Кормовой баланс - Kibble balance

В NIST -4 Kibble баланс, который начал работать в полную силу в начале 2015 года, измерено Постоянная Планка с точностью до 13 частей на миллиард в 2017 году, что было достаточно точным, чтобы помочь с Новое определение 2019 из килограмм.

А Кормовой баланс электромеханический измерительный инструмент это измеряет вес тестового объекта очень точно электрический ток и Напряжение необходимо для создания компенсирующей силы. Это метрологический инструмент, который может реализовать определение килограмм единица масса на основе фундаментальных констант.^[1][2]

Первоначально он назывался баланс ватт потому что вес испытательной массы пропорционален произведению тока и напряжения, которое измеряется в Вт. В июне 2016 года, через два месяца после смерти изобретателя, Брайан Киббл, метрологи Консультативный комитет по подразделениям из Международный комитет мер и весов согласился переименовать устройство в его честь.^[3][4]

До 2019 года определение килограмма основывалось на физическом объекте, известном как Международный прототип килограмма (ИПК).После рассмотрения альтернатив, в 2013 г. Генеральная конференция по мерам и весам (CGPM) согласовала критерии точности для замены этого определения одним, основанным на использовании весов Киббла. После того, как эти критерии были выполнены, 16 ноября 2018 года CGPM единогласно проголосовала за изменить определение килограмма и некоторых других единиц, вступает в силу 20 мая 2019 г., чтобы совпасть с Всемирный день метрологии.^{[3][5][6][7][8]}

дизайн

Точный баланс ампер в США Национальное бюро стандартов (сейчас же NIST ) в 1927 году. Катушки тока видны под балансом, прикрепленным к правому рычагу баланса. Весы Kibble являются развитием весов Ampere.

Весы Kibble - это более точная версия баланс ампер, рано текущий измерительный прибор, в котором сила между двумя токоведущими катушками провода измеряется, а затем используется для расчета величины тока. Весы Kibble работают в противоположном смысле; ток в катушках измеряется с использованием определения Постоянная Планка «измерить массу, не прибегая к ИПК или любому физическому объекту».^[9] Весы определяют вес объекта; затем рассчитывается масса путем точного измерения локального Земное притяжение (чистое ускорение, сочетающее гравитационный и центробежный эффекты) с гравиметр. Таким образом, масса объекта определяется через ток и Напряжение - «электронный килограмм».

Происхождение

Принцип, который используется в весах Kibble, был предложен Брайан Киббл Великобритании Национальная физическая лаборатория (NPL) в 1975 году для измерения гиромагнитное отношение.^[10]

Основным недостатком метода баланса ампер является то, что результат зависит от точности измерения размеров катушек. Весы Kibble используют дополнительный шаг калибровки, чтобы нейтрализовать влияние геометрии катушек, устраняя основной источник неопределенности. Этот дополнительный шаг включает в себя перемещение силовой катушки через известный магнитный поток с известной скоростью. Впервые этот шаг был выполнен в 1990 году.^[11]

Весы Kibble из Национальной физической лаборатории были переданы в Национальный исследовательский совет Канады (NRC) в 2009 году, когда ученые из двух лабораторий продолжали совершенствовать прибор.^[12]В 2014 году исследователи NRC опубликовали наиболее точное измерение Постоянная Планка в то время с относительной погрешностью 1,8×10⁻⁸.^[13] Заключительный документ исследователей NRC был опубликован в мае 2017 года, в котором представлены результаты измерения постоянной Планка с погрешностью всего 9,1 частей на миллиард, измерения с наименьшей погрешностью на тот момент.^[14] Другие эксперименты с балансом Kibble проводятся в США. Национальный институт стандартов и технологий (NIST), швейцарский Федеральное метрологическое управление (METAS) в Берне, Международное бюро мер и весов (BIPM) возле Парижа и Национальная лаборатория метрологии и науки (LNE) в Ловушки, Франция.^[15]

Принцип

Токопроводящий провод длины L который несет электрический ток я перпендикулярно к магнитное поле силы B переживает Сила Лоренца равна произведению этих переменных. В весах Kibble сила тока меняется так, что эта сила противодействует вес ш массы м быть измеренным. Этот принцип основан на балансе ампер. ш дается массой м умноженный на местный гравитационное ускорение г. Таким образом,

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

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

${\displaystyle U=BLv.}$

Неизвестный продукт BL можно исключить из уравнений и получить

${\displaystyle UI=mgv.}$

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

С участием U, я, г, и v точно измеренный, это дает точное значение для м. Обе части уравнения имеют размерность мощность, измеряется в Вт в Международной системе единиц; отсюда и первоначальное название «баланс ватт».

