Metrologie hmotnosti



Podobné dokumenty
Metrologie v geodézii (154MEGE) Ing. Lenka Línková, Ph.D. Katedra speciální geodézie B

Vyšší odborná škola, Obchodní akademie a Střední odborná škola EKONOM, o. p. s. Litoměřice, Palackého 730/1

264/2000 Sb. VYHLÁŠKA. Ministerstva průmyslu a obchodu. ze dne 14. července 2000,

Jméno autora: Mgr. Zdeněk Chalupský Datum vytvoření: Číslo DUM: VY_32_INOVACE_06_FY_A

Laboratorní práce č. 4: Určení hustoty látek

13. Další měřicí přístroje, etalony elektrických veličin.

13 otázek za 1 bod = 13 bodů Jméno a příjmení:

Úloha 1: Vypočtěte hustotu uhlíku (diamant), křemíku, germania a α-sn (šedý cín) z mřížkové konstanty a hmotnosti jednoho atomu.

Charakterizují kvantitativně vlastnosti předmětů a jevů.

METROLOGIE V CHEMII DAVID MILDE, Metrologie = věda o měření a jeho aplikaci

Hydrochemie koncentrace látek (výpočty)

Soustavy měr. Geodézie Přednáška

OBECNÁ CHEMIE. Kurz chemie pro fyziky MFF-UK přednášející: Jaroslav Burda, KChFO.

Relativistické jevy při synchronizaci nové generace atomových hodin. Jan Geršl Český metrologický institut

Měření délek. Přímé a nepřímé měření délek

Geodézie. přednáška 1. Soustavy měr. Ústav geoinformačních technologií Lesnická a dřevařská fakulta ugt.mendelu.cz tel.:

MOMENT SETRVAČNOSTI 2009 Tomáš BOROVIČKA B.11

ACH/ZCHM METROLOGIE V CHEMII DAVID MILDE, METROLOGIE = věda o měření a jeho aplikaci

c) vysvětlení jednotlivých veličin ve vztahu pro okamžitou výchylku, jejich jednotky

4. Stanovení teplotního součinitele odporu kovů

Mol. fyz. a termodynamika

CW01 - Teorie měření a regulace

Stanovení hustoty pevných a kapalných látek

Soustava vznikla v roce 1960 ze soustavy metr-kilogram-sekunda (MKS).

4. Kolmou tlakovou sílu působící v kapalině na libovolně orientovanou plochu S vyjádříme jako

Molekulová fyzika a termika. Přehled základních pojmů

TEMATICKÁ PŘÍLOHA č. 4/2011 VĚDECKÁ LEGÁLNÍ PRAKTICKÁ. Cs ν fsf TPW. k B K. A cd. mol. K cd N A

Primární etalon pro měření vysokého a velmi vysokého vakua

FYZIKA MIKROSVĚTA. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Fyzika mikrosvěta - 3. ročník

Pomůcky, které poskytuje sbírka fyziky, a audiovizuální technika v učebně fyziky, interaktivní tabule a i-učebnice

Historie SI. SI Mezinárodní soustava jednotek - Systéme International d Unités

Josephsonovy čipy. 10 V čipy mají kolem J. přechodů.

3.3 Částicová stavba látky

plochy oddělí. Dále určete vzdálenost d mezi místem jeho dopadu na

PŘEVODY JEDNOTEK. jednotky " 1. základní

Redefinice soustavy jednotek SI. Martin Hudlička Český metrologický institut Odd. primární metrologie vf elektrických veličin

Tabulka 1. SI - základní jednotky

Praktikum I Mechanika a molekulová fyzika

CHEMICKÉ VÝPOČTY I. ČÁST LÁTKOVÉ MNOŽSTVÍ. HMOTNOSTI ATOMŮ A MOLEKUL.

Název testu: /01 Test na učebně prez. Fyzika LS 10/11

Fyzikální veličiny a jednotky, přímá a nepřímá metoda měření

Katedra textilních materiálů ENÍ TEXTILIÍ PŘEDNÁŠKA 5

STANOVENÍ PROPUSTNOSTI OBALOVÝCH MATERIÁLŮ PRO VODNÍ PÁRU

Pomůcky, které poskytuje sbírka fyziky, a audiovizuální technika v učebně fyziky, interaktivní tabule

1. Látkové soustavy, složení soustav

Vakuová fyzika 1 1 / 40

Fyzika je přírodní věda, která zkoumá a popisuje zákonitosti přírodních jevů.

Archimédův zákon, vztlaková síla

Látkové množství. 6, atomů C. Přípravný kurz Chemie 07. n = N. Doporučená literatura. Látkové množství n. Avogadrova konstanta N A

Molekulová fyzika a termika:

CW01 - Teorie měření a regulace

Hydrochemie koncentrace látek (výpočty)

Výukový materiál zpracován v rámci projektu EU peníze školám

Příklad 3 (25 bodů) Jakou rychlost musí mít difrakčním úhlu 120? -částice, abychom pozorovali difrakční maximum od rovin d hkl = 0,82 Å na

( ) C ( ) C ( ) C

505/1990 Sb. ZÁKON. ze dne 16. listopadu o metrologii. Federální shromáždění České a Slovenské federativní Republiky se usneslo na tomto zákoně:

3.1. Newtonovy zákony jsou základní zákony klasické (Newtonovy) mechaniky

NÁVAZNOST EL. VELIČIN OD PRIMÁRNÍCH ETALONŮ K DMM A KALIBRÁTORŮM

Jak velký je atom? Počet atomů v m : N = Objem jednoho atomu V=1/N. Velikost atomu: a= V

Střední od 1Ω do 10 6 Ω Velké od 10 6 Ω do Ω

KAPALINY. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Sekunda

1. Měřením na rotačním viskozimetru zjistěte, zda jsou kapaliny připravené pro

Přesné určení parametrů nejvyššího řádu sekundárních etalonů hmotnosti

Experimentální metody EVF I.: Vysokovakuová čerpací jednotka

Laboratorní úloha č. 5 Faradayovy zákony, tíhové zrychlení

Číslo šablony III/2 Číslo materiálu VY_32_INOVACE_F.5.15 Autor Mgr. Jiří Neuman Vytvořeno

Laboratorní práce č. 1: Přibližné určení průměru molekuly kyseliny olejové

FYZIKA 6. ročník 2. část

Základní chemické výpočty I

Základem molekulové fyziky je kinetická teorie látek. Vychází ze tří pouček:

FYZIKA 6. ročník 2. část

Soustava SI FYZIKÁLNÍ VELIČINY A JEDNOTKY

ZÁKLADNÍ ŠKOLA KOLÍN II., KMOCHOVA 943 škola s rozšířenou výukou matematiky a přírodovědných předmětů

Kalibrace odporového teploměru a termočlánku

VÝPO C TY. Tomáš Kuc era & Karel Kotaška

Jaký obraz vytvoří rovinné zrcadlo? Zdánlivý, vzpřímený, stejně velký. Jaký obraz vytvoří vypuklé zrcadlo? Zdánlivý, vzpřímený, zmenšený

soustava jednotek SI, základní, odvozené, vedlejší a doplňkové jednotky, násobky a díly jednotek, skalární a vektorové veličiny

metoda je základem fenomenologické vědy termodynamiky, statistická metoda je základem kinetické teorie plynů, na níž si princip této metody ukážeme.

Příklad 5.3. v 1. u 1 u 2. v 2

MĚŘENÍ FYZIKÁLNÍCH VELIČIN. m = 15 kg. Porovnávání a měření. Soustava SI (zkratka z francouzského Le Système International d'unités)

1. Určete závislost povrchového napětí σ na objemové koncentraci c roztoku etylalkoholu ve vodě odtrhávací metodou.

KERN YDB-03 Verze /2014 CZ

Stavba slovníku VIM 3: Zásady terminologické práce

ANALÝZA NEJISTOTY TLAKU DEFINOVANÉHO PÍSTOVÝMI TLAKOMĚRY PG7102 A PG7601

Testové otázky za 2 body

Fyzika - Sexta, 2. ročník

2.2.3 Základní rovnoběžné měrky

Jak zapisujeme hustotu látky

9. MĚŘENÍ SÍLY TENZOMETRICKÝM MŮSTKEM

Teorie: Hustota tělesa

5b MĚŘENÍ VISKOZITY KAPALIN POMOCÍ PADAJÍCÍ KULIČKY

Základy vakuové techniky

Automatická detekce anomálií při geofyzikálním průzkumu. Lenka Kosková Třísková NTI TUL Doktorandský seminář,

T- MaR. Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb. Teorie měření a regulace. Podmínky názvy. 1.c-pod. ZS 2015/ Ing. Václav Rada, CSc.

MECHANIKA HYDROSTATIKA A AEROSTATIKA Implementace ŠVP

Fyzika IV. -ezv -e(z-zv) kov: valenční elektrony vodivostní elektrony. Elektronová struktura pevných látek model volných elektronů

VYSOKONAPĚŤOVÉ ZKUŠEBNICTVÍ. #2 Nejistoty měření

Fyzika kapalin. Hydrostatický tlak. ρ. (6.1) Kapaliny zachovávají stálý objem, nemají stálý tvar, jsou velmi málo stlačitelné.

Transkript:

Metrologie hmotnosti Mgr. Jaroslav Zůda Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 1

Obsah Historie hmotnosti Primární metrologie v ČR Budoucnost hmotnosti Měření hmotnosti Přenos jednotky hmotnosti na díly a násobky 2

Historie hmotnosti - starověk Patří mezi vůbec první veličiny, které se člověk pokoušel změřit První etalony v Egyptě a na Středním východě V oblasti hmotnosti používané velká hmotnost a malá hmotnost Veličina pro hmotnost byla též veličinou pro objem Kvůli nepřesné návaznosti mohly panovat rozdíly mezi městy 3

Historie hmotnosti - Francie Nový systém měr a vah založen 1793 Definice hmotnosti přes definici délky Etalon odpovídal hmotnosti 1 dm 3 vody za daných podmínek Vyroben archivní prototyp Potenciální potíže při zpřesnění měření vedly k definici hmotnosti přes archivní prototyp 4

Historie hmotnosti Metrický systém 1869 svolání mezinárodní konference Výběr kovu pro výrobu etalonů nakonec slitina 90 % platiny a 10 % iridia Stálost, stejnorodost, tvrdost, dobrý lesk Rozdíl mezi skutečnou hodnotou a teorií Jako základ se vzala hmotnost archivního prototypu Etalon ve tvarů válce s výškou rovnou průměru podstavy 5

Historie hmotnosti metrický systém Výroba slitiny Společnost Johnson, Matthey a spol. Přes 30 taveb Poslední tavba 13. 5. 1874, celkově 250 kg 1883 jeden ze tří kusů vybrán jako mezinárodní prototyp 1899 již vyrobeno 43 prototypů, 6 v BIPM jako pracovní etalony, ostatní jako národní etalony signatářům metrické konvence 6

Historie hmotnosti metrický systém 1889 definitivně schválen mezinárodní prototyp kilogramu 1903 jednotka hmotnosti definována pomocí mezinárodního prototypu kilogramu 1928 1974 vyrobeno dalších 23 etalonů 1992 ukončení posledního porovnání mezinárodního prototypu a oficiálních kopií 7

Historie hmotnosti - Československo 1928 Československá republika získává prototyp č. 41 1968 státní etalon převezen z Prahy do Bratislavy na pracoviště hmotnosti ČSMÚ 1981 ČSSR získává další prototyp, č. 65 1993 rozdělení Československa, vznik ČMI Oba prototypy zůstaly v Bratislavě na základě územního principu 8

Historie hmotnosti Česká republika 1994 vybudována laboratoř hmotnosti v Brně 1995 návaznost etalonů pro ČR na Švýcarsko 1999 v dubnu přivezen PtIr prototyp č. 67 2000 prototyp č. 67 oficiálně vyhlášen státním etalonem hmotnosti Hmotnost 1 kg + 0,165 mg 2010 pravidelná kalibrace v BIPM Hmotnost 1 kg + 0,188 mg 9

Budoucnost hmotnosti historické důvody 1988 1992 třetí verifikace prototypů hmotnosti Porovnání mezinárodního prototypu, oficiálních kopií a několika státních etalonů Vzrůst hodnoty hmotnosti o přibližně 50 mg 10

Budoucnost hmotnosti - požadavky Obecný směr v SI definice přes konstantu Délka rychlost světla Čas přechod mezi dvěma hladinami v atomu Cesia Možnosti pro další veličiny Elektrický proud elektrický náboj Teplota Boltzmannova konstanta Hmotnost Planckova nebo Avogadrova konstanta 11

Budoucnost hmotnosti projekt Avogadro Vztah jednotky hmotnosti a Avogadrovy konstanty Již z definice Avogadrovy konstanty Počet atomů ve 12 g čistého 12 C Pro praxi zvolen křemík Relativně snadná výroba Monokrystal velkých rozměrů 12

