webdonsk.ruКак сделать эталон веса
Добавил пользователь Алексей Ф. Обновлено: 07.09.2024
Эталон килограмма в форме платино-иридиевого цилиндра будет заменен формулой квантовой физики. Килограмм, ампер, кельвин и моль получили новые, более точные физические определения, выраженные не через объекты реального мира, а через абстрактные математические константы. Это произошло в Версале на 26-й Генеральной конференции мер и весов (ГКМВ) 16 ноября.
До этого было введено понятие грамма, который был определен в 1795 году как вес одного кубического сантиметра чистой воды при температуре таяния льда, из чего следовало, что килограмм эквивалентен массе одного кубического дециметра (литра) воды.
Действовавший до сегодняшнего дня международный эталон килограмма был выпущен Генеральной конференцией мер и весов в 1889 году на основе Метрической конвенции 1875 года под надзор Международного бюро мер и весов (МБМВ), которое хранит его от лица ГКМВ. После того как было обнаружено, что международный эталон килограмма с течением времени дает отличия в массе, Международный комитет мер и весов (МКМВ) в 2005 году рекомендовал переопределить килограмм с помощью фундаментальных физических свойств.
В 2011 году 24-я ГКМВ пришла к соглашению, что килограмм должен быть переопределен на основе постоянной Планка, но отложила окончательное решение до следующей конференции. 25-я ГКМВ, состоявшаяся в 2014 году, приняла решение продолжить работу по подготовке новой ревизии СИ, включающей переопределение килограмма, и предварительно наметила закончить эту работу к 2018 году с тем, чтобы заменить существующую СИ обновленным вариантом на 26-1 ГКМВ.
Международный прототип (эталон) килограмма хранился в Международном бюро мер и весов (расположено в Севре близ Парижа) и представлял собой цилиндр диаметром и высотой 39,17 мм из платино-иридиевого сплава (90% платины, 10% иридия).
Нынешнее решение завершает реформу, длившуюся несколько десятков лет: еще в 1983 году метр был привязан к значению скорости света в вакууме. В 2005 году исследователи определились в выборе еще трех констант для переопределения других единиц. Постоянная Планка была выбрана как основа для определения единицы массы, килограмма, элементарный электрический заряд (заряд электрона) — единицы силы тока, а постоянная Больцмана — термодинамической температуры.
Для этого пришлось провести три независимых оценки значения постоянной Планка двумя разными методами. Один из этих экспериментов, проходивший в рамках проекта Авогадро при непосредственном участии российских исследователей, завершился в 2010 году, два других — три и два года назад.
Это вызвало споры насчет того, как следует согласовать эти результаты. В конце концов физики, не сумев договориться, заново провели эксперименты, ликвидировали все источники погрешностей, смогли сблизить значения постоянной Планка и добиться требуемой точности — вероятность ошибки составляет всего 12 частей на миллиард.
При этом в практическом смысле мало что изменится, и эталоны для калибровки весов останутся. Разве что метрологи начнут разрабатывать максимально точно проверенные весы Киббла — устройства, при помощи которых определяется постоянная Планка. Поскольку эта константа измеряется в м2*кг/с, то каждое измерение постоянной Планка, по сути, определяет и величину килограмма.
Читатель TJ о происхождении особенной единицы измерения.
Международный эталон метра, использовавшийся с 1889 по 1960 год (тоже платиново-иридиевый. Фото Американского национального института стандартов и технологий
Совсем недавно на TJ появилась статья, тема которой мне показалась очень интересной, и вместе с этим не полностью раскрытой. На самом деле, килограмм — по-своему особенная единица измерения, история которой ограничивается не только датами и цифрами, но ещё и полна рядом интересных происшествий.
Но давайте по порядку. Сначала разберёмся с системами измерений. История всех единиц измерения стара, как само человечество, и рассказать о ней у меня не хватит ни времени, ни компетенции. Но сейчас мы будем рассматривать только её небольшую часть — метрическую систему мер.
