Совершенствование эталонной базы РФ - путь к улучшению качества продукции

- 2010. - С. 186-191.

7. Мелентьев В.С., Иванов Ю.М., Муратова В.В.Исследование метода измерения интегральных характеристик по мгновенным значениям сигналов, разделенным в пространстве // Известия Волгоградского государственного технического университета. Серия Электроника, измерительная техника, радиотехника и связь - 2014. - Т.9, № 10 (137). - С. 52-55.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭТАЛОННОЙ БАЗЫ РФ -ПУТЬ К УЛУЧШЕНИЮ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ Мишин Алексей Александрович, студент группы НМ-41 Юго-Западный государственный университет Куприянова Ирина Юрьевна, к.т.н., профессор Юго-Западный государственный университет

В статье на примере эталона массы показана необходимость и возможные пути совершенствования эталонной базы РФ для создания и повышения качества продукции.

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 нанома-териалов.

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.

Особое место занимают работы, имеющие своей целью опережающее развитие метрологического обеспечения нанотехнологий и наноиндустрии, а также других приоритетных направлений экономики. Учтем, например, что правильность выведения на заданную орбиту искусственного спутника Земли, напрямую связана с точностью определения его массы.

В сентябре 2015 года исполнилось 126 лет с момента появления на свет международного эталона килограмма. Было создано всего около 80 копий. России были переданы две копии, хранящееся в данный момент во ВНИИ метрологии им. Менделеева (Санкт- Петербург). [1]

Килограмм является единственной на данный момент единицей СИ, которая определяется не на основе фундаментальных физических свойств и законов, а определена при помощи объекта. С тех пор, как был изготовлен международный эталон, его несколько раз сравнивали с национальными копиями. Измерения показали рост массы копий относительно эталона в среднем на 50 мкгр за 100 лет. Особенно отличался прототип №39, привезенный из Кореи, он потерял около 665 мкгр. (рис. 1) [2]. Официальный же прототип, по словам ученых, в прошлом веке потерял 0,0001г.

Итак, международный эталон и его копии с каждым годом становится все менее точными, что также приводит к снижению точности производных от данных эталонов калибровочных гирь. Таким образом, поднимается вопрос о доверии к измерениям современных приборов, определяющих вес. Кроме того, с учетом килограмма определены четыре из семи базовых единиц в международной системе измерения, поэтому постоянство величины данного эталона очень актуально для научных исследований.

Год

Рисунок 1 - Изменение массы эталонов килограмма из разных стран

В настоящее время рассматриваются несколько вариантов переопределения килограмма на основе фундаментальных физических констант.

Еще с 2003 года группа ученых из 8 стран, в том числе из Германии, Италии, Австралии и Японии, в рамках проекта «Авогадро» ведет исследования, предполагающие переосмысления килограмма.

На данный момент постоянная Авогадро базируется на килограмме и равняется количеству атомов в 1/12 граммах углерода 12. Предлагается подход, основанный на уточнении числа Авогадро, что затем переопределит килограмм.

Для решения этой задачи была созданы сферы из изотопа кремния-28, тетраэдрическая кристаллическая решетка которого способна образовывать монокристаллы с практически идеальной структурой. Форма же была выбрана из-за достаточной простоты объекта (зная лишь только диаметр сферы, можно определить ее объем, также сфера лишена краев и углов, которые могут быть повреждены).

Изготовление сферы проходило в несколько этапов. Природный кремний представляет собой смесь нескольких изотопов: 28Si, 29Si и 30Si. Сначала в Центральном конструкторском бюро машиностроения РФ, также занимающимся обогащением урана, при помощи центрифуг был получен образец кремния-28 чистотой 99.994%. Партия этого дорогого материала

была отправлена в немецкий Национальный Институт Метрологии, где из

28

обогащённого нуклидом Si кремния после нескольких неудачных попыток был выращен пятикилограммовый монокристалл. Шлифовка сфер начиналась с кристаллов заведомо большего размера (примерно на 2мм больше в диаметре), а процесс происходил практически на атомарном уровне в течении двух лет, в результате чего было изготовлено две практически идеальные сферы. Участник проекта Арнольд Николаус (Arnold Nicolaus) заявляет, что если полученные сферы можно было бы увеличить до размеров нашей планеты, то высота самой большой горы не превышала бы трех метров на поверхности такой сферы.

Количество атомов в кристалле можно определить, зная соотношение объема сферы к объему каждой кубической ячейки атома. Параметры элементарной ячейки были определены при помощи рентгеновской дифракции, а объем сфер - лазерной интерференцией. [3]. Таким образом, имея молярную массу и объем элементарной ячейки У0(с n атомами), при известном объеме кристалла V и числом Авогадро NA массу сферы можно определить по формуле:

откуда NA=(^),

где p - плотность монокристалла.

