Баланс корма

Электромеханический весоизмерительный прибор

Весы NIST -4 Kibble, которые начали полноценную работу в начале 2015 года, в 2017 году измерили постоянную Планка с точностью до 13 частей на миллиард, что было достаточно точно, чтобы помочь в переопределении килограмма в 2019 году .

Весы Киббла — это электромеханический измерительный прибор , который очень точно измеряет вес испытуемого объекта с помощью электрического тока и напряжения , необходимых для создания компенсирующей силы. Это метрологический прибор, который позволяет определять единицу массы килограмм на основе фундаментальных констант . ^{[1] [2]}

Первоначально он назывался ваттными весами , потому что вес испытательной массы пропорционален произведению тока и напряжения, которое измеряется в ваттах . В июне 2016 года, через два месяца после смерти его изобретателя Брайана Киббла , метрологи Консультативного комитета по единицам Международного комитета мер и весов согласились переименовать прибор в его честь. ^{[3] [4]}

До 2019 года определение килограмма основывалось на физическом объекте, известном как Международный прототип килограмма (IPK). После рассмотрения альтернатив в 2013 году Генеральная конференция по мерам и весам (CGPM) согласовала критерии точности для замены этого определения на определение, основанное на использовании весов Киббла. После того, как эти критерии были достигнуты, 16 ноября 2018 года CGPM единогласно проголосовала за изменение определения килограмма и некоторых других единиц с 20 мая 2019 года, чтобы оно совпало со Всемирным днем ​​метрологии . ^{[3] [5] [6] [7] [8]} Существует также метод, называемый джоулевым балансом. Все методы, использующие фиксированное числовое значение постоянной Планка , иногда называют балансом Планка.

Дизайн

Прецизионные амперные весы в Национальном бюро стандартов США (ныне NIST ) в 1927 году. Катушки тока видны под балансом, прикрепленным к правому балансиру. Весы Киббла являются развитием баланса Ампера.

Весы Киббла — это более точная версия амперных весов , ранний прибор для измерения тока , в котором измеряется сила между двумя катушками с током, а затем используется для расчета величины тока. Баланс Киббла действует в противоположном смысле; ток в катушках очень точно устанавливается постоянной Планка , а сила между катушками используется для измерения веса тестовой килограммовой массы. Затем масса рассчитывается на основе веса путем точного измерения местной силы тяжести Земли (чистого ускорения, сочетающего гравитационные и центробежные эффекты) с помощью гравиметра . Таким образом, масса объекта определяется через ток и напряжение , что позволяет устройству «измерять массу, не прибегая к IPK ( международному прототипу килограмма ) или любому физическому объекту». ^[9]

Источник

Принцип, который используется в весах Киббла, был предложен Брайаном Кибблом из Национальной физической лаборатории Великобритании (NPL) в 1975 году для измерения гиромагнитного отношения . ^[10] В 1978 году в НПЛ совместно с Яном Робинсоном и Рэем Смитом были построены ваттные весы Mark I. ^{[11] [12]} Он действовал до 1988 года. ^[13]

Основная слабость метода амперного баланса состоит в том, что результат зависит от точности измерения размеров катушек. В весах Kibble используется дополнительный этап калибровки, чтобы компенсировать влияние геометрии катушек, устраняя основной источник неопределенности. Этот дополнительный шаг включает в себя перемещение силовой катушки через известный магнитный поток с известной скоростью. Это стало возможным благодаря установке общепринятых значений постоянной фон Клитцинга и постоянной Джозефсона , которые используются во всем мире для калибровки напряжения и сопротивления. Используя эти принципы, Брайан Киббл и Ян Робинсон в 1990 году изобрели баланс Kibble Mark II, в котором используется круглая катушка и который работает в условиях вакуума. ^[14] Брайан Киббл работал с Яном Робинсоном и Джанет Беллисс над созданием этой версии весов Mark Two. Эта конструкция позволяла проводить измерения достаточно точно для использования в новом определении единицы массы СИ: килограмма. ^[15]

