони поділяються на дві групи: первинні і вторинні.

Первинним називають еталон, який забезпечує відтворення розміру ФВ із найвищою в державі точністю.

Вторинним називають еталон, що відтворює розмір одиниці ФВ за первинним еталоном та періодично звіряється з ним.

У свою чергу, первинні еталони поділяються на спеціальні, державні, вихідні; вторинні еталони за метрологічним призначенням поділяються на: еталони-копії, еталони-свідки, еталони-порівняння, робочі еталони.

Для наочності видів еталонів подано схему (рис. 3.4).

Первинні еталони. Якщо еталон відтворює одиницю з найбільш високою в країні точністю, то він називається первинним. Первинні еталони основних одиниць відтворюють одиницю відповідно до її визначення.

Стає очевидним (розглядаючи, наприклад, випадок з одиницею струму - ампер), що навіть якщо природні еталони й існують, вони не обов’язково відрізняються особливою точністю і простотою реалізації. Проте будь-яка промислово розвинена країна має націо­нальну лабораторію з еталонів (у Великобританії, наприклад, це Фізична лабораторія в Теддінгтоні, у США - це NIST - Національний інститут науки і технології). Ці національні лабораторії зберігають «первинні стандартні еталони», які у випадку з кілограмом є по­хідними від міжнародного стандарту кілограма. Щодо інших одиниць вимірювань у системі СІ базою для побудови вимірювальної ланцюжка є приладове обладнання, здатне відтворювати умови, встановлені у визначенні базової одиниці СІ. Наприклад, щодо одиниці часу це так званий «цезієвий годинник». Хоча тривалість одного періоду встановленого атомного переходу становить піко- секунду, цього достатньо для повірки частотоміром частот радіо­мовлення, і тому вони можуть бути сприйняті іншими центрами.

Інші виміри, наприклад довжини, можуть здійснюватися з використанням проміжних еталонів та їх ієрархії, що починається із первинного еталона (рис. 3.5).

Первинні еталони є вершиною піраміди або ієрархії стандартів, які існують і використовуються в країні (рис. 3.5). Робочі інструменти повіряються «робочими еталонами», які можуть використовуватися для щоденного калібрування на робочому місці перед початком використання вимірювального інструменту. У свою чергу, робочі еталони калібруються за лабораторними або «проміжними еталонами».

Можливий цілий ланцюжок проміжних еталонів, що проходить через спеціалізовані лабораторії калібрування до національного еталону, який може порівнюватися з національними еталонами інших країн.

Спеціальний еталон відтворює одиницю в особливих умовах, у яких пряма передача розміру одиниці від існуючих еталонів технічно можлива з необхідною точністю (високий тиск, температура і т. ін.). Він замінює в цих умовах первинний еталон.

Державний еталон - офіційно затверджений первинний еталон, який забезпечує відтворення одиниці вимірювань та передачу її розміру іншим еталонам із найвищою у країні точністю; це пер­винний або спеціальний еталон, офіційно затверджений як вихідний для країни (в окремих випадах може бути використаний спеціальний еталон). Інакше кажучи, державний еталон - це офіційно затверд­жений первинний еталон у якості вихідного для держави.

Державний еталон одиниці величини - еталон одиниці величини, визнаний рішенням уповноваженого на те державного органу в якості вихідного на території своєї держави.

Вихідний еталон - еталон, який має найвищі метрологічні влас­тивості серед еталонів, що наявні на підприємстві чи в організації.

У метрологічній практиці широко використовують вторинні еталони, значення яких встановлюється за найнижчими первинними еталонами.

Вторинні еталони створюються і затверджуються в тих випадках, коли це необхідно для організації повірочних робіт, для збереження і меншого зносу державного еталона.

За своїм метрологічним призначенням вторинні еталони поді­ляються на еталони-копії, еталони передавання, еталони-свідки та робочі еталони.

Еталон-копія - це вторинний еталон, що призначений для збереження одиниці й передачі її розміру робочим еталонам.

Еталон порівняння - це вторинний еталон, що призначений для порівняння еталонів, які з тих чи інших причин не можуть бути безпосередньо порівняними один із одним.

Еталон-свідок - це вторинний еталон, що призначений для перевірки збереження державного еталона, для заміни на випадок пошкодження або втрати. Еталон-свідок використовується лише тоді, коли державний еталон є невідтворним.