История метрической системы началась в 19 веке во Франции, в разгаре Великой французской революции. В 1789 году депутаты Третьего сословия не дождались поверки Генеральных штатов и объявили себя Национальным собранием. И понеслась. Бывшие крестьяне получили свой кусок свободы, избавились от грабительских налогов, и давай торговать со всей силы.
Вскоре крестьяне поняли, что традиционная система мер слишком сложна и неудобна из за большого количества единиц измерения и трудности их преобразования, а также в силу ненадёжности её эталонов. Более того, в феодальной Франции значение фунта устанавливал каждый феодал по-своему, так что только к началу 18 века века в Европе уже существовало более ста разных фунтов.
В поисках решения этой проблемы французы придумали собственную систему мер — гораздо более простую, понятную, и надёжную: метрическую. Основная идея этой системы состояла в том, что преобразование всех единиц измерения сводится к простому умножению или делению на степень числа 10.
Первой единицей, принятой в 1791 году, стал метр. Его эталоном стала одна десятимиллионная доля одной четверти земного меридиана от Северного полюса до экватора. Согласитесь, такой эталон гораздо надёжнее, чем длина зёрнышка пшеницы. В защиту традиционных эталонов хочется сказать что они были по своему практичны для простого народа: зерно пшеницы было легко найти под рукой, а вот моментально найти десятимиллионную долю четверти меридиана мог далеко не каждый. Каждому торговцу приходилось всегда иметь при себе свою карманную метровую гирю, и частенько она была немножечко короче или длиннее, что вызывало всякие интересные казусы и споры на тему кто кого и на сколько хочет обмерить.
В 1799 году, после нескольких лет исследований формулировку переопределили французский химик Луи Лефёвр-Жино и итальянский натуралист Джованни Фабброни, выяснив что наиболее стабильная точка температуры воды (температура при которой вода имеет наибольшую плотность) 4°C .
Если кто не знает, при температуре ниже 4°C вода резко и с невероятной силой начинает расширяться, при переходе в твёрдое агрегатное состояние. От этого явления частенько страдают люди, которые в системы охлаждения автомобиля осенью заливают воду вместо специальной незамерзающей жидкости — антифриза. В мороз вода расширяется с такой силой, что легко может расколоть блок двигателя автомобиля. От этого же эффекта и прорывает трубы под землёй, когда вода начинает замерзать.
По мнению комиссии, килограмм всё равно был слишком большой единицей, чтобы использовать её повседневно. Со временем выяснилось что, всё-таки граммы использовать не так уж и удобно, и французы вернулись к определению тысячи граммов. Логика подсказала, что всем будет хорошо и политкорректно, если использовать приставку kilo (тысяча) к слову gramme. Вот так, в виде ёмкости с холодной водой, появился килограмм, который мы все знаем сегодня.
Потому что только эта единственная вещь определяет саму суть килограмма, и только она весит точно столько же, сколько должен весить килограмм, по нашему мнению. Этот цилиндр находится под тремя замками в подвале Бюро Мер и Весов чуть севернее Парижа, накрытый тремя стеклянными куполами, в окружении шести таких же цилиндров-дубликатов, и как бы это ни было иронично, оказывается практически буквально сферическим килограммом в вакууме.
Но человечество не остановилось в своих попытках усовершенствовать эталоны физических мер. После того, как Бюро Мер и Весов определило значение килограмма, они создали еще сорок дубликатов эталона. Они были не совсем точно такими же, но их отличия тщательно задокументировали, чтобы в будущем их можно было сравнить друг с другом. Дубликаты разослали по разным странам мира, дабы у них так же был эталон килограмма.