В 2011 году исследователи получили значение числа Авогадро с точностью до 30 атомов на миллиард, в 2015 году — с точностью до 20 атомов на миллиард. Однако сохраняющаяся неопределенность заставила ученых

23 1

усреднить оба показателя в один: Кд=6, 02214082(11)^10 моль , где (11) - погрешность измерения последней цифры. В настоящее время данная величина является самым точным значением постоянной Авогадро. [4,5]

Таким образом, уточняя постоянную Авогадро, связывающую понятие единицы массы с атомной массой, исследователи повышают точность в определении единицы массы объекта.

Рассматривается также способ определения килограмма, состоящий в использовании так называемого "ватт-баланса", который - наряду с другими вещами - может применяться для вычисления квантово-механической константы, известной как постоянная Планка. [6]

Постоянная Планка — основная константа квантовой теории, коэффициент, связывающий величину энергии кванта электромагнитного с его частотой, так же как и вообще величину кванта энергии любой линейной колебательной физической системы с её частотой. Эта константа соотносится с огромным количеством других констант, так что в физике она встречается всюду, особенно в уравнениях, описывающих действие ватт-баланса.

На приборе, изобретенном в британской Национальной физической лаборатории (НФЛ), предполагается провести эксперимент, заключающийся в том, чтобы уравнять гравитационную силу, действующую на 1 килограмм и электромагнитную силу, действующую на катушку, помещенную в магнитное поле. [7]. Именно в их балансировании (отсюда и название). Это достигается в результате вычислений, проходящих в двух фазах:

1. статической фазы (рис.2), в которой электромагнитная сила, действующая на катушку с проходящим по ней током в сильном магнитном поле, балансируется с весом стандартного килограмма;

2. динамической фазы (рис.3), цель которой - измерения силы магнитного поля

Статическая фаза:

Проволока с длиной 1 и проходящим по ней током I находится в магнитном поле индукции В так, что электромагнитная сила направлена вертикально вниз. Сила, действующая на катушку, компенсируется весом Р массы т под действием ускорения свободного падения g.

Fz=IB1=P=mg

Динамическая фаза:

V

Рисунок 3 - Динамическая фаза

В динамической фазе катушка перемещается все в том же сильном магнитном поле с вертикальной скоростью и.

ЭДС самоиндукции е (равное изменению магнитного потока в единицу времени), появляющееся на клеммах катушки, выражается формулой:

е = =- Bl(—)= - Blu

Индукция магнитного поля В и длина катушки ! остаются неизменными в течении всего времени.

Объединив формулы динамической и статической фазы, получаем уравнение, выражающее эквивалентность между механической силой и магнитной силой.

mgu= е!

На практике, ток определяется законом Ома и выражается отношением напряжения U к сопротивлению R.

и

mgu = е -

В настоящее время широко используются два квантовых макроскопических эффекта, пришедших из физики твердого тела, для вычисления напряжения и сопротивления с относительной погрешностью порядка 10-9.

Эффект Джозефсона - это явление протекания

сверхпроводящего тока через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника. При пропускании через контакт тока, величина которого превышает критическую, на контакте возникает падение напряжения ^ и контакт при этом начинает излучать электромагнитные волны частотой V.

V

При этом падение напряжение вычисляется по формуле , где & -

К]

постоянная Джозефсена, которая определяется через заряд электрона e и

2еч

постоянную Планка ^ С^—)

Квантовый эффект Холла, как и эффект Джозефсона, связан с использованием явления сверхпроводимости. Эффект Холла устанавливает значение сопротивления, пропорционального квантовому сопротивлению Rk

(константа Клитцинга Rk = р).

Определение значений напряжений U и сопротивления R, учитывая эффект Джозефсона и квантовый эффект Холла позволяет выразить величину массы m, подставив в уравнение константы Rk и

1 А 4А

rn =--= — h

gvKpRk gh

Отношение h/m прямо пропорционально отношению произведения ускорения свободного падения и скорости перемещения катушки к некоторому коэффициенту A, зависящему от электромагнитных параметров.

Таким образом, постоянная Планка неразрывно связывается с массой килограмма.

По данным июля 2015 года существует два опубликованных результата постоянной планка с погрешностью менее чем 2*10" . Один результат получен из Канады при помощи этого самого прибора с погрешностью 1,8*10-8.

Разработанные в настоящее время измерительные установки и полученные результаты исследований уже позволили повысить точность воспроизведения и передачи единицы массы. В РФ рассмотренным вопросам также уделяется большое внимание. Опубликована Программа

Список литературы

1. Brumfiel G. Elemental shift for kilo / Brumfiel Geoff // Nature. — 2010 — №467. — c. 892.

2. Mary B Why the World is Losing Weight / Bowers Mary // The Caravan. — 2009. —

15

3. An accurate determination of the Avogadro constant by counting the atoms in a 28Si crystal // http://arxiv.org

4. International Avogadro project // www.bipm.org/

5. Correlation of the NA measurements by counting 28Si atoms // Journal of Physical and Chemical Reference Data

6. Resolution 1 of the 25th CGPM

7. Robinson An initial measurement of Planck's constant using the NPL / Robinson Mark I.A. // Metrologia — 2007. — №44 — c. 427-440