Эталон времени
Эталон времени или Эталон единицы времени — принятая наукой неизменная единица измерения времени, воспроизводимая первичным эталоном с наивысшей точностью и обеспечивающая хранение физической величины для передачи ее вторичным и рабочим эталонам[1]. Единой общепринятой в мире эталонной единицей времени является секунда[2].
Современные эталоны единицы времени воспроизводят одновременно и единицу частоты — герц. Их называют «Эталон единицы времени и частоты».
По назначению первичный эталон воспроизводит, хранит единицу времени и передает ее размер вторичным эталонам, которые являются не менее точными, но имеющими более широкий диапазон измерений. Вторичные эталоны передают размер единицы рабочим эталонам, а рабочие, в свою очередь передают копию размера менее точным эталонам и другим рабочим средствам измерения[3]. Вторичные эталоны также несут функцию эталона-свидетеля, который служит для проверки сохранности и неизменности государственного эталона и его замены в случае порчи или утраты[4].
Государственные эталоны создаются, хранятся и применяются центральными метрологическими научными институтами страны[5].
Этапы развития
Измерения времени основаны на процессах, период которых должен быть постоянен с большой точностью. С древних времен процессом такого рода было вращение Земли вокруг своей оси. Секунда равнялась 1/86400 части солнечных суток. Определялось время суток по принципу наблюдения за каким-нибудь небесным объектом, его прохождения через плоскость меридиана того места, откуда велось наблюдение. Со временем оказалось, что под влиянием приливов и отливов, продолжительность земных суток была неравномерна и метод определения секунды был пересмотрен[6].
Следующим процессом определения секунды стал более равномерный цикл времени — тропический год[7]. Тропическим годом считался промежуток времени от весеннего равноденствия до следующего весеннего равноденствия. Единица времени стала 1/31556925,9447 части этого промежутка времени, а точность увеличилась почти в 100 раз[2].
Благодаря этим исследованиям были придуманы маятниковые часы, а позднее кварцевые часы. Со временем лучшие кварцевые часы превзошли точность природного эталона и появилась потребность в более точных методах.
В 60-е годы 20 века был создан квантовый генератор, а вслед за ним создали молекулярный хронометр и совершили переход к атомному способу вычисления эталонной единицы. Благодаря этому точность эталонной секунды стала очень высокой — погрешность стала не больше одной миллиардной доли процента. Позднее эту погрешность удалось сократить еще в 100 раз[8].
В 1967 году был реализован переход от астрономического времяисчисления к атомному. Единица времени получила новое определение, секунда — «интервал времени, в течение которого совершается 9192631770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между определенными уровнями сверхтонкой структуры основного состояния в атомах цезия-133»[8].
Современные эталоны времени
Современный эталон единицы времени и частоты — сложный комплекс, в состав которого входят: цезиевые реперы частоты (генератора, дающего определенную частоту, воспроизводит размер секунды), водородные реперы частоты, водородные хранители частоты и шкал времени, цезиевый хранитель шкал времени, система формирования рабочей шкалы времени, радиооптический частотный мост, аппаратура измерения интервалов времени, аппаратура изменения частот, управляющая ЭВМ, приемно-регистрирующий комплекс системы внешних сличений, аппаратура сличения шкал времени через метеорные следы, аппаратура сличения шкал времени через навигационные станции, перевозимые квантовые часы, перевозимый лазер и система обеспечения эталона[9].
Благодаря водородному хранителю, эталонные часы стали настолько точными, что имеют погрешность всего одну секунду за 700 лет работы без остановки[10].
Сферы использования средств измерения времени и частоты[11]:
- Навигация
- Оборона и безопасность
- Промышленность
- Космонавтика
- Транспорт
- Связь и коммуникации
- Приборостроение
- Энергетика
- Наука
Примечания
- ↑ ГОСТ 8.129-2013 Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Государственная поверочная схема для средств измерений времени и частоты. Электронный фонд правовой и нормативно-технической документации. Архивировано 23 февраля 2019 года.
- ↑ 2,0 2,1 Секунда. Большая Российская энциклопедия. Архивировано 13 февраля 2019 года.
- ↑ Эталоны единиц величин. Метрология. metrob.ru. Архивировано 13 февраля 2019 года.
- ↑ Эталоны классифицируют на первичные, вторичные и рабочие. Studwood.ru. Архивировано 8 мая 2021 года.
- ↑ ГЭТ 1-98 Государственный первичный эталон времени и частоты и шкал времени в составе Единого эталона единиц времени, частоты и длины. Журнал «Контрольно-измерительные приборы и системы».. Архивировано 13 февраля 2019 года.
- ↑ Анатолий Голубев доктор технических наук. В погоне за точностью: единый эталон времени - частоты - длины. «Наука и жизнь» №12, 2009. Архивировано 13 февраля 2019 года.
- ↑ Фёдоров В. М. Межгодовые вариации продолжительности тропического года. Доклады Российской Академии наук, 2013. – т. 451. - № 1, - с. 95–97.. Архивировано 9 мая 2021 года.
- ↑ 8,0 8,1 Эталон единицы времени и частоты. studopedia.su. (недоступная ссылка)
- ↑ Эталон. Энциклопедия физики и техники. Архивировано 13 февраля 2019 года.
- ↑ Секунда. Эталон времени. Информационный Канал Subscribe.Ru. Архивировано 13 февраля 2019 года.
- ↑ Состояние эталонной базы частотновременных измерений и перспективы её развития до 2020 г.. ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений». Архивировано 13 февраля 2019 года.
Литература
- Россовская В.А. Эталон времени / Под ред. проф. д-ра тех. наук Н. Х. Прейпича. — Ленинград: Всесоюзного научно-исследовательского института метрологии, 1941. — 44 с.
- Время и частота (сборник статей), под редакцией Д. Джесперсена и других, перевод с английского. — Москва, 1973. — 213 с.
- Фёдоров В. М. Межгодовые вариации продолжительности тропического года // Доклады Российской Академии наук. — 2013. — № 1. — С. 95–97.