Jste zde

Státní etalon tíhového zrychlení

Název etalonu: Státní etalon tíhového zrychlení

Kódové označení: ECM 120-3/08-040

Rok vyhlášení: 2019

Pracoviště: Výzkumný ústav geodetický, topografický a kartografický, v.v.i.,

                   Geodetická observatoř Pecný, 25165 Ondřejov 244

Garanti: Ing. Vojtech Pálinkáš, Ph.D., Ing. Jakub Kostelecký, Ph.D.

  

Rozsah měření:                                  9,75 m×s-2 až 9,85 m×s-2.

Opakovatelnost měření:                    1,2×10-8 m×s-2.

Standardní nejistota měření:  2,2×10-8 m×s-2.

 
  
  
  
  
  

V současné době se pro absolutní měření tíhového zrychlení používají výhradně tzv. absolutní balistické gravimetry, které určují tíhové zrychlení z měření trajektorie objektu (makroskopický objekt nebo mračno atomů) ve vakuu při jeho volném pádu případně svislém vrhu. Principy měření jsou v závislosti na druhu objektu založeny na laserové nebo atomové interferometrii.

Nejpřesnějšími absolutními gravimetry jsou v současnosti gravimetry typu FG5 [1], které jsou výsledkem téměř čtyřiceti let výzkumu [2] započatého prof. Fallerem z University of Colorado a jsou vyráběny firmou Micro-g LaCoste Inc., USA. Jedná se o přístroje pracující s makroskopickým objektem, jehož volný pád je opakovaně realizován a analyzován. Gravimetry FG5 jsou státními etalony např. ve Finsku, Rakousku nebo Švýcarsku.

Státním etalonem tíhového zrychlení byl v roce 2008 vyhlášen absolutní gravimetr FG5 v.č. 215 [3], [4]. Volný pád testovacího tělesa je realizován na vzdálenosti asi 0,2 m v prostředí s vysokým stupněm vakua. Během volného pádu je pozice tělesa určována jakožto funkce času (jehož realizaci zajišťuje rubidiový atomový oscilátor) přes vzdálenosti měřené laserovým interferometrem. Absolutní tíhová měření jsou tak přímo navázána na jednotky času a vzdálenosti SI prostřednictvím opakovaných kalibrací s relativní nejistotou lepší než 2·10-10. Během volného pádu testovacího tělesa je zpracováno asi 600 interferenčních proužků a převedeno do měřených dvojic čas-vzdálenost (ti, zi). Z rovnice pohybu v nehomogenním tíhovém poli je následně určována hodnota zrychlení volného pádu g*:

ve kterém z0, v0, g*0 jsou neznámé dráha, rychlost a zrychlení volného pádu v čase t=0 s určovány vyrovnáním metodou nejmenších čtverců. Veličina g je vertikální gradient tíhového zrychlení, který se určuje měřením relativními gravimetry v různých výškových úrovních nad tíhovým bodem. Pomocí takto určeného gradientu lze měřené zrychlení vztáhnout na stanovenou výškovou úroveň nad tíhovým bodem. Primárně se měření vztahují k referenční výšce absolutního gravimetru [5], která je asi 1,2 m nad bodem. Finální určovaná veličina, tíhového zrychlení g, je vypočtena ze zrychlení volného pádu g* po přidání korekcí z vertikální složky slapového zrychlení , z okamžité polohy zemského pólu vzhledem k pólu IERS (International Earth Rotation and Reference System Service)  a z vlivu anomálních atmosférických hmot  v souladu s konvencemi IERS [6]:

Měření gravimetrem FG5 v.č. 215 je obvykle rozděleno do 24 skupin po 100 volných pádech, kdy jednotlivé pády probíhají po 10 sekundách a počátky skupin mají odstup 60 minut. Podrobný popis státního etalonu lze nalézt v [3] a ve zkrácené formě také ve [4]. Hlavními částmi etalonu jsou:

  • Vzduchoprázdná pádová komora, kde dochází k opakovanému volnému pádu testovacího tělesa na dráze asi 0,2 m. Vakuum je v pádové komoře udržováno pomocí iontové pumpy na úrovni 10-4 Pa.
  • Interferometr (modifikovaný Mach-Zenderův interferometr) se zdrojem koherentního světla (jódem stabilizovaný He-Ne kontinuální laser Winters Electro Optics 100), optickými prvky a detektorem interferenčních proužků.
  • Kompenzátor vibrací (superspring), který eliminuje krátkoperiodické malé vertikální pohyby interferometru způsobené otřesy přístroje, pilíře a okolí během měření.

Elektronika gravimetru obsahující zdroj napětí, rubidiový atomový oscilátor, elektroniku pádové komory, superspringu, laseru, panel pro přenos analogových a digitálních signálů do a z počítače, elektronický teploměr, barometr a počítač. Součástí počítače je analyzátor časových intervalů, který přiřazuje čas vznikajícím interferenčním proužkům.

