Aplikace fyziky v metrologii a činnost Českého metrologického institutu RNDr. Pavel Klenovský generální ředitel ČMI *Pavel Klenovský qnarozen 13.5.1952 v Brně qGymnasium Křenová: speciální třída „S“ matematiky a fyziky qabsolvent fyziky pevné fáze z r. 1975 qdoktorát: 1976 qod r.1977 v různých organizačních formách státní metrologie q1993: jmenován ředitelem nově vzniklého Českého metrologického institutu – národního metrologického institutu ČR qjazyky: anglicky, rusky a částečně německy AUTOR 2 *METROLOGIE (metrology): nauka o měření * Metrologie x meteorologie DEFINICE METROLOGIE 3 C:\Program Files (x86)\Microsoft Office\MEDIA\CAGCAT10\j0293828.wmf C:\Users\sklenovska\AppData\Local\Microsoft\Windows\Temporary Internet Files\Content.IE5\ATMGFFRU\MP900401139[1].jpg C:\Users\sklenovska\AppData\Local\Microsoft\Windows\Temporary Internet Files\Content.IE5\1BAKL7WP\MP900309045[1].jpg C:\Users\sklenovska\AppData\Local\Microsoft\Windows\Temporary Internet Files\Content.IE5\WP7YYHO5\MP900401465[1].jpg C:\Users\sklenovska\AppData\Local\Microsoft\Windows\Temporary Internet Files\Content.IE5\1BAKL7WP\MP900309021[1].jpg C:\Users\sklenovska\AppData\Local\Microsoft\Windows\Temporary Internet Files\Content.IE5\1JTRHNJF\MC900212709[1].wmf C:\Users\sklenovska\AppData\Local\Microsoft\Windows\Temporary Internet Files\Content.IE5\1BAKL7WP\MC900303521[1].wmf X *HLAVNÍ ÚKOL: qžádné měřidlo neměří absolutně přesně, jeho metrologické parametry se vlivem různých faktorů s časem mění, a to jak ve smyslu odchylky od příslušné referenční hodnoty (chyba), tak ve smyslu rozptylu hodnot při opakovaných měřeních (nejistota) qpříklad: maximální dovolené chyby u stanovených měřidel, např. radarového rychloměru + 3 km/h do 100 km/h qhlavní úkol metrologie: zajištění jednotnosti a správnosti měření v rozsahu daném zamýšleným použitím prostřednictvím různých činností jako je kalibrace, ověřování atd. ZÁKLADNÍ SFÉRY PŮSOBNOSTI METROLOGIE 4 *NEREGULOVANÁ SFÉRA: qhlavními činnostmi jsou kalibrace měřidel a certifikace referenčních materiálů (CRMs) pro zajišťování (metrologické) návaznosti výsledků měření qmá podnikatelský charakter (služby) mimo relativně úzký obor státních etalonů (vrchol pyramidy návaznosti – tzv. selhání trhu ZÁKLADNÍ SFÉRY PŮSOBNOSTI METROLOGIE 5 * *METROLOGICKÁ NÁVAZNOST výsledků měření (VIM 6.10 + ISO/IEC 17025): Taková vlastnost výsledku měření nebo hodnota etalonu, že lze prostřednictvím nepřerušeného řetězce porovnání, u nichž je vždy stanovena nejistota (kalibrací), prokázat jeho vztah ke stanoveným referencím, obvykle k primárnímu etalonu příslušné jednotky SI (státním nebo mezinárodním etalonům). NÁVAZNOST – STÁTNÍ ETALONY 6 * *Existuje významový rozdíl mezi pojmy: * státní etalon x primární etalon * NÁVAZNOST – STÁTNÍ ETALONY 7 C:\Users\sklenovska\Documents\A_MPZ_DMPZ\A_MPZ\MPZ11\MPZ_400-11_Závaží třídy M1\G_Zpráva_MPZ\Fotky_závaží_MPZ_400_11\P1130069.JPG X * *STÁTNÍ ETALON (VIM 6.3): *Etalon stanovený rozhodnutím státu k tomu, aby v dané zemi sloužil jako základ pro přiřazování hodnot jiným etalonům předmětné veličiny. Státní etalony České republiky definují nebo reprodukují hodnoty měřicích jednotek na nejvyšší metrologické úrovni v České republice a jsou základem jednotnosti a přesnosti měření na území celého