Priemyselná a vedecká metrológia

  Priemyselná a vedecká metrológia tvorí dve z troch kategórií metrológie, uvedených v kapitole 1.2. Z predchádzajúcich skúseností a potrieb národného hospodárstva v oblasti obchodného styku, životného prostredia, zdravotníctva, národnej obrany a priemyslu v jednotlivých veličinách, dochádza k rozširovaniu metrologických služieb Slovenského metrologického ústavu. Prioritná pozornosť sa bude venovať týmto oblastiam:
  • Obchodný styk
  • Životné prostredie
  • Zdravotníctvo
  • Národná obrana
  • Priemyselná metrológia
    • v oblasti dĺžky a geometrických veličín
    • v oblasti času a frekvencie
    • v oblasti akustiky
    • v oblasti tlaku
    • v oblasti prietoku
    • v oblasti elektriny
    • v oblasti ionizujúceho žiarenia
    • v oblasti chémie
    • v oblasti termometrie
    • v oblasti optických veličín
    • v oblasti mechanických skúšok materiálu
  • Dozor a dohľad na trhu



2.1 Technické funkcie


2.1.1 Oblasti

  Fundamentálna metrológia sa člení do 11 oblastí: hmotnosť, elektrina, dĺžka, čas a frekvencia, termometria, ionizujúce žiarenie a rádioaktivita, fotometria a rádiometria, prietok, akustika, látkové množstvo a interdisciplinárna metrológia.
  Týchto jedenásť oblastí si stanovil EUROMET. Interdisciplinárna metrológia nie je chápaná ako technický odbor, zaoberá sa všeobecnými otázkami.
  Zvolené členenie slúži na organizovanie spoločných projektov, stretávanie expertov a pod. Niektoré oblasti (hmotnosť, ionizujúce žiarenie, chémia) sa pracovne delia na ďalšie podoblasti.

Tabuľka 2.1. Oblasti, podoblasti a typické etalóny pre jednotlivé dôležité úrovne merania.


Oblasť

Podoblasť

Dôležité
etalóny

 

HMOTNOSŤ
a príbuzné veličiny

Meranie hmotnosti

Etalóny, hmotnosti, etalónové váhy

 

 

Sila a tlak

Silomery, silomerné zariadenia
s priamym zaťažením, snímače sily, momentu a piestové tlakomery
(kvapalinové alebo plynové), silomerné zariadenia (etalónové alebo
kalibračné)

 

Objem a hustota

Viskozita

Sklenené aerometre, laboratórne sklá,
vibračné hustomery, sklenené kapilárne viskozimetre, rotačné viskozimetre,
viskozimetrické stupnice

ELEKTRINA a
MAGNETIZMUS

 

 

 

Jednosmerný elektrický prúd

Kryogénne komparátory prúdu, kvantové
etalóny el. veličín, Josephsonov a Hallov kvantový jav, von Kitzingerova
konštanta, Zenerova diódova referencia, potenciometrické metódy,
komparátorové mosty

 

Striedavý elektrický prúd

Meniče striedavého a jednosmerného
prúdu, etalónové kondenzátory, vzduchové kondenzátory, etalóny induktancie,
kompenzátory

Vysokofrekvenčný elektrický prúd

Tepelné meniče, kalarimetre, bolometre

 

Veľké prúdy a vysoké napätie

Meracie transformátory prúdu a napätia,
referenčné zdroje napätia

DĹŽKA

 

Vlnové dĺžky a interferometria


Stabilizované lasery, interferometre,
interferometrické laserové systémy, interferometrické komparátory

 

 

 

 

Metrológia dĺžok (rozmerov)

Základné mierky, čiarové meradlá,
stupňové mierky, krúžkové kalibre, valcové kalibre, výškové mikrometre,
číselníkové odchylkometre, meracie mikroskopy, optické etalóny, súradnicové
meracie stroje, laserové snímacie mikrometre, hĺbkometre

 

Uhlové merania

Autokolimátory, otočné stoly, uhlové
mierky, polygóny, nivelačné prístroje

 

Odchýlky tvaru a povrchu

Priamosť, rovinnosť, rovnobežnosť,
štvorhrany, etalóny kruhovitosti, valcovité etalóny

 

Akosť povrchu

Stupňové, výškové a drážkové
etalóny, etalóny drsnosti povrchu, zariadenia na meranie drsnosti povrchu

 

ČAS

 

FREKVENCIA

 

Meranie času

Céziové atómové hodiny, zariadenie pre
meranie alebo generovanie časového intervalu

 

Frekvencia

Atómové hodiny, oscilátory, lasery,
elektronické čítače a syntetizátory

TERMOMETRIA

 

Kontaktné meranie teploty

Plynové teplomery, pevné body teplotnej
stupnice ITS 90, odporové teplomery, termočlánky

 

Bezdotykové meranie teploty

Vysokoteplotné čierne telesá, kryogénne
rádiometre, pyrometre, kremíkové fotodiódy

 

Vlhkosť

Zrkadlové meradlá rosného bodu alebo
elektronické hygrometre, kombinované tlakové/teplotné generátory vlhkosti

IONIZUJÚCE
ŽIARENIE a RADIOAKTIVITA

 

Absorbovaná dávka

Kalorimetre, kalibrované komory pre
vysoké dávkové príkony, dvojchromanové dozimetre (Frickeho)

Absorbovaná dávka- zdravotníctvo

Kalorimetre, Ionizačné komory

 

 

Radiačná ochrana

Ionizačné komory, referenčné zväzky
a póly, proporcionálne a iné čítače, TEPC- tkaninové ekvivalentné
proporcionálne čítače (Rossiho), Bonnerove neutrónové spektrometre

 

Rádioaktivita

Ionizačné komory, certifikované
rádioaktívne zdroje, spektroskopy gama a alfa, 4P detektory

 

RÁDIOMETRIA

 

 

FOTOMETRIA

 

Optická rádiometria

Kryogénne
rádiometre, detektory, stabilizované laserové referenčné zdroje, referenčné
materiály, vlákna Au

Fotometria

Detektory viditeľnej oblasti svetla,
kremíkové fotodiódy, detektory kvantovej účinnosti


 

Kolorimetria

Optické vlákna

Referenčné materiály- vlákna Au

 

PRIETOK

 

 

Prietok (množstvo) plynu

Zvonové skúšače, rotačné plynomery,
turbínové plynomery, podávacie merače s kritickými tryskami

Prietok vody (množstvo, hmotnosť
a energia)

Objemové etalóny, Coriolisové hmotnostné
etalóny, stavoznaky, indukčné prietokomery, ultrazvukové prietokomery

 

Prietok kvapalín mimo vody

Anemometria

Anemometry

 

 

AKUSTIKA,
ULTRAZVUK a VIBRÁCIE

 

Akustické meranie v plynnom médiu

Etalónové mikrofóny, pistonfony
(zvukomery), kondenzátorové mikrofóny, zvukové kalibrátory

 

Akcelerometria

Merače zrýchlenia, snímače sily,
vibrátory, laserové interferometre

Akustické meranie v kvapalinách

 

Hydrofóny

Ultrazvuk

Merače energie, akustického tlaku

LÁTKOVÉ
MNOŽSTVO

Chémia životného prostredia

 

Certifikované referenčné materiály

Klinická chémia

 

Chémia materiálov

Čisté materiály, certifikované
referenčné materiály

Chémia potravín

 

 

Certifikované referenčné materiály

Biochémia

Mikrobiológia

Meranie pH



2.1.2 Nadväznosť a kalibrácia


Nadväznosť

  Pojem nadväznosť znamená proces, ktorým sa údaj meracieho prístroja (alebo zhmotnenej miery) môže zodpovedajúcim spôsobom porovnať cez jednu, alebo viacero úrovní s národným etalónom pre túto meranú veličinu.
  Všetky merania ovplyvňujúce výsledky činnosti laboratórií (skúšobné a kalibračné laboratóriá a inšpekčné orgány) musia mať zabezpečenú nadväznosť na základné jednotky SI, ktoré sú v konečnom dôsledku realizované primárnymi etalónmi.
  Pre priemysel v Európe sa zabezpečuje nadväznosť na najvyššej medzinárodnej úrovni predovšetkým používaním akreditovaných európskych laboratórií a národných metrologických ústavov.


