METROLOGIA osa I Kari Riski, Mittatekniikan keskus, MIKES

Transkriptio

1 METROLOGIA osa I Kari Riski, Mittatekniikan keskus, MIKES kari.riski@mikes.fi SISÄLTÖ Mitä metrologia on Metrologian organisointi Lämpötilan yksikkö kelvin, lämpötila-asteikko ITS-90 Valovoiman yksikkö kandela, määritelmä ja realisointi Ainemäärän yksikkö mooli, määritelmä ja realisointi, Massan yksikkö kilogramma, määritelmä ja realisointi kilogramman realisointi tulevaisuudessa METROLOGIA Metrologia on mittauksia käsittelevä tiedonala Osa-alueet - Mittayksikköjen määritelmät, esim. kandela - Mittayksikköjen realisointi, esim. kandelan realisointi - Jäljitettävyysketjut alemman tason mittanormaalista yksikön määritelmään. Metrologiaan kuuluvat lisäksi mittaustulokseen vaikuttavia seikkoja - mittausolosuhteet - mittauslaitteet - mittaajat - mittausmenetelmät ja mittausohjelmistot - mittausepävarmuuslaskelmat METRISOPIMUS (1875) Muodostaa SI yksikköjärjestelmän perusta Organisointi: - Yleinen paino- ja mittakonferenssi (yksiköiden määritelmät) - Kansainvälinen paino- ja mittakomitea (CIPM) Toimeenpaneva elin mm. ohjaa BIPM:n toimintaa, päättää avainvertailuista - Neuvoa-antavat komiteat (CC komiteat) eri suurealueelle sekä SI yksiköille omat komiteat, tutkimuksen, avain vertailujen koordinointi - Kansainvälinen mitta- ja painotoimisto (BIPM) kilogramman ja eräiden muiden yksiköiden realisointi, tutkimus, vertailut

2 Mittanormaalien jäljitettävyys Metrologian organisointi Suomessa Suomen kansallinen metrologian laitos on Mittatekniikan keskus (MIKES), joka vastaa Suomen kansallisesta mittanormaalijärjestelmästä Useimpien suureiden kansalliset mittanormaalilaboratoriot ovat MIKESissä Virallisia kalibrointipalveluja antamat myös FINASin akkreditoimat kalibrointilaboratoriot Lakisääteisestä metrologiasta (esim. vaakojen vakaus) vastaa Turvatekniikan keskus (TUKES)

3 Uusi MIKES-talo (2005) Tekniikantie 1, Otaniemi KELVIN ITS-90: LÄMPÖTILAN LASKUKAAVAT VASTUSLÄMPÖMITTARILLE (SPRT) Lämpötila-asteikko ITS-90 - asteikko määritelty lämpötilan 0,65 K yläpuolella - asteikko määritellään lämpötilan 961,78 C alapuolella termodynaamisten kiintopisteiden ja interpolointi-instrumenttien avulla - kiintopisteinä on puhtaiden aineiden faasitransitiolämpötiloja - interpolointi-instrumentteina on kaasulämpömittari ja platinavastuslämpömittari - 961,78 C yläpuolella asteikko määritellään Planckin säteilylain avulla Alueella 0,9 mk - 1 K on käytössä PLTS-2000 asteikko W ( T ) = W ( T ) + W ( T ) W ( T ) = referenssifunktio r r W ( T ) = R( T ) / R(273,16K) = vastussuhde R( T ) = mitattuvastus W ( T ) = korjaus

4 ITS-90: PLANCKIN SÄTEILYLAKI Planckin laki (teho/pinta-ala/λ) Spektrinen radianssi 2 1 hc Fλ = 5 hc / λkt λ e 1 dφe / dλ Le ( λ) = dλ dacosθdω VEDEN KOLMOISPISTEKENNO JÄÄHAUTEESSA

5 SINKKIKENNO UUNISSA HOPEAKENNO MUSTANKAPPALEEN SÄTEILIJÄNÄ KANDELA Valovoima I v on säteilyintensiteettiä I e (W/sr) vastaava fotometrinen suure Valovoima saadaan säteilyintensiteetistä ihmissilmän päivänäkemisen spektrisen herkkyyskäyrän V(λ) ja kertoimen K m = 683 cd sr / W avulla I v = K m 0 die( λ) V ( λ) dλ dλ