Весы Киббла, созданные в Национальной физической лаборатории, были переданы Национальному исследовательскому совету Канады (NRC) в 2009 году, где ученые из двух лабораторий продолжили совершенствовать прибор. ^[16] В 2014 году исследователи NRC опубликовали наиболее точные на тот момент измерения постоянной Планка с относительной неопределенностью 1,8 × 10.⁻⁸ . ^[17] Последний документ исследователей NRC был опубликован в мае 2017 года, в котором представлено измерение постоянной Планка с неопределенностью всего 9,1 частей на миллиард, измерение с наименьшей неопределенностью на тот момент. ^[18] Другие эксперименты с балансировкой Kibble проводятся в Национальном институте стандартов и технологий США (NIST), Швейцарском федеральном бюро метрологии (METAS) в Берне, Международном бюро мер и весов (BIPM) под Парижем и Национальной лаборатории де métrologie et d'essais (LNE) в Траппе , Франция. ^[19]

Принцип

На проводящий провод длиной , по которому течет электрический ток перпендикулярно магнитному полю, действует сила Лоренца , равная произведению этих переменных. В весах Киббла ток изменяется так, что эта сила противодействует весу измеряемой массы . Этот принцип вытекает из баланса ампер. задается массой , умноженной на местное гравитационное ускорение . Таким образом, ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle B}$ ${\displaystyle w}$ ${\displaystyle m}$ ${\displaystyle w}$ ${\displaystyle m}$ ${\displaystyle g}$

${\displaystyle w=mg=BLI.}$

Весы Kibble позволяют избежать проблем измерения и второго этапа калибровки. Один и тот же провод (на практике катушка) перемещается через одно и то же магнитное поле с известной скоростью . По закону индукции Фарадея на концах провода создается разность потенциалов , равная . Таким образом ${\displaystyle B}$ ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle v}$ ${\displaystyle U}$ ${\displaystyle BLv}$

${\displaystyle U=BLv.}$

Неизвестный продукт можно исключить из уравнений, чтобы получить ${\displaystyle BL}$

${\displaystyle UI=mgv}$

${\displaystyle m=UI/gv.}$

При точном измерении , , , это дает точное значение для . Обе части уравнения имеют размеры мощности , измеряемые в ваттах в Международной системе единиц; отсюда и оригинальное название «баланс ватт». Произведение , также называемое геометрическим коэффициентом, не является тривиальным равным на обоих этапах калибровки. Геометрический фактор является постоянным только при определенных условиях стабильности катушки. ^[1] ${\displaystyle U}$ ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle g}$ ${\displaystyle v}$ ${\displaystyle m}$ ${\displaystyle BL}$

Выполнение

Режим взвешивания

Режим движения

Весы Киббла сконструированы таким образом, что измеряемая масса и катушка с проволокой подвешиваются с одной стороны весов, а противовес - с другой стороны. Система работает попеременно в двух режимах: «взвешивание» и «перемещение». Вся механическая подсистема работает в вакуумной камере для устранения эффекта плавучести воздуха. ^[20]

Во время «взвешивания» система измеряет и . Система контролирует ток в катушке, чтобы протянуть катушку через магнитное поле с постоянной скоростью . Схема измерения положения катушки и скорости использует интерферометр вместе с входом прецизионных часов для определения скорости и управления током, необходимым для ее поддержания. Требуемый ток измеряется с помощью амперметра, состоящего из эталона напряжения джозефсоновского перехода и интегрирующего вольтметра. ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle v}$ ${\displaystyle v}$

Во время «движения» система измеряет . Система перестает подавать ток на катушку. Это позволяет противовесу тянуть катушку (и массу) вверх через магнитное поле, что вызывает разницу напряжений на катушке. Схема измерения скорости измеряет скорость движения катушки. Это напряжение измеряется с использованием того же эталона напряжения и интегрирующего вольтметра. ${\displaystyle U}$

Типичные весы Киббла измеряют , , и , но не измеряют локальное гравитационное ускорение , поскольку оно не меняется быстро со временем. Вместо этого измерения проводятся в той же лаборатории с использованием высокоточного и точного гравиметра . Кроме того, баланс зависит от высокоточного и точного источника опорной частоты, такого как атомные часы, для расчета напряжения и тока. Таким образом, точность и достоверность измерения массы зависят от весов Киббла, гравиметра и часов. ${\displaystyle U}$ ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle v}$ ${\displaystyle g}$ ${\displaystyle g}$ ${\displaystyle g}$