Budoucnost hmotnosti projekt Avogadro Vztah pro výpočet hmotnosti M = M SiVn N A a 3 M si molární hmotnost křemíku V objem objektu n počet atomů v jedné buňce krystalu a mřížkový parametr N A Avogadrova konstanta 13

Budoucnost hmotnosti projekt Avogadro Poměrně jednoduchá rovnice Molární hmotnost Nutné přesně určit složení Nebo dokonale čistý křemík Objem Velmi přesné koule Průměr 93,6 mm, drsnost 50 nm Nejlepší výsledek N A = 6,02214082(18) 10 23 mol -1 Relativní nejistota 3 10-8, požadavek 2 10-8 14

Budoucnost hmotnosti Výkonové váhy Porovnání tíhové a elektromagnetické síly Statická část Jen měření hmotnosti 15

Budoucnost hmotnosti Výkonové váhy Dynamická část Probíhá bez závaží 16

Budoucnost hmotnosti Výkonové váhy Po srovnání vztahů UI = mgv Odtud název Výkonové váhy (Watt balance) Planckova konstanta ukryta v napětí a proudu Úplný vztah m = h K 2 4gv J 90 R K 90 UI 17

Budoucnost hmotnosti Výkonové váhy Měření napětí a odporu Kvantový Hallův a Josephsonův jev Viz dřívější přednáška Tíhové zrychlení Absolutní gravimetr Rychlost Měření zrychlení volného pádu, opravy na slapové jevy apod. Měření délky a času 18

Budoucnost hmotnosti Výkonové váhy Aktuální stav NIST (USA) prozatím nejlepší realizace s relativní nejistotou 3,6 10-8 19

Budoucnost hmotnosti Výkonové váhy Aktuální stav NPL (Velká Británie) publikace relativní nejistoty 1,7 10-7 Experiment ukončen a přestěhován do Kanady 20

Budoucnost hmotnosti Výkonové váhy Aktuální stav BIPM aktuální relativní nejistota 5 10-6 Dynamická část probíhá se závažím 21

Budoucnost hmotnosti - důsledky CGPM 2011 nová definice jednotky hmotnosti bude na základě Planckovy konstanty Základní požadavky před zavedením nové definice Nesmí zůstat nevyřešené rozdíly mezi různými experimenty Relativní nejistota nejlepšího měření je 2 10-8 Alespoň tři další experimenty vykazují relativní nejistotu nanejvýš 5 10-8 22

Budoucnost hmotnosti důsledky Současný stav Nejistota v µg Po zavedení nové definice Případ 1 Případ 2 Případ 3 Nejistota v µg Nejistota v µg Nejistota v µg 0 Nejlepší realizace jednotky 20 30 50 6 Oficiální kopie BIPM 30 42 71 6 Pracovní etalony BIPM 30 43 71 6 Státní etalony 30 43 71 14 Referenční etalony 32 43 71 25 Pracovní etalony 44 53 77 83 Zákaznická závaží 83 85 100 23

Měření hmotnosti - základy Přímé měření hmotnosti Kouknu se na ukazatel a vidím Porovnání hmotnosti se známým závažím Hmotnost se spočítá z naměřeného rozdílu Přesnější než přímá metoda Měření probíhá na speciálních vahách komparátorech 24

Měření hmotnosti - základy Metoda porovnání závaží m = m T m R Index R označuje etalon referenci Index T označuje neznámé testované závaží Není započtena vztlaková síla Ve skutečnosti tedy m = m T ρ a V T m R ρ a V R ρ hustota a - vzduch 25

Měření hmotnosti vakuová a konvenční hmotnost Vakuová hmotnost Hmotnost tělesa ve vakuu, tedy bez vztlakové síly Tedy též skutečná hmotnost Konvenční hmotnost Udává se jako výsledek kalibrace závaží Skutečná hmotnost redukovaná na určité podmínky ρ a = 1,2 kg/m 3 T a = 20 C ρ R = 8000 kg/m 3 26

Měření hmotnosti - vakuová a konvenční hmotnost Převod mezi vakuovou a konvenční hmotností m CT = m T(ρ T 1,2) 0,99985ρ T Konvenční hmotnost se pak již téměř neliší od skutečného měření ve vzduchu Podmínka hustota vzduchu se neliší o více než 10 % Splněno dobře až do nadmořské výšky zhruba 1000 m Výhodná při běžných kalibracích, při velmi přesných měřeních již ne 27

Měření hmotnosti hustota prostředí Hustota prostředí Jeden z parametrů pro výpočet hmotnosti Určí se z rovnice ρ a = 0,34848p 0,009h rexp 0,061t 273,15+t Srovnáním s jiným prostředím Přímým měřením - hustota vzduchu 28

Měření hmotnosti hustota prostředí Přímé měření Mějme dvě závaží o stejné hmotnosti, ale různém objemu ρ a = m v m a V Lze využít pro měření hustoty libovolného prostředí 29

Měření hmotnosti hustota závaží Hustota závaží Lze odhadnout velmi nepřesné Přímé určení Ve vztahu pro výpočet hmotnosti jsou dvě neznámé Hmotnost závaží Hustota závaží Je tedy potřeba další měření Například v jiném prostředí 30

Měření hmotnosti hustota závaží Dvě rovnice o dvou neznámých Obě rovnice popisují měření hmotnosti v různých prostředích Výsledný vztah ρ T = ρ m CR ρ R ρ2 ρ1 2Δm 1 ρ 1 Δm 2 + ρ R 1,2 Δm 1 Δm 2 + m C R ρ2 ρ1 ρ R 1,2 Lze obecně využít pro kombinaci dvou libovolných prostředí o různých hustotách 31

Měření hmotnosti měření ve vakuu Výhody Měření skutečné hmotnosti Absence vnějších rušivých vlivů změny teploty apod. Velmi přesné měření typická opakovatelnost 300 ng Nevýhody Složitý a poměrně drahý přístroj Změny na povrchu závaží 32

Měření hmotnosti povrch závaží Povrchové jevy Adsorpce, desorpce atd. Nejčastěji vodní páry Způsobují znatelnou změnu hmotnosti Gravimetrická kompenzace Měření změny hmotnosti na jednotku povrchu Analýza povrchových jevů Optické metody TDS atd. 33

Měření hmotnosti povrch závaží Přímé měření povrchových změn Uvažujme dvě závaží o stejné hmotnosti a objemu, ale různém povrchu Jedno měření ve vzduchu Jedno měření ve vakuu Příklad pro závaží z mosazi ΔS = 150 cm 2 Celková změna 0,0002 mg/cm 2 34

Měření hmotnosti povrch závaží 35

Přenos jednotky hmotnosti Návaznost primárních pracovních etalonů na státní etalon Státní etalon slitina platiny a iridia Pracovní etalony nerezová ocel Kalibrace probíhá ve vzduchu Nutné počítat s konvenčními hodnotami hmotnosti Podmínky prostředí musí být dostatečně stálé po celou dobu měření 36

Přenos jednotky hmotnosti Typické složení sady závaží Dekády (1; 2; 2; 5) nebo (1; 1; 2; 2; 5; 5) Rozsah 1 mg 10 kg Lze porovnat závaží 1 kg a 500 g + 500 g Poté obě závaží 500 g mezi sebou Získá se tak hmotnost obou 500g závaží Analogicky lze postupovat dále 37

Přenos jednotky hmotnosti Specifické podmínky nemusí umožnit snadnou kalibraci Typicky prostorové omezení Například nelze umístit více než 3 závaží na jednu pozici Je nutné využít jiná speciální závaží Využije se pak předeterminovaných systémů Řeší se metodou nejmenších čtverců 38

Přenos jednotky hmotnosti θ = (A T U W 1 A) 1 A T U W 1 W, Matice A plán měření, obsahuje tedy jen 0, +1, -1 Matice U W kovariační matice Vektor W vektor obsahující výsledky měření společně s hodnotou použitého etalonu Každá dekáda se kalibruje zvlášť Jako etalon slouží nejmenší závaží z nejbližší vyšší dekády Např. pro dekádu 10 g 50 g je etalon 100 g 39

Přenos jednotky hmotnosti Typická dekáda obsahuje 12 16 měření Pokud je nutné zavést jiná závaží, počet měření se zvýší Měření je časově velmi náročné Kalibrace celé sady 1 mg 10 kg může trvat až 3 měsíce Lze urychlit s použitím speciálních robotických komparátorů 40

Děkuji za pozornost! 41