ЕСТЕСТВЕННЫЙ ЭТАЛОН МАССЫ, ОБОСНОВАННЫЙ ЗАКОНОМЕРНОСТЬЮ ПРИРОДЫ, И МАССОИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1999 года по МПК G01G21/26 G01G19/00 

Изобретение относится к области создания эталонов массы, массоизмерительной и весоизмерительной техники.

Известен эталон массы, реализующий единицу измерения /меру/ массы m_I = 1 кг, используемый при градуировке массоизмерительных устройств и создании разновесов /гирь/, имеющих кратную ему массу. "Килограммом" при установлении Метрической системы мер впервые была названа масса одного кубического дециметра чистой воды при 4^oC, определившая метрическую меру массы, являющуюся функцией меры длины: m_I = 1 дм³ H₂O = 1 кг, обоснованная великой идеей Декарта "протяженность есть единственный существенный атрибут материи". На основании такого определения затем был изготовлен прототип килограмма - платино-иридиевый цилиндр с высотой 39 мм и таким же диаметром, "копии которого были распределены между государствами". Одна из них поступила в Россию, составив вместе с эталонными весами Государственный первичный эталон единицы массы 1 кг /Большая советская энциклопедия. М.: Сов. энциклопедия, т. 16./.

Кроме первичных, существуют вторичные и рабочие эталоны массы, предназначенные для непосредственного сличения с ними образцовых гирь, "объединяемых в наборы, хранящихся в гнездах футляра" /Рудо Н. Весы. Теория, устройство, регулирование и поверка. М. - Л., Машгиз, 1957 г./. Для измерения массы используют весы разного принципа действия и разного назначения, имеющие блок индикации, проградуированный и оцифрованный мерой массы, заданной ее эталоном, то есть в килограммах и кратных ему мерах. В лабораторной практике применяются весы со встроенными гирями, и весы, помещенные в вакуум, исключающие погрешность, вызванную давлением воздуха.

Известно устройство измерения массы тела в невесомости, реализующее модификацию формулы второго закона механики содержащее датчик, вычислительное устройство и счетчик времени с цифровым табло, фиксирующим массу, пропорциональную времени заданного изменения ее скорости при действии постоянной ускоряющей силы F = const. /Кошуль В.М. и др. Прибор для измерения массы тела в невесомости. А.с. N 518639, 1976 г./.

Известно средство для создания постоянной силы, обеспечивающей равноускоренное горизонтальное движение измеряемой массы m тележки, выполненное в виде тела известной массы, закрепленного на свободном конце невесомой нити, переброшенной через блок, другой конец которой соединен с измеряемой массой. При этом ускорение массы определяют вычислением по формуле где L - расстояние, проходимое тележкой за измеряемое время t, а измеряемую массу - вычислением по формуле /Соколов И.И. Курс физики. М.: 1953 г./ Любая массоизмерительная техника, даже опосредованно реализующая метод сравнения с эталоном, характеризуется определенной точностью измерений, зависящей также и от точности используемого эталона массы и стабильности его массы во времени. Между тем измерения 1954 г. показали, что эталон массы, хранящийся в России, равен 1,000000085 кг, то есть больше эталона Международного бюро мер и весов. /Чертов А. Единицы физических величин. М.: Высшая школа, 1977 г./. Кроме того, современные исследования обнаружили систематическое изменение массы существующего эталона, хранящегося под двумя стеклянными колпаками, увеличивающейся каждый год на 2 - 7 мкг /Эталоны, единицы массы и точное взвешивание. В кн.: Образцовые и высокоточные методы измерения. Госстандарт СССР, вып. 2. М.: 1980 г./.

Указанные причины, а также осознание возможности утраты существующих эталонов массы сделали актуальной задачу создания легко воспроизводимого естественного эталона массы, обоснованного не мнением научных авторитетов, а объективными законами природы.

Попыткой создания естественного эталона массы является предложение о его изготовлении из монокристалла кремния, массу которого определяет формула: m = km_а, где m_а - среднее значение массы атомов с учетом содержания изотопов, а K - число атомов в данном монокристалле/ Крылова Н.С. и др. К вопросу о естественном эталоне массы. В кн.: Исследования в области измерения массы. ВНИИ метрологии им. Д.И. Менделеева. Вып. 224/284/. Ленинград, 1978 г./.

Недостатком известного эталона массы, заданного лишь своим номинальным значением 1 кг /без указания диапазона измерения, определяемого для других величин/, является то, что он не обеспечивает высокой точности воспроизведения малых долей килограмма.