Как и первые атомные часы, первые весы Киббла представляли собой уникальные экспериментальные устройства, большие, дорогие и хрупкие. По состоянию на 2019 год ведутся работы по выпуску унифицированных приборов по ценам, позволяющим использовать их в любой метрологической лаборатории, требующей высокоточного измерения массы. ^[21]

Помимо больших весов Киббла, примерно с 2003 года были продемонстрированы микро- или МЭМС ваттные весы (теперь называемые весами Киббла) ^[22]. Они изготавливаются на одиночных кремниевых кристаллах, аналогичных тем, которые используются в микроэлектронике и акселерометрах, и способны измерять небольшие силы в диапазоне от наноньютона до микроньютона прослеживаются до физических констант, определенных в системе SI, с помощью электрических и оптических измерений. Из-за своего небольшого размера весы MEMS Kibble обычно используют электростатические силы, а не индуктивные силы, используемые в более крупных инструментах. Также были продемонстрированы латеральный и торсионный ^{[23] варианты, основное применение которых (по состоянию на 2019 год) заключалось в калибровке} атомно-силового микроскопа . Точные измерения, проведенные несколькими группами, позволят усреднить их результаты и тем самым уменьшить экспериментальную ошибку. ^[24]

Измерения

Точные измерения электрического тока и разности потенциалов производятся в обычных электрических единицах (а не в единицах СИ), которые основаны на фиксированных « условных значениях » постоянной Джозефсона и постоянной фон Клитцинга соответственно . Текущие эксперименты с балансом Киббла эквивалентны измерению значения обычного ватта в единицах СИ. Из определения условного ватта это эквивалентно измерению стоимости продукта в единицах СИ вместо его фиксированного значения в условных электрических единицах: ${\displaystyle K_{\text{J-90}}}$ ${\displaystyle R_{\text{K-90}}}$ ${\displaystyle K_{\text{J}}^{2}R_{\text{K}}}$

${\displaystyle {\frac {1}{K_{\text{J}}^{2}R_{\text{K}}}}={\frac {1}{K_{\text{J-90}}^{2}R_{\text{K-90}}}}{\frac {\{mgv\}_{\text{W}}}{\{UI\}_{W_{90}}}}.}$

Важность таких измерений заключается в том, что они также являются прямым измерением постоянной Планка : ${\displaystyle h}$

${\displaystyle h={\frac {4}{K_{\text{J}}^{2}R_{\text{K}}}}.}$

Принцип электронного килограмма основан на значении постоянной Планка, которая по состоянию на 2019 год является точным значением. Это похоже на то, как метр определяется скоростью света . Если константа определена точно, весы Киббла не являются инструментом для измерения постоянной Планка, а являются инструментом для измерения массы:

${\displaystyle m={\frac {UI}{gv}}.}$

Эффект гравитации

Локальное гравитационное ускорение g измеряется с исключительной точностью с помощью лазерного интерферометра. Интерференционные полосы лазера — темные и светлые полосы выше — расцветают со все большей скоростью, когда свободно падающий угловой отражатель падает внутрь абсолютного гравиметра . Развертка частоты паттерна синхронизируется атомными часами.

Гравитация и природа весов Киббла, которые колеблют испытательные массы вверх и вниз против местного гравитационного ускорения g , используются так, что механическая мощность сравнивается с электрической мощностью, которая представляет собой квадрат напряжения, разделенный на электрическое сопротивление. Однако g значительно варьируется - почти на 1% - в зависимости от того, где на поверхности Земли производится измерение (см. Гравитация Земли ). Существуют также небольшие сезонные колебания g в определенном месте из-за изменений уровня подземных вод, а также более крупные полумесячные и суточные изменения из-за приливных искажений формы Земли, вызванных Луной и Солнцем. Хотя g не будет термином в определении килограмма, он будет иметь решающее значение в процессе измерения килограмма при соотношении энергии и мощности. Соответственно, g необходимо измерять по крайней мере с такой же точностью и аккуратностью, как и другие термины, поэтому измерения g также должны быть прослежены до фундаментальных констант природы. Для наиболее точных работ в области массовой метрологии g измеряется с помощью абсолютных гравиметров падающей массы , которые содержат стабилизированный йодом гелий-неоновый лазерный интерферометр . Выходной сигнал интерферометра с разверткой частоты измеряется с помощью рубидиевых атомных часов . Поскольку точность и стабильность этого типа гравиметра падающей массы обусловлены постоянством скорости света, а также врожденными свойствами атомов гелия, неона и рубидия, термин «гравитация» в описании полностью электронного килограмма также измеряется в терминах инвариантов природы — и с очень высокой точностью. Например, в подвале объекта NIST в Гейтерсбурге в 2009 году при измерении силы тяжести, действующей на испытательные массы Pt-10Ir (которые плотнее, меньше и имеют немного более низкий центр тяжести внутри весов Киббла, чем массы из нержавеющей стали), измеренное значение обычно находилось в пределах 8 частей на миллиард от9,801 016 44  м/с ² . ^{[25] [26] [27]}

