Изменения килограмма и других единиц СИ в День метрологии, 2019
Во Всемирный день метрологии, 20 мая 2019 года, были введены новые значения для базовых единиц Международной системы единиц (СИ) килограмма, кельвина, моль и ампера, а также производных единиц, таких как вольт и ом. Эти значения основаны на переопределениях постоянной Планка, элементарного заряда, постоянной Больцмана и постоянной Авогадро. Изменения основаны на изменении определения килограмма, единицы массы СИ, которая перешла от физического артефакта - хранящегося в Международном бюро измерений и весов (BIPM) с 1889 года - до выражения через постоянную Планка, доступ к которой можно получить из любой точки вселенной. Новое определение килограмма приносит пользу всему миру в потенциальном улучшении доступа к реализации килограмма и устраняет риски, связанные с поддержанием стандарта, основанного на единственном артефакте.
В результате переопределений некоторые эталонные стандарты измерений должны быть скорректированы с учетом нового значения определения. Другие эталонные стандарты измерений могут учитывать переопределенное значение путем включения дополнительного коэффициента в расчёт неопределенности измерений. Эта прикладная заметка суммирует изменения, вносимые в единицы СИ, и дает рекомендации о том, как их реализовать.
Единицы СИ имеют историю изменений
Это не первый случай, когда была произведена регулировка измерительной системы. Например, в 1990 году было определено, что вольт основан на эффекте Джозефсона, а ом - на квантовом эффекте Холла. В то время сдвиг 1 вольт составлял 9,26 x 10-6 (9,26 ppm или 0,000926%), что было критично, поскольку большой процент лабораторий имел устройства со сравнимой с этой величиной погрешностью, такие как высокопроизводительный многофункциональный калибратор Fluke 5700A. Определение вольта1990 года превышает технические характеристики этого продукта в диапазонах 11 вольт и 22 вольт, поэтому Fluke 5700A, который был откалиброван в соответствии с представлением вольта в 1989 году, будет вне допуска по сравнению с вольтом 1990 года. Fluke 5700A использовался не только во многих национальных метрологических институтах (НМИ), но и в калибровочных лабораториях первичного, вторичного и рабочего уровней, а в некоторых случаях - в испытательных лабораториях по всему миру, как сегодня Fluke 5730A.
Корректировки вольта 20 мая 2019 года почти в 100 раз меньше, чем корректировка 1990 года, и в результате будет затронуто меньшее количество организаций. Тем не менее, метрологи должны знать о переопределении и его последствиях для их калибровочной лаборатории.
Эксперименты по переходу на новое определение килограмма и влияние на другие определения СИ
Чтобы перейти от Международного Прототипа килограмма (IPK) к определению через базовую постоянную, была проведена серия экспериментов в сотрудничестве с ведущими НМИ в мире. Эксперименты включали реализацию килограмма через весы Киббла (ватт-весы) и с помощью рентгеновской плотности кристаллов. В результате экспериментов 20 мая 2019 года были обновлены следующие константы:
Постоянная Планка h составляет ровно 6,626 070 15 × 10-34 джоулей секунды
Элементарный заряд е составляет ровно 1.602 176 634 × 10-19 кулонов
Постоянная Больцмана k составляет ровно 1,380 649 × 10-23 Дж на Кельвин
Число Авогадро NA составляет ровно 6,022 140 76 × 1023 моль-1
СИ будет по-прежнему иметь те же семь базовых единиц, но новое определение килограмма теперь будет выражаться через постоянную Планка; ампер будет определяться в терминах элементарного заряда; кельвин будет определяться через постоянную Больцмана; и моль будет определяться в терминах постоянной Авогадро.
Настройка системы измерений в результате изменения постоянных
Вольт V
Обновление постоянной Планка и заряда электрона приведет к сдвигу 0,107 x 10-6 или 0,107 частей на миллион (ppm). Новое значение для постоянной Джозефсона (2e/h) немного меньше значения 1990 года, поэтому значение напряжения, измеренное устройством, базирующееся на определении, принятом до 2019 года, будет больше значения 1990 года примерно на 0,1 ppm. Калибровочные лаборатории, в которых используется система напряжения Джозефсона (JVS) для непосредственного определения напряжения, должны будут обновить значение константы Джозефсона в программном обеспечении своей системы. Единственным другим коммерческим прибором, который может наблюдать эту настройку, является серия стандартов постоянного напряжения Fluke 732. Когда Fluke 732 калибруется по JVS, неопределенность, возникающая для калибровки, обычно составляет от 0,06 до 0,1 ppm. Хотя скорректированное значение будет равно неопределенности калибровки, долговременная стабильность намного больше этого, что позволяет пренебречь погрешностью, вносимой изменением постоянной.
Консультативный комитет по электричеству и магнетизму (CCEM) Международного комитета мер и весов (CIPM) разработал руководство, в котором говорится, что никаких действий не требуется, если неопределенности, связанные с напряжением, превышают 0,25 ppm. Если ваша неопределенность для напряжения ниже 0,25 ppm и вы не имеете прямого доступа к JVS, мы рекомендуем вам добавить поправку 0,107 ppm в свой анализ неопределенности.
Ом Ω
Изменение величины ома намного меньше, чем у вольта, примерно 0,02 ppm. Если ваша лаборатория использует стандарт сопротивления на основе квантового эффекта Холла (QHR), значение для константы Фон Клитцинга должно быть обновлено в программном обеспечении операционной системы так же, как в случае с вольтом. Однако, поскольку большинство калибровочных лабораторий не используют QHR, значение этой регулировки, как правило, незначительно, так как это составляет половину неопределенности калибровки, которую обеспечивает герметизированный эталонный манганиновый резистор. Руководство CCEM гласит, что не требуется никаких действий для неопределенностей сопротивления, которые превышают 0,05 ppm.
Килограмм кг
20 мая 2019 года калибровки, которые можно отследить до IPK, будут иметь расширенную расширенную неопределенность 0,02 ppm, что составляет менее половины неопределенности калибровки NIST при 1 кг, поэтому эта корректировка незначительна для промышленных калибровочных лабораторий.
Паскаль Па
Фундаментальная единица измерения СИ, Паскаль выражается в N / м2, которая может быть дополнительно уменьшена до кг / м • с2. Поскольку метр и секунда не были переопределены в 2019 году, единственное изменение основано на килограмме, который снова составляет приблизительно 0,02 ppm. Наиболее точные калибровки давления находятся на уровне ppm, поэтому, опять же, эта настройка незначительна.
Кельвин К
Хотя определение единицы СИ для термодинамической температуры, Кельвина, переопределяется в терминах постоянной Больцмана, определения ITS-90 не меняются, поэтому любая калибровка, которая выполняется в соответствии с ITS-90 или PLTS-2000 не изменится.
Рекомендуемые товары
Стандартные эталонные напряжения постоянного тока Fluke 732C и 734C
Высокопроизводительный многофункциональный калибратор Fluke 5730A