Многие недостатки существующих эталонов массы и массоизмерительной техники проистекают из неопределенности содержания понятия "масса", природа которой - "одна из важнейших еще не решенных задач физики". Вследствие этого, измеряя массу, специалисты сегодня не вполне понимают, что именно они определяют: количество вещества, инертность, меру энергии или нечто более абстрактное, упомянутое в известной книге /Джеммер М. Понятие массы в классической и современной физике. Пер. с англ. М.: Прогресс, 1967 г./, показавшей, что "понятие массы окутано серьезными неопределенностями, которые до сих пор не преодолены". Следствием этого явилась, например, ситуация в физике микромира, где массу частиц определяют в энергетических мерах /электронвольтах/, санкционированных теорией относительности, не приблизившей выяснение природы массы.

Актуальную задачу выявления объективного содержания основных понятий естествознания /масса, скорость, время, температура, эл. ток и др./ решает аксиоматическая теория, опубликованная в учрежденном научном журнале "Аксиоматика природы" /ISSN 0131-9876/, обосновавшая это и другие мои изобретения, реформирующие основания метрологии. /Эйдельман М.С. Аксиоматика природы. - Журнал "АП", С. - Петербург, N 1, 1991 г./ Первичные законы /аксиомы/ природы являются функцией таких первичных /неопределяемых/ понятий: длина, частица, движение, давление, единица, предел, больше /меньше/, функцией которых являются следующие основные понятия: неделимая частица - аналог атома Демокрита; делимая частица - аналог молекулы или современного атома; неограниченно делимый /беспредельно делимый/ - пустой; и т.д.

Новый /готовящийся к опубликованию/ вариант моей теории предлагает такие уточненные формулы основных физических величин, адекватные природе:
линейная скорость, равная отношению расстояний L и L₁, одновременно проходимых с измеряемой C и эталонной C₁ скоростями, представленными в измерительном устройстве сигналами с коэффициентом пропорциональности K;
время, равное расстоянию L₁, проходимому с эталонной скоростью C₁ = 1, являющейся скоростью "течения времени";
измеряемый объем материи, содержащий объем пустоты и сумму /n + n^-/ неделимых частиц предельно малого объема V_•, составляющих его косвенно измеряемую массу m = nV_• и обратно пропорциональную ей неизмеряемую /скрытую/ массу, выражаемую только объемной мерой m^-= n^-V_• , включающую скрытую массу квантов /делимых частиц, состоящих из неделимых/ света m-c

, электричества m-e , тепла m-т и других скрытых масс материи, имеющей приближенно постоянную суммарную /абсолютную/ плотность:

электрический ток, равный расходу скрытой массы квантов электричества;
температура, равная скрытому давлению квантов тепла p-т, пропорциональному измеряемому давлению газа в камере постоянного объема, а также скрытому давлению неделимой частицы p-•, имеющей постоянную скорость C_• , изменяющую за нулевое время соударения с другими только направление на угол γ_•≤ π = 3,14. Согласно теории, косвенно измеряемую массу определяет такая ее формула:

где t - время изменения скорости измеряемой массы m на заданную величину ΔC = const, созданного постоянной ускоряющей силой = const, совпадающей с вектором перпендикулярным силе веса;
= const - константа временной меры массы, заданная настройкой используемого массоизмерительного устройства.

Эти закономерности обосновали необходимость использования новой истинно метрической /естественной/ системы мер, в которой размерность любой физической величины явится степенью размерности длины.

Теория предлагает считать эталонной скоростью скорость точки секундной стрелки часов заданного радиуса, определившую соотношение естественной /безразмерной/ и известной мер массы, например, C₁ = 1 = 10 см/мин, откуда следует такое соотношение естественной /линейной/ и известной мер времени: t = 1 см = 0,1 мин.

Теория обосновала естественный эталон массы m = 1 см³ nV_• = 0,1 кг, содержащий единичный объем неделимых частиц nV_• = 1 см³, равный в известных мерах 0,1 кг, изготавливаемый из сплава платины плотностью ρ = 20 г/см³, имеющего измеряемый объем и форму прямоугольного параллелепипеда высотой 5 см, другие равные стороны которого реализовали предлагаемый эталон длины L_I = 1 см.

Недостатком этого эталона можно считать неопределенность реальных свойств его вещества, которое может не вполне подойти для изготовления практически используемого эталона массы. Теория образца 1991 г. предлагала также устройство, реализующее формулу косвенно измеряемой массы: включающее датчик скорости и таймер. Недостатки известного эталона массы и массоизмерительного устройства устраняет данное изобретение, обоснованное уточненным вариантом моей теории /намеченной к опубликованию в виде книги "Аксиоматика природы", 1999 г./.

Целью данного изобретения является создание естественного эталона массы и массоизмерительного устройства, обоснованных эакономерностью, выясняющей природу массы.

Техническим результатом осуществления изобретения явится повышение точности измерений массы и точности эталонов, которые можно будет воспроизводить даже в случае утраты существующих эталонов. Изобретение обеспечит сопоставимость результатов измерения массы материи различных видов /от макро до микроуровней/, которую будет определять естественная /объемная/ мера, адекватная природе.

Сущность изобретения заключается в том, что создают естественный эталон массы, обоснованный закономерностью природы, реализующий естественную единицу измерения /меру/ массы, равную приближенно единичному объему составляющих ее частиц, изготовленный из вещества определенного состава, измеряемый объем которого включает объемы пустоты, частиц скрытой массы, а также примерно 1 см³ частиц косвенно измеряемой массы, равный в известных мерах 0,1 кг.

Отличается новый эталон тем, что он изготовлен из вещества известного состава плотностью ρ, равной или меньшей плотности иридия, с малым коэффициентом объемного расширения, имеющего измеряемый с необходимой точностью объем, равный или больший 4,46 см³, определяемый такой закономерностью, выясняющей природу массы:

где объем беспредельно делимой пустоты в измеряемом объеме V материи;
V_• - предельно малый объем одной неделимой частицы, равный ее неизмеряемой /скрытой/ массе m;
n и n^- - число неделимых частиц косвенно измеряемой массы m = nV_• и неизмеряемой /скрытой/ массы m^-= n^-V_• ;
nV_• = 1 см³ = 0,1 кг = m₁ - косвенно измеряемая масса естественного эталона, выраженная естественной /объемной/ и известной мерами;
ρ_Ir = 0,2242 = 22,42 г/см³ - косвенно измеряемая плотность иридия, выраженная естественной /безразмерной/ и известной мерой;
измеряемый объем вещества эталона массы.

Например, естественный эталон массы, изготовленный из химически чистого иридия, будет иметь измеряемый объем включающий объем пустоты и скрытую массу
Вариантом изобретения является эталон массы, изготовленный из тантала, с измеряемым объемом а также эталоны массы из сплава инвар с измеряемым объемом 12,5 см³, из монокристалла сапфира с измеряемым объемом 25,4 см³ и другие, имеющие форму куба или цилиндра с высотой, равной его диаметру. Естественный эталон массы может являться набором нескольких его частей /разновесов, гирь/, суммарный объем которых определит, например, такая формула
V = zV_I+V_Δ, (z ≥ 1)
где V_I= L3I

= 1 см³ - эталонный объем куба единичной длины;
L₁ = 1 см, являющейся реализацией естественного эталона длины.

При изготовлении такого эталона массы, например, из иридия, при Z = 3, три гири его набора будут иметь равный измеряемый объем V₁ = 1 см³, а четвертая с измеряемым объемом V₄ = V - 3V₁ = 4,46 см³ - 3 см³ = 1,46 см³ будет иметь измеряемую массу m₄ = 1,46 см³ • 22,42 г/см³ = 32,73 г, а масса первых трех гирь: m₁ = 1 см³ • 22,42 г/см³ = 22,42 г.

Другим вариантом изобретения будет естественный эталон массы являющийся набором 3k+4 гирь, например, монокристаллов сапфира, при K = 0, 1, 2, 3, 4, хранящихся в гнездах футляра, имеющего гнездо наименьшей /первой/ гири массой и три ряда гнезд остальных гирь по k+1 штук в каждом ряду, где масса гирь изменяется в геометрической прогрессии со знаменателем 10 и с первыми членами 2m₁, 3m, 4m₁, так что, например, при k=3 гири набора имеют такую массу, выраженную объемной и известной мерами: m₁ = 10^-4 см³ = 10^-5кг, m₂ = 2m₁, m₅ = 20m₁ = 0,2 г, m₈ = 200m₁ = 2 г, m₁₁ = 2000m₁ = 20 г, m₃ = 3m₁, m₆ = 30m₁ = 0,3 г, m₉ = 300m₁ = 3 г, m₁₂ = 3000m₁ = 30 г, M₄ = 4m₁, m₇ = 40m₁ = 0,4 г, m₁₀ = 400m₁ = 4 г, m₁₃ = 4000m₁ = 40 г.

Перечисленные варианты естественного эталона массы предлагается хранить при одинаковых условиях в разных странах с целью определения наиболее подходящего вещества для изготовления единого Международного естественного эталона массы m₁ = 1 см³ nV_•= 0,1 кг, одновременно реализующего и естественный эталон длины L₁ = 1 см, чем может быть естественный эталон массы, имеющий форму прямоугольного параллелепипеда с единичной длиной двух малых его сторон /ребер/ L₁ = L₂ = 1 см и длиной третьей стороны L₃ > 4 см, равной, например, для иридия 4,46 см.

