Все о датчиках температуры.
Первый универсальный русскоязычный портал

Символ нового года

Разработка нового определения кельвина

 

9-ый проект брошюры "Международная система единиц СИ" (декабрь 2013) >>

В течении многих лет Международный комитет по мерам и весам при МБМВ исследовал возможность переопределения основных единиц Международной системы СИ через универсальные физические константы для того, чтобы устранить зависимость единиц от какого-либо образца или материала. В 2005 г. была издана Рекомендация №1 МКМВ одобряющая действия по разработке новых определений основных единиц: килограмма, ампера, кельвина и моля, основанных на фундаментальных физических константах.

Новое определение кельвина будет основано на назначении фиксированного значения для постоянной Больцмана, которая является коэффициентом, связывающим единицу температуры с единицей тепловой энергии. Величина кТ = τ , которая присутствует в уравнениях состояния, является характеристической энергией, определяющей распределение энергии между частицами системы, находящейся в тепловом равновесии. Так, для несвязанных атомов, температура пропорциональна средней кинетической энергии. Если в настоящее время фиксированное значение приписано температуре тройной точки воды, а постоянная Больцмана является зависимой величиной, то по предложению МКМВ, фиксированное значение будет иметь постоянная Больцмана, а все температуры реперных точек, включая тройную точку воды, будут измеряемыми величинами.
(Более подробную информацию о понятии "температура" и смысле постоянной Больцмана можно получить из раздела сайта (МТШ-90/Введение)

В рамках ККТ была создана специальная рабочая группа, которая должна обобщить материалы исследований по измерению константы Больцмана, изучить последствия введения нового определения, его положительные и отрицательные стороны.

Главным преимуществом введения нового определения кельвина МКМВ считает повышение точности температурных измерений в области температур, далекой от тройной точки воды. Таким образом, например, станет возможным применение абсолютных радиационных термометров без опоры на тройную точку воды. Новое определение кельвина будет способствовать развитию первичных термодинамических методов реализации температурной шкалы, наряду с методами, описанными в МТШ-90. В перспективе, новое определение кельвина должно привести к повышению точности температурной шкалы и расширению ее диапазона без серьезных экономических и организационных последствий, сопровождавших введение новых предыдущих практических шкал.

В мае 2007 г. рабочая группа ККТ опубликовала на сайте МБМВ отчет о ходе работы по подготовке к пересмотру определения кельвина и выпустила специальное обращение к метрологам, которое мы приводим на сайте на языке оригинала и в переводе на русский язык:

Updating the definition of the kelvin

The international measurement community, through the International Committee for Weights and Measures, is considering updating the International System of Units (SI). This update, which will probably occur in 2011, will redefine the kilogram, the ampere and the kelvin in terms of fundamental physical constants. The kelvin, instead of being defined by the triple point of water as it is currently, will be defined by assigning an exact numerical value to Boltzmann’s constant. The change would generalise the definition, making it independent of any material substance, measurement technique, and temperature range, to ensure the long-term stability of the unit.

For almost all users of temperature measurements, the redefinition will pass unnoticed; water will still freeze at 0 °C, and thermometers calibrated before the change will continue to indicate the correct temperature. The immediate benefits of the redefinition will be to encourage the use of direct measurements of thermodynamic temperatures in parallel with the methods described in the International Temperature Scale.

In the longer term, the new definition will allow the accuracy of temperature measurements to gradually improve without the limitations associated with the manufacture and use of triple point of water cells. For some temperature ranges at least, true thermodynamic methods are expected to eventually replace the International Temperature Scale as the primary standard of temperature.

(перевод)

Международное сообщество метрологов, через представителей в Международном Комитете по мерам и весам, рассматривает вопрос о пересмотре Международной Системы Единиц (СИ). Изменение СИ вероятно произойдет в 2011 г. и коснется переопределения таких величин как килограмм, ампер и кельвин. Единица кельвин, взамен определения через тройную точку воды, как это установлено на настоящий момент, будет определяться посредством назначения точного значения константе Больцмана. Это изменение будет делать определение единицы температуры более общим, не зависимым от какого-либо материала, методики измерений, и температурного диапазона, что обеспечит долговременную стабильность единицы.

Для почти всех людей, занимающихся измерением температуры, переопределение единицы температуры будет не заметно. Вода будет по-прежнему затвердевать при 0 °С и термометры, градуированные до изменения определения кельвина будут по-прежнему показывать правильное значение температуры. Преимуществом переопределения единицы станет продвижение техники прямых измерений термодинамической температуры параллельно с методами, описанными в МТШ.