Всё это означало, что масса цилиндров платиново-иридиевого сплава нестабильна и меняется со временем. А что за эталон, который сам меняет своё значение со временем? Ситуация оказалась буквально катастрофической, ведь четыре из семи единиц измерения основываются на килограмме (Не говоря уже о производных единицах, таких как Ньютон, Ватт, или Джоуль). А самое смешное, что даже традиционная система мер теперь основывается на метрической: фунт уже не представлен физическим объектом-эталоном, а официально равняется 0,45359237 килограмма. Учёные решили, что так это оставлять нельзя, и начали искать новые способы установить эталон.
После измерения, даже если сфера и потеряется, или будет повреждена — это уже не будет иметь никакого значения, поскольку килограмм определяет не физическим объектом, а количеством атомов Кремния-28 в определённом объёме. И так эталон массы наконец станет константой, а не переменной. Нам, с нашей колокольни, это может показаться не очень значительным событием, но для науки это огромный шаг в сторону точности и опредёленности.
Возвращаясь назад к общей теме систем измерения, хочется сказать, что метрическая система оказалась настолько хороша и удобна, что декретом, изданным 4 июля 1837 года, была объявлена как обязательная для использования на территории Франции. А её усовершенствованный вариант — Международная система единиц, СИ (от французского Le Syst?me International d’Unit?s) вскоре начала использоваться в остальном мире.
Забавно, что всего три страны в мире до сих пор не перешли на эту систему: Либерия, Мьянма, и США. Либерия и Мьянма особых переживаний по этому поводу не испытывают, а вот США очень страдают от лишних сложностей в конвертировании величин, при участии в совместных проектах с другими странами. Несколько раз это даже оборачивалось очень большими фэйлами. Например, при запуске ракет в космос.
ЭТАЛОНЫ. ПРИМЕРЫ ПОСТРОЕНИЯ ЭТАЛОНОВ ОСНОВНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
С точки зрения метрологии и стандартизации очень важной задачей является обеспечение единства измерений. Для того, чтобы выполнить эту задачу, необходимо обеспечить тождественность единиц градуировки всех средств измерений одной и той же физической величины.
Во всём мире пользуются эталонами для хранения и воспроизведения единиц величины как самыми надежными средствами поддержания единства измерений.
Эталон – это средство измерения (или комплекс таких средств), назначением которого является воспроизведение и хранение единицы физической величины и передачи параметров этой единицы (размера) нижестоящим по схеме поверки средствам.
Эталон единицы величины – техническое средство, предназначенное для воспроизведения, хранения и передачи единицы величины [1, ст.2].
Эталоны утверждаются в таком качестве в установленном порядке и представляют из себя высшее звено передачи размеров единиц в метрологической цепочке.
Существует Международное бюро мер и весов (МБМВ), в котором хранятся международные эталоны единиц различных физических величин.
Государственный эталон - эталон единицы величины, находящийся в федеральной собственности [1, ст.2]. Такие эталоны подразделяются на:
- первичные, обеспечивающие воспроизведение, хранение и передачу единицы величины с наивысшей точностью, достигнутой в данной области измерений, утверждаемые в этом качестве в установленном порядке и применяемые в качестве исходного на территории страны [1];
- вторичные, обеспечивающие воспроизведение единицы в особых условиях и заменяющие для этих условий первичные эталоны.
Широкое распространение эталонных средств более низкого уровня и рабочих средств измерений, градуированных в определённых единицах, а также целесообразность воспроизведения единицы величины в конкретной метрологической службе с определённой точностью определяют необходимость создания государственных эталонов.
Так же эталоны делят по типу единиц измерения. Ниже приведены самые распространённые из них [5]:
- Эталоны электрического тока;
- Эталоны силы света;
- Эталоны дополнительной единицы плоского угла.
