Mittaustekniikan perusteet / luento 3 Kelvin ITS-90

Mittaustekniikan perusteet / luento 3 Kelvin ITS-90

Kelvin
Mittaustekniikan perusteet / luento 3
Lämpötila-asteikko ITS-90
- asteikko määritelty lämpötilan 0,65 K yläpuolella
- asteikko määritellään lämpötilan 961,78 °C alapuolella
termodynaamisten kiintopisteiden ja interpolointi-instrumenttien avulla
- kiintopisteinä on puhtaiden aineiden faasitransitiolämpötiloja
- interpolointi-instrumentteina on kaasulämpömittari ja
platinavastuslämpömittari
- 961,78 °C yläpuolella asteikko määritellään Planckin säteilylain avulla
Alueella 0,9 mK - 1 K on käytössä PLTS-2000 asteikko
ITS-90 kiintopisteet
ITS-90: lämpötilan laskukaavat
vastuslämpömittareille (SPRT)
- SPRT-anturi valmistetaan on puhtaasta platinalangasta
- Mitataan vastus R(t) tutkittavassa lämpötilassa t
- Mitataan vastus R0 veden kolmoispisteessä ( t = 0,01 C )
- Lasketaan vastussuhde W(t) = R(t) / R0
- Ratkaistaan t yhtälöstä:
W(t) = Wr(t) + W(t)
- Wr(t) on referenssifunktio
- W(t) on korjauspolynomi, jonka kertoimet saadaan kalibroinnista
Veden kolmoispistekenno
jäävesihauteessa
ITS-90: Planckin säteilylaki
Planckin laki (teho/pinta-ala/ )
F
1
5
hc 2
e hc /
kT
Spektrinen radianssi Le( ):
d e on sellaisen säteilyn kuljettama säteilyteho,
aallonpituusyksikköä kohti,
joka kulkee tietyn alueen dA läpi ja etenee
tietyssä suunnassa olevaan avaruuskulmaan
d , kulma on alueen pintanormaalin ja
säteilyn etenemissuunnan välinen kulma.
1
Le ( )
d e
dA cos d
d
Hopean jähmettymispisteen yläpuolella ITS-90 määritellään seuraavasti:
L (T90 )
L (TAg )
c2
) 1
TAg
c
exp( 2 ) 1
T90
exp(
L (T) = mitattava radianssi aallonpituudella lämpötiloissa T90
ja TAg.(voi myös olla TAu tai TCu)
TAg = hopean jähmettymispisteen lämpötila = 1234,93 K
T90 = mitattava lämpötila
c2 = 0,014388 m·K
Hopeakenno mustankappaleen
säteilijänä
Kandela
• Valovoima Iv on säteilyintensiteettiä Ie (W/sr)
vastaava fotometrinen suure
• Valovoima saadaan säteilyintensiteetistä ihmissilmän
päivänäkemisen spektrisen herkkyyskäyrän V( ) ja
kertoimen Km = 683 cd sr / W avulla
Iv
Km
0
dI e ( )
V( ) d
d
Kandelan realisointi
• Kandela realisoidaan nykyisin suodatinradiometrin
avulla
– Radiomerin (Si-loukkuilmaisin) herkkyys virta/valoteho
s( i) määritetään esim. kryogeenisen radiometrin avulla
tietyllä aallonpituudella. Herkkyys voidaan myös laskea
piin ominaisuuksista (vrt. Kandelan tuleva realisointi)
– Radiometrin ja suodattimen aallonpituusriippuvuudet s( ),
V( ) määritetään tarkkuusmonokromaattorin avulla
Kandelan tuleva realisointi
•
Projektit: Qu-Candela ja NewStar
– Kvanttipohjainen kandelan mittanormaali: yksikön uudelleenmäärittely
fotonien lukumäärään perustuen
– PQED = Predictable Quantum Efficient Detector
• Aiempaa tarkemmin ennustettava kvanttihyötysuhde (standardiepävarmuus
80 ppm huoneenlämpötilassa)
– MIKES-Aalto Mittaustekniikka mukana kehitystyössä
Kandelan realisointi
• Laskukaava
Iv
Kmd 2
Fi
As (555)
Iv = valovoima
F
e(
e(
)V ( ) d
) s rel ( ) d
Km = 683 cd sr / W
s(555) = detektorin herkkyys virta/valoteho =555nm
i = sähkövirta kun säteilyteho = e
A = säteilyä rajoittava apertuuri (geometria)
d = etäisyys säteilylähteestä (geometria)
F = korjauskerroin (srel = detektorin suhteellinen vaste)
Kandelan tuleva realisointi?