Предлагаемый естественный эталон массы, изготовленный, например, из монокристалла сапфира, можно будет легко воспроизводить и поверять не только по его косвенно измеряемой массе, но и по его линейным размерам: длине L и объему V. Воспроизводить такой эталон можно будет и без использования весов, вносящих собственные погрешности, располагая лишь возможностью точного измерения объема вещества эталона и точного определения его химико-физического состава.

Предлагаемая изобретением естественная мера массы m_I= nV_•= 1 см³ позволяет оценить неизмеряемую /скрытую/ массу объектов макро- и микромира, не поддающуюся определению известной мерой /в килограммах/, служащей для измерения лишь косвенно измеряемой части абсолютной /суммарной/ массы материи.

Физический смысл естественной /объемной/ меры массы поясняет система аналогичных равенств, определяющих массу известного и предлагаемого эталонов:

решением которой будет общее выражение, где килограммы отсутствуют:
m₁ = 1 см³ nV_• = 100 см³ H₂O, показывающее, что косвенно измеряемая масса воды с измеряемым объемом V = 100 см³ содержит единичный объем неделимых частиц nV_• = 1 см³.

Скрытую же массу такого объема воды V = 100 см³ определит формула:

Согласно новой теории, сумма косвенно измеряемой и скрытой масс, выражаемая единственно возможной объемной мерой, оказывается при этом равной для любого вещества равного объема V=100 см³, например, воды и золота:


Именно такую абсолютную /суммарную/ массу, как представляется, и имел в виду Декарт, утверждавший, что "виза, заполненная золотом, содержит не более материи, чем ваза с нашей точки зрения пустая. Это может показаться странным лишь для тех, разум кого не простирается дальше кончиков пальцев и кто думает, что в мире существует лишь то, до чего они могут прикоснуться. Далеко не все находящиеся вокруг нас тела могут быть чувствуемы". Скрытую массу рассматриваемого объема золота V=100 см³ определит формула: m^-= m_Σ-m = 33,3 см³ - 19,3 см³ ≈ 14 см³,
где m = Vρ = 100 см³ • 19,3 г/см³ = 1930 г = 19,3 см³.

Таким же образом можно определить скрытую и абсолютную /суммарную/ массу любой материи, включая скрытую массу кажущейся пустоты космоса.

Измерять массу объемной мерой можно пользуясь и известными массоизмерительными устройствами, например, рычажными весами, шкала которых будет оцифрована объемной мерой /в см³/ с учетом такого ее соотношения с известной: m = 1 см³ nV_• = 0,1 кг, которое используется также при оцифровке объемной мерой массы и гирь этих весов, имеющих, например, такую косвенно измеряемую массу: m₁ = 0,5 см³ = 50 г, m₂ = 5 см³ = 0,5 кг, m₃ = 10 см³ = 1 кг и т.д.

Таблица соответствия значений массы, выраженных объемной и известной мерами, приведена в конце описания.

Измерять массу объемной мерой, заданной естественным эталоном, позволит также массоизмерительное устройство, содержащее блок индикации, проградуированный и оцифрованный мерой массы, заданной ее эталоном, датчик и счетчик времени, а также средство создания силы, обеспечивающей равноускоренное движение измеряемой массы для ее определения в соответствии с формулой отличающееся тем, что вход счетчика соединен с выходом логической схемы "И", один вход которой связан с источником сигналов постоянной частоты, пропорциональной постоянной ускоряющей силы f ~ F = const, а второй вход связан с датчиком времени t = t₂ - t₁ изменения скорости измеряемой массы на заданную величину ΔC = C₂-C₁, входным элементом которого является датчик двух граничных значений скорости C₁ и C₂, соответствующих моментам времени t₁ и t₂.

При этом связанный с выходом счетчика блок индикации оцифрован естественной /объемной/ или /и/ известной мерой массы, принятое соотношение которых m = 1 см³ nV_• = 0,1 кг задано косвенно измеряемой массой естественного эталона и обосновано уточненной формулой закона природы:

где t - интервал времени изменения скорости измеряемой массы m = nV_• на заданную величину ΔC = const;
- постоянная ускоряющая сила, совпадающая с вектором перпендикулярным силе веса;
- константа временной меры массы, заданная настройкой используемого массоизмерительного устройства.

Датчик времени t = t₂ - t₁ этого устройства состоит из датчика двух значений скорости измеряемой массы C₁ и C₂, на подвижной части которого укреплен скользящий контакт, электрически связанный гибким проводом с входом логической схемы "И" и непосредственно прилегающий к гладкой пластине, имеющей пропорциональную ΔC длину токопроводящей части, соединенной с источником постоянного напряжения. Подвижной частью датчика скоростей C¹ и C₂ может быть сердечник электромагнита, обмотка которого связана с выходом тахогенератора /датчика скорости измеряемой массы/.

Другим вариантом подвижной части датчика двух значений скорости измеряемой массы C₁ и C₂ является перпендикулярная вектору ΔC поверхность, поджатая пружиной, открытая встречному потоку воздуха или иной материи, закрепленная на измеряемой массе.

При этом ускоряющую силу F определяет уравнение:

где = a - ускорение /или замедление/ измеряемой массы;
F_т - сила тяги, например, двигателя;
F_тр - сила трения.

При F_т = 0 сила F - это сила трения, тормозящая измеряемую массу, например, поезда или автомобиля, движущегося горизонтально при отключенном двигателе.

Сигнал, пропорциональный силе F, вырабатывается, например, специальным вычислительным устройством и при измерении массы вводится автоматически или рукояткой в блок генератора импульсов для установления нужной частоты импульсов f ~ F или нужной угловой скорости вращения вала двигателя ω ~ F, связанного муфтой с выходом механического десятичного счетчика, имеющего одновременно и функцию блока индикации.

Массоизмерительное устройство, использующее такой десятичный счетчик, имеет электромагнитную муфту, исполняющую функцию схемы "И", обмотка которой соединена с выходом датчика времени заданного изменения скорости измеряемой массы. Таким датчиком может быть закрепленный на измеряемой массе, например, самолета, датчик динамической составляющей встречного потока воздуха p, пропорциональной скорости C измеряемой массы.

Датчик скоростей C₁ и C₂ измеряемой массы может включать импульсный датчик скорости, закрепленный вблизи колеса тележки с измеряемой массой, подключенный к входу преобразователя частоты импульсов, пропорциональной скорости измеряемой массы f ~ C в двоичный код, а также дешифратор кодов двух скоростей C₁ и C₂, определяющих моменты времени t₁ и t₂.

В лабораторных опытах, связанных с проверкой справедливости известных основ механики и физики, частью измеряемой массы может быть съемный естественный эталон массы, изготовленный из разных веществ, или эталон, являющийся набором его частей /гирь/.

Обоснованная изобретением объемная мера массы обеспечивает возможность определения естественной меры силы, имеющей такое соотношение с известной:

где C₁ = 1 = 10 см/мин - соотношение естественной /безразмерной/ и известной мер линейной скорости, определившее соотношение естественной /линейной/ и известной мер времени: t = 1 см = 0,1 мин.

На фиг. 1 изображены варианты естественного эталона массы, из иридия и сапфира, имеющие форму куба; на фиг. 2 - шкала массоизмерительного устройства, оцифрованная объемной и известной мерами массы /см³ и кг/; на фиг. 3 - набор гирь естественного эталона массы; на фиг. 4 - лабораторное массоизмерительное устройство, реализующее формулу измеряемой массы ь = тМ_•= е•const ; на фиг. 5 - вариант датчика времени t = t₂ - t₁, изменения скорости измеряемой массы на величину ΔC = C₂ - C₁; на фиг. 6 - вариант датчика двух заданных скоростей измеряемой массы C₁ и C₂.

Изображенные на фиг. 1 естественные эталоны массы из иридия 1, имеющего измеряемый объем V₁ ≈ 4,46 см³, и сапфира 2, имеющего измеряемый объем V₂ ≈ 25,4 см³, имеют равную косвенно измеряемую массу = 0,1 кг, содержащую равное число неделимых частиц, составляющих эту массу: n₁V_•= n₂V_• = 1 см³ и определяющих метрическую меру массы. Вещество этих эталонов включает объемы пустоты, составляющей 2/3 их объема: 2,97 см³ и 16,9 см³, а также разные объемы частиц их неизмеряемой /скрытой/ массы, определяемые по формуле: m^- = V - V₀ - m, согласно которой:
m-1

= 4,46 см³ - 2,97 см³ - 1 см³ = 0,49 см³ - скрытая масса эталона из иридия;
m-2 = 25,4 см³ - 16,9 см³ - 1 см³ = 7,5 см³ - скрытая масса эталона из сапфира.

Согласно теории, равные объемы разных веществ имеют скрытую массу, обратно пропорциональную их косвенно измеряемой массе. Например, объем материи, заполненный водородом, имеет минимальную косвенно измеряемую плотность, но максимальную скрытую плотность, что многое объясняет в химии и физике соответствующих процессов, например, тепловых, наиболее адекватно описываемых ныне забытой гипотезой существования теплорода - "легкой материи, родственной световой, не вступающей в соединение с известными веществами".

Скрытая масса водорода включает скрытую массу квантов тепла, света и других скрытых масс, большую скрытой массы других веществ. Изображенная на фиг. 2 шкала массоизмерительного устройства позволяет измерять массу метрической /естественной/ мерой /в см³/ и известной мерой /в кг/, соотношение которых, заданное массой естественного эталона, таково: m_I= nV_• = 1 см³ = 0,1 кг.