В нашей стране (как и в большинстве развитых стран) в настоящее время создана эталонная база, считающаяся достаточно полной, представляющая из себя главное, центральное звено всей системы метрологического обеспечения страны. Считается, что о достигнутом уровне развития техники, промышленности, да и вообще всей науки в стране и о её потенциале можно судить по точности эталонов, считающихся национальными. В России существует около 120 первичных государственных и около 500 вторичных эталонов, которые обеспечивают хранение и воспроизведение около 70 величин во всех наиболее распространённых областях и видах измерений: механических и геометрических, теплофизических и температурных, магнитных и электрических, оптических, радиотехнических, и даже измерений параметров ионизирующих излучений и в области физикохимии.
Основные единицы, обеспеченные эталонами в России: длина (метр), масса (килограмм), время (секунда), сила электрического тока (ампер), термодинамическая температура (кельвин), сила света (кандела), дополнительная единица плоского угла (радиан). Любые производные единиц СИ, а также некоторые внесистемные единицы, допущенные к применению, возможно воспроизвести благодаря этим эталонам.
Созданные государственные эталоны в России по своим характеристикам точности ни в чём не уступают эталонам передовых зарубежных стран, а зачастую и превосходят их.
Эталон единицы длины. В системе СИ основной единицей измерения длины является метр. Изначально метр определялся как одна десятимиллионная часть четверти парижского меридиана. В ходе тщательных исследований пришли к выводу, что это определение очень трудно воспроизводимо с необходимой точностью. Поэтому его заменили на расстояние между осями двух средних штрихов, которые нанесены на платиново-иридиевом бруске, хранящимся в МБМВ. Однако погрешность и этого определения в условиях развития современной науки не устраивала мировое сообщество.
Именно поэтому в ХХ веке появилась идея использовать длину световой волны, а, именно, длину волны оранжевой линии спектра излучения криптона – 86 в вакууме, умноженную на 1650763,73, в качестве эталона метра. Это изменение не изменило размер метра, но существенно понизило погрешность измерения.
В СССР был создан такой эталон в 1968 году и принят за государственный. Однако велись работы по дальнейшему увеличению точности эталонов, и пришли к тому, что необходимо связать размер метра со временем прохождения волны в вакууме, при этом используя лазер, длина волны которого отличается удивительной стабильностью. Это изменение было внесено в определение эталона в 1983 году.
Метрологи, которые в определении эталона перешли из радиодиапазона в оптический, приблизились к созданию единого эталона длины, частоты и времени, который мог бы одновременно измерить и время, и пространство, и, что более важно, ещё на два порядка повысить точность воспроизведения.
Именно таким эталоном, который был создан в СССР в 1985 году и пользуются до сих пор. Погрешность при воспроизведении таким эталоном составляет порядок 10 -11 , что в современных условиях необходимо для многих областей техники, например, конструирование и расчёт космических кораблей.
В настоящее время в России 5 эталонов длины – метра. Это обуславливается тем, что кроме первичного эталона необходимы и специальные, учитывающие различные условия измерения.
Эталон единицы времени и частоты. В системе СИ основной единицей измерения времени является секунда. Изначально секунда считалась равной 1/86400 части средних солнечных суток, что было связано с вращением Земли вокруг своей оси. Однако учёные в ходе исследований установили, что скорость вращения Земли неравномерна, так как она очень медленно постепенно уменьшается. Вследствие этого появляется погрешность в определении секунды, недопустимая при современном уровне развития техники и науки в целом.
Поэтому в 1965 году повысили точность единицы времени в 100 раз, благодаря тому, что физический смысл секунды привязали к более постоянному значению – разности между двумя весенними равноденствиями, то есть к тропическому году.
Однако, пришли к выводу о том, что привязка определения эталона к астрономии не сможет обеспечить необходимую его точность, поэтому перешли в 1967 году к абсолютно новой концепции. Времяисчисление предложили вести на основе атомных принципов, и определение эталона привязали к количеству колебаний при резонансной частоте перехода между энергетическими уровнями основного состояния атома цезия -133. Погрешность при таком определении составляла всего 10 -13 .