Реализация

Режим взвешивания

Режим движения

Весы Kibble сконструированы таким образом, что измеряемая масса и катушка с проволокой подвешены с одной стороны весов, а противовес - с другой. Система работает в двух режимах: «взвешивание» и «перемещение». Вся механическая подсистема работает в вакуумной камере для устранения эффекта плавучести воздуха.^[16]

Во время «взвешивания» система измеряет составляющую «I» и составляющую «v». Система контролирует ток в катушке, протягивая катушку через магнитное поле с постоянной скоростью «v». В схеме измерения положения и скорости катушки используется интерферометр вместе с входом точных часов для определения скорости и управления током, необходимым для ее поддержания. Требуемый ток измеряется с помощью амперметр включая Джозефсоновский переход эталон напряжения и интегрирующий вольтметр.

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

Типичные весы Киббла измеряют U, I и v, но не измеряют локальное гравитационное ускорение «g», потому что «g» не меняется быстро со временем. Вместо этого "g" измеряется в той же лаборатории с использованием высокоточного и точного гравиметр. Кроме того, баланс, зависит от очень точной и точной опорной частоты, такие как атомные часы для вычисления напряжения и силы тока. Таким образом, точность измерения массы зависит от весов Киббла, гравиметра и часов.

Как и первые атомные часы, первые весы Киббла были единственными в своем роде экспериментальными устройствами: большими, дорогими и хрупкими. По состоянию на 2019 год ведется работа по производству стандартизированных устройств по ценам, разрешающим использование в любых метрология лаборатория, требующая высокоточного измерения массы.^[17]

А также крупногабаритные весы для крупы, самодельные или МЭМС балансировки ватт (теперь называемые балансами Kibble) были продемонстрированы^[18] примерно с 2003 года. Они изготавливаются на одиночных кремниевых кристаллах, подобных тем, которые используются в микроэлектронике и акселерометрах, и способны измерять небольшие силы в диапазоне от наноньютона до микроньютона, прослеживаясь до физических констант, определенных СИ, посредством электрических и оптических измерений. Из-за своего небольшого размера в весах MEMS Kibble обычно используются электростатические силы, а не индуктивные силы, которые используются в более крупных инструментах. Боковое и крутильное^[19] варианты также были продемонстрированы, при этом основное приложение (по состоянию на 2019 год) было в калибровке Атомно-силовой микроскоп.

Измерения

Точные измерения электрического тока и разности потенциалов производятся в обычные электрические блоки (а не в единицах СИ), которые основаны на фиксированных "общепринятые ценности " из Постоянная Джозефсона и постоянная фон Клитцинга, ${\displaystyle K_{\text{J-90}}}$ и ${\displaystyle R_{\text{K-90}}}$ соответственно. Текущие эксперименты с балансом Киббла эквивалентны измерению значения условного ватта в единицах СИ. По определению обычного ватта, это эквивалентно измерению стоимости продукта. K_J²р_K в единицах СИ вместо фиксированного значения в условных электрических единицах:

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

Важность таких измерений заключается в том, что они также являются прямым измерением Постоянная Планка час:

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

Принцип электронного килограмма основан на значении постоянной Планка, которая по состоянию на 2019 год является точным значением. Это похоже на метр определяется скорость света. С точно определенной константой весы Киббла не являются инструментом для измерения постоянной Планка, а вместо этого являются инструментом для измерения массы:

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

Смотрите также

• Гуи баланс

использованная литература

1. Робинсон, Ян А .; Шламмингер, Стефан (2016). «Весы ватта или Киббла: метод реализации нового определения единицы массы в системе СИ». Метрология. 53 (5): A46 – A74. Дои:10.1088 / 0026-1394 / 53/5 / A46.
2. Палмер, Джейсон (26 января 2011 г.). «Программа по снижению веса на килограмм». Новости BBC. Новости BBC. Получено 2011-02-16.
3. "Баланс корма". Образование. Веб-сайт Национальной физической лаборатории Великобритании. 2016 г.. Получено 15 мая 2017.
4. Консультативный комитет по единицам (CCU),Отчет о 22-м заседании (15-16 июня 2016 г.), стр. 32-32, 35
5. Чо, Адриан (2017). «Заговор по переопределению килограмма приближается к кульминации». Наука. 356 (6339): 670–671. Дои:10.1126 / science.356.6339.670. PMID  28522473.
6. Милтон, Мартин (14 ноября 2016 г.). «Основные моменты работы МБМВ в 2016 году» (PDF). п. 10. Архивировано из оригинал (PDF) 1 сентября 2017 г.. Получено 1 сентября 2017.
7. Решение CIPM / 105-13 (октябрь 2016 г.)
8. Матерезе, Робин (16.11.2018). «Историческое голосование связывает килограмм и другие единицы с естественными константами». NIST. Получено 2018-11-16.
9. Матерезе, Робин (14 мая 2018 г.). «Килограмм: баланс корма». NIST. Получено 2018-11-22.
10. Киббл, Б. П. (1976). «Измерение гиромагнитного отношения протона методом сильного поля». Атомные массы и фундаментальные константы 5. С. 545–551. Дои:10.1007/978-1-4684-2682-3_80. ISBN  978-1-4684-2684-7.
11. Kibble, B.P .; Робинсон, И. А .; Беллисс, Дж. Х. (1990). "Реализация СИ ватт весами с подвижной катушкой NPL". Метрология. 27 (4): 173–192. Дои:10.1088/0026-1394/27/4/002.
12. «Весы для крупинок: Исследования: Масса и сила: Наука + Технология: Национальная физическая лаборатория». www.npl.co.uk.
13. Sanchez, C.A .; Wood, B.M .; Green, R.G .; Liard, J. O .; Инглис, Д. (2014). «Определение постоянной Планка с помощью ваттного баланса NRC». Метрология. 51 (2): S5 – S14. Дои:10.1088 / 0026-1394 / 51/2 / S5.
14. Wood, B.M .; Sanchez, C.A .; Green, R.G .; Лиард, Дж. О. (2017). «Краткое изложение определений постоянной Планка с использованием весов NRC Kibble». Метрология. 54 (3): 399–409. Дои:10.1088 / 1681-7575 / aa70bf.
15. Мор, Питер Дж .; Тейлор, Барри Н .; Ньюэлл, Дэвид Б. (2008). "CODATA Рекомендуемые значения фундаментальных физических констант: 2006 г." (PDF). Обзоры современной физики. 80 (2): 633–730. arXiv:0801.0028. Bibcode:2008РвМП ... 80..633М. Дои:10.1103 / RevModPhys.80.633. Архивировано из оригинал (PDF) на 2017-10-01.
16. Робинсон, Ян; Шламмингер, Стефан (2016). «Весы ватта или Киббла: метод реализации нового определения единицы массы в системе СИ». Метрология. 53 (5): A46 – A74. Дои:10.1088 / 0026-1394 / 53/5 / A46.
17. Коновер, Эмили (3 июня 2019 г.). «Это настольное устройство превращает квантовое определение килограмма в реальную массу». НаукаНовости.
18. Камсон, Питер Дж .; Хедли, Джон (2003). «Точные аналитические измерения в атомно-силовом микроскопе: микропроцессорный стандарт постоянной пружины, потенциально прослеживаемый до SI». Нанотехнологии. 14 (12): 1279–1288. Дои:10.1088/0957-4484/14/12/009.
19. Portoles, Jose F .; Камсон, Питер Дж. (2013). «Компактное устройство сравнения на кручение для простой, точной и прослеживаемой калибровки пиконьютона АСМ». Нанотехнологии. 24 (33): 335706. Дои:10.1088/0957-4484/24/33/335706.

внешние ссылки

• Штайнер, Ричард Л .; Уильямс, Эдвин Р .; Ньюэлл, Дэвид Б .; Лю, Жуйминь (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.
• Schwarz, J.P .; Liu, R.M .; Newell, D.B .; Steiner, R.L .; Уильямс, E.R .; Smith, D .; Erdemir, A .; Вудфорд, Дж. (2001). «Гистерезис и связанные механизмы ошибок в эксперименте NIST с балансом мощности». Журнал исследований Национального института стандартов и технологий. 106 (4): 627–40. Дои:10.6028 / jres.106.028. ЧВК  4862827. PMID  27500039.
• Bureau International des Poids et Mesures
• Швейцарское федеральное метрологическое управление