Kalibrácia

  Základným prostriedkom pri zabezpečovaní nadväznosti meraní je kalibrácia meradiel. Táto kalibrácia zahrňuje stanovenie metrologických charakteristík prístroja. Robí sa to pomocou priameho porovnávania s etalónmi. Vystavuje sa kalibračný certifikát a vo väčšine prípadov sa ústrižok pripevňuje na kalibračné meradlo. Na základe týchto informácií môže užívateľ určiť či je prístroj vhodný pre danú aplikáciu.



Existujú tri dôvody prečo treba kalibrovať prístroje:

  • Zabezpečiť aby údaje uvedené prístrojom boli porovnateľné s inými meraniami,
  • Stanoviť presnosť údajov uvedených prístrojom,
  • Zistiť spoľahlivosť prístroja, t.j. či je spoľahlivý.



Kalibráciou prístroja môžeme dosiahnuť tieto skutočnosti:

  • Výsledok kalibrácie umožní buď pričlenenie hodnoty meraných veličín k indikovaným hodnotám, alebo stanovenie korekcií voči indikovaným hodnotám,
  • Kalibrácia môže rovnako určiť ďalšie metrologické vlastnosti, ako je účinok ovplyvňujúcich veličín,
  • Výsledok kalibrácie možno zaznamenať v dokumente, ktorý sa nazýva kalibračný certifikát alebo správa o kalibrácii.



Obrázok 2.1: Reťazec nadväznosti (úrovne etalónov). Žltou farbou sú vyznačené prvky národnej metrologickej infraštruktúry.


  Na obrázku 2.1 sú uvedené rôzne úrovne etalónov. V tabuľke 2.1 v kapitole 2.1.1. sú uvedené metrologické oblasti, podoblasti a dôležité etalóny rôznej úrovne meraní. Žiadny systematický medzinárodný prehľad všetkých etalónov neexistuje. Definície jednotlivých etalónov sú uvedené v Slovníku, kapitola 8.



2.1.3 Etalóny

  Etalón je štandard, normál, miera, merací prístroj, meradlo, referenčný materiál či merací systém určený na definovanie, realizáciu, uchovanie či reprodukciu jednotky alebo viacero hodnôt určitej veličiny, ktorý má slúžiť ako referencia.
  Príklad: Meter je definovaný ako dĺžka dráhy, ktorú prejde svetlo v časovom intervale
1/299 792 458 sekundy. Meter je realizovaný na primárnej úrovni pomocou vlnovej dĺžky héliom- neónového jódom stabilizovaného laseru. Na nižších úrovniach sa používajú materiálne miery, ako sú základné mierky.  Nadväznosť je zabezpečená použitím optickej interferometrie k stanoveniu dĺžky základných mierok s nadväznosťou na vyššie uvedenú vlnovú dĺžku laserového svetla.



2.1.4 Certifikované referenčné materiály

  Certifikovaný referenčný materiál (CRM) je referenčný materiál, ktorého jedna alebo viacero vlastností je certifikovaná postupom, ktorý stanový nadväznosť na realizáciu jednotky, v ktorej je vyjadrená hodnota (certifikovanej) vlastnosti. Ku každej certifikovanej hodnote je priradená neistota na stanovenej úrovni pravdepodobnosti. V niektorých štátoch sa používa taktiež termín „štandardný referenčný materiál“(SRM), ktorý je synonymom k CRM.



2.1.5 Neistoty

  Neistota je kvantitatívnou mierou kvality výsledku meraní, umožňujúca porovnať výsledky meraní s inými výsledkami, referenciami, špecifikáciami, alebo etalónmi.
  Všetky merania sú zaťažené chybami, preto sa výsledok meraní líši od pravej hodnoty meranej veličiny. Väčšina zdrojov chýb meraní môže byť zistená pri vynaložení času a prostriedkov. Chyby meraní môžu byť kvantifikované a opravené, napríklad prostredníctvom kalibrácie. Avšak zriedka je k dispozícii čas a prostriedky na určenie chýb a kompletnú fixáciu.
  Neistota meraní môže byť stanovená rôznymi spôsobmi. Najviac využívanou a uznávanou metódou, uznávanou napríklad akreditačnými orgánmi, je odporučený postup „GUM“, popísaný v „Príručke na vyjadrenie meranej neistoty“ (GUM „Guide to the Expresson of Uncertainty in Measurement“).
Hlavné zásady tohto postupu:

Príklad: Výsledok merania sa uvádza v tvare
Y= y±U
Kde neistota U je uvedená s najviac dvoma platnými číslicami a y je odpovedajúcim spôsobom zaokrúhlené na rovnaký počet číslic, v tomto príklade na sedem číslic.

Odpor nameraný ohmetrom je 1,000 052 7 Ω, a ohmeter má podľa špecifikácie výrobcu neistotu 0,081 mΩ, vo výpočte sa potom uvedie:

R= (1,000 053±0,000 081) Ω
Koeficient rozšírenia k=2

Neistota uvedená s výsledkom merania je obvykle rozšírená neistota, ktorá je súčinom štandardnej neistoty merania a koeficientom rozšírenia k=2, čo pre normálne rozdelenie odpovedá pravdepodobnosti pokrytia približne 95%.

Základná filozofia GUM na vyjadrovanie neistoty:
  1. Meraná veličina X, jej hodnota nie je presne známa, je považovaná za náhodnú premennú s pravdepodobnosťou funkcie.
  2. Výsledok merania x je odhadom očakávanej hodnoty E(X).
  3. Štandardná neistota u(x) sa rovná druhej odmocnine odhadu odchýlky V(X)
  4. Stanovenie neistoty merania spôsobom A- výsledok a odchýlky sa stanovia štatistickým vyhodnotením sérií pozorovaní, opakovaných meraní.
  5. Stanovenie neistoty merania spôsobom B- predpokladaná hodnota a rozptyl sa určia inými postupmi. Najbežnejšie používanou metódou je odhad rozdelenia pravdepodobnosti, napr. rovnomerného rozdelenia, založeného na skúsenosti alebo iných informáciách.



Postup stanovenia neistoty podľa GUM založený na filozofii GUM

  1. Stanovenie všetkých dôležitých zložiek neistoty. K neistote merania môže prispieť niekoľko zdrojov. Na identifikáciu zdrojov je vhodné použiť model meracieho procesu. Uviesť meracie veličiny do matematického modelu.
  2. Výpočet štandardnej neistoty každej zložky neistoty merania. Každá zložka neistoty merania je vyjadrená štandardnou neistotou určenou stanoveným typom A alebo typom B.
  3. Výpočet kombinovanej neistoty. Princíp:
    Kombinovaná neistota kombinuje jednotlivé zložky neistoty podľa zákona šírenia neistoty.
    V praxi to znamená:
    Pre súčet alebo rozdiel zložiek sa kombinovaná neistota vypočíta ako druhá odmocnina súčtu druhých mocnín štandardných neistôt jednotlivých zložiek.
    Pre súčin alebo podiel zložiek sa kombinovaná neistota vypočíta ako druhá odmocnina súčtu druhých mocnín relatívnych štandardných neistôt jednotlivých zložiek (použije sa rovnaký postup ako pre súčet/rozdiel, len sa berú do úvahy relatívne neistoty).
  4. Výpočet rozšírenej neistoty. Vynásobenie kombinovanej neistoty koeficientom rozšírenia k.
  6. Vyjadrenie výsledku merania v tvare Y= y±U.



2.1.6 Skúšanie

  Skúšanie je určenie parametru výrobku, procesu alebo služby podľa určitých postupov, metód alebo požiadaviek. Cieľom skúšania je overiť, či výrobok spĺňa špecifikácie, ako sú bezpečnostné požiadavky alebo parametre dôležité pre obchod. Skúšanie sa vykonáva vo veľkom rozsahu, obsahuje veľa oblastí, prebieha na rôznych úrovniach a s rôznymi požiadavkami na presnosť. Skúšky vykonávajú laboratóriá prvej, druhej, alebo tretej strany. Prvú stranu predstavuje laboratórium výrobcu, druhú laboratórium zákazníka a tretia strana nie je závislá ani na výrobcovi ani na zákazníkovi.
  Metrológia poskytuje základ pre porovnateľnosť výsledku skúšok, napr. definovaním jednotiek merania a zabezpečovanie metrologickej nadväznosti s deklarovanou neistotou výsledku merania.
  • prečítané 7038x