Název etalonu: Státní etalon hmotnosti
Kódové označení: ECM 120-1/00-007
Rok vyhlášení: 2000
Pracoviště: odd. 6012 ČMI OI Brno
Garant: Mgr. Jaroslav Zůda, Ph.D.
Počet zajišťovaných CMC řádků: 6
Mezi základní veličiny soustavy jednotek SI patří hmotnost, jejíž jednotkou je kilogram.
Kilogram, symbol kg, je SI-jednotka hmotnosti. Je definována fixováním číselné hodnoty Planckovy konstanty rovné 6,626 070 15 × 10-34, je-li vyjádřena v jednotkách J·s, což se rovná kg·m2·s-1, kde metr a sekunda jsou definovány ve smyslu c a ΔνCs.
Na tento prototyp jsou navázána veškerá závaží přes různý počet kalibrací. Státní etalony hmotnosti jsou k prototypu v rámci jednotlivých zemí nejblíže.
Po rozdělení ČSFR na dva samostatné státy musel Český metrologický institut vybudovat zcela nové pracoviště primární etalonáže hmotnosti, které by zajišťovalo náročné úkoly spojené se zajištěním návaznosti v oboru hmotnosti, které do té doby zajišťovalo pro celou federaci pracoviště v Bratislavě. Laboratoř primární etalonáže hmotnosti byla v roce 1994 vybavena etalonovým zařízením jako výsledek projektu PHARE G24 budování primární etalonáže za pomoci Švýcarské vlády. V té době se jednalo o zajištění návaznosti na sekundární úrovni. V roce 1995 byla vyřešena metrologická návaznost etalonů pro ČR pomocí švýcarského institutu OFMET (dnes METAS), který zajistil kalibraci hmotnosti dvou etalonů o nominální hmotnosti 1 kg vyrobených z austenitické oceli.
V roce 1999 byl z BIPM získán platino-iridiový prototyp kilogramu s označením 67, který byl v roce 2000 vyhlášen státním etalonem hmotnosti České republiky a stal se tak výchozím bodem schématu návaznosti měřidel hmotnosti České republiky. Etalon je definován jako hmotnost prototypu ze slitiny platiny a iridia, jehož hodnota hmotnosti je určena porovnáním s mezinárodním prototypem kilogramu, který je uložen v Mezinárodním úřadu pro míry a váhy. Účelem etalonu je přenos jednotky hmotnosti pomocí komparátorových vah na pracovní etalony z austenitické oceli. Etalon má tvar rovnostranného válce s těmito parametry:
| Číslo etalonu | 67 |
| Hmotnost | 1 kg + 0,148 mg |
| Nejistota | 0,021 mg |
| Objem při 0 °C | 46,4352 cm3 |
| Hustota při 0 °C | 21535,39 kg/m3 |
| Součinitel teplotní objemové roztažnosti | (25,869 + 0,00565 t) Î 10-6 °C-1 |
| Složení slitiny | 90 % Pt + 10 % Ir |
| Příměsi | Rh + Pl + Ru < 0,2 %, Fe < 0,05 %, ostatní < 0,02 % |
| Tvar | Rovnostranný válec (h = d = 39 mm) |
| Drsnost povrchu | Ra = 0,01 µm |
Etalon je uchováván ve speciálním dvojitém skleněném krytu na podložce se třemi středicími šrouby pro uchycení vrchního krytu. Pro manipulaci jsou určeny speciální kleště se stykovými plochami krytými materiálem zabraňujícím poškození povrchu prototypu při uchopení. Etalon je přepravován ve speciálním tubusu, který umožňuje uchycení prototypu v pěti bodech. Zabraňuje tak pohybu prototypu při přepravě. Dotykové plochy jsou kryty speciálním materiálem.
V roce 2021 proběhla pravidelná kalibrace v Mezinárodním úřadu pro míry a váhy. Aktuálně používaná hodnota hmotnosti má tak velikost 1 kg + 0,148 mg +- 0,021 mg. Tato hodnota hmotnosti je podobná předchozím údajům a nedochází tak k významné změně hmotnosti používáním. Velikost nejistoty je výrazně vyšší oproti dřívější hodnotě 0,004 mg, což je dáno postupným zaváděním nové definice jednotky hmotnosti do metrologické praxe..
Státní etalon hmotnosti byl po převozu zpět do ČR použit pro kalibraci dvou závaží z austenitické oceli s použitím komparátorové váhy Mettler Toledo M-One. Vztah, který je při kalibraci používán, má tvar
Kde značí:
mt | hmotnost závaží z nerezové oceli, |
m67 | hmotnost státního etalonu, |
ΔV | označuje rozdíl objemů obou závaží, |
ρa | hustotu vzduchu, při které kalibrace probíhá a,. |
ρj | hustotu závaží, které bylo použito při justáži hmotnostní stupnice komparátoru. |
Hustota a objem státního etalonu jsou udány v jeho kalibračním listě vydaném Mezinárodním úřadem pro míry a váhy. Hustotu závaží z nerezové oceli lze určit hydrostatickým vážením, tedy měřením hmotnosti v jiném prostředí o jiné známé hustotě. Na závaží pak působí jiná vztlaková síla a má tedy jinou zdánlivou hmotnost. Při znalosti hustoty prostředí jsme pak schopni určit hustotu závaží.
S využitím nového vakuového komparátoru je možné pro takové měření využít pouze jednoho přístroje. Tento přístroj totiž umožňuje měření jak ve vzduchu, tak ve vakuu, kde můžeme předpokládat nulovou hustotu prostředí. Tím zároveň dokážeme měřit rozdíl skutečných hmotností. Můžeme také měřit v prostředí čistého plynu, a tedy bez porušení povrchových vrstev vlivem například vzdušné vlhkosti. Další informace o přístroji a metodě měření jsou v samostatné kapitole.
S použitím takto přesného komparátoru lze dosáhnout nejistoty hmotnosti nerezového závaží až 0,04 mg pro k = 1.
S dalším rozvojem měření hmotnosti ve vakuu můžeme očekávat další zlepšení kalibračních schopností laboratoře hmotnosti s důrazem na potenciální novou definici jednotky hmotnosti, kdy se předpokládá primární realizace jednotky v prostředí vakua.