Указатель изображенной шкалы зафиксировал косвенно измеряемую массу m = 15 см³ nV_• = 1,5 кг, выраженную естественной /объемной/ и известной мерами.

Изображенный на фиг. 3 набор гирь естественного эталона массы содержит 13 монокристаллов сапфира, имеющих форму куба /при k = 3 имеем 3 к + 4 = 13 /, и включает гнездо 1 меньшей гири набора массой: размещенное в центре к+1 = 4 дуг окружностей по трем их радиусам, где масса гирь изменяется в геометрической прогрессии со знаменателем 10 и с первыми членами 2 m₁, 3 m₁, 4 m₁. Наибольшая гиря этого набора имеет такую массу, выраженную метрической и известной мерами: m₁₃ = 4000 m₁ = 0,4 см³ = 0,04 кг, измеряемый объем которой
Контроль стабильного состояния такого естественного эталона производится не только по его массе, но и по его измеряемому объему, проводимому отдельно для каждой из гирь набора, что существенно повысит точность указанного контроля и качество воспроизведения утрачиваемых эталонов массы.

Использование предлагаемого набора позволит и для эталона массы указать диапазон изменения, как это принято в Государственных первичных эталонах других физических величин. Это позволит, например, миллиграммовые гири и точные весы поверять и создавать с большей точностью, чем позволял эталон, заданный лишь номинальным значением 1 кг.

Изображенное на фиг. 4 лабораторное массоизмерительное устройство, реализующее формулу измеряемой массы: имеет связанный с блоком индикации 1 двоичный счетчик 2, вход которого связан с выходом логической схемы совпадения 3, один вход которой соединен с выходом генератора 4 импульсов заданной частоты f, пропорциональной силе F = const, а второй - с датчиком 5 интервала времени t, входным элементом которого является датчик 6 скорости измеряемой массы /например, тахогенератор/, связанный с блоком 7, через который переброшена "невесомая" нить 8, связанная одним концом с измеряемой массой m в виде нагруженной тележки 9, а другим концом - с подвешенным на ней встроенным эталоном массы 10. При этом датчик 5 имеет связанную с выходом тахогенератора 6 обмотку электромагнита 11, на подвижном сердечнике 12 которого укреплен скользящий контакт 13, соединенный гибким проводом со входом схемы совпадения 3, прижатый к пластине 14, где токопроводящая часть 15, имеющая регулируемое местоположение и длину L, пропорциональную ΔC, соединена с источником постоянного напряжения.

При вращении блока 7 под действием силы тяги эталона тахогенератор 6 вырабатывает напряжение, пропорциональное скорости измеряемой массы, смещающее скользящий контакт 13 электромагнита до соприкосновения в момент времени t₁ с токопроводящей пластиной 15, когда постоянное напряжение от его источника 16 поступает на схему совпадения 3, открывая ее. Это продолжается до момента времени t₂ выхода скользящего контакта 13 за край данной токопроводящей пластины.

Предлагаемое устройство, конкретная схема исполнения которого может быть усовершенствована, предлагается использовать в демонстрационных опытах и экспериментах по проверке гипотез равенства инертной и тяжелой масс, известное подтверждение которой, полученные в опытах с объектами микромира, нельзя бездоказательно переносить на остальной мир, имеющий важные макроособенности, требующие учета. В таких опытах может использоваться также второй естественный эталон массы или отдельные части его набора, составляющие долю измеряемой массы и изготовленные из разных веществ.

Изображенный на фиг. 5 вариант датчика времени 5 имеет связанный с импульсным датчиком скорости 6 преобразователь 11 частоты импульсов, пропорциональной скорости измеряемой массы f ~ C, в двоичный код, выход которого связан с дешифратором кодов двух скоростей C₁ и C₂, имеющим инверторы, а также две логические схемы совпадения 13 и 14, выходы которых связаны с противоположными входами триггера 15, имеющего один выход, связанный с управляющим входом схемы совпадения 3.

В рабочем состоянии от импульсного датчика скорости 6 на вход преобразователя 11 поступают импульсы увеличивающейся частоты f, пропорциональной скорости измеряемой массы, так что, когда эта скорость достигает в момент времени t₁ заданной начальной величины, выраженной, например, двоичным кодом C₁ = 11, который появляется на выходе преобразователя 11 и открывает схему совпадения 13 дешифратора. При этом триггер 15 переключается в состояние, открывающее схему 3, что продолжается до момента времени t₂ достижения измеряемой массой второй заданной скорости C₂, двоичный код которой, например, 01111, открывает схему совпадения 14, переключающую триггер 15 в состояние, запирающее схему совпадения 3.