státu. Státní etalony slouží k realizaci jednotek jednotlivých veličin a jejich přenosu z mezinárodních etalonů na etalony nižších řádů v rámci systému metrologické návaznosti měření a měřidel na území ČR. NÁVAZNOST – STÁTNÍ ETALONY 8 * *PRIMÁRNÍ ETALON (VIM 6.4): *Etalon, který je široce uznáván nebo konstruován tak, že má nejvyšší metrologické kvality a jehož hodnota je akceptována bez vztahu k jiným etalonům téže veličiny. NÁVAZNOST – STÁTNÍ ETALONY 9 * *REGULOVANÁ SFÉRA: a)Etalon, Legální kontrola měřidel – výkonné činnosti charakteru posuzování shody jako schvalování typu, prvotní a následné ověřování měřidel b)Metrologický dozor c)Úřední měření qIngerence státu ® legislativa ZÁKLADNÍ SFÉRY PŮSOBNOSTI METROLOGIE 10 * qMěření ve fyzice, technice: naměřená hodnota + chyba (pro vyjádření blízkosti naměřené a „správné“ hodnoty včetně variability této hodnoty se vystačí s jedním pojmem) qMěření v metrologii: rozdíl mezi naměřenou či indikovanou a „pravou“ („správnou“) hodnotou + nejistota stanovení této pravé hodnoty (tohoto rozdílu) qNejistota: kvantifikuje stupeň pochybnosti o platnosti výsledku měření VYJADŘOVÁNÍ VÝSLEDKŮ MĚŘENÍ 11 *NEJISTOTA MĚŘENÍ: *nejistota měření tedy vyjadřuje skutečnost, že pro danou měřenou veličinu a daný výsledek jejího měření existuje nejen jedna hodnota, ale nekonečný počet hodnot rozptýlených kolem výsledku, které jsou v souladu se všemi v dané chvíli dostupnými informacemi a pozorováními CHYBA MĚŘENÍ X NEJISTOTA MĚŘENÍ 12 * VYJADŘOVÁNÍ VÝSLEDKŮ MĚŘENÍ 13 měřená veličina chyba jmenovitá referenční hodnota nejistota * *STANOVENÍ (odhad) NEJISTOTY MĚŘENÍ: qjde o určitou aplikaci matematické statistiky na měření v metrologii qexistuje na to mezinárodní návod zvaný GUM - Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement, viz www.bipm.org qnarazili jsme tak na první možné využití fyziků v metrologii obecně VYJADŘOVÁNÍ VÝSLEDKŮ MĚŘENÍ 14 * *HNACÍ SÍLY rozvoje metrologických systémů v současné době (náklady na měření odhadovány na 4 – 6 % HDP): * qotevírání ekonomik globálnímu trhu (vstup ČR do EU, FDI); quvolňování pohybu zboží a odstraňování technických překážek obchodu. METROLOGIE A JEJÍ ÚKOLY 15 * *HISTORICKÉ MEZNÍKY: * qpodpis Metrické konvence v r. 1875; qprůmyslová revoluce – zaměnitelnost součástí; qpřijetí moderní podoby metrického systému – mezinárodní soustava jednotek SI v roce 1960; qhigh tech průmysl, vysoká spolehlivost; qpodpis Ujednání o vzájemném uznávání státních etalonů a certifikátů vydávaných národními metrologickými instituty (CIPM MRA) v r. 1999. METROLOGIE A JEJÍ ÚKOLY 16 * *CHARAKTERISTICKÉ RYSY SOUČASNÉ METROLOGIE: * qprudký technický rozvoj měřicí techniky, těsný vztah k pokrokům fyziky a využívání a uplatňování metrologie v nových odvětvích; quplatnění elektroniky, výpočetní techniky a automatizace v měřicí technice a metrologii a rostoucí využívání datových komunikací; qrealizace etalonů základních jednotek na základě kvantových jevů a univerzálních fyzikálních konstant; qtrend ke vzájemnému uznávání výsledků měření a zkoušek v mezinárodním měřítku. METROLOGIE A JEJÍ ÚKOLY 17 * *NÁRODNÍ METROLOGICKÝ SYSTÉM (NMS) má tyto základní oblasti: qFUNDAMENTÁLNÍ METROLOGIE (FM): zabývá se soustavou jednotek a fyzikálních konstant, uchováváním a