Циклы взвешивания и дрейф показаний высокоточных весов

Рассмотрено понятие цикла взвешивания, необходимого для исключения дрейфа показаний весов из результата взвешивания, при этом дрейф показаний весов считается линейным. Установлено, что отклонение реального дрейфа показаний весов от линейности может приводить к заметной методической погрешности результата измерений. Отмечено, что достигнутая в настоящее время точность взвешиваний первичных эталонов массы и их копий, а также точность ватт-весов уже не позволяют считать дрейф показаний весов линейным. Приведены экспериментальные данные, подтверждающие заметные отклонения дрейфа показаний весов от линейности. При вычислении разности сравниваемых масс по линейной и нелинейной моделям дрейфа расхождения могут составлять около 10 мкг, что по крайней мере на один-два порядка превышает стандартное отклонение результата измерений. Выведены формулы для расчёта результата измерений разности масс сравниваемых гирь, справедливые не только для линейного, но и для нелинейного дрейфа показаний. С целью распространения в метрологической практике концепции циклов взвешивания на случай нелинейного дрейфа показаний весов разработаны циклы взвешивания из пяти и шести простых взвешиваний сравниваемых гирь, позволяющие исключить влияние нелинейного дрейфа. Данные циклы исследованы методом математического моделирования и проверены экспериментально по результатам взвешиваний на вакуумном компараторе СCL1007 из состава Государственного первичного эталона единицы массы – килограмма ГЭТ 3-2020. Полученные результаты будут полезны специалистам при научных исследованиях в области метрологического обеспечения измерений массы.

1. Менделеев Д. И. Труды по метрологии. Государственное издательство по стандартизации «Стандартгиз», Ленинград – Москва (1936).

2. Robinson I. A., Schlamminger S. The watt or Kibble balance: a technique for implementing the new SI definition of the unit of mass. Metrologia, 53(5), A46–A74 (2016). https://doi.org/10.1088/0026-1394/53/5/A46

3. Haddad D., Seifert F. et al. A precise instrument to determine the Planck constant and the future kilogram. Review of Scientific Instruments, 87, 061301 (2016). https://doi.org/10.1063/1.4953825

4. Zhengkun Li et al. The upgrade of NIM-2 joule balance since 2017. Metrologia, 57(5), 055007 (2020). https://doi.org/10.1088/1681-7575/ab9211

5. Fang H. et al. The BIPM Kibble balance for realizing the kilogram definition. Metrologia, 57(5), 045009 (2020). https://doi.org/10.1088/1681-7575/ab860c

6. Каменских Ю. И., Медведевских С. В., Шмигельский И. Ю. Исследование макета ватт-весов на основе монолитного весоизмерительного преобразователя. Измерительная техника, (1), 31–35 (2023). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2023-1-31-35

7. Каменских Ю. И., Снегов В. С. Компарирование гирь с применением циклов взвешивания при нелинейном дрейфе компаратора. Эталоны. Стандартные образцы, (2), 23–32 (2024). https://doi.org/10.20915/2077-1177-2024-20-2-23-32

8. Снегов В. С., Каменских Ю. И., Сафонов А. В. О циклах взвешивания массы на компараторах. Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности, (7), 9–12 (2018). https://doi.org/10.30713/0132-2222-2018-7-9-12

9. Смирнова Н. А., Мошкова М. Н., Снегов В. С., Тютикова М. И. Сличения эталонов-копий с государственным эталоном килограмма СССР в 1968–1969 гг. Труды ВНИИМ. Стандартгиз, Москва (1970).

10. Медведевских С. В., Чекирда К. В. Исследование макета ватт-весов с верхним пределом измерений 10 грамм. Измерительная техника, (2), 28–33 (2022). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2022-2-28-33

11. Чекирда К. В., Янковский А. А. Перспективы создания первичного эталона килограмма на основе ватт-весов. Законодательная и прикладная метрология, (5(173)), 13–17 (2021). https://elibrary.ru/buoboo