Design, construction and characterization of mechanical systems for the french « watt balance » experiment
Conception, réalisation et caractérisation de systèmes mécaniques pour l'expérience française de « balance du watt »
Résumé
To contribute to a possible redefinition of the Système international d'unités, french national metrology institutes are developping a watt balance experiment.
This experiment, whose principle has been proposed in 1976 by B. Kibble (NPL), allows to link a standard mass m (calibrated against the international prototype of the kilogram) to the Planck constant h. To redefine the unit of mass by fixing the value of this constant, measurement of the h/m ratio must be performed with a relative uncertainty of 10−8.
Realization of the experiment requires to build mechanical systems, a magnetic circuit and a translation stage in particular. For our experiment, we have chosen to design (i) a magnetic circuit with permanent magnets producing an axisymetric flux density field of about one tesla whose relative variations must be smaller than 10−4 in the air gap, and (ii) a flexure stage constraining a coil to travel inside the air gap of the circuit along a 80mm rectilinear and vertical translation.
We study the effects, on the result of the experiment, of the deviations of the magnetic circuit and the translation stage from their nominal definitions. Considering compromises inherent in any realization, we deduce from this study acceptable differences and we present the design, realization, and characterization of these two mechanical systems.
This experiment, whose principle has been proposed in 1976 by B. Kibble (NPL), allows to link a standard mass m (calibrated against the international prototype of the kilogram) to the Planck constant h. To redefine the unit of mass by fixing the value of this constant, measurement of the h/m ratio must be performed with a relative uncertainty of 10−8.
Realization of the experiment requires to build mechanical systems, a magnetic circuit and a translation stage in particular. For our experiment, we have chosen to design (i) a magnetic circuit with permanent magnets producing an axisymetric flux density field of about one tesla whose relative variations must be smaller than 10−4 in the air gap, and (ii) a flexure stage constraining a coil to travel inside the air gap of the circuit along a 80mm rectilinear and vertical translation.
We study the effects, on the result of the experiment, of the deviations of the magnetic circuit and the translation stage from their nominal definitions. Considering compromises inherent in any realization, we deduce from this study acceptable differences and we present the design, realization, and characterization of these two mechanical systems.
En vue de contribuer à une possible redéfinition du Système international d'unités, les laboratoires nationaux de métrologie français développent une expérience de balance du watt.
Cette expérience, dont le principe a été proposé en 1976 par B. Kibble (NPL), permet de relier la masse m d'un étalon (raccordé au prototype international du kilogramme) à la constante de Planck h. Pour permettre, à terme, de redéfinir l'unité de masse en fixant la valeur de cette constante, la mesure du rapport h/m doit être réalisée avec une incertitude relative de l'ordre de 10−8. La mise en œuvre de l'expérience exige de construire des systèmes mécaniques, un circuit magnétique et un système de translation notamment. Pour notre expérience, nous avons choisi de concevoir (i) un circuit magnétique à aimants permanents délivrant un champ d'induction axisymétrique, d'intensité égale à un tesla environ, et dont l'amplitude des variations doit être limitée à 10−4 en valeur relative dans la partie utile de l'entrefer, et (ii) un système de translation à liaisons flexibles contraignant une bobine à se déplacer dans l'entrefer du circuit selon une translation rectiligne et verticale de 80mm de long.
Nous étudions les effets, sur le résultat de l'expérience, des écarts de réalisation du circuit magnétique et du système de translation par rapport à leur définition nominale. Nous en déduisons des écarts admissibles tenant compte des compromis incontournables dans toute réalisation et nous présentons la conception, la réalisation et la caractérisation des deux systèmes mis en œuvre.
Cette expérience, dont le principe a été proposé en 1976 par B. Kibble (NPL), permet de relier la masse m d'un étalon (raccordé au prototype international du kilogramme) à la constante de Planck h. Pour permettre, à terme, de redéfinir l'unité de masse en fixant la valeur de cette constante, la mesure du rapport h/m doit être réalisée avec une incertitude relative de l'ordre de 10−8. La mise en œuvre de l'expérience exige de construire des systèmes mécaniques, un circuit magnétique et un système de translation notamment. Pour notre expérience, nous avons choisi de concevoir (i) un circuit magnétique à aimants permanents délivrant un champ d'induction axisymétrique, d'intensité égale à un tesla environ, et dont l'amplitude des variations doit être limitée à 10−4 en valeur relative dans la partie utile de l'entrefer, et (ii) un système de translation à liaisons flexibles contraignant une bobine à se déplacer dans l'entrefer du circuit selon une translation rectiligne et verticale de 80mm de long.
Nous étudions les effets, sur le résultat de l'expérience, des écarts de réalisation du circuit magnétique et du système de translation par rapport à leur définition nominale. Nous en déduisons des écarts admissibles tenant compte des compromis incontournables dans toute réalisation et nous présentons la conception, la réalisation et la caractérisation des deux systèmes mis en œuvre.
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