Робочий еталон - це вторинний еталон, призначений для збе­реження одиниці і передачі ії розміру зразковим ЗВ найбільш високої точності. Він призначений для повірки чи калібрування ЗВТ.

Еталон передавання - це вторинний еталон, що призначається для взаємного порівняння еталонів, які за тих чи інших обставин не можуть бути звірені безпосередньо.

Вторинні еталони можуть подаватися у вигляді комплексу ЗВ, поодиноких і групових еталонів та еталонних приладів.

Поодинокий еталон складається з одного вимірювального засобу (міри, приладу), який забезпечує відтворення та збереження одиниці самостійно, без участі інших ЗВ того самого типу. Прикладом поодинокого еталона є вторинний еталон одиниці маси - кілограм - у вигляді платино-іридієвої та сталевої гирі.

Груповий еталон - еталон, до складу якого входить група ЗВТ або група еталонів. Прикладом групового еталона є еталон-копія вольта у вигляді 20 нормальних елементів. Вторинні еталони (робочі) використовуються у метрологічних інститутах, метрологічних тери­торіальних органах Держстандарту України, а з дозволу Держстандарту

України допускається їх зберігання та використання в органах відомчої метрологічної служби.

Усі ЗВ, які використовуються не для передачі розміру одиниць, а для практичного вимірювання, називаються робочими ЗВТ. Робочі ЗВТ забороняється використовувати для перевірки.

Еталон одиниці довжини - метр. Наприкінці XVIII століття при введенні метричної системи мір був прийнятий перший еталон одиниці довжини - метр. За метр прийняли одну десятимільйонну частину чверті Паризького меридіана.

У 1799 році на основі виміряної частини дуги меридіана був виготовлений еталон метра у вигляді платинової лінійки шириною 25 мм, товщиною 4 мм та довжиною в 1 м. Пізніше платиновий метр передали на збереження до Національного архіву Франції, який одержав назву «метра Архіву».

Повторні вимірювання дуги меридіана показали, що довжина метра дещо коротша за дійсний «природний» метр, проте Міжнародна комісія з прототипів метричної системи у 1872 році вирішила відмовитися від «природного» еталона метра і за одиницю довжини прийняла «метр Архіву».

За рішенням цієї комісії був виготовлений 31 прототип метра у вигляді штрихової міри з платино-іридієвого сплаву. Серед них прототип № 6 при температурі 0°С виявився найбільш тотожним «метру Архіву» і в 1889 р. на І Генеральній конференції з мір та ваги був ухвалений як міжнародний еталон метра. Решта 30 прототипів були розподілені між державами-учасницями, які у 1875 році підписали Метричну конвенцію.

Еталон метра - це платино-іридієва фігурна лінійка довжиною 102 см з поперечним перерізом у формі X, вписаній в уявний квадрат, сторона якого дорівнює 20 мм. На верхніх площинах Х-форми на обох кінцях лінійки проведено по 3 штрихові лінії, а одиниця довжини в 1 метр розташована між середніми штриховими лініями (рис. 3.6).

Росія у 1889 році одержала платино-іридієвий прототип метра № 28, який пізніше був затверджений як державний еталон метра в СРСР.

У 1927 році VII Генеральна конференція з мір та ваги ухвалила таке визначення метра: «Одиниця довжини - м, визначається відстанню при 0 °С між осями двох середніх штрихів, нанесених на платино- іридієвому бруску, який зберігається у Міжнародному бюро мір та ваги і прийнятий за еталон метра І Генеральною конференцією з мір і ваги, за умови, що ця лінійка зберігається при нормальному атмосферному тиску і підтримується двома роликами діаметром не

Науково-технічний прогрес потребує підвищення точності еталона одиниці довжини, тому що платино-іридієвий прототип метра неспроможний забезпечити необхідну високу точність відтворення, вищу за 0,1-0,2 мкм. До того ж назріла необхідність розроблення природного неруйнівного еталона, що обумовлює встановлення нового природного еталона метра.