В 1983 году в СССР установили новый эталон определения времени и частоты на основе двух квантовых мер: реперов и хранителей. Реперы включаются только время от времени и генерируют базовую частоту (опорную), задавая при этом эталонный размер секунды. Отталкиваясь от значений частоты репера (установив эталонный размер секунды), хранители (часы) ведут непрерывный отсчёт времени. Квантовые меры двух видов – водородный и цезиевый, где первый выполняет роль хранителя, а второй – репера. Водородный хранитель обладает большей стабильностью по сравнению с цезиевым репером, что снизило погрешность хранения размера эталона времени и частоты ещё на порядок.
Так и формируют шкалу времени, считающуюся эталонной, работая совместно, приборы трех типов: цезиевый репер задает базовый размер секунды, водородный его сохраняет, а водородные часы-хранители, отсчитывают время.
Этот эталон принят государственным в России в 1998, при том, что его прототип появился в 1967 году, и является единственным.
Эталон единицы массы. В системе СИ за единицу массы, как физической величины, принят килограмм. Его определяли изначально как массу кубического дециметра воды при температуре в 4 градуса по Цельсию, т.е. при наибольшей плотности воды.
В настоящее время эталон килограмма представлен как масса международного прототипа – платиноиридиевого цилиндра диаметром 39 мм, высотой 39 мм, который довольно стабильно сохраняет свою массу, при этом погрешность эталона при таком определении составляет порядок 10 -9 .
Государственный эталон единицы массы в СССР принят в 1984 году и используется по настоящее время.
Эталон единицы силы тока. В системе СИ единицей силы тока является ампер. Он определён как сила постоянного электрического тока, который, при прохождении по 2-ум прямолинейным параллельным проводникам бесконечной длины и бесконечно малого сечения, расположенным в вакууме на расстоянии одного метра один от другого, вызвал бы между этими проводниками на каждый метр длины силу в 2?10 -7 Н. Данное определение недостижимо в практике, однако, на основе закона Ампера можно достаточно точно рассчитать силу взаимодействия токов, при условии их протекания по проводникам конечных размеров.
Государственный первичный эталон ампера, утверждённый в СССР в 1988 году - целый комплекс средств измерений, применяемых для воспроизведения, хранения и передачи единицы силы тока. Погрешность его воспроизведения – порядка 10 -5 .
Для ампера в России создано три государственных эталона, обеспечивающих единство измерений не только постоянных, но и переменных токов вплоть до СВЧ.
Эталон единицы температуры. В системе СИ принята единица термодинамической температуры – Кельвин. Кельвин определен как часть термодинамической температуры тройной точки воды.
Эталон единицы температуры в СССР создан в 1987-1992 годах. В 1998 году в состав эталона введена дополнительная аппаратура для реализации реперных точек. Эталон реализует международную температурную шкалу (МТШ), основанную на реперных точках (ряде значений температур) и интерполяционных приборах, которые градуируются в этих точках.
Реперные точки практически представляют из себя фазовые переходы чистых веществ, значения температур которых установлены. Интерполяционный прибор - платиновый термометр сопротивления (работает в диапазоне до 961,78 °С. В диапазоне 961,78 – 2500 °С шкала температур определяется решением уравнения Планка для спектральной плотности излучения черного тела в вакууме. Воспроизведение кельвина осуществляется с погрешностью 0,00005 К.
В России для кельвина создано семь эталонов, охватывающих диапазон температур сверхнизких (гелиевых) до сверхвысоких (температура плазмы).
Эталон единицы силы света. В системе СИ единицей силы света принята кандела. Кандела определяется, как сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540?10 12 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.
В СССР этот эталон создан в 1983 году, а принят государственным после модернизации в 1990 году. Погрешность воспроизведения эталона порядка 10 -2 .
Эталон единицы плоского угла. Единицей плоского угла является радиан (в системе СИ). Радиан определяется, как угол между двумя радиусами окружности, между которыми длина дуги равна радиусу.
