izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2021-12-48-55izmertech-2022Research ArticleЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯELECTROMAGNETIC MEASUREMENTSЭлектромагнитная система для реализации единицы массыElectromagnetic system to realizing a unit of masshttps://orcid.org/0000-0002-3754-0743ВолеговаЕ. А.VolegovaЕ. A.

Екатерина Александровна Волегова

Екатеринбург

Еkaterina А. Volegova

Ekaterinburg

volegovaea@uniim.ruАндреевС. В.KudrevatykhN. V.

Сергей Витальевич Андреев

Екатеринбург

Nikolai V. Kudrevatykh

Ekaterinburg

sergey.andreev@urfu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0996-6974КудреватыхН. В.KudrevatykhN. V.

Николай Владимирович Кудреватых

Екатеринбург

Nikolai V. Kudrevatykh

Ekaterinburg

nikolai.kudrevatykh@urfu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8412-0960МальцеваВ. Е.MaltsevaV. Е.

Виктория Евгеньевна Мальцева

Екатеринбург

Viktoria Е. Maltseva

Ekaterinburg

viktoria.maltseva@urfu.ruМасловаТ. И.MaslovaТ. I.

Татьяна Ивановна Маслова

Екатеринбург

Тatiana I. Maslova

Ekaterinburg

maslova@uniim.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5175-4473НезнахинД. С.NeznakhinD. S.

Дмитрий Сергеевич Незнахин

Екатеринбург

Dmitriy S. Neznakhin

Ekaterinburg

d.s.neznakhin@urfu.ruСердюковС. В.SerdiukovS. V.

Сергей Владимирович Сердюков

Екатеринбург

Sergey V. Serdiukov

Ekaterinburg

serdyukovsv@uniim.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0335-7684УржумцевА. Н.UrzhumtsevA. N.

Андрей Николаевич Уржумцев

Екатеринбург

Andrei N. Urzhumtsev

Ekaterinburg

andrei.urzhumtsev@urfu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0902-0636ВолеговА. С.VolegovA. S.

Алексей Сергеевич Волегов

Екатеринбург

Aleksey S. Volegov

Ekaterinburg

alexey.volegov@urfu.ruУральский научно-исследовательский институт метрологии – филиал ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева»РоссияUNIIM – Affiliated Branch of the D. I. Mendeleyev All-Russian Institute for Metrology (VNIIM)Russian FederationУральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. ЕльцинаРоссияUral Federal University named after the first President of Russia B .N. YeltsinRussian FederationУральский научно-исследовательский институт метрологии – филиал ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. МенделееваРоссияUNIIM – Affiliated Branch of the D. I. Mendeleyev All-Russian Institute for Metrology (VNIIM)Russian FederationУральский научно-исследовательский институт метрологии – филиал ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева; Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. ЕльцинаРоссияUNIIM – Affiliated Branch of the D. I. Mendeleyev All-Russian Institute for Metrology (VNIIM); Ural Federal University named after the first President of Russia B .N. YeltsinRussian Federation2021290920230124855Copyright © Волегова Е.А., Андреев С.В., Кудреватых Н.В., Мальцева В.Е., Маслова Т.И., Незнахин Д.С., Сердюков С.В., Уржумцев А.Н., Волегов А.С., 20232023Волегова Е.А., Андреев С.В., Кудреватых Н.В., Мальцева В.Е., Маслова Т.И., Незнахин Д.С., Сердюков С.В., Уржумцев А.Н., Волегов А.С.Volegova Е.A., Kudrevatykh N.V., Kudrevatykh N.V., Maltseva V.Е., Maslova Т.I., Neznakhin D.S., Serdiukov S.V., Urzhumtsev A.N., Volegov A.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.izmt.ru/jour/article/view/2022

Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований магнитных характеристик электромагнитной системы прототипа весов Киббла. На основе прототипа рассмотрены технические решения, которые могут быть применены при создании первичного эталона килограмма на фундаментальных физических константах. Использован метод конечных элементов для расчёта геометрических форм и размеров элементов системы с целью получения постоянного значения коэффициента преобразования BL вдоль оси системы. По результатам расчётов спроектирована и изготовлена электромагнитная система. На основе Государственного первичного эталона единиц мощности магнитных потерь, магнитной индукции постоянного магнитного поля в диапазоне от 0,1 до 2,5 Тл и магнитного потока в диапазоне от 1∙10–5 до 3∙10–2 Вб ГЭТ 198-2017 разработана установка, предназначенная для измерения топологии магнитного поля в зазоре магнитной системы. Проведены экспериментальные исследования распределения магнитной индукции в зазоре электромагнитной системы и снаружи этой системы. Определены силовые характеристики электромагнитной системы. Установлено влияние электрического тока, протекающего по катушке в режиме взвешивания, на изменение потокосцепления катушки. Определено положение катушки в режиме взвешивания, в котором коэффициент преобразования магнитной системы не зависит от силы электрического тока в катушке.

Results of theoretical and experimental studies of the magnetic characteristics of the electromagnetic system of the prototype Kibble balance is presented. On the basis of the prototype, technical solutions that can be applied in the development of the primary kilogram standard based on the fundamental physical constants are considered. The finite element method was used to design the geometric shapes and dimensions of the system elements in order to obtain a constant value of the conversion coefficient BL. The electromagnetic system was designed and manufactured. On the basis of the State primary standard unit of magnetic losses, magnetic flax density of the constant magnetic field in the range from 0.1 to 2.5 T and magnetic flux in the range from 1∙10–5 to 3∙10–2 Wb GET 198-2017 the installation designed for measuring the topology of the magnetic field in the magnetic system gap was developed. Experimental studies of magnetic flux density distribution in the air gap of the electromagnetic system and outside of it were carried out. The force characteristics of the electromagnetic system were determined. The influence of electric current flowing through the coil in the weighing mode on the change of coil flux linkage was determined. The position of the coil in the weighing mode in which the coefficient of conversion of the magnetic system does not depend on the strength of the electric current in the coil is determined.

