В чем разница между реализацией, представлением и реализацией в метрологии?

Справочным документом по метрологическим терминам является Международный словарь метрологии (VIM). Определения там тщательно разработаны, но часто они могут показаться немного неясными для неметрологов, и могут потребоваться дополнительные комментарии.

Что касается реализации и воспроизведения ( представление также встречается в литературе для воспроизведения), их значение находится под термином эталон измерения :

Реализация определения заданной величины с установленным значением величины и связанной с ней неопределенностью измерения, используемой в качестве эталона.

В частности, в соответствующих примечаниях 1 и 3 говорится:

ПРИМЕЧАНИЕ 1. «Реализация определения данной величины» может быть обеспечена измерительной системой, мерой материала или эталонным материалом.

ПРИМЕЧАНИЕ 3. Термин «реализация» используется здесь в самом общем значении. Он обозначает три процедуры «реализации». Первый заключается в физической реализации единицы измерения из ее определения и является реализацией sensu stricto . Второй, называемый «воспроизведением», заключается не в реализации единицы измерения из ее определения, а в создании высоковоспроизводимого эталона измерения на основе физического явления, как это происходит, например, в случае использования стабилизированных по частоте лазеров для установления эталон измерения для метра, эффекта Джозефсона для вольта или квантового эффекта Холла для ома. Третья процедура состоит в принятии материальной меры в качестве эталона. Это происходит в случае эталона измерения 1 кг.

Поэтому термины реализация и воспроизведение обозначают объект или эксперимент с определенными свойствами.

Чтобы проиллюстрировать разницу между строгой реализацией и репродукцией, возьмем пример конкретной величины, единицы Ом (обратите внимание, что единица — это величина, пусть и специально выбранная).

Во-первых, мы должны определить , что представляет собой эта величина: это можно сделать словами, возможно, с помощью математических соотношений, включающих другие величины, и путем добавления спецификаций влияющих величин .

Ом в СИ определяется следующим образом [ CIPM, 1946: Резолюция 2 ]:

Ом — это электрическое сопротивление между двумя точками проводника, когда постоянная разность потенциалов в 1 вольт, приложенная к этим точкам, создает в проводнике ток силой 1 ампер, причем проводник не является местом действия какой-либо электродвижущей силы.

Пока все хорошо, или, по крайней мере, так кажется. На самом деле мы немного застряли, потому что мы можем определить ампер и вольт соответственно через балансы тока и напряжения, но воспроизводимость омов, реализованных таким образом, будет низкой, примерно на уровне$10^{-6}$уровень. И процедура будет довольно сложной. Нас спасли в 1956 году Томпсон и Лэмпард, которые открыли новую теорему в электростатике [1], являющуюся электростатическим двойником теоремы Ван дер Пау [2,3]. Эта теорема, по сути, говорит, что вы можете построить эталон емкости (то есть вычислить фарад или одну из его дольных частей), емкость которого можно точно рассчитать (чего вы не можете сделать, например, с конденсатором с параллельными пластинами). Если у нас есть эталон емкости, через отношения$Y = \mathrm{j}\omega C$а также$Z = 1/Y$, имеем эталоны адмиттанса и импеданса, то есть имеем сименс и ом, правда в режиме переменного тока.

Таким образом, строгая реализация СИ ома как эталона сопротивления примерно выглядит следующим образом:

1. Вы строите вычислительный конденсатор (и десять лет вашей жизни ушли). Обычно расчетный конденсатор длиной 1 м имеет емкость около 1 пФ, что на частоте кГц соответствует довольно высокому импедансу (краткую библиографию по расчетному конденсатору см. на этой странице ).
2. С помощью мостов импеданса вы масштабируете емкость до более высоких значений (например, 1 нФ).
3. С помощью квадратурного импедансного моста вы сравниваете значение импеданса стандартного резистора с вычисляемым поведением AC-DC со значением масштабированной емкости.
4. Вы вычисляете постоянное значение сопротивления.
5. Вы уменьшаете сопротивление до 1 Ом с помощью моста сопротивления.

После того, как все эксперименты заработают (через много лет), реализация Ома через приведенную выше цепочку экспериментов может занять не один месяц, но самый важный вопрос заключается в том, что воспроизводимость Ома реализована таким образом, хотя и лучше. чем то, что можно получить посредством реализации вольта и ампера, как раз на$10^{-7}$-$10^{-8}$уровень.

