Mittayksikköjärjestelmät

Transkriptio

1 Mittaustekniikan historia: mittaustekniikan lähtökohta ihmisten luontaisen tietämyksen tarpeet, aluksi etäisyydet, massat, tilavuudet ja aika ulottuu todella kauas menneisyyteen, jopa 3000 vuotta ennen ajanlaskun alkua ns. Indusjoen laakson sivilisaatiossa oli käytössä huomattavan kehittynyt ja nykyaikainen mittausjärjestelmä muinaiset egyptiläiset ja roomalaiset kehittivät voimakkaasti mittaustekniikkaa mittaustekniikan historiaan liittyy paljon pseudotieteellistä spekulaatiota mittaustekniikka nykyään itsestäänselvyys ihmiskunnan enemmistön arkipäivässä

2 Indusjoen laakson sivilisaatio: laajin kolmesta suuresta, varhaisesta sivilisaatiosta, Mesopotamian ja Egyptin ohella kehittynyttä kaupunkirakentamista, viemäriverkostot ja vesikäymälät kymmenjärjestelmään pohjautuva mittayksikköjärjestelmä

3 Rooman imperiumissa: roomalaiset tunnetaan etevinä rakentajina, ja rakentamisessa tarvitaan selkeitä ja yksikäsitteisiä mittayksiköitä roomalaisessa mittayksikköjärjestelmässä jalka = 12 tuumaa, kuten nykyisin brittiläisessä järjestelmässä mittaamiseen liittyviä roomalaisia sananlaskuja: metire necesse est, vivere non est bis metire, semel seca

4 Rooman valtakunta hajosi lopulta: yksikköjärjestelmissä pääsi vallalle suuri sekaannus joka vaikutti aina 1500-luvulle sakka eri tahoilla otettiin käyttöön monenlaisia, epämääräisiä mittayksiköitä, jotka usein olivat toimialakohtaisia (esim. maatalous tai panimoteollisuus) ja pelkästään alueellisia. vähitellen muodostui melkoinen sekamelska, joka merkittävästi haittasi kaupankäyntiä ja tieteellistä tutkimusta. Suomessakin oli Ruotsin ja Venäjän vallan aikoihin käytössä useita etäisyyden, tilavuuden ja massan yksiköitä, joista muutamat yhä kummittelevat puhekielessä. esim. sananlasku parempi virsta väärää kuin vaaksa vaaraa. virsta 1 km, vaaksa 148 mm

5 Brittiläinen mittayksikköjärjestelmä: brittiläinen yksikköjärjestelmä oli ensimmäinen todella kansainvälinen, laajat maantieteelliset alueet kattava yksikköjärjestelmä. järjestelmä otettiin käyttöön kaikissa brittiläisen imperiumin maissa, mukaan lukien Yhdysvallat, joka tuolloin ei vielä ollut itsenäinen valtio. vuodesta 1826 alkaen järjestelmää parannettiin siten, että saman suureen yksikköjen suhteet ovat kokonaislukuja, joskaan eivät kymmenjärjestelmän mukaisia Yhdysvallat oli tuolloin jo itsenäistynyt, eikä parannettua järjestelmää otettu siellä käyttöön, vaan ajateltiin että vanhassa vara parempi tämän seurauksena joillekin saman nimisille yksiköille on olemassa eri määritelmät, esim. brittiläinen gallona = 4,54609 litraa, amerikkalainen gallona = 3, litraa

6 SI-järjestelmä eli kansainvälinen yksikköjärjestelmä: brittiläinen, roomalaista alkuperää oleva yksikköjärjestelmä oli niin epäkäytännöllinen, että jo varhain ryhdyttiin pohtimaan sen korvaamista jollakin paremmalla järjestelmällä. ensimmäisen huomattavan ehdotuksen metrijärjestelmää muistuttavan, kansainvälisesti yhtenäisen mittajärjestelmän aikaansaamiseksi teki Christiaan Huygens (kuuluisa hollantilainen fyysikko ja matemaatikko) vuonna uudistustyö pääsi kunnolla vauhtiin vasta Ranskan suuren vallankumouksen jälkimainingeissa. Tuolloin eri puolilla Ranskaa oli käytössä jopa eri suuruista mittayksikköä. ainoastaan ajan yksiköt, vuorokauden murto-osina määritellyt tunti, minuutti ja sekunti, sekä kulmayksiköt olivat samat kaikkialla Euroopassa.

7 SI-järjestelmä: vallankumouksen aikana Ranskan kansalliskokous asetti matemaatikoista muodostuvan komitean laatimaan uutta mittajärjestelmää. komiteassa olivat jäseninä eräät aikakauden huomattavimmat tiedemiehet kuten Joseph-Louis Lagrange (matemaatikko ja fyysikko) ja Antoine Lavoisier (kemisti). vuonna 1791 kuningas Ludvig XVI vahvisti ehdotuksen päivää ennen kuin hänet vangittiin. asiaa koskeva laki astui Ranskassa voimaan lopullisesti vuonna vuonna 1837 säädettiin uusi laki, jonka mukaan vuoden 1840 alusta lähtien vain metrijärjestelmän yksiköt olivat sallittuja Ranskassa.

8 SI-järjestelmä: 1800-luvun lopulla järjestelmä alkoi yleistymään maailmanlaajuisesti varsinkin sen jälkeen, kun 18 valtiota vuonna 1875 solmi Pariisissa asiaa koskevan Metrisopimuksen, jonka mukaisesti ryhdyttiin määrajoin järjestämään yleisiä kansainvälisiä paino- ja mittakonferensseja. merkittävänä vastarannan kiiskenä esiintyi kuitenkin Yhdysvallat, jossa 1800-luvulla kiihkomielisesti vastustettiin metrijärjestelmää muun muassa leimaamalla se ateistiseksi. Yhdysvalloissa metrijärjestelmä hyväksyttiin lailliseksi (mutta ei pakolliseksi) vuonna Suomessa metrijärjestelmä otettiin käyttöön vuonna 1887.

9 Metrologia eli mittaustiede: tiede, joka tutkii mittaamista ja mittayksiköitä paljon kansainvälistä yhteistyötä, katto-organisaatio on BIPM (Bureau Internationale des Poids et Mesures) amerikkalainen NIST on hyvin merkittävä metrologinen organisaatio Suomessa metrologian alalla toimii ensisijaisesti Mittatekniikan Keskus (MIKES) suuri joukko kansainvälisiä standardeja, joiden kulmakivi on kansainvälinen yksikköjärjestelmä eli SI-järjestelmä SI = Système Internationale d'unités, tunnetaan myös nimellä metrijärjestelmä

10 Metrologian pääkysymyksiä: tärkein yksityiskohta: mittausepävarmuus jäljitettävyys kansallisiin ja kansainvälisiin standardeihin eli mittanormaaleihin kalibrointi näihin liittyy lakisääteistä valvontaa, joka onkin erityisen tärkeää rahan vaihtaessa omistajaa mittausten perusteella, kuten esimerkiksi: sähköenergia polttoaineet kaupan vaa at

11 BIPM: Mittayksikköjärjestelmät peräisin Ranskasta, suuren vallankumouksen ajalta perustettu Pariisissa vuonna 1875, 17 valtion välisellä sopimuksella nykyään 58 jäsenvaltiota ja 41 liitännäisjäsenvaltiota

12 SI-järjestelmä: 7 perusyksikköä Mitattava suure Suureen tunnus Yksikön nimi Yksikön tunnus Pituus s metri m Massa m kilogramma kg Aika t sekunti s Sähkövirta I ampeeri A Lämpötila T kelvin K Ainemäärä n mooli mol Valovoima I kandela cd

13 SI-järjestelmä: Mittaustekniikka lukemattomia johdannaisyksiköitä, jotka märitellään perusyksiköiden avulla, esimerkiksi Mitattava suure Yksikön nimi Yksikön tunnus Määritelmä Energia, työ joule J N m Jännite voltti V W/A Induktanssi henry H V s/a Kapasitanssi faradi F A s/v Magneettivuo weber W V s Resistanssi ohmi Ω V/A Sähkövaraus coulombi C A s Paine pascal Pa N/m 2 Valovoima luumen Lm cd sr Valaistusvoimakkuus luksi Lx lm/m 2 Voima newton N kg m/s 2

14 Mittanormaalit: Primaarinormaali: mittanormaali, joka on sovittu tai yleisesti tunnustettu parhaimman metrologisen laadun omaavaksi ja jonka arvo hyväksytään vertaamatta sitä muihin saman suureen mittanormaaleihin Sekundaarinormaali: mittanormaali, jonka arvo määritellään vertaamalla saman suureen primäärinormaaliin villakoiran ydin mittaustekniikassa SIyksikön määritelmä Kansallinen mittanormaali Referenssinormaali: mittanormaali, jota käytetään rutiiniluonteisesti kiintomittojen, mittauslaitteiden tai vertailuaineiden kalibrointiin tai tarkastukseen Akkreditoidun kalibrointilaboratorion referenssinormaali Yrityksen referenssinormaali