Státní etalon se v roce 2009 zůčastnil CIPM klíčové porovnání CCM.G-K1 [7] a v roce 2011 regionálního klíčového porovnání EURAMET.M.G-K1 [8]. Do roku 2009 byla dále zajištěna účast na třech porovnávacích měřeních se statutem pilotní studie [9],[10],[11]. Velmi vysoká kvalita státního etalonu byla prokázána na všech těchto pěti mezinárodních porovnávacích měřeních. Tato skutečnost je patrná z obrázku níže, kde jsou znázorněny odchylky státního etalonu od referenční hodnoty porovnání. Odchylky jsou jednak velmi konzistentní a jednak pokaždé menší než 1 mGal (1 mGal = 1·10‑8 m×s-2). Tato skutečnost potvrzuje vynikající instrumentální část reprodukovatelnosti státního etalonu, která byla vyčíslena hodnotou 0,7×10-8 m×s-2 [12] a představuje nejnižší hodnotu, která byla u absolutních gravimetrů detekována.

Státní etalon tíhového zrychlení významnou měrou přispěl jak k modernizaci gravimetrických základů České republiky, Slovenska a Maďarska [13], tak ke gravimetrickým měřením v souvislosti s experimentem výkonových vah v Mezinárodním úřadu pro míry a váhy [14].

Původní státní etalon byl tvořen gravimetrem FG5 v.č. 215 (FG5-215). Nově je státní etalon tvořen absolutními gravimetry FG5-215 a FG5X-251 opatřenými HS5 měřícími systémy. Pro rozlišení od původní konfigurace gravimetrů (FG5-215 a FG5X-251) jsou gravimetry v nové sestavě označeny FG5-215/HS5 a FG5X-251/HS5, případně FG5-215H a FG5X-251H. Následující tabulka udává hlavní komponenty etalonu. Etalon byl budován v letech 2008 až 2019.

Publikace:

[1] NIEBAUER T., SASAGAWA G. S., FALLER J.E., HILT R., KLOPPING F. A New Generation of Absolute Gravimeters. Metrologia, Vol. 32, 159-180, 1995.

[2] FALLER J. E. Thirty Years of Progress in Absolute Gravimetry: A Scientific Capability Implemented by Technological Advances. Metrologia, Vol. 39, 425-428, 2002.

[3] KOSTELECKÝ J. (ml.), PÁLINKÁŠ V., ŠIMON Z. Měření tíhového zrychlení a absolutní gravimetr FG5 č. 215 na Geodetické observatoři Pecný. Geodetický a kartografický obzor, 48 (90), č. 11, 205-214, 2002.

[4] PÁLINKÁŠ V., ŠIMEK J., KOSTELECKÝ J. (ml.) Státní etalon tíhového zrychlení – absolutní gravimetr FG5 v.č. 215, Metrologie, 17, č. 2, 12-18, 2008.

[5] PÁLINKÁŠ V., JIANG Z., LIARD J. On the effective position of the free-fall solution and the self-attraction effect of the FG5 gravimeters. Metrologia, Vol. 49, 552-559, 2012.

[6] PETIT G., LUZUM B. IERS Conventions 2010, IERS Technical Note 36.

[7] JIANG Z., PÁLINKÁŠ V., ARIAS F. E., LIARD J., MERLET S., WILMES H., VITUSHKIN L., et al. The 8th International Comparison of Absolute Gravimeters 2009: the first Key Comparison (CCM.G-K1) in the field of absolute gravimetry. Metrologia, Vol. 49, 666-684, 2012.

[8] FRANCIS O. et al. The European Comparison of Absolute Gravimeters 2011 (ECAG-2011) in Walferdange, Luxembourg: results and recommendations. Metrologia, Vol. 50, 257-268, 2013.

[9] FRANCIS O., van DAM T., et al. Results of the International Comparison of Absolute Gravimeters in Walferdange (Luxembourg) of November 2003. IAG Symposia, Gravity, Geoid and Space Missions, Vol. 129, 272 – 275, 2005.

[10] JIANG Z., FRANCIS O., VITUSHKIN L., PALINKAS V., GERMAK A., BECKER M., et al. Final report on the Seventh International Comparison of Absolute Gravimeters (ICAG 2005). Metrologia, Vol. 48, 2011, 246-260, 2011.

[11] FRANCIS O., van DAM T., et al. Results of the European Comprison of Absolute Gravimeters in Walferdange (Luxembourg) of November 2007. International Association of Geodesy Symposia, Vol. 135, 31-36, 2010.

[12] PÁLINKÁŠ V., KOSTELECKÝ J. (ML.), ŠIMEK J. A Feasibility of Absolute Gravity Measurements in Geodynamics. Acta Geodynamica et Geomateriala, Vol. 7, No. 1(157), 61-69, 2010.

[13] PÁLINKÁŠ V., LEDERER M., KOSTELECKÝ J. (ML.), ŠIMEK J., MOJZEŠ M., FERIANC D., CSAPÓ G. Analysis of the repeated absolute gravity measurements in the Czech Republic, Slovakia and Hungary from the period 1991–2010 considering instrumental and hydrological effects. Journal of Geodesy, Vol. 87, 29-42, 2013.

[14] JIANG Z., PÁLINKÁŠ V., FRANCIS O., BAUMANN H., MAKINEN J., VITUSHKIN L., MERLET S., TISSERAND L., JOUSSET J., ROTHLEITNER C., BECKER M., ROBERTSSON L. and ARIAS E. F. On the gravimetric contribution to watt balance experiments. Metrologia, Vol. 50, 452–471, 2013.

 

Obrázková galerie: