Ученые Уральского федерального университета с коллегами из Уральского научно-исследовательского института метрологии — филиала ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева» трудятся над созданием электромагнитной системы отечественной модели весов Киббла. Это высокоточный прибор, который должен стать эталоном массы — килограмма. Уральские ученые определили основные подходы, которые позволят создать весы Киббла с точностными характеристиками, не уступающими лучшим мировым образцам. Статья с описанием проведенных исследований и их результатов опубликована в журнале «Измерительная техника».
Разработкой и усовершенствованием весов Киббла, помимо России, занимаются Великобритания, США, Канада, Франция, Италия, Швейцария, Турция, Китай, Южная Корея. Создание российского варианта эталонного килограмма — вопрос не только престижа, но и безопасности. Во-первых, простое заимствование прибора чревато зависимостью от страны-поставщика. Во-вторых, обладание собственным эталоном массы важно для таких сфер, как наука и торговля. В-третьих, процесс создания весов стимулирует развитие национальных технологий.
Масса груза, установленного на весы Киббла, с предельной тщательностью определяется в магнитном поле магнитной системы весов. Проблема в том, что как только на катушку с проволокой, прикрепленную к чаше с грузом и находящуюся в магнитном поле, подают электрический ток, меняется само магнитное поле. В том числе над решением этой основополагающей проблемы работают специалисты УрФУ и УНИИМ.
Коллеги изготовили две магнитные системы. Одна из них соответствует «классическому» образцу, принятому в мире: она включает в себя два постоянных магнита, выполненные из металлических порошков, а остальная, большая часть магнитной системы, состоит из магнитомягких материалов (катушка изготавливается из немагнитного материала, чтобы без приложения тока магнитное поле магнитной системы воздействовало на нее как можно меньше).
«Магниты — материалы с линейной текстурой, хрупкие и неоднородные. Тогда как нам необходимо радиальное и очень однородное распределение магнитного поля в так называемом зазоре — воздушном пространстве, в котором перемещается катушка. Для этого мы использовали магнитомягкие элементы, которые и создают необходимую конфигурацию магнитного поля», — объясняет старший научный сотрудник отдела магнетизма твердых тел УрФУ Алексей Волегов.
Усовершенствования стали первым этапом решения проблемы. Во второй магнитной системе, изготовленной специалистами УрФУ и УНИИМ, постоянные магниты расположены гораздо ближе к воздушному зазору магнитной системы. Это снизило зависимость магнитного поля от силы электрического тока в ней.
«Перед тем как сконструировать и собрать первую магнитную систему, мы рассчитали ее параметры с помощью метода конечных элементов. А после сборки тщательно измерили распределение магнитного поля в ней, то, как катушка с проволокой движется в системе, какие электродвижущие силы при этом возникают, как сила электрического тока, пропускаемого через катушку, влияет на изменение поля и потокосцепления, то есть суммарного магнитного потока, пронизывающего все витки катушки», — рассказывает Алексей Волегов.
Для сканирования магнитного поля в системе ученые изготовили специальную измерительную установку и проводили измерения в течение двух месяцев по 10-12 часов в сутки.
«Благодаря этому сейчас мы четко знаем сильные стороны созданных систем и их недостатки, то, насколько механически точно можно в наших условиях воспроизвести магнитную систему для российского варианта весов Киббла. Испытания системы на макетах весов Киббла в петербургском ВНИИ метрологии показали, что мы движемся в верном направлении», — резюмирует Алексей Волегов.
Следующий этап работ посвящен улучшению однородности магнитного поля и усовершенствованию измерительной системы. И в том, и в другом случае ученые хорошо представляют способы выполнения стоящих перед ними задач.
Отметим, общее руководство и финансирование проекта осуществляет Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (Росстанадарт). Исследования проводятся по заказу Всероссийского НИИ метрологии им. Д. И. Менделеева (Санкт-Петербург). Петербуржцы в данном проекте отвечают за разработку концепции, механики и алгоритмов работы весов.
Фото: wikimedia.org