Изображенный на фиг. 6 датчик двух граничных скоростей C₁ и C₂, устанавливаемый на измеряемой массе, имеет открытую для встречного потока воздуха /или иной материи/ поверхность 12, поджатую пружиной 13; связанную со скользящим контактом 14, прижатым к гладкой поверхности 15 с токопроводящей частью 16 длиной L, пропорциональной ΔC, соединенной с источником постоянного напряжения 17. При достижении измеряемой массой скорости C₁ в момент времени t₁ скользящий контакт 14 входит в соприкосновение с токопроводящей поверхностью 16, открывая схему совпадения 3. Это продолжается до момента времени t₁ достижения измеряемой массой скорости C₂. Местоположение и длину токопроводящей пластины 16 относительно скользящего контакта 14 выставляют на заводе - изготовителе устройства измерения массы, реализующего ее формулу m = t•const, где используют /при настройке датчика/ устройство измерения скорости, не являющееся поэтому необходимым элементом такого датчика, модификации датчика могут определять время торможения самых разных объектов, включая косвенно измеряемую массу лабораторной тележки, поезда или автомобиля, скорость которых может, например, после отключения разогнавшего их двигателя, равнозамедленно уменьшаться от величины C₂ до C₁.

Предлагаемое изобретение, реформирующее основания метрологии, наверняка поддержали бы творцы первой Метрической системы, сумевшие лишь частично реализовать великие принципы, положенные в основу ее создания: a/ однообразие используемых мер, которые должны быть функцией мер длины, б/ десятичное подразделение мер, кратных основным.

Именно поэтому в качестве меры массы была избрана масса 1 дм³ воды; = 1 дм³ H₂O = 1 кг, аналогичная предлагаемой массе естественного эталона: m₁ = 1 см³ nV_• = 0,1 кг.

Изобретение демонстрирует преимущества и возможность практического использования Естественной /истинно метрической/ системы мер, где размерность всех величин явится степенью размерности длины /сантиметра/ и где будут основными эталоны длины, скорости и массы: L₁ = 1 см, C₁ = 1, m₁ = 1 см³, а остальные будут их функцией. Например, естественный эталон массы, изготовленный из монокристалла сапфира, будет иметь точно измеряемый объем: V = V_o + m + m^- = 25,4 см³, больший его массы, выраженной объемной мерой: m = nV_• = 1 см³.

Изобретение относится к массоизмерительной и весоизмерительной технике. Эталон массы изготовлен из вещества определенного состава, измеряемый объем которого включает объем пустоты, частицы скрытой массы, а также примерно 1 см³ частиц косвенно измеряемой массы, равной в известных мерах 0,1 кг. Эталон изготовлен из вещества плотностью ρ, равной или меньшей плотности иридия, с малым коэффициентом объемного расширения, имеющего измеряемый с необходимой точностью объем, равный или больший 4,46 см³. Массоизмерительное устройство содержит блок индикации, проградуированный и оцифрованный мерой массы, заданной ее эталоном, датчик и счетчик времени, средство создания силы, обеспечивающей равноускоренное движение измеряемой массы, логической схемой И, вход счетчика соединен с выходом логической схемы И, один вход которой связан с источником сигналов постоянной частоты, пропорциональной постоянной ускоряющей силе, а второй вход связан с датчиком времени измерения скорости измеряемой массы на заданную величину, входным элементом которого является датчик двух граничных значений скорости. Блок индикации оцифрован естественной (объемной) или/и известной мерой массы. Изобретение направлено на повышение точности измерений массы. 2 с. и 12 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