Смотрите также

• Альтернативные подходы к новому определению килограмма § Баланс корма
• Баланс Гуи

Рекомендации

1. Робинсон, Ян А.; Шламмингер, Стефан (2016). «Баланс ватта или Киббла: метод реализации нового определения единицы массы в системе СИ». Метрология . 53 (5): А46–А74. дои : 10.1088/0026-1394/53/5/A46 . ПМЦ  8752041 . ПМИД  35023879.
2. Палмер, Джейсон (26 января 2011 г.). «Обуздание программы похудения на килограмм». Новости BBC . Новости BBC . Проверено 16 февраля 2011 г.
3. "Баланс корма". Образование . Веб-сайт Национальной физической лаборатории Великобритании. 2016 . Проверено 15 мая 2017 г.
4. Консультативный комитет по единицам (CCU), Отчет о 22-м заседании (15-16 июня 2016 г.), стр. 32-32, 35.
5. Чо, Адриан (2017). «Сюжет по новому определению килограмма близок к кульминации». Наука . 356 (6339): 670–671. дои : 10.1126/science.356.6339.670. ПМИД  28522473.
6. Милтон, Мартин (14 ноября 2016 г.). «Основные моменты работы МБМВ в 2016 году» (PDF) . п. 10. Архивировано из оригинала (PDF) 1 сентября 2017 года . Проверено 1 сентября 2017 г.
7. Решение CIPM/105-13 (октябрь 2016 г.)
8. Матерезе, Робин (16 ноября 2018 г.). «Историческое голосование связывает килограмм и другие единицы с естественными константами». НИСТ . Проверено 16 ноября 2018 г.
9. Матерезе, Робин (14 мая 2018 г.). «Килограмм: Баланс корма». НИСТ . Проверено 22 ноября 2018 г.
10. Киббл, BP (1976). «Измерение гиромагнитного отношения протона методом сильного поля». Атомные массы и фундаментальные константы 5 . стр. 545–551. дои : 10.1007/978-1-4684-2682-3_80. ISBN 978-1-4684-2684-7.
11. «Памяти доктора Брайана Киббла, 1938–2016» . Калифорнийская лаборатория: Международный журнал метрологии . Апрель Май Июнь 2016.
12. "Сайт НПЛ" . Проверено 21 мая 2022 г.
13. "17-е заседание КМС НПЛ" . 17 мая 2019 года . Проверено 23 мая 2022 г.
14. Киббл, BP; Робинсон, Айова; Беллисс, Дж. Х. (1990). «Реализация мощности SI с помощью баланса подвижной катушки NPL». Метрология . 27 (4): 173–192. дои : 10.1088/0026-1394/27/4/002. S2CID  250829915.
15. "Знаменитые лица НПЛ" . Проверено 23 мая 2022 г.
16. «Балансы кормов: Исследования: Масса и сила: Наука + технологии: Национальная физическая лаборатория» . www.npl.co.uk. _
17. Санчес, Калифорния; Вуд, Б.М.; Грин, Р.Г.; Лиард, Джо; Инглис, Д. (2014). «Определение постоянной Планка с использованием ваттного баланса NRC». Метрология . 51 (2): С5–С14. дои : 10.1088/0026-1394/51/2/S5. S2CID  120813510.
18. Вуд, Б.М.; Санчес, Калифорния; Грин, Р.Г.; Лиард, Джо (2017). «Сводка определений постоянной Планка с использованием весов NRC Kibble». Метрология . 54 (3): 399–409. дои : 10.1088/1681-7575/aa70bf .
19. Мор, Питер Дж.; Тейлор, Барри Н.; Ньюэлл, Дэвид Б. (2008). «Рекомендуемые CODATA значения фундаментальных физических констант: 2006 г.» (PDF) . Обзоры современной физики . 80 (2): 633–730. arXiv : 0801.0028 . Бибкод : 2008РвМП...80..633М. doi : 10.1103/RevModPhys.80.633. Архивировано из оригинала (PDF) 1 октября 2017 г.
20. Робинсон, Ян; Шламмингер, Стефан (2016). «Баланс ватта или Киббла: метод реализации нового определения единицы массы в системе СИ». Метрология . 53 (5): А46–А74. дои : 10.1088/0026-1394/53/5/A46 . ПМЦ 8752041 . ПМИД  35023879. 
21. Коновер, Эмили (3 июня 2019 г.). «Это настольное устройство превращает квантовое определение килограмма в реальную массу». Новости науки .
22. Кампсон, Питер Дж.; Хедли, Джон (2003). «Точные аналитические измерения в атомно-силовом микроскопе: микрофабрикат стандарта жесткости пружины, потенциально прослеживаемый до SI». Нанотехнологии . 14 (12): 1279–1288. дои : 10.1088/0957-4484/14/12/009. PMID  21444981. S2CID  2500055.
23. Портолес, Хосе Ф.; Кампсон, Питер Дж. (2013). «Компактное эталонное устройство кручения для простой, точной и отслеживаемой калибровки пиконьютона АСМ». Нанотехнологии . 24 (33): 335706. doi : 10.1088/0957-4484/24/33/335706. PMID  23892516. S2CID  43451479.
24. "Баланс кормов НПЛ" . Проверено 23 мая 2022 г.
25. Р. Штайнер, Ватты в балансе ватт , NIST, 16 октября 2009 г.
26. Цзян, Z; Палинкаш, В; Фрэнсис, О; Бауманн, Х; Мякинен, Дж; Витушкин Л; Мерле, С; Тиссеран, Л; Жуссе, П; Ротлейтнер, К; Беккер, М; Робертссон, Л; Ариас, EF (06 сентября 2013 г.). «О гравиметрическом вкладе в эксперименты по ваттному балансу». Метрология . Издательство ИОП. 50 (5): 452–471. дои : 10.1088/0026-1394/50/5/452. ISSN  0026-1394.
27. Лиард, Джо; Санчес, Калифорния; Вуд, Б.М.; Инглис, AD; Силликер, Р.Дж. (31 марта 2014 г.). «Гравиметрия для ваттных балансных измерений». Метрология . Издательство ИОП. 51 (2): С32–С41. дои : 10.1088/0026-1394/51/2/s32. ISSN  0026-1394.