• Projektit: Qu-Candela ja NewStar
– Kvanttipohjainen kandelan mittanormaali: yksikön
uudelleenmäärittely fotonien lukumäärään perustuen
– MIKES-Aalto Mittaustekniikka mukana kehitystyössä
Kilogramman määritelmä 1889
Mooli
1 kg = “Kansainvälisen kilogramman prototyypin massa”
• Täsmennys: massa BIPM-puhdistuksen (eetteri/etanoli, höyry) jälkeen
Kansainvälinen kilogramman prototyyppi
- Pt 90 % Ir 10 %
21500 kg/m3
- sylinteri d h 39 mm
- säilytys: BIPM
- käytetty: .. 1946, 1991
Kemian metrologian primäärimenetelmät
- isotooppilaimennusmassaspektroskopia
- gravimetria
- titrimetria
- kulometria
- jäätymispisteen alenema
Ongelmat:
- prototyyppi on artefakti, haavoittuva
- ilman saasteet muuttavat massaa
- jäljitettävyysketju on yleensä pitkä
- stabiiliutta ei tunneta
Edut:
- helppo toteuttaa
- tarkka (vertailutarkkuus parempi kuin 1 g)
Kilogramman uudelleenmäärittely
a) Wattivaaka, magneettikentässä liikkuva kela
b) Avogadron vakio Si-kiteestä (3·10-8)
(4·10-8)
m C
m
fi f j
gv
h
nN a mSi
“The kilogram is the unit of mass; its magnitude is set by
fixing the numerical value of the Planck constant to be
equal to exactly 6.62606xxx·10-34 when expressed in the
unit s-1 m2 kg which is equal to Js.”
Wattivaaka: punnitus
1) Voimatasapaino :
- Staattisessa magneettikentässä olevaan kelaan
syötetään virta I ,
jolloin siihen kohdistuu voima F = I
- Voima kompensoidaan punnuksen
aiheuttaman painovoiman g m
avulla ( g = putoamiskiihtyvyys, m = massa ),
F = I = m g, missä =mg/I riippuu
geometriasta ja magneettikentästä
Wattivaaka: induktiomittaus
NRC:n wattivaaka
2) Mitataan kelaan indusoitunut jännite U
- kelaa liikutetaan magneettikentässä
nopeudella v
- = U/v
3) Yhdistetään voimatasapainon ja
induktiomittauksen tulokset : = mg/I =
U/v
mgv = UI (mekaaninen teho = sähköteho)
U
v
v
z
Avogardron vakion mittaus Si-kiteestä
Avogadro vakion määritys Si-kiteestä perustuu seuraavaan kaavaan:
Na = (M /
)/
a
M = moolipaino, arvo riippuu isotooppijakaumasta (=
xx
M(xxSi)·xxx )
= m / V = tiheys = massa / tilavuus
V = Si pallon tilavuus ( = n Na va )
m = Si pallon massa
(=nM )
n = moolien lukumäärä Si pallossa
va = atomin tilavuus (= d2203·81/2)
Mitattavat suureet:
tilavuus, massa, hilavakio, atomipainot, isotooppijakauma,
epäpuhtausatomien lukumäärä, kidevirheiden lukumäärä, oksidikerroksen
paksuus.
Kilogramman uudelleenmäärittely
Si-mittayksikköjärjestelmä
tulevaisuudessa
Perusyksiköiden määritelmiä muutetaan 2018
Luonnonvakiot, joiden arvot kiinnitetään:
- Planckin vakio
h
kilogramma (kg)
- elektronin varaus
e
ampeeri (A)
- Boltzmannin vakio k
kelvin (K)
Lisäksi kiinnitetään
- atomien lukumäärä Na
Muuttumattomat yksiköt:
sekunti, metri
mooli (mol)