Государственный первичный эталон радиана создан в СССР в 1960-1980 годах, а утверждён в 1980 году. Он состоит из кварцевой призмы, содержащей 12 граней, угломерной автоколлимационной установки и интерференционного экзаменатора. Погрешность воспроизведения единицы плоского угла составляет 0,02 секунды.
В заключение хочется сказать, что эталон является очень трудоёмким и дорогим в изготовлении средством измерительной техники. На его разработку, создание и модернизацию зачастую уходит не одно десятилетие. Однако, для любого развитого современного государства наличие необходимого количества эталонов, обеспечивающих необходимую точность воспроизведения единиц физических величин просто необходимо.
Во-первых, создание необходимой точности важно для научно-технического прогресса, ведь совершенствование систем, механизмов, конструкций обязательно ведёт за собой уточнение расчётов и проектирования, точность сборки и т.д.
Во-вторых, сам по себе эталон является показателем уровня развития страны в научно-техническом отношении, поэтому его наличие улучшает репутацию страны в целом, повышает её уровень в общемировом рейтинге.
Отрадно осознавать, что в нашей стране, начиная с 60-ых годов прошлого столетия, ведётся активная работа по созданию и усовершенствованию государственных эталонов, и, нужно сказать, определённых успехов в этом в России, как преемнице СССР достигли.
Список литературы
Кузнецов В.А., Ялунина Г.В. Основы метрологии. М. Изд. стандартов, 1995.
Итак, решение развенчать килограмм принято , и с 20 мая 2019 никому уже не отвертеться от нового эталона. Давайте разберемся аккуратно, как теперь ученый мир будет измерять единицу массы.
Платино-иридиевый цилиндр и кремниевая сфера, старый и новый килограмм. Источник: NIST
Почему новый килограмм был нужен
Старый килограмм действительно имеет почтенный возраст: Метрическая конвенция назначила его задающим единицу массы еще в 1875 году . То есть именно тогда метрологическое сообщество провозгласило килограмм массой международного прототипа килограмма (ИПК, от английского — International Prototype of the Kilogram, IPK). Роль ИПК все еще играет платино-иридиевый цилиндр высотой и диаметром 39 миллиметров, который изготовили в 1889-м. Тогда же сделали еще 42 точных копий — их разделили между странами-участниками конвенции, чтобы там могли следить за единством измерений, периодически обращаясь напрямую к французскому цилиндру.
Новое определение и сфера вместо цилиндра
Новое определение отрывает единицу массы от физического объекта, что тут же вызвало множество вопросов, ведь миру по-прежнему надо взвешивать объекты, измерять их массы и уточнять измерительные приборы. Метрологический мир нашел два решения.
Взвесим по-новому
Вторая возможная реализация нового определения единицы массы — так называемый электронный килограмм. Чтобы понять, как такой килограмм работает, давайте сначала рассмотрим прибор, который единицу массы воспроизводит, — весы Киббла (the Kibble balance).
Аппарат был разработан в Национальной физической лаборатории в Великобритании в 1975 году и известен под несколькими именами — его называют ватт-весами с движущейся катушкой, или весами Киббла. Первое название отражает физическую и техническую суть устройства, второе имя весы приобрели после смерти своего разработчика Брайана Киббла в 2016 году.
Первоначально конструкция разрабатывалась для замены оборудования, реализующего ампер по старому механическому определению. В общем, и сейчас ватт-весы в сочетании с эталоном единицы ома могут воспроизводить единицу вольта и ампера. Но основным их применением первоначально стало точное измерение постоянной Планка, а затем реализация единицы килограмма на основе фиксации полученного значения константы.
Весы Киббла и функционируют в двух основных режимах: взвешивания и движения.
Представим классические ручные весы, в них измерение массы происходит за счет уравновешивания двух сил — силы тяжести измеряемого объекта и упругости проградуированной пружины.