У 1960 році XI Генеральною конференцією з мір та ваги було ухвалено новий хвильовий еталон метра, який виражається в довжинах світлових хвиль у вакуумі оранжевої лінії спектру криптону-86. Відповідно до рішення конференції, «метр - це довжина, що дорівнює 1 650 763,73 довжин хвиль випромінювання у вакуумі й відповідає переходу між рівнями2р₁₀ та 5ё₅ атома криптону-86».

Новий еталон метра можна відтворити у метрологічних лабо­раторіях з точністю, яка на порядок вища від платино-іридієвого його прототипу, хоча на конференції підкреслювалося, що точність нового еталона є недостатньою через несиметричність випромінювання монохроматичного джерела.

Місце зберігання еталона метра у колишньому СРСР - Всесоюзний науково-дослідний інститут метрології ім. Д. І. Менделєєва (ВНДІМ) (м. Санкт-Петербург). В Україні еталон метра зберігається в Харків-

За рішенням останньої Генеральної конференції з мір і ваги ухвалене таке визначення одиниці довжини «метр»:

Метр - довжина шляху, який проходить світло у вакуумі за 1/299 792 458 частину секунди.

Еталон одиниці маси - кілограм. При виготовленні платино- іридієвих еталонів кілограма за міжнародний прототип було прийнято той, маса якого найменше відрізнялася від маси «кілограма Архіву». Міжнародний прототип кілограма - це гиря у вигляді прямого циліндра із заокругленими ребрами діаметром і висотою 39 мм (рис. 3.8).

Оскільки прийнятий умовний прототип одиниці маси - літр - також не був абсолютно тотожним кубічному дециметру (1 л = 1,000028 дм³) і невідповідність між ними становила різницю між масою міжнародного прототипу кілограма і масою кубічного дециметра води, то у 1964 році XII Генеральна конференція з мір та ваги ухвалила рішення про прирівнювання об’єму 1 літра до 1 дм³.

Зазначимо, що у період встановлення метричної системи мір не було чіткого розуміння маси та ваги, тому міжнародний прототип кілограма приймали як еталон одиниці ваги. Проте вже при затвер­дженні міжнародного прототипу в 1889 р. кілограм був прийнятий як прототип маси. Чітке розмежування між кілограмом маси та кілограмом сили було здійснене за рішенням III Генеральної кон­ференції з мір та ваги.

За рішенням I Конференції з мір та ваги із 42 виготовлених прототипів кілограма Росії були передані платино-іридієві прототипи кілограма № 12 (рис. 3.9) і № 26. Прототип кілограма № 12 був затверджений у 1899 р. як державний еталон маси факультативно (фунт повинен був періодично порівнюватися з кілограмом), а про­тотип № 26 - міг використовуватися в якості вторинного еталону.

Державним первинним еталоном кілограма в колишньому СРСР був платино-іридієвий прототип № 12 - гиря у вигляді прямого циліндра з заокругленими ребрами діаметром та висотою 39 мм. Густина платино-іридієвого сплаву - 21548,1 кг/м³, вміст іридію у сплаві - 10,08-10,09 %, об’єм кілограма при 0°С становить 46,408 см³.

У 1899 р. маса прототипу кілограма № 12 дорівнює 1,000000068 кг. За результатами звіряння його з міжнародними еталонами у 1948­1954 рр. маса прототипу № 12 стала дорівнювати 1,00000085 кг.

8 жовтня 1901 р. з ініціативи Д. І. Менделєєва у Харкові була відкрита перша в Україні повірочна палата для вивірки і таврування торговельних мір і ваги. З цієї події бере початок історія метрології та стандартизації в Україні. На рис. 3.10 показано унікальний робочий еталон маси - позолочена гиря масою 1 кг, яка очолювала повірочні схеми ЗВ маси в Україні з перших місяців роботи повірочної палати, тобто з 1901 і до 1939 року.

З розвитком наукових робіт щодо створення нових природних еталонів одиниць ФВ, що базувалися на атомних постійних величинах (метр - на довжині світлових хвиль; секунда - на частоті коливань атомів та молекул), виникло питання про зв’язок одиниці маси атомними константами. Цим пояснюється пропозиція щодо вико­ристання для метрологічних цілей такої константи, як маса нейтрона. Можна припустити, що це дасть можливість з високою точністю ув’язати сучасний умовний еталон маси з природними константами маси атомних часток.

Еталон «кілограм» все ще «припадає пилом» у глибокому підвалі під Парижем.