Внешние ссылки

• Штайнер, Ричард Л.; Уильямс, Эдвин Р.; Ньюэлл, Дэвид Б.; Лю, Жуймин (2005). «На пути к электронному килограмму: улучшенное измерение постоянной Планка и массы электрона». Метрология . 42 (5): 431–441. дои : 10.1088/0026-1394/42/5/014. S2CID  14976336.
• Шварц, JP; Лю, РМ; Ньюэлл, Д.Б.; Штайнер, РЛ; Уильямс, скорая помощь; Смит, Д.; Эрдемир, А.; Вудфорд, Дж. (2001). «Гистерезис и связанные с ним механизмы ошибок в эксперименте NIST по балансу ватт». Журнал исследований Национального института стандартов и технологий . 106 (4): 627–40. дои : 10.6028/jres.106.028. ПМЦ  4862827 . ПМИД  27500039.
• Международное бюро мер и веса
• Швейцарское федеральное бюро метрологии
• «Роль постоянной Планка в физике» - презентация на 26-м заседании CGPM в Версале, Франция, в ноябре 2018 г., когда состоялось голосование.
• «Константа Планка и ее единицы» – презентация на 35-м симпозиуме по химической физике в Университете Ватерлоо, Ватерлоо, Онтарио, Канада, 3 ноября 2019 г.