15 Eräiden tärkeiden suureiden pienimmät mittausepävarmuudet: suhteellinen epävarmuus nykyisellä mittaustekniikan tasolla Suure Menetelmä Epävarmuus Metri Laserinterferometri Kilogramma Prototyyppi 10-9 Sekunti Cesiumkello Ampeeri Wattivaaka 10-8 Voltti Wattivaaka Josephson-ilmiö Ohmi Kvantti-Hall-ilmiö 10-9 Faradi Thompson-Lampard 10-7

16 Primaarinormaalit: aluksi määriteltiin prototyyppien avulla, esim. metrin primaarinormaali oli BIPM:n hallussa oleva, platina-iridiumseoksesta tehty tanko mittanormaaliprototyyppien haittoja: protokappale voi muuttua ajan mittaan tai jopa kadota protokappaleen ominaisuudet riippuvat ympäristöstä, varsinkin lämpötilasta nykyään primaarinormaalit on kilogrammaa lukuunottamatta sidottu luonnonvakioihin ja erinäisiin fysiikan ilmiöihin metrologiassa tutkitaan ja kehitetään primaarinormaaleille yhä parempia määritelmiä ja mittausmenetelmiä

17 Primaarinormaalien prototyyppejä: Mittayksikköjärjestelmät

18 Primaarinormaalien prototyypit: mahdollisimman huolellisesta säilytyksestä ja käsittelystä huolimatta prototyypeissä tapahtuu muutoksia, esim. kilogramman prototyyppi:

19 SI-järjestelmä kehittyy: vuoden 2018 kansainvälisessä paino- ja mittakonferenssissa on tarkoitus sopia merkittävistä parannuksista SI-järjestelmässä kilogramma, mooli, ampeeri ja kelvin halutaan määritellä pelkästään luonnonvakioihin perustuen esim. vuonna 1948 sovitun määritelmän mukaan ampeeri on sellainen ajallisesti muuttumaton sähkövirta, joka kulkiessaan kahdessa suorassa yhdensuuntaisessa, äärettömän pitkässä ja ohuessa johtimessa, joiden poikkileikkaus on ympyrä ja jotka ovat 1 metrin etäisyydellä toisistaan tyhjiössä, aiheuttaa johtimien välille newtonin voiman johtimen metriä kohti. määritelmän mukainen mittaus olisi hieman hankala, siksi ampeeri halutaan määritellä uudelleen perustuen alkeisvaraukseen, jonka suuruudeksi määritellään täsmälleen 1, ampeerisekuntia eli coulombia. ampeeri olisi siis virta, jossa kulkee yksi elektroni 1, sekunnissa.

20 SI-järjestelmä kehittyy: vuonna 2018 olisi tarkoitus määritellä SI-järjestelmän perussuureet viereisen kaavion mukaisesti perustuen vain ja ainoastaan luonnonvakioihin: o c - valon nopeus tyhjiössä o e elektronin varaus o k Boltzmannin vakio o h Planckin vakio = kg m 2 s 1 o N A Avogadron vakio

21 Kaikki mahdolliset mittaukset eivät mahdu minkään yksikköjärjestelmän puitteisiin: monet henkimaailman suureet kuten makuelämykset, hajut, mielipiteet sekä tunteet ja tuntemukset esim. Scovillen asteikko, jota käytetään chilien tulisuuden mittaamiseen: o asteikko on nimetty Wilbur Scovillen mukaan, joka kehitti tulisuuden mittausmenetelmän vuosina o asteikko alkaa nollasta (paprika) o suurin koskaan mitattu luku on yli 2 miljoonaa (Trinidad Moruga Scorpion) seismiset mittaukset: Richterin asteikko, joka kuvaa järistyksen magnitudia: o magnitudin lukuarvo ei ilmaise järistyksen absoluuttista voimakkuutta, vaan se on tietyllä seismograafilla mitattujen eri järistysamplitudien suhdeluvun logaritmi.

22 Vanhoja yksiköitä käytetään edelleen, esimerkiksi: raakaöljyn kaupankäynnissä yleinen tilavuusyksikkö on barrel = 158, litraa timanttien koko ilmaistaan karaatteina = 200 grammaa jalometallien kaupankäynnissä yleinen painoyksikkö on troy-unssi = 31, grammaa rahtilaivojen tilavuus ilmoitetaan usein rekisteritonneina = 31, kuutiometriä avaruustähtitieteessä käytettyjä etäisyyden yksikköjä ovat valovuosi = metriä ja parsek 3,26 valovuotta