В последствии новое определение будет способствовать постепенному повышению точности температурных измерений без ограничений, накладываемых производством и использованием сосудов тройной точки воды. Ожидается, что, по крайней мере, для некоторых диапазонов прямые термодинамические методы могут заменить МТШ как первичный эталон температуры.

Более подробная информация приведена в отчете рабочей группы для CIPM, находящимся в свободном доступе на сайте МБМВ (Kelvin_CIPM.pdf)

Основные положения, рассматриваемые в документе ККТ «Report to the CIPM on the implications of changing the definition of the base unit kelvin» следующие:

1.Изменение определения кельвина практически не повлияет на реализацию МТШ-90 и передачу размера единицы температуры рабочим СИ. МТШ-90 в обозримом будущем будет использоваться как наиболее точная и надежная аппроксимация термодинамической шкалы. Однако это не будет единственная, используемая для температурных измерений шкала. В отдаленном будущем термодинамические методы возможно достигнут такой точности, что смогут постепенно стать основными методами измерения температуры. В обозримом будущем ключевой диапазон шкалы -200…960 °С по-прежнему будет осуществляться с помощью платиновых термометров сопротивления. Значения температур реперных точек останутся прежними. Неопределенность измерений будет зависеть от практической реализации точек и неединственности шкалы.

2.Немного изменяться неопределенности, которые приписаны температурам реперных точек на этапе подготовки МТШ-90. Заметим, что эти неопределенности после утверждения шкалы обычно никого из практиков не интересуют, хотя составляют в середине диапазона несколько десятков мК из-за сложностей работы с приборами первичной термометрии. Поскольку фиксированным значением будет постоянная Больцмана, то температура тройной точки воды, оставаясь по-прежнему равной 273,16 К приобретет неопределенность, связанную с экспериментальным определением этой константы. Например, сейчас это примерно 1,8 х10-6, что соответствует неопределенности температуры ТТВ 0,49 мК. Трансформирование этого значения на остальные точки будет не существенным, учитывая приписанную им неопределенность. Например, в точке алюминия (660,323 °С) вместо 25 мК мы получим 25,1 мК. Такие изменения никак не могут повлиять на принятые стандарты, устанавливающие допуски к термопарам, термометрам сопротивления и другим промышленным датчикам.

3.В настоящее время не известны методы, позволяющие существенно снизить неопределенность реализации ТТВ, которая составляет примерно 0,05 мК. Поэтому фиксирование постоянной Больцмана на данном этапе развития науки не может в обозримом будущем повлиять на значение, которое является принятым на настоящий момент, т.е. 273,16 К.

В отчете рассматриваются следующие возможные варианты нового определения единицы температуры:

(1) The kelvin is the change of thermodynamic temperature that results in a change of thermal energy kT by exactly 1.380 65XX x 10-23 joule. (Кельвин – изменение термодинамической температуры, которое обуславливает изменение тепловой энергии кТ на 1.380 65XX x 10-23 джоуля) (знаки ХХ в значении будут заменены на точные числа в момент принятия нового определения кельвина.)

(1a) The kelvin is the change of thermodynamic temperature T that results in a change of the thermal energy kT by exactly 1.380 65XX x 10-23 joule, where k is the Boltzmann constant. (Кельвин – изменение термодинамической температуры, которое обуславливает изменение тепловой энергии кТ на 1.380 65XX x 10-23 джоуля, где к – постоянная Больцмана)

(2) The kelvin is the thermodynamic temperature at which the mean translational kinetic energy of atoms in an ideal gas at equilibrium is exactly (3/2) 1.380 65XX x 10-23 joule. (Кельвин –термодинамическая температура, при которой средняя кинетическая энергия поступательного движения атомов идеального газа в состоянии равновесия равна (3/2) х 1.380 65XX x 10-23 джоуля)

(3) The kelvin is the thermodynamic temperature at which particles have an average energy of exactly (1/2) x 1.380 65XX x 10-23 joule per accessible degree of freedom. (Кельвин – термодинамическая температура, при которой средняя энергия частиц равна точно (1/2) х 1.380 65XX x 10-23 джоуля на одну степень свободы)

(4) The kelvin, unit of thermodynamic temperature, is such that the Boltzmann constant is exactly 1.380 65XX x 10-23 joule per kelvin. (Кельвин – это единица термодинамической температуры, такая, что постоянная Больцмана равна точно 1.380 65XX x 10-23 джоуля на кельвин)

У каждого из рассматриваемых вариантов есть свои плюсы и минусы. Сейчас ККТ высказывается за последнее определение, осознавая, что в предыдущих вариантах есть неточности. Однако, надо принимать во внимание политику МКМВ в области переопределения других единиц СИ. Если будет решено, что определения должны отражать природу единицы, то, скорее всего, будет принят первый вариант.