rozvojem státních etalonů, přenosem jednotek na nižší etalonážní řády a vědou a výzkumem v metrologii NÁRODNÍ METROLOGICKÝ SYSTÉM ČR 18 * *NÁRODNÍ METROLOGICKÝ SYSTÉM (NMS) má tyto základní oblasti: qPRŮMYSLOVÁ METROLOGIE (PM): slouží k zabezpečení jednotnosti a přesnosti měření a následně jakosti výroby a služeb v širokém spektru oborů (neregulovaná sféra metrologie) ČR je nejprůmyslovější členskou zemí EU (30 % HDP) " vysoká poptávka po různých metrologických službách NÁRODNÍ METROLOGICKÝ SYSTÉM ČR 19 * *NÁRODNÍ METROLOGICKÝ SYSTÉM (NMS) má tyto základní oblasti: qLEGÁLNÍ METROLOGIE (LM): zabezpečuje jednotnost a správnost měření při ochraně veřejného zájmu v regulované sféře podle platné právní úpravy q NÁRODNÍ METROLOGICKÝ SYSTÉM ČR 20 * *LEGÁLNÍ METROLOGIE: *vymezena obecně závaznými právními předpisy; *autorizovaná metrologická střediska (AMS), úřední měřiči a registrované subjekty pro výrobu, opravu a montáž stanovených měřidel; *prověřování technické způsobilosti ČMI nebo ČIA + autorizace ÚNMZ (celkem 250 subjektů – viz www.unmz.cz); *při udělování autorizací je totiž třeba zvažovat míru kompromisu mezi požadavkem na jejich nezávislost při rozhodování (ideální v monopolním postavení) a kvalitou a šíří nabídky těchto činností, které jsou vynucovány zákonem (ideální v konkurenčním prostředí); q NÁRODNÍ METROLOGICKÝ SYSTÉM ČR 21 Úřad pro normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví (ÚNMZ) Rada pro metrologii Vědecká rada Český metrologický institut (ČMI) Ministerstvo průmyslu a ochodu (MPO) Primární laboratoře ČMI (laboratoře FM) Úřední měřiči Autorizovaná metrologická střediska (AMS) Kalibrační služba ČMI (laboratoře PM) Laboratoře legální metrologie ČMI (laboratoře LM) Přidružené laboratoře Akreditované kalibrační laboratoře Neakreditované kalibrační laboratoře Průmyslová metrologie Služby legální metrologie Uživatelé, výroba, právnické osoby autorizace (ÚNMZ) + přidružení (ČMI) autorizace Organizační struktura 22 PRVKY NMS, JEJICH POSTAVENÍ A ÚLOHY * *Činnosti v metrologii se zdůvodněnou ingerencí státu (ta „selhání trhu“) jsou obvykle soustředěny do tzv. národních metrologických institutů či ústavů (National Metrology Institutes – NMI), v ČR je to ČMI: quchovávání a rozvoj státních etalonů (FM) qschvalování typu (posuzování shody) qověřování (cejchování) měřidel (hlavně tam, kde by konkurence výrazně ohrozila původní účel – ochranu spotřebitele) q PRVKY NMS, JEJICH POSTAVENÍ A ÚLOHY 23 * *PŘÍKLADY SVĚTOVĚ ZNÁMÝCH NMI: qNIST (National Institute of Standards and Technology), USA: největší metrologický ústav na světě s rozpočtem ca 330 mil. USD ročně a pochází odtud několik laureátů Nobelovy ceny za fyziku; www.nist.gov q PRVKY NMS, JEJICH POSTAVENÍ A ÚLOHY 24 Bill Phillips 1997 Nobel Prize in Physics Eric Cornell 2001 Nobel Prize in Physics Gregory Linteris Flew 2 Space Shuttle Missions Dr. John (Jan) L. Hall John (Jan) L. Hall 2005 Nobel Prize in Physics Deborah S. Jin 2003 MacArthur Fellowship ‘Genius Grant’ 2004 Service to America Medal John Cahn 1998 National Medal of Science Johanna Sengers 2003 Women in Science Award and NAS Member 25 PRVKY NMS, JEJICH POSTAVENÍ A ÚLOHY * *PŘÍKLADY SVĚTOVĚ ZNÁMÝCH NMI: qPTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt), SRN: nám nejbližší