1. Естественный эталон массы, обоснованный закономерностью природы и реализующий естественную единицу измерения (меру) массы, равную приближенно единичному объему составляющих ее частиц, изготовленный из вещества определенного состава, измеряемый объем которого включает объем пустоты, частицы скрытой массы, а также примерно 1 см³ частиц косвенно измеряемой массы, равной в известных мерах 0,1 кг, отличающийся тем, что указанный эталон изготовлен из вещества точно установленного состава плотностью ρ, равной или меньшей плотности иридия, с малым коэффициентом объемного расширения, имеющего измеряемый с необходимой точностью объем, равный или больший 4,46 см³, определяемый такой закономерностью, выясняющей природу массы
V = V₀+(n+n)V_•= V₀+m+m^-= m/ρ,
где V_o≈2/3V - объем беспредельно делимой пустоты;
V_• - предельно малый объем одной неделимой частицы;
n и n^- - число неделимых частиц косвенно измеряемой массы m= nV_• и неизмеряемой (скрытой) массы m^-=n^-V_•;
nV_•= 1 см³=0,1 кг=m₁ - косвенно измеряемая масса естественного эталона, выраженная естественной (объемной) и известной мерами;
ρ_Ir= 0,2242=22,42 г/см³ - косвенно измеряемая плотность иридия, выраженная естественной (безразмерной) и известной мерами;
V = m₁/ρ≥4,46 см³ - измеряемый объем вещества эталона массы. 2. Эталон по п.1, отличающийся тем, что он изготовлен из химически чистого иридия, имеющего измеряемый объем V_Ir≈4,46 см³, или изготовлен из тантала, имеющего измеряемый объем V_Ta= m_I/ρ_Ta≈ 6 см³. 3. Эталон по п. 1, отличающийся тем, что он изготовлен из сплава инвар. 4. Эталон по п. 1, отличающийся тем, что он изготовлен из монокристалла выбранного вещества, например сапфира или алмаза. 5. Эталон по пп.1-4, отличающийся тем, что он имеет форму кубa или цилиндра, высота которого равна его диаметру. 6. Эталон по пп.1-5, отличающийся тем, что он является набором нескольких его частей-разновесов или гирь. 7. Эталон по п.6, отличающийся тем, что при массе первой (наименьшей) гири набора m₁=0,001 см³ nV_•=0,1 г, масса остальных гирь представлена тремя рядами геометрических прогрессий со знаменателем 10 и первыми членами 2m₁, 3m₁, 4m₁: m₂=2m₁=0,2 г; m₃=3m₁=0,3 г; m₄=4m₁=0,4 г; m₅=20m₁=2 г; m₆=30m₁=3 г; m₇=40m₁=4 г; m₈=200m₁=20 г; m₉=300m₁=30 г; m₁₀=400m₁=40 г. 8. Массоизмерительное устройство, содержащее блок индикации, проградуированный и оцифрованный мерой массы, заданной ее эталоном, датчик и счетчик времени, а также средство создания силы, обеспечивающей равноускоренное движение измеряемой массы для ее определения в соответствии с формулой m = tF/ΔC, отличающееся тем, что вход счетчика соединен с выходом логической схемы И, один вход которой связан с источником сигналов постоянной частоты, пропорциональной постоянной ускоряющей силе f~F=const, а второй вход связан с датчиком времени t=t₂-t₁ измерения скорости измеряемой массы на заданную величину ΔC = C₂-C₁, входным элементом которого является датчик двух граничных значений скорости С₁(t₁) и С₂(t₂), при этом связанный с выходом счетчика блок индикации оцифрован естественной (объемной) и/или известной мерой массы, принятое соотношение которых m=1 см³ nV_•=0,1 кг задано косвенно измеряемой массой естественного эталона по п. 1 и обосновано уточненной формулой закона природы
m = nV_•= t•const~tF/ΔC,
где t - интервал времени изменения скорости измеряемой массы m=nV_• на заданную величину ΔC=const;
= const - постоянная ускоряющая сила, совпадающая с вектором перпендикулярным силе веса;
FΔC = const - константа временной меры массы, заданная настройкой используемого массоизмерительного устройства. 9. Массоизмерительное устройство по п. 8, отличающееся тем, что датчик времени t= t₂-t₁ состоит из датчика двух значений скорости C₁(t₁) и С₂(t₂) измеряемой массы, на подвижной части которого закреплен скользящий контакт, электрически связанный гибким проводом с входом логической схемы И и непосредственно прилегающий к гладкой пластине, имеющей пропорциональную ΔC длину токопроводящей части, соединенной с источником постоянного напряжения. 10. Массоизмерительное устройство по пп. 8 и 9, отличающееся тем, что оно снабжено тахогенератором и электромагнитом, а подвижной частью датчика двух значений скорости C₁(t₁) и С₂(t₂) является сердечник электромагнита, обмотка которого связана с выходом тахогенератора. 11. Массоизмерительное устройство по пп. 8 и 9, отличающееся тем, что подвижной частью датчика скоростей C₁(t₁) и С₂(t₂) является перпендикулярная вектору ΔC поверхность, поджатая пружиной, открытая встречному потоку воздуха или другой окружающей материи. 12. Массоизмерительное устройство по п. 11, отличающееся тем, что поверхность, поджатая пружиной, снабжена штоком и установлена в стакане, открытом встречному потоку воздуха (или другой окружающей материи), имеющем также отверстие для хода штока. 13. Массоизмерительное устройство по пп. 8-12, отличающееся тем, что средство создания ускоряющей силы выполнено в виде встроенного естественного эталона массы m₁=0,1 кг, изготовленного, например, из монокристалла сапфира по п.4, закрепленного на свободном конце "невесомой" нити, переброшенной через блок, другой конец которой связан с измеряемой массой. 14. Массоизмерительное устройство по пп. 8-13, отличающееся тем, что блок индикации выполнен в виде механического десятичного счетчика, связанного с валом двигателя, имеющим заданную угловую скорость, пропорциональную силе F, посредством муфты, обмотка электромагнита которой связана с выходом датчика времени t.