6 KANDELAN REALISOINTI KANDELAN REALISOINTI Kandela realisoidaan nykyisin seuraavasti I v 2 Kmd = Fi As(555) s(555) = detektorin vaste aallonpituudella 555 nm A = säteilyä rajoittava apertuuri d = etäisyys säteilylähteestä F = korjauskerroin i = tulevaa säteilytehoa Φ e vastaava sähkövirta s rel = detektorin suhteellinen vaste F I v = valovirta K m = 683 cd sr / W = Φ Φ e e ( λ ) V ( λ ) dλ ( λ ) s rel ( λ ) dλ MOOLI Kemian metrologian primäärimenetelmät - isotooppilaimennusmassaspektroskopia - gravimetria - titrimetria - kulometria - jäätymispisteen alenema KILOGRAMMAN MÄÄRITELMÄ 1 kg = Kansainvälisen kilogramman prototyypin massa (1889) Täsmennys: massa BIPM-puhdistuksen (eetteri/etanoli, höyry) jälkeen Kansainvälinen kilogramman prototyyppi - Pt 90 % Ir 10 % ρ 21,5 kg/m 3 - sylinteri d h 39 mm - säilytys: BIPM - käytetty: , 1991 Ongelmat: - prototyyppi on artefakti, haavoittuva - ilman saasteet muuttavat massaa - jäljitettävyysketju on yleensä pitkä - stabiiliutta ei tunneta Edut: - helppo toteuttaa - tarkka (vertailutarkkuus parempi kuin 1 µg)

7 Wattivaaka 1) Punnitus Mahdollisia menetelmiä kilogramman realisoimiseksi: a) Wattivaaka, magneettikentässä liikkuva kela ( 10-7 ) b) Avogadro vakio Si kiteestä ( ) c) Ionien keräys (tällä hetkellä 10-3 ) d) Surajohtavan kappaleen Levitointi (noin 10-6 ) 1) Voimatasapaino : - Staattisessa magneettikentässä olevaan kelaan syötetään virta I, jolloin siihen kohdistuu voima F = I β - Voima kompensoidaan punnuksen aiheuttaman painovoiman g m avulla ( g = putoamiskiihtyvyys, m = massa ), F = I β = m g, missä β =mg/i riippuu geometriasta ja magneettikentästä Wattivaaka 2) Induktiomittaus Watt balance at NIST - superconducting solenoids - moving coil in balance - 1 kg weight - wheel balance 2) Mitataan kelaan indusoitunut jännite U - kelaa liikutetaan magneettikentässä nopeudella v Φ U = vβ = v - β = U/v z 3) Yhdistetään punnituksen ja induktiomittauksen tulokset : β = mg/i = U/v mgv = UI (mekaaninen teho = sähköteho)

8 Watt balance at METAS 1) Mass comparator 2,5) seesaw mechanism for coil 3,4) servo system 6) laser interferometer 7) weight handler 8) 100 g weight 9) suspension frame 10) coil 11) coil positioning mechanism 12) permanent magnet 13) position detector Mahdollisia kilogramman realisointimenetelmiä Avogadro vakio N a mitattuna Si-kiteestä V = n N a v a N a = atomien lukumäärä moolissa = Avogadro vakio n = moolien lukumäärä kiteessä = m / M ρ = m/v = kiteen tiheys = massa / tilavuus v a = atomin tilavuus yksikkökopissa M = moolimasssa, arvo riippuu isotooppijakaumasta N a = ( V / n ) / ν a = ( V M / m ) / v a = (M / ρ ) / ν a Mitattavat suureet: tilavuus, massa, hilavakio, atomipainot, isotooppijakauma, epäpuhtausatomien lukumäärä, kidevirheiden lukumäärä. Fig. Ref. R.A. Nicolaus, G. Bönch. CPEM02, Ottawa, Canada June 2002 Ref. G.Cavagnero et..al., CPEM02, Ottawa, Canada June 2002 Hilavakion määritys Tilavuuden määritys Ref. K. Fujii et.al., CPEM02, Ottawa, Canada June 2002

9 Φ Φl h Superconducting magnetic levitation system (NMRL) i dφ = Current source 1 2 dφ mg = I dz Id ( Φ i DVM R SQUID h h JJ Levitated body is Φ i ) + mg( z l l dφ U = v dz f h Laser interferometer z ) l m Coil L = inductance i = current U =voltage z h -z l= vertical displacement Φ = magnetic flux = L i=- Udt Mahdollisia kilogramman realisointitapoja Suprajohtava magneettinen levitointi Φ Φ h i l dφ = 1 2 ( Φ i h h Φ i ) + mg( z l l z ) Mitattavat suureet putoamiskiihtyvyys g mitataan absoluuttisella gravimetrilla korkeusero z h -z l (l = alhaalla, h = ylhäällä) mitataan laserinterferometrilla kelaan syötettävä virta i, mitataan jännite referenssivastuksen yli magneettivuon muutos dφ = Udt= n f Φ 0 dt mitataan ja integroidaan kelan yli oleva jännite, kun virtaa muutetaan f = mikroaaltotaajuus, n = kokonaisluku, Φ 0 = vuokvantti massa m, verrataan tunnettuun massaan Käytännön arvoja avainsuureille B < 50 mt, z h -z l = 5-10 mm, m 100 g, I = 1-5 A, U = 0,1-1 V h l ION ACCUMULATION (PTB)