Словосполучення «припадає пилом» у попередньому абзаці зовсім не є стилістичною прикрасою - пил насправді поступово накопичується на еталоні кілограма, незважаючи на всі контрзаходи. Дістати платино- іридієві циліндри і протерти їх не можна - по-перше, при витяганні на ньому знову ж таки осяде пил, а по-друге, протирання або навіть обмахування щіточкою неминуче приведе до «підскакування» декількох молекул. Іншими словами, незалежно від того, роблять або не роблять щось з еталоном, його маса з часом змінюється. Довгий час вважалося, що ці зміни незначні, проте перевірка, яку було проведено кілька років тому, показала, що за останній час еталон «схуд» на 50 мікрограмів, а це вже значні втрати.

Можливий вихід із цього скрутного становища (за мільярд років еталон стане легшим на третину) запропонували в 2007 році два американських учених із Технологічного інституту Джорджії. Замість мінливого циліндра вони запропонували вважати стандартом маси куб із вуглецю, який буде містити строго певну кількість атомів. Так як маса кожного окремого атома постійна, то й маса їх сукупності також не буде змінюватися. Дослідники розрахували, що куб масою рівно один кілограм буде складатися з 2250 х 281 489 633 атомів (50 184 513 538 686 668 007 780 750 атомів), а його грань складе 8,11 сантиметри. За три роки вчені уточнили деякі деталі і представили свої міркування.

Американські фізики перейнялися проблемою стандарту кілограма і вибрали в якості «еталонного» елемента вуглець неспроста - до цього часу вони займалися уточненням числа Авогадро - однієї з фундаментальних констант, яка визначає, скільки атомів міститься в одному молі будь-якої речовини. Хоча це число і є одним із найголовніших у хімії, його точного значення не існує (серед інших питань учені, наприклад, вирішували, парне воно чи ні). Число Авогадро підібрано так, щоб маса моля у грамах дорівнювала масі молекули (атома) в атомних одиницях маси. Атом вуглецю має масу 12 атомних одиниць маси, а значить, маса моля вуглецю повинна складати 12 грамів. Уточнивши число Авогадро і прийнявши його рівним 844 468 863 (602 214 098 282 748 740 154 456), дослідники змогли розрахувати необхідну кількість атомів вуглецю в еталоні (рис. 3.11).

Не виключено, що нову роботу буде розглянуто на черговій Генеральній конференції з мір та ваги, яка відбудеться в 2011 році. Однак у вчених з Джорджії є конкуренти. Наприклад, у Вашинг­тонському національному інституті стандартів і технології дуже активно працюють над концепцією електронного кілограма. Коротко суть пропонованого ними методу така: еталон визначається через силу струму, яка необхідна для створення магнітного поля, здатного врівноважити вантаж масою в один кілограм. Цей спосіб дуже хороший, тому що дозволяє добитися високої точності (він заснований на використанні ще однієї фундаментальної константи - постійної Планка), проте сам експеримент надзвичайно складний.

Ще один варіант нового еталона - кремнієва сфера, параметри якої розраховані таким чином, що вона буде містити строго певну кількість атомів (цей розрахунок можна провести, так як ученим відома відстань між окремими атомами, а сам процес виробництва чистого кремнію дуже добре налагоджений). Така сфера навіть була створена, але щодо неї негайно виникли такі ж складнощі, які стосуються нинішнього еталона: з часом сфера втрачає частину своїх атомів, і, крім того, на ній утворюється плівка оксиду кремнію.

Третій підхід до створення еталону припускає, що він буде кожного разу вироблятися de novo. Для отримання стандарту маси необхідно накопичувати іони вісмуту та золота до тих пір, поки їх сумарний заряд не досягне певного значення. Цей метод уже визнали незадовільним: він вимагає занадто багато часу, а результати погано відтворюються. Взагалі з високою ймовірністю всі описані способи отримання нового еталону кілограма, крім способу, заснованого на використанні числа Авогадро, залишаться тільки в пам’яті істориків науки, так як, на відміну від інших, еталон кілограм у вигляді куба з ізотопу вуглецю-12 заснований на прямому використанні одного з фундаментальних атомних понять.

