Разработка практических методов, позволяющих нивелировать возникающие различия, является чрезвычайно сложным процессом. Две массы можно легко сравнить, когда оба тела находятся в вакууме. Но измерение массы артефактов в воздухе зависит от величины выталкивающей силы воздуха, а также от количества воды и других загрязняющих веществ, адсорбированных поверхностью измеряемого тела. Корректировка на количество адсорбированной воды требует точного определения объема артефакта, уровня давления, температуры и влажности воздуха. Эти значения вводятся в модель, которая учитывает свойства поверхности металла или сплава, из которого сделаны артефакты.
На сегодняшний день нет убедительных данных, полученных через консенсус, на основе которых можно было бы строить эти модели. Например, экспериментальное определение адсорбции воды на нержавеющей стали показало существенные вариации в изменениях массы, которая в отдельных случаях различались в целых 15 раз.
Патрик Абботт проводит осмотр верхней (вакуумной) части аппарата.
Именно поэтому сотрудники Отдела квантовых измерений (Quantum Measurement Division) при Лаборатории физических измерений (Physical Measurement Laboratory; PML) Национального института стандартов и технологий США (National Institute of Standards and Technology; NIST) разработали альтернативную систему для прямого сравнения контрольной массы в вакууме с массой неизвестного артефакта в воздухе. Технология предполагает использование принципа магнитной левитации. Патрик Абботт и его коллеги из научной группы по изучению массы и силы (Mass and Force Group) продемонстрировали доказательство жизнеспособности данного принципа с помощью небольшой настольной модели. В настоящее время ученые работают над полномасштабным аппаратом высотой около трех метров.
"Прямо сейчас никто не уделяет нашим исследованиям должного внимания", говорит Абботт. "Большая часть усилий членов научного сообщества по всему миру сосредоточена на модели адсорбции. Но как только широким кругам станет известно, что мы получили эту конструкцию, и она работает очень хорошо, я подозреваю, что другие ученые захотят взять ее на вооружение. Все потому, что наш аппарат позволяет проводить прямое сравнение, при котором отпадает необходимость делать поправки на особенности конкретного типа материала или предположения по моделям адсорбции".
В полномасштабном устройстве, построенном полностью из алюминия, разместятся два смежных блока. В верхней части вакуумной камеры будет содержаться эталонный объект и сложный компаратор массы, который способен учесть разницу в 10 микрограмм на килограмм (или 10 частей из 109). Компаратор был специально изменен для нужд специалистов NIST. Ученые получили возможность скорректировать работу лотка своих весов с учетом непосредственно массы эталона или при помощи комбинации электромагнитной катушки и постоянного магнита, которые подвешена прямо к потолку вакуумной камеры.
Схема инструмента на базе принципа магнитной левитации, который создают американские ученые.
Непосредственно под вакуумным конструктивным блоком, отделенным герметичным барьером, находится воздушная камера, содержащая вторичный эталон для калибровки. Предмет установлен на весящее в воздухе шасси, в верхней части которого находится постоянный магнит. Материал подвергается воздействию лишь одного полюса магнита. Полюс этого магнита притягивается к магниту / комбинации электромагнитной катушки и постоянного магнита противоположной полярности, которые установлены в вакуумной камере выше. Сила притяжения позволяет артефакту и шасси левитировать, когда полюса располагаются на нужном расстоянии друг от друга (как правило, в диапазоне от 15 мм до 17 мм) .
Система приводится в равновесие с помощью датчиков обратной связи, позволяющих точно отрегулировать силу тока, проходящего через электромагнитную катушку. Магниты в каждой камере заключены в защитные кожухи, поэтому магнитные потоки рассеяния, которые способны нарушить работоспособность других частей системы, тут отсутствуют.
Магнитная левитация, конечно же, не новая технология.
"Самые разнообразные объекты - от пассажирских поездов до живых лягушек - могут быть подвешены в воздухе или двигаться за счет магнитной левитации," говорит Абботт, ссылаясь на то, что данная технология ранее использовалась для взвешивания объектов до 200 граммов в небольших коммерческих системах. "Но наше устройство является новым в том смысле, что мы пытаемся взвешивать гораздо более тяжелые тела с более высокой точностью, чем когда-либо прежде удавалось добиться при использовании этой технологии - до нескольких кг. Мы также используем технологию для нивелирования разницы при взвешивании тел в вакууме и наполненном воздухом пространстве с целью передачи размера килограмма от эталона к средствам измерений более низкого разряда. Магнитная левитация никогда ранее не использовались для подобной цели".Создание условий для левитации в воздухе шасси и эталонного артефакта - очень деликатный процесс. Если магнитные силы между двумя полюсами больше, чем вес артефакта, полюса будут тянуться друг к другу. Если магнитная сила слабее, чем сила тяжести, которая действует на артефакт и шасси, то они будут спускаться в завоздушенную камеру. Для каждого груза и расстояния между полюсами, есть конкретные напряженности ЭМП (электромагнитного поля), которые позволяют добиться почти неподвижной левитации.
Для поддержания равновесия в системе балансировки, устройство использует управляемый компьютерной моделью контроллер обратной связи. Контроллер регулирует силу магнитного поля электромагнитной катушки. Отметим, что в рамках первоначального проекта устройство обратная связи было предоставлена комбинацией лазерных сенсоров и специальных приемников, которые отслеживали положение взвешиваемых тел в воздухе. Позже исследователи из PML перешли на использование датчика на эффекте Холла, который закреплен на специальном кронштейне, расположенном вблизи полюса постоянного магнита в завоздушенной камере. Это устройство отслеживает магнитное поле между полюсами, которое является функцией расстояния между полюсами.
Показания с датчика на эффекте Холла передаются в контроллер, который использует этот сигнал для изменения тока, проходящего через обмотку электромагнитной катушки. Эта процедура тонкой настройки повторяется с периодичностью в 20.000 раз в секунду, позволяя сохранить равновесие левитирующих артефактов.
Рабочая модель высотой в 50 см, которая может измерять массу тел примерно от 100 г до чуть более 1 кг, была использована для доказательства принципа работоспособности данной концепции. Стабильность измерений, проводимых с помощью данного устройства, ограничена необходимостью соблюдения баланса и составляет около 1 мг в 1 кг (или около одной части в 106). Целевая неопределенность проекта составляет не более нескольких частей из 108. Это лишь незначительно выше, чем уровень рекомендуемый экспертами Консультативного комитета по массам при Международном бюро мер и весов (МБМВ) при проведении передачи размера килограмма от эталона к средствам измерений более низкого разряда.
Полномасштабная модель аппарата в настоящее время находится на стадии строительства. По словам Абботта, только после ввода ее в эксплуатацию, ученые смогут оценить проделанную работу и сделать выводы. Исследователь подозревает, что в настоящее время стабильность системы превышает миллиграмм, но не намного выше этого уровня. Исследователи надеются, что первые результаты появятся уже в декабре 2012 года.
Несмотря на то, что устройство PML устраняет необходимость в моделировании адсорбции, ожидается, что оно также послужит для решения данной проблемы. Исследовательская группа по изучению массы и силы во главе с Зейной Кабарич, находится в процессе закупки оборудования, необходимого для дублирования измерений. Подобное оборудование используется для создания модели абсорбции для различных материалов.
Абботт сообщил, что, когда система заработает в полную силу, ученые начнут совершать прямые измерения на этом аппарате, а затем сравнят результаты с тем, что получают их коллеги, использующие модели адсорбции. Это будет проверкой, как для американцев, так и для их коллег.
