Направления совершенствования эталона массы

Введение

Требования к точности измерений растут во всем мире. Безусловно, это затрагивает и область измерений массы. Сегодня ни одно производство, нацеленное на серьезный бизнес, выпуск качественного продукта и создание бренда не может обойтись без четкого контроля веса выпускаемой продукции. Точное определение массы на производстве обеспечивает возможность сбора данных сплошного контроля продукции, отслеживание партий, значения общей массы, массы годных и массы отбракованных продуктов, позволяют повысить качество продукции и оптимизировать производственные процессы и т.д.
Рост требований к точности измерения массы в современном мире только растет. Например, в относительно новой области науки и промышленности «Нанотехнологии» требуемая точность взвешивания может достигать порядка 10'15 г. В данной области промышленности точность определения массы нанокомпонентов напрямую отражается на качестве наноматериалов.
Для высокой точности взвешивания приборы для измерения массы проходят стадию калибровки с целью приведения метрологических характеристик весов к заданным в нормативных документах. Калибровка современных приборов требует от эталонов повышения точности и расширений диапазона измерений, необходимо как повышение точности воспроизведения, так и передачи единицы от Национального эталона.
Совершенствование эталонной базы России и удовлетворение измерительных потребностей в приоритетных направлениях тесно связаны с развитием приборостроения, использующего новейшие достижения мировых технологий.

\
Сличения эталонов копий
С целью сохранности национальных прототипов килограмма для передачи единицы вторичным эталонам единицы массы применяют их стальные копии, е В нашей стране для этого используются пять кило- е граммовых гирь из нержавеющей аустенитной немагнитной стали и эталон-свидетель (копия № 26 Между- с народного прототипа) (1). Для обеспечения единства 1 измерений массы в стране эти эталоны-копии периодически должны проходить сличения с национальным прототипом килограмма (копией № 12) (2).
В сличениях 2009 г. участвовали шесть эталонных гирь - копий национального прототипа килограмма, масса которых подлежала определению. Среди них £ были эталон-свидетель (ВНИИМ) и пять эталонов-копий (ЭК) массой 1 кг из нержавеющей стали: >6 6.
№ 15. № 5. № 2. № 3 (две последние принадлежат сторонним организациям).
Перед сличениями поверхность всех эталонов очищалась от загрязнений. Платиноиридиевый прототип № 12 в соответствии с рекомендациями МБМВ очищали спиртом-ректификатом и затем парами дважды дистиллированной воды. Платинонридиевая копия № 26 не подвергалась очистке, а поверхность стальных копий очищалась диэтиловым эфиром. В отличие от спирта-ректификата он не оставляет на поверхности гирь заметной глазу тонкой плёнки. После промывки гири высушивались в обычных условиях лаборатории в течение 14 суток.
Затем по разработанной схеме проводились сравнения масс отдельных копий с массой национального прототипа и масс всех копий между собой во всех возможных парных комбинациях (рис. 1. табл. 1). Срав- > нения проводились на автоматическом компараторе модели СС 1000SL фирмы “Сарториус” (Германия), установленном на развязанном фундаменте массой около 700 т, расположенном в специальном термостатном помещении.
Соответствующую приведённым начальным данным систему условных уравнений записывают в матричном виде |3, 4]:
Анализ результатов сличений показывает, что самым значимым фактором, влияющим на точность определения массы стальных эталонов-копий, является архимедова сила, действующая на эталонные гири в условиях окружающего воздуха. Наиболее кардинальным способом улучшить показатели точности эталонов-копий и вообще повысить точность взвешиваний является переход на вакуумное взвешивание. Тем более, что вакуумное взвешивание окажется необходимым условием получения Россией единицы массы от преднамеченного международного эталона единицы массы нового поколения, который будет основан на определении единицы массы через фундаментальные физические константы - постоянную Планка или число Авогадро.


Совершенствование первичного эталона массы
Государственный эталон единицы массы — килограмм — являемся самым древним из всех государственных эталонов, хотя в современном его составе он был утвержден в 1968 г.
Размер килограмма был впервые задан при установлении метрической системы через размер его дольной единицы — грамма, определенного как масса дистиллированной воды при температуре таяния льда в объеме куба с ребром 1/100 метра

. Позднее перешли к более удобному размеру единицы — килограмму, как массе воды в объеме кубического дециметра. В качестве нормальных условий была принята температура +4°С, при которой вода имеет наибольшую плотность. В 1889 г. но результатам тщательных измерений массы 1 дм3 воды во Франции был изготовлен первый прототип килограмма — платиноиридиевая гиря в виде цилиндра высотой 39 мм, равной ее диаметру, впоследствии названная архивным килограммом. Дальнейшие успехи точного взвешивания позволили установить, что масса архивного килограмма на 0,028 г больше массы 1 дм воды и что определить массу платинового килограмма можно в тысячу раз точнее, чем массу 1 дм воды.
В 1878—83 гг. были изготовлены 43 новые килограммовых гири но образцу архивного килограмма из платиноиридиевого сплава. Одна из этих гирь, масса которой оказалась наиболее близкой к архивному килограмму, в 1899 г. на 1 ГКМВ была принята в качестве международного прототипа килограмма, который и определяет в настоящее время размер единицы массы для всех стран Мифической конвенции. Россия получила в 1889 году две копии (№12 и №26) международного килограмма.
Первый Государственный эталон единицы массы в нашей стране был утвержден в 1918г. Им являлся один из национальных прототипов, приобретенных Россией в 1889 г., — копия №12 международного прототипа килограмма. В МБМВ за 1883 —1889 гг. была произведена окончательная подгонка всех прототипов и их исследование. Вся процедура изготовления прототипа №12 и его исследования подробно изложена в сертификате МБМВ на этот прототип, согласно которому масса прототипа №12 на 1889 г. составляла 1кг + (0,068± 0,002) мг.
Важным элементом Государственного первичного эталона килограмма являются эталонные весы, при помощи которых осуществляется передача размера единицы вторичным эталонам — эталонам-копиям массой в 1 кг. Сличения проводятся примерно 1 раз в 10 лет. Эталонные весы являются одним из наиболее точных измерительных устройств. Как и большинство высокоточных весов, эталонные весы №1 и №2 являются равноплечными призменными рычажными весами. Весы №2 имеют ряд преимуществ по сравнению с весами №1 в части конструкции и снабжены автоматическим регистрирующим устройством. Управление обоими "эталонными" весами производится дистанционно при помощи манипуляторов, которые позволяют освобождать коромысла весов (и перемещать в них гири) из другого помещения, с расстояния почти 4 м. Для уменьшения влияний температурных и воздушных колебаний в процессе измерений, а также попадания всевозможных пылинок, эталонные весы заключены в специальный стеклянный кожух. Специальное устройство позволяет измерять дистанционно температуру воздуха внутри весов с погрешностью 0,002°С.
Использование методики, основанной на способе Гаусса, позволяет обеспечивать на государственном первичном эталоне воспроизведение единицы массы в 1 кг и передачу ее размера вторичным эталонам с СКО результата, не превышающим 0,007 мг при условии соблюдения установленных правил хранения и применения эталонов массы.
Государственный первичный эталон единицы массы хранится и применяется во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева. Опыт применения национальных прототипов килограмма из платиноиридиевого сплава на протяжении более 80 лет показал, что эти гири обладают высокой стабильностью массы; но исследованиям МБМВ эти гири обеспечат хранение единицы массы с погрешностью не более 10 в течение нескольких столетий их применения.
В настоящее время, однако, остается принципиальное несовершенство эталона, связанное с искусственным определением единицы массы