Journey of Kilogram from Physical Constant to Universal Physical Constant (h) via Artefact: A Brief Review

The redefinition of mass adopted in November 2018 and implemented from 20 May 2019, i.e. World Metrology Day, eliminated the artefact-based approach dependent upon the International Prototype of the Kilogram (IPK), in favour of realizing the kilogram in terms of the Planck constanthby fixing its value as 6.62607015 x 10(-34) J s. In this paper, the authors present a general outline of the circumstances and related developments that paved the way for the new definition that replaced the IPK after a period of 130 years since it was formally sanctioned to define the kilogram in 1889. The new definition opens up fascinating developments in mass metrology which include different realization techniques, realizing the unit at values other than 1 kg, numerous sources for traceability can be envisaged etc

Traceable multicomponent force and torque measurement

Ein Gerät, das für die Messung von Kraft- und Drehmomentvektoren eingesetzt wird und ein Kalibriersystem integriert, wird in dieser Arbeit beschrieben. Die Kräfte und Drehmomente werden auf die Messung von Position, Winkel, elektrischer Spannung, elektrischem Widerstand und Zeit zurückgeführt. Hinsichtlich fundamentaler Naturkonstanten können die Kräfte und Drehmomente auf die Planck Konstante h, die Lichtgeschwindigkeit c und die Frequenz des Hyperfeinübergangs von Caesium [Delta]v_Cs zurückgeführt werden. Das Messprinzip basiert auf dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation und die Kalibrierung auf dem Kibble-Waagen Prinzip. Mehrere Schwierigkeiten und Einschränkungen von traditionellen Kalibrierverfahren für Mehrkomponenten-Kraft- und Drehmomentaufnehmer werden mit diesem System überwunden und neue Möglichkeiten werden vorgeschlagen, wie z.B. die automatische Inprozess-Kalibrierung. Mithilfe einer sorgfältigen Unsicherheitsanalyse wird die erreichbare Unsicherheit für die Kraft- und Drehmomentmessung ausgewertet und die Einschränkungen identifiziert, die durch die verschiedenen Komponenten des Systems verursacht werden. Ein Prototyp wird vorgestellt, der die Kraft- und Drehmomentmessung im Bereich vom 2.2 N und 0.11 N m mit einer relativen Standardmessunsicherheit von 44 ppm bzw. 460 ppm ermöglicht. Weiterhin wurde das System durch die Messung einer bekannten Kraft überprüft, die von einem kalibrierten Testgewicht erzeugt wird. Experimentelle Ergebnisse wurden durch die Anwendung von Mehrkomponentenaufnehmern in der Lorentzkraft-Anemometrie, Mikrobearbeitung und für die Identifikation von Kraft- und Drehmomentmesssystemen erzielt. Auf Verbesserungsmöglichkeiten für die weitere Reduzierung der Unsicherheit bei der Kraft- und Drehmomentmessung mit dem Gerät wird eingegangen.The design of an instrument used to measure force and torque vectors that integrates a calibration system is described. The forces and torques are traced to position, angle, voltage, electrical resistance and time references. In terms of fundamental physical constants, the forces and torques can be traced to the Planck constant h, the speed of light in vacuum c and the hyperfine transition frequency of Caesium Δv_Cs. The measuring strategy used is based on the principle of the electromagnetic force compensation with the calibration based on the Kibble balance principle. Several difficulties and limitations of traditional calibration procedures for multicomponent force and torque transducers are overcome with this system and new features are introduced, such as the automatic in-process calibration. A careful uncertainty analysis is used to determine the achievable uncertainty for both force and torque measurements and identify the limitations caused by the components of the system. A prototype used to measure forces and torques in a range of 2.2 N and 0.11 N m with relative standard uncertainties of 44 ppm and 460 ppm respectively is presented. Considering the literature reviewed in this work, the system presented here exhibits the lowest uncertainty for the multicomponent force measurement. Verifications were performed by measuring a reference force generated by the weight of a calibrated test mass. Experimental results obtained by the application of multicomponent force and torque transducers to the Lorentz force velocimetry, micromachining and the identification of force and torque measuring systems are shown. Improvement possibilities for reducing the uncertainty for the force and torque measurements with the instrument are suggested

Implementação de um sistema experimental e aplicação metrológica para a materialização do OHM e calibração de resistências-padrão

Tese de doutoramento, Física (Física), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2011O tema deste trabalho insere-se no domínio da Metrologia Eléctrica a nível primário, consistindo na especificação, implementação e optimização de um sistema experimental de Efeito Hall Quântico (EHQ) e sua aplicação metrológica à calibração absoluta de resistências-padrão. Integra-se na actividade de um Laboratório Primário de Electricidade, que tem como principais objectivos a manutenção de padrões e o desenvolvimento de novas capacidades, garantindo e assegurando a rastreabilidade nacional. Sendo, até ao momento, a rastreabilidade nacional no domínio da resistência DC assegurada pela calibração de artefactos efectuada no Bureau International des Poids et Mesures, foi considerada para a calibração absoluta de padrões convencionais, a definição de um padrão quântico nacional, através do Efeito de Hall Quântico e a implementação de um Sistema Potenciométrico, tendo como base um padrão quântico de tensão de Josephson. Isto permite a materialização da unidade ohm, com incertezas típicas da ordem de algumas partes em 108. O Efeito Hall Quântico é um padrão intrínseco que proporciona a obtenção de uma referência imutável de resistência DC relacionando-a com constantes fundamentais. É actualmente utilizado pela maioria dos NMI para manter, disseminar e definir a unidade nacional de resistência, permitindo ainda ultrapassar as questões da não uniformidade da rastreabilidade internacional. A reprodutibilidade actualmente alcançada é aproximadamente de duas ordens de grandeza superior à incerteza da determinação do ohm no Sistema Internacional de Unidades (SI). A descoberta do EHQ, em 1980, veio permitir basear a representação do ohm em constantes fundamentais, e, assim, a materialização de um padrão primário de resistência eléctrica através de um padrão quântico. O EHQ é observado em amostras de semicondutores, nas quais os electrões portadores de corrente eléctrica se encontram confinados no interior de uma camada gasosa bidimensional (2DEG), quando submetidas a campos magnéticos intensos (alguns tesla) e arrefecidas a temperaturas da ordem de 1 K. Nestas condições e representando graficamente a variação com o campo magnético das diferenças de potencial, medidas longitudinal e transversalmente numa amostra de Hall, percorrida longitudinalmente por uma corrente constante, verifica-se que em determinados intervalos de campo magnético, a primeira se reduz a valores próximos de zero, enquanto a segunda se mantém constante. Nestes intervalos, em que o valor da resistência de Hall, dado pelo quociente entre a diferença de potencial transversal à amostra e a corrente, se mantém constante, designados por patamares de Hall, observa-se a seguinte relação: 2 K H ie h i R R (i) = = sendo RK a constante de von Klitzing, i um número inteiro característico da identificação do patamar, h a constante de Planck e e a carga elementar. Da relação anterior, obtém-se que RK é igual ao valor da resistência quantificada, correspondente ao patamar i = 1, RH (1)= h / e2. De acordo com a 6ª Resolução da 18ª Conferência Geral de Pesos e Medidas (CGPM) e das Recomendações 1 e 2 do Comité Internacional dos Pesos e Medidas (CIPM), a partir de 1 de Janeiro de 1990 a representação do ohm passou a basear-se no valor convencionalmente adoptado para a constante RK−90 igual a (25 812,807 ± 0,005) W. O método implementado neste trabalho para a transferência de valores óhmicos de amostras de Hall quantificadas para resistências-padrão convencionais baseia-se na utilização de um padrão quântico de tensão DC, obtido através do Efeito Josephson (EJ), para a medição de quedas de potencial no método potenciométrico. O efeito Josephson, descoberto em 1962 é observado quando dois eléctrodos supercondutores, separados por uma camada isoladora de pequena espessura, junção de Josephson, são arrefecidos abaixo da sua temperatura de transição (T @ 4,2 K). Quando uma junção de Josephson é exposta a radiação de microondas de frequência f (@ GHz) e se varia o valor da corrente de polarização, a sua curva característica tensão/corrente apresenta uma série de degraus de tensão. Em cada um destes degraus o valor da tensão de Josephson, VJ, é dado por: 2e n f h V (n) J = sendo n (inteiro) identificativo do número de degraus. O valor da tensão quantificada de Josephson é função da frequência, cuja medição é efectuada actualmente com valores de exactidão da ordem de 10-13. À semelhança da unidade ohm, a partir de 1 de Janeiro de 1990 a representação do volt passou a basear-se no valor convencionalmente adoptado para a constante de Josephson KJ-90 igual a 483 597,9 GHz · V-1. Para a implementação dos sistemas experimentais referidos, bem como para a obtenção de um padrão primário quântico de resistência DC que melhor se adequasse ao desempenho e às características pretendidas foi necessário: • Especificar os parâmetros técnicos para a implementação do sistema de EHQ; • Efectuar a montagem, integração e teste dos equipamentos de per si e do sistema global; • Realizar estudos comportamentais e de caracterização de heteroestruturas de GaAs/AlGaAs, utilizadas neste trabalho como amostras de Hall, avaliando os seguintes parâmetros: corrente crítica, resistência de contactos, temperatura, campo magnético e exactidão do valor quantificado do patamar; • Implementar o método potenciométrico de Josephson, permitindo efectuar a calibração absoluta de resistências-padrão e a sua disseminação para os restantes valores óhmicos; • Desenvolver e implementar uma fonte de corrente contínua de elevada estabilidade (» 10-8), recorrendo a pilhas de mercúrio e referências electrónicas de tensão (tipo zener); • Desenvolver algoritmos para a implementação de módulos aplicacionais para a completa automatização e controlo dos referidos sistemas, com vista à execução da aquisição, processamento, análise e gestão de dados; • Definir modelos matemáticos para a determinação de incertezas associadas aos sistemas considerados, avaliando as diversas componentes presentes no respectivo balanço de incertezas de acordo com os princípios e os requisitos estabelecidos quer pela metodologia expressa no documento Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement – GUM quer considerando o método probabilístico de simulação numérica de Monte Carlo. O desenvolvimento deste trabalho contou, numa fase inicial, com os recursos laboratoriais que o Laboratório de Medidas Eléctricas (LME) do INETI obteve através do financiamento proporcionado pelo projecto POE 3/00200, Medida 3.1, Acção B2 – “Modernização do Laboratório de Medidas Eléctricas”. A conclusão do trabalho, nomeadamente, a implementação do sistema experimental relativo ao potenciómetro de Josephson, para a calibração absoluta de resistências-padrão convencionais, tendo como referência o valor quantificado de uma amostra de Hall, e para a realização da comparação de padrões permitindo a sua disseminação, beneficiou da instalação de duas câmaras blindadas nas novas instalações do Laboratório de Electricidade, operacionais desde Janeiro de 2009, no Instituto Português da Qualidade (IPQ). A realização deste trabalho tornou possível a definição nacional da unidade de resistência eléctrica através de constantes fundamentais, assegurando, a nível primário, a sua rastreabilidade, materializada por um padrão intrínseco e universal, e permite a calibração de resistências-padrão convencionais e a disseminação da unidade com valores de incerteza da ordem de 10-8. A dissertação está organizada em sete capítulos: Capítulo 1 – descreve a actual situação metrológica, os objectivos considerados e as opções adoptadas. Capítulo 2 – efectua um enquadramento histórico do SI, da evolução das unidades no domínio eléctrico, da sua definição e representação. Capítulo 3 – apresenta alguns dos aspectos teóricos relativos aos efeitos quânticos de Josephson e Hall, bem como as respectivas aplicações metrológicas. Capítulo 4 – descreve os sistemas experimentais implementados e o seu controlo e automatização. Capítulo 5 – introduz as duas abordagens consideradas para a determinação da incerteza da medição associada aos sistemas implementados, exemplificando a sua aplicação aos modelos matemáticos definidos. Capítulo 6 – sintetiza e analisa os resultados obtidos. Capítulo 7 – apresenta as conclusões, salientando possíveis opções de desenvolvimento futuro, nomeadamente para a obtenção de melhores incertezas associadas à representação nacional da unidade de resistência eléctrica

Recent progress on the BIPM watt balance

We present the recent progress on the BIPM (Bureau International des Poids et Mesures) watt balance. The existing apparatus was transferred to the dedicated new laboratory with better thermal and vibrational conditions. The apparatus is fully operational in air. An improvement by a factor of three was achieved on the S/N ratio of both the voltage-to-velocity and force-to-current ratios. The fabrication of the parts of the new magnet is completed and its assembly is finished