Затем наступает квантовый эффект Холла (КЭХ). Элемент QHE в условиях низкой температуры и сильного магнитного поля реализует четырехполюсное сопротивление (или транссопротивление ) со значением сопротивления$R_\mathrm{H} = R_\mathrm{K}/i$, куда$R_\mathrm{K}$– постоянная, постоянная фон Клитцинга, и$i$представляет собой целое число, называемое индексом плато (обычно мы используем плато, соответствующее$i=2$). К концу 1980-х годов стало ясно, что элементы QHE могут обеспечивать эталоны сопротивления с гораздо лучшей воспроизводимостью, чем другие методы, описанные выше: в то время порядка$10^{-8}$-$10^{-9}$; в настоящее время порядка$10^{-10}$-$10^{-11}$(на два-три порядка лучше, чем у расчетного конденсатора). Оказывается также, что постоянная фон Клитцинга связана с двумя фундаментальными константами, постоянной Планка и элементарным зарядом,$R_\mathrm{K} = h/e^2$.

Таким образом, в конце 1980-х ситуация выглядит следующим образом:

1. Эксперимент с КЭХ гораздо проще реализовать, чем эксперимент с вычисляемым конденсатором (и гораздо дешевле).
2. Сопротивление, полученное в эксперименте с КЭХ, имеет гораздо лучшую воспроизводимость, чем сопротивление, полученное в эксперименте с вычисляемым конденсатором.
3. Однако точность константы фон Клитцинга находится лишь на уровне реализации СИ ом, т.е.$10^{-7}$, и отношения$R_\mathrm{H} = R_\mathrm{K}/i = h/(e^2 i)$еще не имеет достаточно прочной теоретической базы для использования.

Первые два пункта предполагают принятие общепринятой единицы сопротивления путем определения общепринятого значения константы фон Клитцинга [ CIPM, 1988: Рекомендация 2 ]. Это условное значение постоянной фон Клитцинга обозначается как$R_{\mathrm{K}-90}$(потому что он был принят в 1990 году) и имеет значение

$$R_\mathrm{K-90} = 25\,812.807\,\Omega\quad \text{(exact)}.$$

Условной единицей сопротивления является$\mathit{\Omega}_{90}$, определяемый как ¹

$$\mathit{\Omega}_{90} = \frac{R_\mathrm{K}}{\{R_\mathrm{K-90}\}} = \frac{R_\mathrm{K}}{25\,812.807}.$$

В настоящее время практически все национальные шкалы резистентности восходят к этой условной единице.

Теперь стоит отметить, что количество$\mathit{\Omega}_{90}$не имеет связи с СИ-омом: он близок к (относительное расхождение порядка$10^{-8}$), но совсем не одно и то же. Таким образом$\mathit{\Omega}_{90}$называется воспроизведением (или представлением) ома, потому что каким-то образом реализует ом, но не по его определению.

В настоящее время это не единственная воспроизводимая единица: вольт в настоящее время воспроизводится с помощью эффекта Джозефсона через условное значение постоянной Джозефсона , а термодинамическая температурная шкала воспроизводится через две общепринятые температурные шкалы, Международная температурная шкала 1990 г. (ITS-90) и Предварительной шкале низких температур 2000 года (PLTS-2000) .

Вместо этого, с предстоящим пересмотром Международной системы единиц, так называемая «новая система СИ» , квантовый эффект Холла и эффект Джозефсона действительно обеспечат реализации СИ для ома и вольта ( см . электрические агрегаты).

Наконец, что касается термина « реализация », насколько я знаю, он не имеет конкретного технического значения в сообществе метрологов, а используется в общепринятом английском значении (тогда как реализация имеет несколько иную коннотацию). Так, например, мы можем говорить о двух разных реализациях эксперимента с квантовым сопротивлением Холла (поскольку некоторые детали могут различаться).

Заметки

¹ Примечание по обозначениям: количество$\mathit{\Omega}_{90}$выделено курсивом, поскольку не является единицей СИ; фигурные скобки обозначают числовое значение величины в соответствии с обозначениями$Q = \{Q\}[Q]$[4,5, и этот вопрос ].

использованная литература

[1] А. М. Томпсон и Д. Г. Лэмпард (1956), «Новая теорема в электростатике и ее применение к вычисляемым стандартам емкости», Nature , 177, 888.

[2] Л. Дж. Ван дер Пау (1958), «Метод измерения удельного сопротивления и эффекта Холла дисков произвольной формы», Philips Research Reports , 13, 1–9.

[3] LJ van der Pauw (1958), «Метод измерения удельного сопротивления и коэффициента Холла на пластинах произвольной формы», Philips Technical Review , 20, 220–224.

[4] Э.Р. Коэн и соавт. (2008), Количества, единицы и символы в физической химии , Зеленая книга ИЮПАК, 3-е издание, 2-е издание, Издательство ИЮПАК и RSC, Кембридж [ онлайн ]

[5] Э. Р. Коэн и П. Джакомо (1987), Символы, единицы, номенклатура и фундаментальные константы в физике , Красная книга IUPAP SUNAMCO, редакция 1987 г., IUPAP & SUNAMCO, Нидерланды [ онлайн ]