В режиме взвешивания на весах Киббла гравитационная сила уравновешивается электромагнитной. Взвешиваемый образец помещается в специальную чашку, а ток через катушку подбирается таким образом, чтобы действующие силы уравновесили друг друга.
Режим движения основан на явлении электромагнитной индукции. Измеряемый объект удаляется за ненужностью, а катушка движется в магнитном поле. Цель такого дополнительного измерения проста: косвенно и с меньшей погрешностью измерить параметр магнитного поля – плотность магнитного потока в зазоре постоянного магнита — необходимый для итогового вычисления массы.
Гонка за точностью
Чтобы обеспечить точное измерение или воспроизведение массы, необходимо выполнить ряд вещей, уменьшающих неточности. Один из шагов — упомянутая выше калибровка, устраняющая неопределенность измерения индукции магнитного поля и линейного размера катушки. Следующий шаг — наиболее точно определить значения всех входящих в уравнение ватт-баланса величин.
Скорость движения катушки измеряется с помощью лазерного интерферометра, а благодаря открытию в 1980 году квантового эффекта Холла и ранее известному к тому времени эффекту Джозефсона появилась возможность точной и стабильной реализации единиц ома и вольта соответственно.
Также в устройство ватт-весов входит гравиметр. Он измеряет точное значение ускорения свободного падения (которое входит в уравнение для вычисления массы) в том месте, где находится измеряемая масса. Сегодня несколько существующих весов Киббла воспроизводят единицу массы в диапазоне от миллиграммов до килограммов с точностью 2 на 10 -8 .
Приключения нового килограмма в России
Но все реформы касаются первичных метрологических уровней. Госэталон должен будет со временем воспроизводить единицу массы с точностью, заданной определением. Передаваться килограмм на второй уровень должен будет в условиях вакуума, то есть в условиях калибровки первичного эталона. А далее — уже передача единицы массы в условиях атмосферы другим измерительным приборам (вплоть до бытовых весов) не будет никак отличаться от того, что было раньше.
Кстати, передача единицы осуществляется с помощью еще одних специальных весов — компаратора массы. Работает эта машина на принцип электромагнитной компенсации — так же, как и ватт-весы в режиме взвешивания, когда измеряемая масса уравновешивается током. Компаратор при этом, конечно же, дает гораздо меньшую точность.
Детальное описание принципа работы весов
Ученые любят формулы, и на формальном языке принцип работы ватт-весов демонстрируется очень наглядно. Привлечем силы школьной физики. Весу объекта Mg сопоставляется вертикальная составляющая магнитной силы BIL, действующая на проволочную катушку с током в сильном магнитном поле B c известной скоростью v. Такое движение по закону электромагнитной индукции Фарадея индуцирует разность потенциалов U=BLv на концах катушки. Так как и магнитное поле, и сама катушка те же, что и в первом случае, величина плотности магнитного потока BL остается прежней, а режим движения является калибровочным шагом, позволяющим избавиться от неопределенности измерения значения BL.
То есть с одной стороны мы имеем равенство сил Мg=BIL, c другой — соотношение U=BLv (закон индукции Фарадея). Итоговое уравнение после исключения произведения BL имеет вид: Mgv=UI. Размерность обеих сторон уравнения — единицы мощности, поэтому весы Киббла изначально назывались ватт-весами, а итоговое выражение сопоставляет электрическую и механическую мощности.
Внимательный читатель может задать вопрос: если работа весов определяется уравнением Mgv=UI, то какое во всей этой истории место занимают постоянная Планка и определение килограмма через ФФК? А ответ кроется в технической реализации точных измерений электрического тока и напряжения.
