METROLOGIA osa I Kari Riski, Mittatekniikan keskus, MIKES kari.riski@mikes.fi SISÄLTÖ Mitä metrologia on Metrisopimus, MIKES 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 SI-yksiköiden määritelmät 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 Alueelliset metrologiaorganisaatiot 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
Mittanormaalien jäljitettävyys Metrologia 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) MIKES Metrologia -mittayksiköiden toteuttaminen -kansainvälinen yhteistyö -tutkimus -kalibrointi -asiantuntijapalvelut -koulutus Akkreditointi (FINAS) Tekniikantie 1, Otaniemi
KELVIN 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 ITS-90: LÄMPÖTILAN LASKUKAAVAT VASTUSLÄMPÖMITTARILLE (SPRT) ITS-90: PLANCKIN SÄTEILYLAKI - Mitataan vastus R(t) tutkittavassa lämpötilassa t - Mitataan vastus R 0 veden kolmoispisteessä ( t = 0,01 C ) - Lasketaan vastussuhde W(t) = R(t) / R 0 - Ratkaistaan t yhtälöstä: W(t) = W r (t) + W(t) -W r (t) on referenssifunktio - W(t) on korjauspolynomi, jonka kertoimet saadaan kalibroinnista 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 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 KANDELAN REALISOINTI 1 Kandela realisoidaan nykyisin filteriradiometrin avulla - Radiomerin (Si- trap detektori) virta/valoteho riippuvuus määritetään esim. kryoradiometrin avulla - Radiometrin ja V(λ) filtterin aallonpituusriippuvuudet määritetään tarkkuusmonokromaattorin avulla Lamppu d A Apertuuri V(λ)-filtteri Detektori i DVM
KANDELAN REALISOINTI 2 KANDELAN REALISOINTI Laskukaava 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 = Φ Φ I v = valovoima K m = 683 cd sr / W 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 21500 kg/m 3 - sylinteri d h 39 mm - säilytys: BIPM - käytetty:.. 1946, 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)
MAHDOLLISIA MENETELMIÄ KILOGRAMMAN REALISOIMISEKSI: Wattivaaka 1) Punnitus a) Wattivaaka, magneettikentässä liikkuva kela ( tarkkuus nyt 5x10-8 ) b) Avogadro vakio Si kiteestä (5 10-7 ) c) Ionien keräys (10-3 ) d) Surajohtavan kappaleen levitointi ( 10-6 ) m = C f i f gv m = nn m a Si m = m Au Q/e j h 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 voimatasapainon ja induktiomittauksen tulokset : β = mg/i = U/v mgv = UI (mekaaninen teho = sähköteho)
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. Ref. G.Cavagnero et..al., CPEM02, Ottawa, Canada 16-21 June 2002 Hilavakion määritys Superconducting magnetic levitation system (NMRL) Ref. R.A. Nicolaus, G. Bönch. CPEM02, Ottawa, Canada 16-21 June 2002 Virta lähde Id DVM R SQUID JJ Suprajohtava kappale is f Laser interferometri m Suprajohtava kela L = Induktanssi Φ = magneettivuo = L I=- Udt Tilavuuden määritys Ref. K. Fujii et.al., CPEM02, Ottawa, Canada 16-21 June 2002 Φ Φl h I dφ = 1 2 ( Φ I h h Φ I ) + mg( z l l dφ dφ mg = I U = v dz dz h z ) l Mitattavat suureet - korkeusero z h -z l - kelan virta I - indusoitunut jännite U - putoamiskiihtyvyys g - massa m
ION ACCUMULATION (PTB) SI-yksikköjärjestelmä tulevaisuudessa Perusyksiköiden määritelmiä muutetaan 2011(?) Luonnonvakiot, joiden arvot kiinnitetään: - Planckin vakio h kilogramma (kg) - elektronin varaus e ampeeri (A) - Boltzmannin vakio k kelvin (K) Lisäksi kiinnitetään - Avogadro vakio N a mooli (mol) Muuttumattomat yksiköt: sekunti, metri, kandela