Поки що неясно, чи стане вуглецевий еталон загальновизнаним або ж учені придумають новий, більш зручний спосіб. Але той факт, що в Парижі зберігається циліндр, який вірою і правдою служив людям 120 років, незабаром «відправиться на пенсію», сумнівів не викликає.

Еталон одиниці часу - секунда. Ще в стародавні часи відлік часу ґрунтувався на обертанні Землі навколо своєї осі. До недавнього часу секунда визначалася як 1/8640 частини середньої сонячної доби. За середню сонячну добу прийнято інтервал часу між двома послідовними однойменними кульмінаціями середнього Сонця. Під середнім Сонцем розуміли уявне Сонце, яке рівномірно рухається по небесному екватору і здійснює один оберт по небосхилу за той проміжок часу, що й справжнє Сонце, яке рухається нерівномірно за екліптикою. Проте спостереження показали, що обертанню Землі властиві нерегулярні коливання, а це не дозволяє вважати його природною стабільною основою визначення одиниці часу.

Середня сонячна доба визначається з похибкою 10^-7. Ця точність недостатня для сучасного стану техніки частот.

Потрібен був новий природний еталон часу, який забезпечував би високу точність відтворення одиниці часу - секунди. У 1960 році було прийняте нове астрономічне визначення одиниці часу, в основу якого покладено не обертання Землі навколо своєї осі, а рух Землі навколо Сонця. Це забезпечувало підвищення точності вимірювання одиниці часу на три порядки (у 1000 разів).

За секунду прийняли 1/31556925,9747 частини тропічного року на 0 січня 1900 року о 12-й годині ефемеридного часу. Тропічний рік сам по собі не є постійним, тому дата «0 січня 1900 р. 12 годин» виражена у прийнятому астрономами відліку часу і відповідає полудню 31 грудня 1899 р. Під ефемеридним часом розуміють час у системі рахунку, де тривалість одиниці дорівнює ефемеридній секунді, визначеній через тропічний рік на 0 січня 1900 р.

Практично точна одиниця часу стала доступною завдяки сигналам точного часу, що передаються по радіо з кварцових годинників, які є мірами частоти. Останнім часом створені нові молекулярні та атомні еталони, частоти і часу, які ґрунтуються на здатності молекул та атомів випромінювати і поглинати енергію під час переходу між двома енергетичними рівнями в діапазоні радіочастот. У 1967 р. XIII Гене­ральна конференція з мір та ваги ухвалила нове визначення секунди як інтервал часу, протягом якого відбувається 9 192 631 770 коливань. Такі коливання відповідають резонансній частоті енергетичного переходу між рівнями надтонкої структури основного стану атома цезію-133 за відсутності збурень зовнішніми полями.

Стабільність цезієвих еталонів дорівнює 10^-11, що дозволяє використовувати їх службам часу та частоти.

У 1997 році Міжнародне бюро мір і ваги уточнило, що в цьому визначенні фігурує атом цезію, що перебуває при абсолютній нульовій температурі. У новітніх моделях цезієвого годинника (їх називають фонтанними) ця вимога майже ідеально реалізується за допомогою лазерного охолодження атомів. Еталонні цезієві годинники американського Національного інституту стандартів і технології (NIST) зараз забезпечують відносну точність відтворення одиниці часу - секунди на рівні ~ 3,3 х 10^-16. Це найбільш точні годинники у світі. А взагалі найкращу перспективу на найближче майбутнє мають оптичні стандарти частоти, засновані на переходах в однократних іонах ртуті, ітербію чи стронцію або в нейтральних атомах стронцію чи ртуті - вони надзвичайно стабільні в часі. Вже зараз точність окремих експериментальних зразків досягає 2 х 10^-15 секунди і навіть вище, а теоретично вони здатні забезпечити точність відтворення одиниць часу і частоти на рівні 10^-17-10^-18.

У стронцієвих оптичних годинах (рис. 3.12) іони стронцію поміщені в оптичну пастку на перехресті шести лазерних променів.

Під впливом електромагнітних хвиль лазерів іони міцно «сидять» в енергетичних ямах, слабо взаємодіючи один з одним і випромінюючи блакитне світло із частотою близько 429 терагерц. Стронцієвий годинник у тисячу разів точніший за цезієвий, що використовується сьогодні як еталон часу і частоти. Можливо, незабаром еталон буде замінено.

