Весы Киббла: электромеханический прибор для точного измерения массы, реализующий определение килограмма через фундаментальные константы. История и принцип работы.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Электромеханический прибор для измерения веса
Electromechanical weight measuring instrument
Весы Киббла – это электромеханический измерительный прибор, который с высокой точностью измеряет вес объекта путем определения электрического тока и напряжения, необходимых для создания компенсирующей силы. Это метрологический прибор, позволяющий реализовать определение килограмма как единицы массы на основе фундаментальных констант. Изначально прибор назывался ваттным балансом, поскольку вес измеряемой массы пропорционален произведению тока и напряжения, которое измеряется в ваттах. В июне 2016 года, спустя два месяца после смерти его изобретателя Брайана Киббла, метрологи Консультативного комитета по единицам Международного комитета мер и весов приняли решение переименовать прибор в его честь. До 2019 года определение килограмма основывалось на физическом объекте, известном как Международный прототип килограмма (МПК). После рассмотрения альтернативных вариантов, в 2013 году Генеральная конференция по мерам и весам (ГКМВ) согласовала критерии точности для замены этого определения на определение, основанное на использовании весов Киббла. После достижения этих критериев, ГКМВ 16 ноября 2018 года единогласно проголосовала за изменение определения килограмма и нескольких других единиц, вступившее в силу 20 мая 2019 года, в день Всемирной метрологии. Существует также метод, называемый джоулевым балансом. Все методы, использующие фиксированное числовое значение постоянной Планка, иногда называют балансом Планка.
A Kibble balance is an electromechanical measuring instrument that measures the weight of a test object very precisely by the electric current and voltage needed to produce a compensating force. It is a metrological instrument that can realize the definition of the kilogram unit of mass based on fundamental constants. It was originally called the watt balance because the weight of the test mass is proportional to the product of current and voltage, which is measured in watts. In June 2016, two months after the death of its inventor, Bryan Kibble, metrologists of the Consultative Committee for Units of the International Committee for Weights and Measures agreed to rename the device in his honor. Prior to 2019, the definition of the kilogram was based on a physical object known as the International Prototype of the Kilogram (IPK). After considering alternatives, in 2013 the General Conference on Weights and Measures (CGPM) agreed on accuracy criteria for replacing this definition with one based on the use of a Kibble balance. After these criteria had been achieved, the CGPM voted unanimously on November 16, 2018, to change the definition of the kilogram and several other units, effective May 20, 2019, to coincide with World Metrology Day. There is also a method called the joule balance. All methods that use the fixed numerical value of the Planck constant are sometimes called the Planck balance.
Дизайн
Весы Киббла — более точная версия амперных весов, раннего прибора для измерения тока, в котором измеряется сила между двумя катушками с током, а затем используется для вычисления величины тока. Весы Киббла работают по принципу, обратному амперным весам: ток в катушках устанавливается с очень высокой точностью на основе постоянной Планка, а сила между катушками используется для измерения веса эталонной килограммовой массы. Затем масса вычисляется из измеренного веса путем точного определения местного гравитационного поля Земли (результирующего ускорения, включающего гравитационные и центробежные эффекты) с помощью гравиметра. Таким образом, масса объекта определяется через ток и напряжение, что позволяет прибору "измерять массу, не прибегая к IPK (Международному прототипу килограмма) или какому-либо физическому объекту".
The Kibble balance is a more accurate version of the ampere balance, an early current measuring instrument in which the force between two current carrying coils of wire is measured and then used to calculate the magnitude of the current. The Kibble balance operates in the opposite sense; the current in the coils set very precisely by the Planck constant, and the force between the coils is used to measure the weight of a test kilogram mass. Then the mass is calculated from the weight by accurately measuring the local Earth's gravity (the net acceleration combining gravitational and centrifugal effects) with a gravimeter. Thus the mass of the object is defined in terms of a current and a voltage— allowing the device to "measure mass without recourse to the IPK (International Prototype Kilogram) or any physical object".
Происхождение
Принцип, используемый в балансе Киббла, был предложен Брайаном Кибблом из Национальной физической лаборатории Великобритании (NPL) в 1975 году для измерения гиромагнитного отношения. В 1978 году в NPL был построен ватт-баланс Mark I с участием Яна Робинсона и Рэя Смита. Он работал до 1988 года. Основной недостаток метода амперного баланса заключается в том, что результат зависит от точности измерения размеров катушек. Баланс Киббла использует дополнительную ступень калибровки для компенсации влияния геометрии катушек, устраняя основной источник неопределенности. Эта дополнительная ступень включает перемещение силовой катушки в известном магнитном потоке с известной скоростью. Это стало возможным благодаря установлению общепринятых значений постоянной фон Клицинга и постоянной Джозефсона, которые используются во всем мире для калибровки напряжения и сопротивления. Используя эти принципы, Брайан Киббл и Ян Робинсон изобрели баланс Киббла Mark II, который использует круглую катушку и работает в условиях вакуума в 1990 году. Брайан Киббл работал с Яном Робинсоном и Джанет Беллис над созданием этой версии баланса Mark Two. Эта конструкция позволила проводить измерения с достаточной точностью для использования при переопределении единицы массы в СИ: килограмма. В 2009 году баланс Киббла, разработанный в Национальной физической лаборатории, был передан Национальному исследовательскому совету Канады (NRC), где ученые из обеих лабораторий продолжили совершенствовать прибор. В 2014 году исследователи NRC опубликовали самое точное на тот момент измерение постоянной Планка с относительной неопределенностью 1,8. Итоговая статья исследователей NRC была опубликована в мае 2017 года и представляла измерение постоянной Планка с неопределенностью всего 9,1 части на миллиард – самое точное измерение на тот момент. Другие эксперименты с балансом Киббла проводятся в Национальном институте стандартов и технологий США (NIST), Швейцарском федеральном бюро метрологии (METAS) в Берне, Международном бюро мер и весов (BIPM) близ Парижа и Laboratoire national de métrologie et d’essais (LNE) в Траппе, Франция.
The principle that is used in the Kibble balance was proposed by Bryan Kibble of the UK National Physical Laboratory (NPL) in 1975 for measurement of the gyromagnetic ratio. In 1978 the Mark I watt balance was built at the NPL with Ian Robinson and Ray Smith. It operated until 1988. The main weakness of the ampere balance method is that the result depends on the accuracy with which the dimensions of the coils are measured. The Kibble balance uses an extra calibration step to cancel the effect of the geometry of the coils, removing the main source of uncertainty. This extra step involves moving the force coil through a known magnetic flux at a known speed. This was possible by setting of the conventional values of the von Klitzing constant and Josephson constant, which are used throughout the world for voltage and resistance calibration. Using these principles Bryan Kibble and Ian Robinson invented the Kibble Mark II balance, which uses a circular coil and operates in vacuum conditions in 1990. Bryan Kibble worked with Ian Robinson and Janet Belliss to build this Mark Two version of the balance. This design allowed for measurements accurate enough for use in the redefinition of the SI unit of mass: the kilogram. The Kibble balance originating from the National Physical Laboratory was transferred to the National Research Council of Canada (NRC) in 2009, where scientists from the two labs continued to refine the instrument. In 2014, NRC researchers published the most accurate measurement of the Planck constant at that time, with a relative uncertainty of 1.8. A final paper by NRC researchers was published in May 2017, presenting a measurement of the Planck constant with an uncertainty of only 9.1 parts per billion, the measurement with the least uncertainty to that date. Other Kibble balance experiments are conducted in the US National Institute of Standards and Technology (NIST), the Swiss Federal Office of Metrology (METAS) in Berne, the International Bureau of Weights and Measures (BIPM) near Paris and Laboratoire national de métrologie et d’essais (LNE) in Trappes, France.
Влияние гравитации
Гравитация и принцип работы баланса Киббла, который заставляет пробные массы колебаться вверх и вниз против местного ускорения свободного падения g, используются для сравнения механической мощности с электрической мощностью, определяемой как квадрат напряжения, деленный на электрическое сопротивление. Однако значение g значительно меняется – почти на 1% – в зависимости от места измерения на поверхности Земли (см. гравитация Земли). Существуют также небольшие сезонные колебания g в конкретной точке, вызванные изменениями уровня грунтовых вод, и более значительные полумесячные и суточные изменения, обусловленные приливными деформациями формы Земли, вызванными Луной и Солнцем. Хотя g не будет входить в определение килограмма, оно будет критически важно в процессе измерения килограмма при установлении связи между энергией и мощностью. Следовательно, g необходимо измерять с той же точностью и аккуратностью, что и другие величины, а измерения g должны быть связаны с фундаментальными константами природы. Для наиболее точных измерений в области массовой метрологии g измеряется с помощью абсолютных гравиметров с падающей массой, содержащих иодно-стабилизированный гелиево-неоновый лазерный интерферометр. Сигнал интерференционной картины, выход частотной развертки интерферометра, измеряется рубидиевыми атомными часами. Поскольку точность и стабильность этого типа гравиметров с падающей массой основаны на постоянстве скорости света, а также на присущих свойствах атомов гелия, неона и рубидия, термин "гравитация" при определении полностью электронного килограмма также измеряется в терминах инвариантов природы – с очень высокой точностью. Например, в подвале здания NIST в Гайтерсбурге в 2009 году при измерении гравитации, действующей на пробные массы Pt10Ir (которые более плотные, меньше и имеют немного более низкий центр тяжести внутри баланса Киббла, чем массы из нержавеющей стали), измеренное значение обычно отклонялось от 9,80101644 не более чем на 8 ppb.
Gravity and the nature of the Kibble balance, which oscillates test masses up and down against the local gravitational acceleration g, are exploited so that mechanical power is compared against electrical power, which is the square of voltage divided by electrical resistance. However, g varies significantly—by nearly 1%—depending on where on the Earth's surface the measurement is made (see Earth's gravity). There are also slight seasonal variations in g at a location due to changes in underground water tables, and larger semimonthly and diurnal changes due to tidal distortions in the Earth's shape caused by the Moon and the Sun. Although g would not be a term in the definition of the kilogram, it would be crucial in the process of measurement of the kilogram when relating energy to power. Accordingly, g must be measured with at least as much precision and accuracy as are the other terms, so measurements of g must also be traceable to fundamental constants of nature. For the most precise work in mass metrology, g is measured using dropping mass absolute gravimeters that contain an iodine stabilised helium–neon laser interferometer. The fringe signal, frequency sweep output from the interferometer is measured with a rubidium atomic clock. Since this type of dropping mass gravimeter derives its accuracy and stability from the constancy of the speed of light as well as the innate properties of helium, neon, and rubidium atoms, the 'gravity' term in the delineation of an all electronic kilogram is also measured in terms of invariants of nature—and with very high precision. For instance, in the basement of the NIST's Gaithersburg facility in 2009, when measuring the gravity acting upon Pt10Ir test masses (which are denser, smaller, and have a slightly lower center of gravity inside the Kibble balance than stainless steel masses), the measured value was typically within 8 ppb of 9.80101644.