эталонвесы Кибблакилограмммагнитная индукцияэлектромагнитная системаГЭТ 198-2017метод конечных элементовmeasurement standardKibble balancekilogrammagnetic fl ux densityelectromagnetic systemGET 198-2017fi nite element methodавторы выражают благодарность сотрудникам научно-исследовательского отдела эталонов и научных исследований в области измерений линейных ускорений, гравиметрии и угла ФГУП ВНИИМ им. Д. И. Менделеева за интересные и продуктивные дискуссии; работа выполнена в рамках НИР «Исследование путей создания эталона килограмма на основе ватт-весов», шифр «Баланс» (государственный контракт № 120-85/2020 от 15.09.2020) и при частичной поддержке ГЗ УрФУ FEUZ-2020-0051.ReferencesDraft Resolution A: On the revision of the International System of units (SI) to be submitted to the CGPM at its 26th meeting (2018), available at: https://www.physik.uni-wuerzburg.de/fileadmin/physik-fpraktikum/2018/Draft-Resolution-A-EN.pdf (accessed: 23.07.2021).Draft Resolution A: On the revision of the International System of units (SI) to be submitted to the CGPM at its 26thmeeting (2018), available at: https://www.physik.uni-wuerzburg.de/fileadmin/physik-fpraktikum/2018/Draft-Resolution-A-EN.pdf (accessed: 23.07.2021).Robinson I. A., Schlamminger S., Metrologia, 2016, vol. 53, no. 5, pp. A46–A74. https://doi.org/10.1088/0026-1394/53/5/A46Robinson I. A., Schlamminger S., Metrologia, 2016, vol. 53, no. 5, pp. A46–A74. https://doi.org/10.1088/0026-1394/53/5/A46Steiner R. L., Williams E. R., Liu R. and Newwll D. B., IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2007, vol. 56, no. 2, pp. 592–596. https://doi.org/10.1109/TIM.2007.890590Steiner R. L., Williams E. R., Liu R. and Newwll D. B., IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2007, vol. 56, no. 2, pp. 592–596. https://doi.org/10.1109/TIM.2007.890590Robinson I. A., Berry J., Bull C. et al., 2018 Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2018), 8–13 July 2018, Paris, France, IEEE, 2018, pp. 257–258. https://doi.org/10.1109/CPEM.2018.8501149Robinson I. A., Berry J., Bull C. et al., 2018 Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2018), 8–13 July 2018, Paris, France, IEEE, 2018, pp. 257–258. https://doi.org/10.1109/CPEM.2018.8501149Sanchez C. A., Wood D. M., Green R. G., Liard J. O., Inglis D., Metrologia, 2014, vol. 51, no. 2, pp. S5–S14. https://doi.org/10.1088/0026-1394/51/2/S5Sanchez C. A., Wood D. M., Green R. G., Liard J. O., Inglis D., Metrologia, 2014, vol. 51, no. 2, pp. S5–S14. https://doi.org/10.1088/0026-1394/51/2/S5Picard A., Fang H., Kiss A. et al., IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2008, vol. 58, no. 4, pp. 924–929. https://doi.org/10.1109/TIM.2008.2009913Picard A., Fang H., Kiss A. et al., IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2008, vol. 58, no. 4, pp. 924–929. https://doi.org/10.1109/TIM.2008.2009913Baumann H., Eichenberger A. L., Cosandier F., et al., Metrologia, 2013, vol. 50, no. 3, pp. 235–242. https://doi.org/10.1088/0026-1394/50/3/235Baumann H., Eichenberger A. L., Cosandier F., et al., Metrologia, 2013, vol. 50, no. 3, pp. 235–242. https://doi.org/10.1088/0026-1394/50/3/235Kim D., Kim M., Seo M., et al., Metrologia, 2020, vol. 57, no. 5, 055006. https://doi.org/10.1088/1681-7575/ab92e0Kim D., Kim M., Seo M., et al., Metrologia, 2020, vol. 57, no. 5, 055006. https://doi.org/10.1088/1681-7575/ab92e0Sutton C. M., Clarkson M. T., Fung Y. H. Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2018), 8–13 July 2018, Paris, France, IEEE, 2018, pp. 71–72. https://doi.org/10.1109/CPEM.2018.8500889Sutton C. M., Clarkson M. T., Fung Y. H. Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2018), 8–13 July 2018, Paris, France, IEEE, 2018, pp. 71–72. https://doi.org/10.1109/CPEM.2018.8500889Thomas M., Ziane D., Pinot P., Metrologia, 2017, vol. 54, no. 4, pp. 468–480. https://doi.org/10.1088/1681-7575/aa7882Thomas M., Ziane D., Pinot P., Metrologia, 2017, vol. 54, no. 4, pp. 468–480. https://doi.org/10.1088/1681-7575/aa7882Seifert F., Panna A., Li S., et al., IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2014, vol. 63, no. 12, pp. 3027–3038. https://doi.org/10.1109/TIM.2014.2323138Seifert F., Panna A., Li S., et al., IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2014, vol. 63, no. 12, pp. 3027–3038. https://doi.org/10.1109/TIM.2014.2323138Волегова Е. А., Малыгин М. А., Маслова Т. И., Волегов А. С. Государственный первичный эталон единиц мощности магнитных потерь, магнитной индукции постоянного магнитного поля в диапазоне от 0,1 до 2,5 Тл и магнитного потока в диапазоне от 1·10-5 до 3·10-2 Вб ГЭТ 198-2017 // Измерительная техника. 2018. № 3. С. 7–10. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2018-3-7-10Volegova E. A. et al., Measurement Techniques, 2018, vol. 61, no. 3, pp. 199–202. https://doi.org/10.1007/s11018-018-1409-2

The authors declare that there are no conflicts of interest present.