Еталон одиниці сили електричного струму - ампер. У 1893 р. Міжнародний конгрес електриків у Чікаго затвердив перший еталон сили електричного струму - ампер, установивши так званий між­народний ампер. Ампер відтворювався за допомогою срібного вольтметра і визначався так: «Міжнародний ампер - незмінний струм, який, проходячи через водний розчин азотнокислого срібла при дотриманні інструкції та специфікації виділяє 0,001118 грамів срібла за 1 с».

У 1948 р. при переході на абсолютну практичну систему електричних одиниць міжнародний ампер було відмінено, а в основу сучасного еталона ампера покладено закон взаємодії електричних струмів.

Визначення основної електричної одиниці - ампера - залишається незмінним з 1948 року. IX Генеральна конференція з мір та ваги у 1948 р. ухвалила таке визначення ампера: «Ампер - сила незмінного струму, який, проходячи по двох паралельних прямолінійних провідниках нескінченної довжини і занадто малого круглого перерізу та розміщених на відстані 1 метра один від одного у вакуумі, при силі струму в провідниках в 1 А утворював би між провідниками силу взаємодії у 2 10^-7 Н на кожний метр довжини».

Зрозуміло, що виготовити еталон на базі цього визначення неможливо, але, на щастя, й не потрібно. Ампер можна реалізувати за допомогою вимірювання силової взаємодії між струмами будь- якої конфігурації, якщо тільки правильно розрахувати геометрію приладу. В Радянському Союзі був прийнятий Державний первинний еталон ампера, який був реалізований за допомогою струмових терезів, що відтворюють ампер з точністю до 10^-5. Такий самий прилад був встановлений в британській Національній фізичній лабораторії в Теддінгтоні (зараз - Національна лабораторія вимірів). У США ампер спочатку був відтворений через еталонний вольт (дуже стабільні електричні батареї) і еталонний ом (прецизійні дротові резистори), виготовлені та відкалібровані в Національному бюро стандартів (сучасний NIST). Відношення вольта і ома дало еталонний ампер з точністю 10^-7. У теперішній час вольт реалізують за допомогою квантового низькотемпературного ефекта Джозефсона, а ом - за допомогою квантового ефекта Холла (такий стандарт з 1990 року прийнятий в усьому світі). Це дозволяє відтворювати ампер з відхиленням, що не перевищує 10^-9. Проте не виключено, що в майбутньому визначення ампера переглянуть, висловивши його через елементарний заряд електрона.

Державний первинний еталон ампера - це комплекс вимірювальних засобів у складі струмових ваг електродинамічної системи, ваг з дистанційним управлінням та апаратури для передачі розміру одиниці. Похибка відтворення розміру одиниці сили струму державним первинним еталоном ампера не перевищує 1-10^-3 %.

Досягнення сучасної фізики в галузі дослідження атомного ядра розкривають нові можливості для розробки досконаліших еталонів одиниці електричного струму та заряду.

Еталон одиниці температури - кельвін. Вимірювання температури з моменту винаходу термометра Галілеєм у 1598 р. ґрунтувалося на використанні властивостей термометричної речовини (газу, рідини) і пов’язане з іменами таких учених, як Фаренгейт, Реомюр, Цельсій, Томсон (Кельвін) та ін.

У середині XVIII століття англійський учений Уїльям Томсон, який у 1892 р. за наукові заслуги отримав титул барона Кельвіна (Kelvin), показав, що можна встановити термодинамічну температурну шкалу, яка б не залежала від термометричної речовини.

Винайдення термодинамічної температурної шкали ґрунтується на II законі термодинаміки. Якщо в оберненому циклі Карно тіло, що здійснює цикл, поглинає теплоту Q₁ при температурі T і віддає тепло Q₂ при температурі Т₂, то відношення абсолютних температур Т₁/Т₂ дорівнює відношенню кількості тепла Qi/Q₂. Згідно з положенням термодинаміки, це відношення не залежить від властивостей термо­динамічної речовини.

Вимірюючи кількість теплоти з достатньою точністю, можна визначити співвідношення температур та температуру конкретного об’єкта.

Встановлена таким чином термодинамічна температурна шкала, яка незалежна від властивостей термометричної речовини, називається шкалою Кельвіна.