17 - 21 октября 2011 г. в Севре под Парижем состоялось 24-е заседание Генеральной Конференции по Мерам и Весам. Конференция одобрила будущие предлагаемые изменения в определениях основных единиц СИ: кельвина, ампера, моля и килограмма.

В пресс-релизе МБМВ отмечено, что 21 октября 2011 г. ГКМВ сделала исторический шаг по направлению к переопределению физических единиц, приняв Резолюцию №1 и, таким образом, анонсировав грядущее введение новых определений единиц и определив основные шаги необходимые для окончательного завершения проекта перехода на новые определения. В пресс-релизе МБМВ также подчеркивается, что переход на новые определения единиц должен осуществляться с осторожностью. Необходимо проводить консультации и разъяснения для всех людей о том, что он не должен повлиять на измерения в повседневной жизни: килограмм по-прежнему будет тем же килограммом, вода будет замерзать при нуле градусов Цельсия и т.д. Никто в повседневной жизни ничего не должен заметить. Изменения определений немедленно скажутся только на самых точных, эталонных измерениях, проводимых в научных лабораториях мира.

Новые определения кельвина, ампера, моля не оспариваются членами консультативных комитетов. Наибольшие сложности вызывает передача размера единицы килограмма от прототипа килограмма, хранящегося в МБМВ.

Переопределение килограмма требует сначала высокоточного измерения какой-либо фундаментальной константы по отношению к массе реального прототипа килограмма. Затем числовое значение этой фундаментальной константы будет зафиксировано и тот же экспериментальный метод будет использован для измерения массы всех объектов. После переопределения необходимы будут несколько эквивалентных лабораторий в мире, которые способны проводить эталонные измерения массы. Для наиболее точных измерений целевая неопределенность должна быть не хуже 20 мкг на килограмм. Эту точность сейчас можно достичь двумя методами. Первый метод – метод «электоронных весов», который позволяет определить массу через постоянную Планка. Второй метод – сравнение массы прототипа килограмма и массы атома кремния. Эти два метода должны давать один и тот же результат. Современная ситуация оценивалась CODATA на основе работы, опубликованной в конце 2010 г. Было сделано заключение, что неопределенность постоянной Планка на основании всех имеющихся экспериментальных данных составляет сейчас 44 мкг на килограмм. Генеральная конференция по метрам и весам (ГКМВ) заявила, что не одобрит новые определения единиц до тех пор, пока не будут решены все проблемы с единицей массы. Завершение проекта перехода на новые определения единиц СИ планировалось в 2014 г.

В 2014 году 25-е заседании Генеральной Конференции по Мерам и Весам был отмечен прогресс в определении физических констант и был утвержден стратегический план перехода на новое определение Кельвина и других величин. С планом можно ознакомиться на сайте МБМВ по ссылке: SI road map

Для более широкого освящения процесса перехода на новые определения единиц Интернет сайт МБМВ открыл новый раздел «new si» В разделе каждый в доступной форме может найти ответы на вопросы: «почему нужны новый определения?», «когда произойдут изменения?», «как изменения повлияют на повседневную жизнь?» и т.д. Рекомендуем ознакомиться с данным разделом всем специалистам, которые опасаются перехода на новое определения кельвина.

Ссылки по теме:

Резолюция №1 ГКМВ от 21 октября 2011 г.
Пресс-релиз МБМВ
Документ ККТ «Report to the CIPM on the implications of changing the definition of the base unit kelvin» (2007 г.)

9-ый проект брошюры "Международная система единиц СИ" (декабрь 2013) >>

Статьи на сайте по данной теме:

Статья из раздела "Колонка редактора" «Кто боиться кельвина?»

Доклад Иоахима Фишера "КЕЛЬВИН В НОВОЙ СИСТЕМЕ ЕДИНИЦ СИ" на Всероссийской конференции ТЕМПЕРАТУРА 2011 в Санкт-Петербурге.