Баланс корма

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 в 2019 году переопределении килограмма .

Весы Киббла (ранее известные как ваттные весы ) — 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 килограмм единицу массы на основе фундаментальных констант .

Первоначально он был известен как ваттные весы, 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.

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 . Существует также метод, называемый балансом Джоуля . Все методы, использующие фиксированное числовое значение постоянной Планка , иногда называют балансом Планка.

Дизайн

США Прецизионные амперные весы в Национальном бюро стандартов (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».

Источник

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

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, в 1990 году Брайан Киббл и Ян Робинсон изобрели весы Kibble Mark II, в которых используется круглая катушка и которые работают в условиях вакуума. Брайан Киббл работал с Яном Робинсоном и Джанет Беллисс над созданием версии весов Mark Two. Эта конструкция позволяла проводить измерения достаточно точно для использования в переопределении единицы массы СИ: килограмма.

Весы Киббла, созданные Национальной физической лабораторией, были переданы Национальному исследовательскому совету Канады (NRC) в 2009 году, где ученые из двух лабораторий продолжили совершенствовать прибор. В 2014 году исследователи NRC опубликовали наиболее точные на тот момент измерения постоянной Планка с относительной неопределенностью 1,8 × 10. ⁻⁸ . Последняя статья исследователей NRC была опубликована в мае 2017 года, в ней представлено измерение постоянной Планка с неопределенностью всего 9,1 частей на миллиард, измерение с наименьшей неопределенностью на тот момент. Другие эксперименты с балансировкой Киббла 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 метрологии и др. 'эссе (LNE) в Траппе , Франция.

Принцип

Проводящий провод длиной $L$ который проводит электрический ток $I$ перпендикулярно магнитному полю напряженностью $B$ действует сила Лоренца, равная произведению этих переменных. В весах Киббла ток изменяется так, что эта сила противодействует весу. $w$ массы $m$ быть измеренным. Этот принцип вытекает из баланса ампер. $w$ определяется массой $m$ умноженное на местное гравитационное ускорение $g$. Таким образом,

$w=mg=BLI.$

Весы Kibble позволяют избежать проблем с измерением. $B$ и $L$ на втором этапе калибровки. Один и тот же провод (на практике катушка) перемещается через одно и то же магнитное поле с известной скоростью. $v$. По закону индукции Фарадея потенциалов разность $U$ генерируется на концах провода, что равно $BLv$. Таким образом

$U=BLv.$

Неизвестный продукт $BL$ можно исключить из уравнений, чтобы получить

$UI=mgv$

$m=UI/gv.$

С $U$, $I$, $g$, и $v$ точно измерено, это дает точное значение для $m$. Обе части уравнения имеют размеры мощности , измеряемые в ваттах в Международной системе единиц; отсюда и оригинальное название «баланс ватт». Продукт $BL$, также называемый геометрическим фактором, не является тривиально равным на обоих этапах калибровки. Геометрический фактор является постоянным только при определенных условиях стабильности катушки.

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.

Во время «взвешивания» система измеряет оба $I$ и $v$. Система контролирует ток в катушке, чтобы протянуть катушку через магнитное поле с постоянной скоростью. $v$. 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.

Во время «движения» система измеряет $U$. 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.

Типичные измерения баланса Kibble $U$, $I$, и $v$, но не измеряет локальное гравитационное ускорение $g$, потому что $g$ не меняется быстро со временем. Вместо, $g$ измеряется 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.

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.

Помимо больших весов Kibble, микро- или MEMS ваттные весы (теперь называемые балансами Kibble). были продемонстрированы примерно с 2003 года. Они изготавливаются на отдельных кремниевых кристаллах, аналогичных тем, которые используются в микроэлектронике и акселерометрах, и способны измерять небольшие силы в диапазоне от наноньютона до микроньютона, прослеживая соответствие физическим константам, определенным SI, посредством 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. Боковые и крутильные Также были продемонстрированы 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.

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 . $K_{\text{J-90}}$ и $R_{\text{K-90}}$ соответственно. Текущие эксперименты с балансом Киббла эквивалентны измерению значения обычного ватта в единицах СИ. Судя по определению условного ватта, это эквивалентно измерению стоимости продукта. $K_{\text{J}}^{2}R_{\text{K}}$ в единицах СИ вместо его фиксированного значения в обычных электрических единицах:

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

Важность таких измерений состоит в том, что они также являются прямым измерением постоянной Планка. $h$:

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

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:

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

Эффект гравитации

Локальное гравитационное ускорение g измеряется с исключительной точностью с помощью лазерного интерферометра. лазера Рисунок интерференционных полос — темные и светлые полосы выше — расцветает 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 является термином в определении килограмма, он имеет решающее значение в процессе измерения килограмма при соотношении энергии и мощности в весах для кормов. 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. За наиболее точную работу в массовой метрологии g измеряется с помощью абсолютных гравиметров падающей массы , содержащих стабилизированный йодом гелий-неоновый лазерный интерферометр . Выходной сигнал с помощью рубидиевых измеряется с разверткой частоты интерферометра 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 от 9,801 016 44 м/с. ² .

См. также

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

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. Бибкод : 2005Метро..42..431С . 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 по балансу ватт NIST» . 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 весов
• 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.