При встановленні термодинамічної температурної шкали для збереження наступності числового вираження її зі стоградусною температурною шкалою Цельсія температурний проміжок між точками танення льоду та кипіння води прийняли за 100 °С.

Томсон і незалежно від нього Д І. Менделєєв довели доцільність побудови термодинамічної шкали температур за однією реперною точкою (реперні точки в термометрії - первинні відтворені темпе­ратурні точки, кожній з яких присвоєна визначена температура. На Р.т. побудована Міжнародна практична температурна шкала) - точкою абсолютного нуля. Така шкала має значні переваги і дозволяє визначити абсолютну температуру точніше, ніж шкала з двома реперними точками.

Похибка відтворення точки кипіння води становить 0,002-0,01 °С, точка танення льоду - 0,0002-0,001 °С, потрійна точка води - 0, 0001 °С.

X Генеральна конференція з мір та ваги у 1954 році ухвалила рішення про термодинамічну температурну шкалу з однією реперною точкою - потрійною точкою води, яка вища за точку танення льоду на 0,01 °С (273,16 К).

Таким чином, термодинамічна температура є основною і позна­чається символом Т. Її одиницею служить кельвін - 1/273,16 частини потрійної точки води (Примітка. Потрійна точка - стан рівноважного співіснування трьох фаз речовини, зазвичай твердої, рідкої і газоподібної. Температура П. т. води (точки співіснування - льоду, води і пари,) дорівнює 0,01°С (273,16 К) при тиску 6,1 гПа (4,58 мм рт. ст.).

Температура у градусах Цельсія позначається символом ґ і визначається таким чином: ґ = Т- Т₀, де Т₀ = 273,16 К.

Вимірювання температури за термодинамічною шкалою шляхом прямої її реалізації за допомогою газових термометрів пов’язане із серйозними труднощами, тому була прийнята Міжнародна практична температурна шкала, яка ґрунтується на відтворенні 11 рівноважних станів речовин (водню, неону, кисню, води, цинку, золота та ін.).

Еталон одиниці сили світла - кандела. У минулому столітті різні держави використовували різні еталонні джерела одиниці сили світла - свічі.

На Міжнародному конгресі електриків у 1881 р. було прийнято еталон світла - одиницю Віоля. За одиницю Віоля визнавалася сила світла, яка випромінювалася квадратним сантиметром поверхні твердіючої платини у нормальному напрямку до цієї поверхні. Пізніше спосіб відтворення одиниці Віоля одержав назву «абсолютного еталона сили світла». У 1889 році Конгресом за практичну одиницю світла була прийнята одна двадцята одиниці Віоля.

З огляду на труднощі реалізації еталона одиниці Віоля, Між­народний конгрес у 1893 році приймає за еталон лампу Гефнера - Альтенека, а пізніше - керамічні трубки та інші джерела світла.

Лише у 1967 році Генеральна конференція з мір та ваги визначила за одиницю сили світла канделу. Це світло, яке випромінюється з площини перерізом 1/600 000 м² повного випромінювача у перпен­дикулярному до цього перерізу напрямку при температурі твердіння платини і тиску 101 325 Па.

Державний первинний еталон одиниці світла - кандела - скла­дається з двох взаємозамінних повних випромінювачів та апаратури вимірювання. Повний випромінювач являє собою тонкостінну трубку з оксиду торію, занурену у розплавлену платину. Нагрівання платини проводиться у високочастотній індукційній печі, а вимірювання сили світла - за допомогою фотоелектричного фотометра.

Середнє квадратичне відхилення результату відтворення та передачі одиниці сили світла державним еталоном не перевищує 2-10^-3.

Еталон кількості речовини - моль. За еталон кількості речовини прийнятий моль - кількість речовини системи, яка містить стільки ж структурних елементів часток, скільки атомів міститься в 12 г вуглецю-12 (1 моль вуглецю має масу 2 г, 1 моль кисню - 32 г, а 1 моль води - 18 г).

Однією з причин того, що еталон одиниці кількості речовини не створений, є недостатня чіткість визначення цієї одиниці і відсутність методу її виміру відповідно до визначення. Тим більше, що цю одиницю важко назвати основною, так як її визначення пов’язане з одиницею маси. Цілком можливо, що цю одиницю буде переведено в розряд спеціальних одиниць маси.