Jste zde

Státní etalon hmotnosti

Název etalonu: Státní etalon hmotnosti

Kódové označení: ECM 120-1/00-007

Rok vyhlášení: 2000

Pracoviště: odd. 6012 ČMI OI Brno

Garant: Mgr. Jaroslav Zůda, Ph.D.

Počet zajišťovaných CMC řádků: 6

Mezi základní veličiny soustavy jednotek SI patří hmotnost, jejíž jednotkou je kilogram.

Kilogram je definován jako hmotnost mezinárodního prototypu kilogramu, uchovávaného v Mezinárodním úřadě pro váhy a míry (BIPM) v Sévres.

Na tento prototyp jsou navázána veškerá závaží přes různý počet kalibrací. Státní etalony hmotnosti jsou k prototypu v rámci jednotlivých zemí nejblíže.

Po rozdělení ČSFR na dva samostatné státy musel Český metrologický institut vybudovat zcela nové pracoviště primární etalonáže hmotnosti, které by zajišťovalo náročné úkoly spojené se zajištěním návaznosti v oboru hmotnosti, které do té doby zajišťovalo pro celou federaci pracoviště v Bratislavě. Laboratoř primární etalonáže hmotnosti byla v roce 1994 vybavena etalonovým zařízením jako výsledek projektu PHARE G24 budování primární etalonáže za pomoci Švýcarské vlády. V té době se jednalo o zajištění návaznosti na sekundární úrovni. V roce 1995 byla vyřešena metrologická návaznost etalonů pro ČR pomocí švýcarského institutu OFMET (dnes METAS), který zajistil kalibraci hmotnosti dvou etalonů o nominální hmotnosti 1 kg vyrobených z austenitické oceli.

V roce 1999 byl z BIPM získán platino-iridiový prototyp kilogramu s označením 67, který byl v roce 2000 vyhlášen státním etalonem hmotnosti České republiky a stal se tak výchozím bodem schématu návaznosti měřidel hmotnosti České republiky. Etalon je definován jako hmotnost prototypu ze slitiny platiny a iridia, jehož hodnota hmotnosti je určena porovnáním s mezinárodním prototypem kilogramu, který je uložen v Mezinárodním úřadu pro míry a váhy. Účelem etalonu je přenos jednotky hmotnosti pomocí komparátorových vah na pracovní etalony z austenitické oceli. Etalon má tvar rovnostranného válce s těmito parametry:

Číslo etalonu67
Hmotnost1 kg + 0,165 mg
Nejistota0,004 mg
Objem při 0 °C46,4352 cm3
Hustota při 0 °C21535,40 kg/m3
Součinitel teplotní objemové roztažnosti(25,869 + 0,00565 t) Î 10-6 °C-1
Složení slitiny90 % Pt + 10 % Ir
PříměsiRh + Pl + Ru < 0,2 %, Fe < 0,05 %, ostatní < 0,02 %
Tvar Rovnostranný válec (h = d = 39 mm)
Drsnost povrchuRa = 0,01 µm

Etalon je uchováván ve speciálním dvojitém skleněném krytu na podložce se třemi středicími šrouby pro uchycení vrchního krytu. Pro manipulaci jsou určeny speciální kleště se stykovými plochami krytými materiálem zabraňujícím poškození povrchu prototypu při uchopení. Etalon je přepravován ve speciálním tubusu, který umožňuje uchycení prototypu v pěti bodech. Zabraňuje tak pohybu prototypu při přepravě. Dotykové plochy jsou kryty speciálním materiálem.

V roce 2010 proběhla pravidelná kalibrace v Mezinárodním úřadu pro míry a váhy. Aktuálně používaná hodnota hmotnosti má tak velikost 1 kg + 0,188 mg ± 0,006 mg. Porovnáním s předchozí hodnotou zjišťujeme, že se hodnota hmotnosti nepatrně zvýšila, což může být způsobeno postupnou kontaminací povrchu. Vyšší nejistota údaje hmotnosti je dána odlišnou kalibrační metodou Mezinárodního úřadu.

Státní etalon hmotnosti byl po převozu zpět do ČR použit pro kalibraci dvou závaží z austenitické oceli s použitím komparátorové váhy Mettler Toledo M-One. Vztah, který je při kalibraci používán, má tvar    

Kde značí:

mt

hmotnost závaží z nerezové oceli,

m67

hmotnost státního etalonu,

ΔV

označuje rozdíl objemů obou závaží,

ρa

hustotu vzduchu, při které kalibrace probíhá a,.

ρj

hustotu závaží, které bylo použito při justáži hmotnostní stupnice komparátoru.

Hustota a objem státního etalonu jsou udány v jeho kalibračním listě vydaném Mezinárodním úřadem pro míry a váhy. Hustotu závaží z nerezové oceli lze určit hydrostatickým vážením, tedy měřením hmotnosti v jiném prostředí o jiné známé hustotě. Na závaží pak působí jiná vztlaková síla a má tedy jinou zdánlivou hmotnost. Při znalosti hustoty prostředí jsme pak schopni určit hustotu závaží.

S využitím nového vakuového komparátoru je možné pro takové měření využít pouze jednoho přístroje. Tento přístroj totiž umožňuje měření jak ve vzduchu, tak ve vakuu, kde můžeme předpokládat nulovou hustotu prostředí. Tím zároveň dokážeme měřit rozdíl skutečných hmotností. Můžeme také měřit v prostředí čistého plynu, a tedy bez porušení povrchových vrstev vlivem například vzdušné vlhkosti. Další informace o přístroji a metodě měření jsou v samostatné kapitole.

S použitím takto přesného komparátoru lze dosáhnout nejistoty hmotnosti nerezového závaží až 0,04 mg pro k = 1. Nejlepší hodnota prozatím uvedená v CMC tabulkách má hodnotu 0,17 mg pro k = 2, což je zároveň nejlepší hodnota udávaná v kalibračních listech pro zákazníky.

S dalším rozvojem měření hmotnosti ve vakuu můžeme očekávat další zlepšení kalibračních schopností laboratoře hmotnosti s důrazem na potenciální novou definici jednotky hmotnosti, kdy se předpokládá primární realizace jednotky v prostředí vakua.   

 

Obrázková galerie: