Schlüsselwörter
(Deutsch)
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Adsorption an Metalloberflächen, Masseneinheit kg, Internationales Einheitensystem SI, hochauflösender Massekomparator.
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Schlüsselwörter
(Englisch)
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Adsorption at metallic surfaces; unit of mass, kg, international system of units SI, high resolution mass comparator
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Artefakte, die zur Aufbewahrung und Weitergabe der Masseneinheit (kg) verwendet werden, sind normalerweise aus Metall gefertigt. Die zeitliche Stabilität dieser Normale ist auf Grund der Adsorptionseffekte an der Oberfläche beschränkt. Auch än-dert sich die Masse je nach Zusammensetzung und Druck des umgebenden Mediums.
Mit Hilfe eines hochauflösenden Massekomparators, der am METAS entwickelt und gebaut wurde, sollen die Oberflächeneffekte bei Massenormalen untersucht werden. Mit Hilfe des Instruments kann unter anderem die zeitliche Veränderung in der Masse der Oberflächenschicht untersucht werden, die entsteht, wenn ein Normal aus der normalen Umgebungsluft in ein Vakuum gebracht wird.
Diese Untersuchung ist wichtig im Zusammenhang mit den laufenden Bemühungen, die auf eine Neudefinition der Masseeneinheit im Internationalen Einheitensystem (SI) auf der Basis von Naturkonstanten hinzielen. Einige dieser Experimente (z.B. die "Watt-Waage", siehe Projekt am METAS) arbeiten im Vakuum. Da die heutige Massendefinition auf einem bei Normalbedingungen aufbewahrten Artefakt beruht, muss der durch Oberflächeneffekte verursachte Massenunterschied zwischen Normaldruck und Vakuum genau charakterisiert werden.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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Artefacts, used for the maintenance and dissemination of the unit of mass (kg), are usually made of metal. The stability in time of these standards is limited due to adsorption effects at the surface. Moreover, due to these effects, the mass is likely to change depending on the composition and pressure of the surrounding medium.
The surface effects of mass standards will be studied using a high resolution mass comparator designed and built at METAS. Among other things, the behavior in time of the surface layer can be characterized when a mass standard is brought from normal ambient conditions into vacuum.
This study is important in connection with the on-going experiments aiming at a new definition of the kg based on natural constants. A few of these experiments (e.g. the Watt Balance, see corresponding project at the METAS) work in vacuum. As the actual definition of the unit of mass in the SI is based on an artefact kept under normal ambient conditions, the mass difference between atmospheric pressure and vacuum caused by surface effects has to be determined.
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Projektziele
(Deutsch)
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Ziel des Projekts ist eine verbesserte Charakterisierung der Oberflächenschicht bei Massenormalen. Im Speziellen soll die Massenänderung, die beim Wechsel einer 100-g- Goldmasse von normaler Umgebungsluft in Vakuum entsteht, mit einer Unsicherheit unter einem ng bestimmt werden. Dieser Korrekturwert wird für das Watt-Waagen-Experiment am METAS benötigt, das eine Rückführung der Masseneinheit auf Naturkonstanten zum Ziel hat.
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Projektziele
(Englisch)
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The project aims at an improved characterization of the surface effects in connection with mass standards. Especially the mass difference caused when transferring a 100 g gold mass from normal ambient conditions to vacuum has to be determined with an uncertainty below 1 ng. This mass correction is needed for the Watt Balance experiment at METAS which links the unit of mass to natural constants.
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Abstract
(Deutsch)
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Ein 1-kg-Massekomparator mit einer sehr hohen Auflösung von 50 ng für Messungen in Luft und Vakuum wurde entwickelt. Das Instrument wurde für die Bestimmung der Adsorptionsschicht auf goldbeschichteten 1-kg-Artefakten aus Kupfer mittels der gravimetrischen Methode eingesetzt. Um eine möglichst grosse Variation der Adsorptionsschicht zu erreichen, unterscheiden sich die verschiedenen Artefakte bis zu einem Faktor 5 in ihrer Oberfläche.
Die vorläufige gravimetrische Charakterisierung ergibt für die Masse der Adsorptionsschicht auf Gold-Oberflächen einen Unterschied von (0.053 ± 0.004) mg/cm^2 zwischen Vakuum und Luft bei 20 °C und 50% relativer Feuchte. Diese Messung führt zu einer Unsicherheitskomponente von < 2.E-9 für den Transfer der 100-g-Testmasse von Luft zu Vakuum im Watt-Waagen-Experiment. Dieser Wert ist weit unterhalb der angestrebten Unsicherheit von 1.E-8 dieses Experimentes.
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Abstract
(Englisch)
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A 1 kg vacuum mass comparator was developed at METAS. This instrument, which provides a very high resolution of 50 ng, was used for preliminary measurements of the adsorption layer on 1 kg gold-coated copper buoyancy artefacts using the gravimetric method (air and vacuum measurements). The artefacts have a large variation in surface area (more than a factor 5) in order to increase the difference in adsorption layer to be characterized.
The preliminary gravimetric characterization leads to a value for the total mass of the adsorption layer on gold surfaces of (0.053 ± 0.004) mg/cm^2 between vacuum and air measurements at 20 °C and 50 % of relative humidity. The obtained standard uncertainty leads to a relative uncertainty component smaller than 2.E-9 for the 100 g test mass of the watt balance experiment. This value is far below the relative uncertainty of 1 part in 1.E8 required for the experiment.
The complete description of the developed vacuum mass comparator and the preliminary results on gold surfaces were published in Metrologia 2002, 39, 263-268.
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Umsetzung und Anwendungen
(Deutsch)
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Der entwickelte Massenkomparator wird nach einer Reihe von Verbesserungen für eine systematischere Charakterisierung der Adsorptionsschichten auf Massenormalen eingesetzt. In der Studie sollen die Einflüsse des Materials, der Oberflächenbeschaffenheit und -Sauberkeit sowie des Drucks untersucht werden.
Der Aufbau einer Messeinrichtung für die Charakterisierung der Oberflächen wird in Erwägung gezogen.
Der Massenkomparator kann auch für die sehr genaue Bestimmung der Luftdichte benützt werden (Vergleich des Auftriebs bei verschiedenen Volumina). Eine zweite sehr wichtige Anwendung in der Massenmetrologie ist die Volumenbestimmung von Gewichtsstücken ohne Eintauchen in Wasser (Luft- und Vakuummessungen). Die Dicke der Adsorptionsschichten ist auch für diese Anwendungen ein wichtiger Parameter und muss deshalb genau charakterisiert werden.
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Umsetzung und Anwendungen
(Englisch)
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The developed vacuum mass comparator will be first further improved and then be used for a more systematic study of the adsorption layers. The study will be performed as a function of the material, the surface quality (roughness), the vacuum level and surface cleanness. The aim is then the final choice and characterization of the material to be used as a test mass for the watt balance experiment.
In order to be more efficient, we will consider to build a surface characterization technique inside or next to the experiment.
The developed vacuum mass comparator could also be used for very accurate determination of air density (using again buoyancy artefacts of different volumes). A second very important application in the field of mass metrology is the volume determination of weights without water immersion (using air and vacuum measurements). The thickness variation of adsorption layers is an important parameter, which need to be carefully characterized because this can also significantly influence the results of the last two experiments.
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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W. Beer et al, The METAS 1 kg vacuum mass comparator - adsorption layer measurements on gold-coated copper buoyancy artefacts, Metrologia, 2002, vol. 39, pp. 263-268
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Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)
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W. Beer et al, The METAS 1 kg vacuum mass comparator - adsorption layer measurements on gold-coated copper buoyancy artefacts, Metrologia, 2002, vol. 39, pp. 263-268
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