Otázky správnosti měření v praxi I: Úvod, etalonáž

číslo 12/2006

Otázky správnosti měření v praxi I: Úvod, etalonáž

Seriál článků se zabývá konkrétními otázkami etalonáže, způsoby zajištění správnosti měření, tj. kalibrací, ověřováním, kontrolním měřením, metrologickou konfirmací, mezilaboratorním porovnáváním a řízením procesů měření. Také se věnuje interpretaci a vyjadřování výsledků měření. Značná pozornost je věnována některým otázkám konfuze v používání jednotek mimo mezinárodní soustavu SI při vyjadřování kvantitativních údajů.
První díl obsahuje především legislativní základ metrologie a etalonáže.

1. Úvod

Zákon č. 505/1900 Sb, o metrologii [5], a s ním související předpisy, v jejich současně platném znění, ukládají určitým fyzickým a právnickým podnikajícím osobám i orgánům státní správy práva a povinnosti k zajištění jednotnosti a správnosti měřidel a měření. V § 11 odst. 6 zákona je ukládána podobná povinnost také uživatelům měřidel: „Jednotnost a správnost pracovních etalonů a pracovních měřidel zajišťuje v potřebném rozsahu jejich uživatel kalibrací, nejsou-li pro dané měřidlo vhodnější jiný způsob či metoda.„

Správnost měřicího přístroje (freedom from bias) je jeho schopnost poskytovat indikace bez systematické chyby. To je definice podle ČSN 01 0115 [1]: Mezinárodní slovník základních a všeobecných termínů v metrologii.

Správnost měřidel a měření specifikuje soubor všech vlastností měřidel, zabezpečujících jejich požadované metrologické parametry, a současně vyjadřuje míru shody mezi výsledkem měření a skutečnou hodnotou měřené veličiny. Tak to bylo podle vyhlášky Federálního úřadu pro normalizaci a měření č. 69/1991 Sb., § 30, odst. 1 [6]. Dnes je tato vyhláška již nahrazena novou vyhláškou ministerstva průmyslu a obchodu č. 262/2000, ve které ale pojem správnosti není definován.

Správnost (trueness) je těsnost shody mezi průměrnou hodnotou získanou z množství výsledků zkoušek a přijatou referenční hodnotou (podle ČSN ISO 5725-1: Přesnost (správnost a shodnost) metod a výsledků měření – Část 1: Obecné zásady a definice [7]).

Obr. 1.

Obr. 1. Vytváření metrologického systému je důležité pro rozvoj průmyslu: na snímku je výroba koncových měrek v americké Bureau of Standards (dnes NIST) v roce 1919; do té doby byly měrky do USA dováženy z Evropy (foto ze sbírky NIST)

Pojem správnosti se stejným významem se vyskytuje např. i v terminologii analytické chemie.

Přestože je pojem správnosti v různých předpisech pro rozličné účely různě definován a různým způsobem vymezen, vždy se týká odchylky údaje (nebo jeho průměrné hodnoty) od pravé hodnoty, tedy systematické chyby. Systematickou chybu měřidel a měření není možné postihnout a potlačit opakovaným měřením.

Tento seriál se zabývá způsoby, jak zajistit správnost měřidel a měření, způsoby vyjádření a interpretací výsledku měření a některými problémy s nekompatibilitou jednotek při vyjadřování kvantitativních údajů měření.

2. Etalonáž

Pro zajištění správnosti měření se na úrovni každého státu tvoří určitá infrastruktura metrologie, dnes nazývaná Národní metrologický systém (NMS). Tento systém se u nás buduje na základě usnesení vlády a zahrnuje legislativně vymezenou součinnost mnoha subjektů pro zavedení metrologického pořádku v zemi, alespoň na úrovni srovnatelné s jinými státy EU.

Jedním z mnoha důsledků této organizační činnosti je vytvoření cest pro zajištění návaznosti od definic jednotek, popř. od mezinárodních etalonů, přes laboratoře státních (primárních) etalonů, sekundární laboratoře a autorizovaná metrologická střediska až k uživatelům měřidel. Proto se buduje etalonáž, tedy tvorba a využívání etalonů pro zajištění správnosti měření.

Etalon může být ztělesněná míra, měřicí přístroj, referenční materiál nebo měřicí systém, které jsou určeny k definování, realizování, uchovávání nebo reprodukování jednotky nebo jedné či několika hodnot veličiny k použití pro referenční účely. Primární etalon je určen nebo uznáván jako etalon nejvyšší metrologické kvality a jeho hodnota je akceptována bez navázání na jiné etalony pro tutéž veličinu. Primární etalony různých zemí se mezi sebou porovnávají. Výjimku tvoří veličiny hmotnost a čas, které navazují na mezinárodní etalony, a to buď skutečně (v případě kilogramu), nebo jen virtuálně (v případě sekundy). U sekundárního etalonu je jeho hodnota stanovena porovnáním s primárním etalonem pro tutéž veličinu.

Již od počátku Metrické konvence byly snahy navázat definice jednotek na přírodní konstanty, které byly považovány za neproměnné. Tyto pozitivní snahy byly v minulosti omezeny úrovní poznání. Teprve v posledních padesáti letech dospěly věda a technika do stavu, kdy kombinovaným úsilím s využitím mechaniky, optiky, elektroniky, výpočetní techniky a atomové fyziky byly vytvořeny některé etalony na kvantovém principu. Tím se reprodukovatelnost realizace jejich hodnot podstatně zlepšila, což nejenom podnítilo rozvoj měřicí techniky, ale přineslo i možnosti použití této techniky přímo ve výrobě.

Na kvantovém principu je založen současný etalon času. Využívá se cesiový svazkový etalon, který definuje sekundu jako časový interval s relativní nejistotou 10–12, s možností dalšího zlepšování. Tím je zajištěna možnost synchronizace přenosu dat (důležitá např. u mobilních telefonů), ale také bankovních operací, dále navigace dopravních prostředků i kosmické techniky. Převrácená hodnota časového intervalu je kmitočet, jehož přesná definice zajišťuje kvalitu procesů sdílení dat, měření a řízení. V naší zemi se využívá skupinový etalon času tvořený čtyřmi cesiovými etalony. Ve světě pracuje přes šedesát laboratoří času s několika stovkami cesiových etalonů. Z jejich údajů vytváří Mezinárodní úřad pro váhy a míry v Paříži (BIPM – Bureau International des Poids et Mesures) virtuální mezinárodní atomový čas TAI (Temps Atomique International).

Další veličinou, jejíž etalonáž je založena na kvantovém principu, je délka. Od roku 1975 je rychlost světla ve vakuu z definice konstantní. Pomocí vlnových délek osmi vybraných laserů se definuje jednotka délky metr, přičemž se využívá známá rychlost světla, znalost kmitočtu a matematický vztah mezi nimi. I v naší zemi je rozvinuta tato etalonáž délky. Tím se umožňuje přesné měření délek a přesná výroba (výrobky v úzkých tolerancích). Platí známá poučka: „Vyrábět můžeme jen tak přesně, jak přesně dovedeme měřit.„ Relativní nejistota jednotky délky je řádu 10–11.

Další veličinou, jejíž etalon je realizován na kvantovém principu, je etalon stejnosměrného elektrického napětí. Ten je založen na inverzním střídavém Josephsonově jevu. Na určitých geometrických strukturách supravodičů, oddělených určitou vrstvou izolantu, dochází za velmi nízkých teplot k tunelovému jevu. Působením mikrovlnného záření určitého kmitočtu vzniká na každém tunelovém přechodu definovaná hodnota napětí, které je vázáno na určité fyzikální konstanty. Vzniká ideální převodník kmitočet-napětí. Sériovým spojením tisíců přechodů se vytváří kvantový etalon napětí. Tím se umožňuje přesnější měření stejnosměrných i střídavých napětí a vlastně všech veličin, které se pomocí převodníků převádějí na napětí. Z hlediska přenosu na dálku, registrace, vyhodnocení, řízení a využití počítačů má elektrický signál v měřicí technice dominantní postavení. I u nás již máme kvantový etalon napětí na uvedeném principu, ovšem jde o nové zařízení a do vyhlášení státního etalonu bude třeba vykonat mnoho laboratorní práce, včetně mezinárodních porovnání.

Poslední kvantový etalon (slovo poslední je ovšem značně časově podmíněno) je etalon elektrického odporu. Je založen na von Klitzingově jevu, což je kvantový Hallův jev. Na tenkovrstvých polovodičových strukturách při teplotách tekutého helia a vysokých hodnotách magnetické indukce dochází k supravodivosti, tedy k nulovému podélnému napětí (a tím i odporu), zatímco příčné, Hallovo napětí je kvantováno, a příčný elektrický odpor (Hallův odpor) tedy nabývá jen určitých, kvantovaných hodnot, vázaných na fundamentální fyzikální konstanty. Také u nás se již pracuje s tímto primárním etalonem. Prostřednictvím etalonů napětí a odporu bude možné zvýšit správnost měření elektrického proudu. Je třeba připomenout, že poslední principy kvantových etalonů jsou založeny na nejnovějších poznatcích vědy, odměňovaných Nobelovými cenami.

Na kvantovém etalonu elektrického proudu se ve světových laboratořích již pracuje. Zařízení nese pracovní název elektronový turniket. Pomocí jednoelektronových tranzistorů, tedy tranzistorů propouštějících jen jediný elektron, lze vytvořit turniket, který bude dávkovat v závislosti na budicím kmitočtu jednotlivé elektrony, čímž vytvoří přesně definovaný etalon elektrického proudu.

Uvedené fyzikální principy kvantových etalonů stojí na vrcholku schémat návaznosti těchto i příbuzných fyzikálních a technických veličin. Jejich vlastnosti podstatně ovlivňují, přes schémata návaznosti, vlastnosti sekundárních etalonů a v konečné fázi správnost měřicích přístrojů a měření.

Literatura:
[1] ČSN 01 0115: Mezinárodní slovník základních a všeobecných termínů v metrologii. Český normalizační institut, Praha, 1996, 44 s.
[2] ČSN P ENV 13005: Směrnice pro vyjádření nejistot měření. Návrh normy. Český normalizační institut, Praha, 2005, 159 s.
[3] EA-4/02: Expression of the Uncertainty of Measurement in Calibration. Publication Reference, European co-operation for Accreditation, 1999, 79 s.
[4] Guide to The Expression of Uncertainty in Measurement. BIPM, 1995.
[5] Zákon č. 505/1990 Sb. ze dne 16. 11. 1990, o metrologii. Sbírka zákonů ČSFR, 1990, částka 83, 1882–1888.
[6] Vyhláška FÚNM 69/1991, kterou se provádí zákon o metrologii (zrušeno 262/2000).
[7] ČSN ISO 5725-1: Přesnost (správnost a shodnost) metod a výsledků měření – Část 1: Obecné zásady a definice. Český normalizační institut, Praha, 1997.

Internetové odkazy:
Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví: http://www.unmz.cz
Český metrologický institut: http://www.cmi.cz
Bureau international des poids et mesures: http://www.bipm.org
International Council for Science: Committee on Data for Science and Technology: http://www.codata.org
BIPM key comparison database: http://www.bipm.org/kcdb/

Ing. Jiří Macháč, CSc.,
ústav fyziky a měřicí techniky VŠCHT v Praze
(jiri.machac@vscht.cz),
doc. Ing. Bohumil Jakeš, CSc.,
ústav počítačové a řídicí techniky VŠCHT v Praze
(bohumil.jakes@vscht.cz)