Все для того же уменьшения неопределенности ток в уравнении баланса не измеряют прямо, а поставляют эквивалентное выражение по закону Ома I=U/R. Напряжение мы умеем точно воспроизводить, сопротивление — тоже, но на основе уже другого эффекта — квантового эффекта Холла . Благодаря открытию Клауса фон Клитцинга в 1980 году у инженеров-микроэлектроников появилась возможность создавать стандарты с точно заданным значением сопротивления с неопределенностью на уровне миллиардной доли Ома. Математически говоря, благодаря вышеописанным квантовым эффектам электрическую мощность можно сопоставить с частотой, постоянной Планка и зарядом электрона и, соответственно, через уравнение ватт-баланса связать постоянную Планка, секунду и заряд электрона с килограммом.
Необходимо будет немного преобразовать уравнение ватт-баланса так, чтобы в левой части была только масса, а в правой — все остальные величины. Напряжение представляется в виде U(n)= hf/2e, где n — квантовое число. Сопротивление, соответственно, R(p)=h/pe 2 . Электрическая мощность выражается через квантовые величины как UI=U*U/R=(hf/2e) 2 *h/pe 2 . Из уравнения баланса мощностей мы получим: m =p*n 2 *f 2 *h/(4gv).
Это и есть то самое выражение массы через фундаментальные константы природы. Точное вычисление параметров правой части уравнения обеспечивает вычисление массы, а подбор этих параметров — воспроизведение.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Весы
Во многих отраслях правильность взвешивания — важный показатель. Но весы время от времени могут выходить из режима нормальной и точной работы. Чтобы провести профилактику или устранить неполадки нужно периодически проводить наладку.
Способы калибровки
Вот несколько вариантов:
- Внутренний – современные устройства имеют внутренний эталонный механизм, с помощью которого осуществляется процесс;
- Автоматический – встроенная функция запускается сама после включения.
Важно! Калибровка напольных электронных весов производится только внешним методом.
Периодичность
Выполнять нужно:
- Перед началом регулярного использования;
- В соответствии указаниями в паспорте модели;
- При различных изменениях в условиях работы, а именно изменение местоположения, температуры окружающей среды и условий при которых выполнялось взвешивание.
Инструкция
Инструкция включает в себя несколько пунктов:
Методом пользуются также для того, чтобы тарировать напольные электронные весы. Есть и другой способ как откалибровать весы.
Порядок действий таков:
В основном при покупке приборов не дают никаких эталонов, поэтому в этом случае необходимо воспользоваться внутренним методом. Эта функция имеется у современных девайсах.
Для этого необходимо:
Люди, занимающиеся торговлей, интересуются тем, как откалибровать электронные весы.
Для настройки моделей со счетчиком стоимости:
Калибровка электронных весов самостоятельно для моделей CАS производится таким образом:
Калибровка весов мидл производится по такому алгоритму:
Важно! Калибровку весов нужно производить только при достижении устойчивых показателей на дисплее прибора.
Во многих отраслях применяют приборы марки Baurer. Их тарировка очень проста, для этого необходимо войти в настройки, выставить показатели, запустить в работу.
Проверка точности весов автомобильных производится, когда имеется не соответствие показателя с эталоном, также тарирование весов может выполняться планово с периодичностью, указанной в паспорте. В автомобильных весах калибрование производится посредством программного оборудования. Доступ к нему ограничен во избежание настройки неправильных показателей.
Ювелирные электронные весы требует особой точности и аккуратности при проведении самостоятельного калибрования показателей.
Чтобы провести их тарировку нужно:
Заключение
Калибровка весов является важным процессом при их обслуживании. Без этого точную работу очень трудно гарантировать. Для того чтобы выполнить этот процесс, необязательно обращаться к помощи посторонних лиц или организаций. Это необходимо только для сложных моделей в некоторых отраслях, подвластных контролю метрологической службы.
Корректировку весов в нужную сторону очень легко и быстро сделать самостоятельно и для этого не требуется никаких специальных знаний, а только точно следовать указаниям в инструкции. Но при сомнении в том, что процесс произведен правильно можно обратиться в ближайший метрологический центр.
Читайте также: