SI-mittayksiköt Suomessa, massa ja paine

Artikkelit
VTT

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

Katso lisätiedot massan ja paineen kalibroinnista tästä.

Massan SI-yksikkö: kilogramma (kg)​

Kilogramma, jonka tunnus on kg, on massan SI-yksikkö. Määritelmän perustana on Planckin vakion h kiinteä lukuarvo 6,626 070 15 × 10−34, kun yksikkönä on J s eli kg m2 s−1 ja kun metrin ja sekunnin määritelmien perustana ovat c ja ΔvCs.

Toteutus

Vuoteen 2019 saakka kilogramman määritelmä perustui Ranskan Sèvresissä säilytettävään iridiumin ja platinan seoksesta tehtyyn protyyppipunnukseen. Tämä punnus ja sen monet kopiot ovat edelleen käytössä, mutta niiden massan lukuarvot perustuvat uuden määritelmän mukaiseen määritykseen.

Suomellakin on oma platina-iridium prototyyppipunnuksensa (BIPM:stä vuonna 1890 saatu kopio n:ro 23). Se on edelleen kilogramman kansallinen mittanormaali. Prototyyppiä säilytetään VTT MIKESissä ja sitä verrataan BIPM:ssä Pariisissa oleviin prototyypin kopioihin. Vertailut on tehty vuosina 1889, 1948, 1985, 1990, 2001 ja 2011. Viimeisimmän vertailun mukaan Suomen prototyyppipunnuksen massa oli 1 kg + 0,276 mg. Prototyypin massa kasvaa ilman epäpuhtauksien vaikutuksesta jatkuvasti n. 4 µg vuodessa. Prototyypin massan standardiepävarmuus on tällä hetkellä (2020) noin 0,021mg.

Kilogramman jäljitettävyys toteuttaminen 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.

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 pyritään minimoimaan mm. seuraavien häiriötekijöiden vaikutus: ilman epäpuhtaudet, tärinä, ilmavirtaukset, lämpötilagradientit, staattinen sähkö ja ulkoiset magneettikentät.

Nykyiset VTT MIKESin huippuolosuhteet mahdollistavat laboratoriotilat valmistuivat vuonna 2005. Laboratorioiden erikoisrakenteet varmistavat mahdollisimman häiriöttömät ja puhtaat olosuhteet parhaimman tarkkuuden saavuttamiseksi punnituksissa. 

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
Richard Högström

Richard Högström

Research Team Leader
Heikki Kajastie

Heikki Kajastie

Research Scientist
Tutkimusosaaminen