SI-Mittayksikkö: Massa ja paine

Artikkelit
VTT
Decorative image

Tämä artikkeli on osa sarjaa, jossa kerrotaan SI-yksiköistä, niiden toteuttamisesta Suomessa ja niihin liittyvistä palveluistamme. Tämä osa käsittelee massaa ja painetta.

Massan SI-yksikkö: kilogramma (kg)​

Kilogramma on yhtä suuri kuin kansainvälisen kilogramman prototyypin massa.

Kilogramman kansainvälinen prototyyppi on iridiumin ja platinan seoksesta tehty sylinteri, jonka korkeus ja läpimitta ovat 39 millimetriä. Prototyyppiä säilytetään avulla, jota säilytetään Sèvresissä, Ranskassa lähellä Pariisia.

Toteutus

Suomella on oma platina-iridium prototyyppi (BIPM:stä vuonna 1890 saatu kopio n:ro 23), joka on massan kansallinen mittanormaali. Prototyyppiä säilytetään MIKESissä ja sitä verrataan BIPM:ssä Pariisissa oleviin prototyypin kopioihin. Vertailut on tehty vuosina 1889, 1948, 1985, 1990 ja 2001. Viimeisessä vertailussa Suomen prototyypin massa oli 1 kg + 0,247 mg. Muutos edelliseen vertailuun oli 0,054 mg. Prototyypin massa kasvaa ilman epäpuhtauksien vaikutuksesta jatkuvasti. Suurin osa muutoksesta voidaan yleensä poistaa puhdistamalla prototyyppi. Suomessa puhdistaminen ei toistaiseksi ole mahdollista. Prototyypin massan standardiepävarmuus on tällä hetkellä (2010) noin 0,022mg.

Massan yksikkö kilogramma voidaan realisoida ainoastaan Kansainvälisessä painojen ja mittojen toimistossa, BIPM:ssä. Tämän takia jäljitettävyys mittauksin katkeamattomana ketjuna yksikön määritelmästä kalibroituun punnukseen vaatii lukuisia vertailuja, jotka edellyttävät mittaukseen liittyvien yksityiskohtien, kuten punnusten ominaisuuksien ja punnitusolosuhteiden tuntemusta. Lisäksi tarkkojen vertailujen edellytyksenä ovat korkealaatuiset vaa'at.MIKESin massalaboratorio (puhdastila)

Punnitustuloksiin vaikuttavat punnuksen massan lisäksi myös muut seikat, kuten punnuksen muoto, tiheys, magneettiset ja sähköiset ominaisuudet, pinnankarheus sekä lämpötila. Lisäksi punnitustulokseen vaikuttavat ilman parametrit, kuten lämpötila, kosteus, paine ja hiilidioksidipitoisuus.    Tarkoissa punnituksissa nämä parametrit joudutaan mittaamaan. Ilman lämpötila ja kosteus (20 °C, 50 %RH) pidetään tarkoissa rajoissa säädön avulla. Lisäksi seuraavat seikat pyritään mahdollisuuksien mukaan minimoimaan: ilman kemialliset ja mekaaniset epäpuhtaudet, tärinä, ilmavirtaukset, lämpötilagradientit, staattinen sähkö ja ulkoiset magneettikentät.

Nykyiset MIKESin laboratoriotilat valmistuivat vuonna 2005. Punnituksiin vaikuttavien häiriötekijöiden minimoimiseksi laboratorion rakenteille, ilmastoinnille, tärinäeristykselle ja puhtaudelle on asetettu erityisvaatimuksia.

Paineen yksikkö: pascal (Pa)

Paine on johdannaissuure, joka ilmaisee pinta-alayksikköön kohdistuvaa kohtisuoraa voimaa (p = F / A ). Paineen SI-yksikkö on pascal ja sen tunnus on Pa (N/m2 = kg·m−1·s−2). Pascalin lisäksi käytetään myös on muita yksiköitä. Ilmanpaineesta puhuttaessa käytetään edelleen yleisesti yksikköä baari (1 bar = 100 000 Pa ), esimerkiksi ns. normaali ilmanpaine maan pinnalla on 1013,25 mbar = 1013,25 hPa (= 1 atm, normaali-ilmakehä)) .

Massan ja paineen kalibrointipalvelut

Punnusten kalibrointi

MIKESin massan mittausalueena on 1 mg ... 2000 kg. Punnusten kalibroinnit tehdään yleisesti hyväksytyillä punnitusmenetelmillä. Näitä ovat vertailumenetelmä ja jakomenetelmä. Edellisessä punnusta verrataan suoraan normaaliin ja jälkimmäisessä punnussarja kalibroidaan yhden tai useamman punnusnormaalin avulla.

MIKESillä on resurssit kalibroida OIML luokkien E1, E2 ja F1 mukaisia punnuksia, joiden nimellismassat ovat korkeintaan 20 kg (E1), 50 kg (E2) ja 2000 kg (F1). MIKES kalibroi myös muita punnuksia, kuten painevaakojen punnuksia. Kalibrointitodistuksissa punnusten massat annetaan joko konventionaalisena massana tai todellisena massana. Massan kalibroinneissa saavutettavat pienimmät mittausepävarmuudet on koottu oheiseen taulukkoon. Punnukset, joiden nimellismassa on 50 kg tai suurempi kalibroidaan Kajaanissa.

Paineenmittauslaitteiden kalibrointi

MIKESillä on hyvät valmiudet erilaisten paineen mittauslaitteiden kalibrointeihin. Mittausalue on ylipainealueella 0 ... 500 MPa ja absoluuttipainealueella 0,0005 Pa ... 1,75 MPa. MIKESin parhaat mittanormaalit ovat painevaakoja, joilla paine realisoidaan määritelmän mukaisesti, p = F / A, eli paine on voima jaettuna pinta-alalla. Voima muodostuu painevaa’an männän ja sen päällä olevien punnusten massoista. Paikallinen putoamiskiihtyvyyden arvo tulee tuntea. Pinta-ala A on painevaa’an mäntä-sylinteriyhdistelmän tehollinen pinta-ala.

Painevaakoja käytetään yli- ja alipainealueen mittauksissa sekä absoluuttisen paineen mittauksissa. Painevaaka-alueen mittauksissa laajalla toiminta-alueella tarvitaan useita erikokoisia mäntä-sylinteriyhdistelmiä, jotta erilaisia paineita voidaan toteuttaa ja punnusten määrä pysyy silti helposti käsiteltävänä. Painevaaka-alueen alapuolella käytetään mittanormaaleina kapasitiivisia antureita ja spinning rotor -mittaria. Spinning rotor -mittarilla kalibroidaan tyhjiöalueen kaikkein pienimmät paineet: 0,0005 Pa ... 2 Pa absoluuttista painetta.

Jaa