velký NMI, největší NMI v Evropě a jeho předchůdce PT Reichanstalt byl vůbec prvním metrologickým institutem na světě (založen v r. 1887); www.ptb.de q PRVKY NMS, JEJICH POSTAVENÍ A ÚLOHY 26 * *PŘÍKLADY SVĚTOVĚ ZNÁMÝCH NMI: qNPL (National Physical Laboratory) Velká Británie: na počátku 2. světové války zde byl vynalezen radar, který se významně podílel na úspěšné obraně Velké Británie v letecké Bitvě o Anglii, první velký NMI experimentující s moderním způsobem řízení – je spravován soukromou firmou, systém GOCO; www.npl.gov.uk q PRVKY NMS, JEJICH POSTAVENÍ A ÚLOHY 27 * *PŘÍKLADY SVĚTOVĚ ZNÁMÝCH NMI: qMETAS, Švýcarsko: pohledu vědeckých výsledků jeden z nejlepších NMI v menších evropských zemích (spolu s SP Švédsko a VSL Holandsko; www.metas.ch qSMÚ, (Slovenský metrologický ústav) Slovensko: pokračovatel bývalého federálního ČSMÚ Bratislava, při dělení federace byl majetek rozdělen podle územního principu (většina státních etalonů federace tedy v r. 1993 zůstala v SR); www.smu.gov.sk q PRVKY NMS, JEJICH POSTAVENÍ A ÚLOHY 28 *Společně s NMI zajišťují vrcholnou úroveň návaznosti některé instituty mezinárodního charakteru, mezi nejvýznamnější patří: qBIPM (Mezinárodní úřad pro míry a váhy), Sevres u Paříže: výkonný organizační útvar (laboratoř) Metrické konvence, uchovává poslední mezinárodní etalon (hmotnost – 1 kg); www.bipm.org PRVKY NMS, JEJICH POSTAVENÍ A ÚLOHY 29 *Společně s NMI zajišťují vrcholnou úroveň návaznosti některé instituty mezinárodního charakteru, mezi nejvýznamnější patří: qEC JRC (Joint Research Centre) IRMM (Institute for Reference Materials and Measurement) Geel, Belgie: jeden ze 7 výzkumných ústavů řízených Evropskou komisí zaměřený především na metrologii v chemii (spolu s NIST největší světový výrobce referenčních materiálů, především v anorganické oblasti), někdy projevuje ambice stát se „Evropským metrologickým institutem“, podporuje aktivity v metrologii v chemii v kandidátských zemích (školení MiC Training); www.jrc.cec.eu.int PRVKY NMS, JEJICH POSTAVENÍ A ÚLOHY 30 qzaložení ČMI bylo důsledkem rozpadu československé federace - jeho úkolem bylo hrát zde roli národního metrologického institutu qsprávní činnosti v metrologii jsou v ČR odděleny od výkonných činností: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví (ÚNMZ) qČMI byl založen na bázi různých rozptýlených pracovišť státní metrologie v ČR qfederální metrologický institut v ČSFR byl totiž budován v Bratislavě, SR qprávně-organizační charakter: příspěvková organizace zřízená MPO (podle zákona o majetku ČR č. 219/2000 Sb. v platném znění) VZNIK ČMI - 1993 31 q qmise: hrát roli národního metrologického institutu v oblasti fundamentální a legální metrologie qrozdělení federace v oblasti majetku bylo postaveno na územním principu qv důsledku toho musel být náš institut postaven v nových podmínkách téměř na zelené louce qto by samo o sobě nebyl až takový problém, vezmeme-li v úvahu zastaralost technického vybavení z dob socialismu – ovšem pouze za jednoho předpokladu: podaří se zajistit dostatek finančních zdrojů pro rozvoj této důležité infrastruktury moderního státu VZNIK ČMI - 1993 32 q qpočet zaměstnanců: 285 (z toho 20 % VŠ) qfinanční údaje (1993): qobrat ca 66 mil. Kč ročně (z toho ca 75 - 80 % v legální metrologii) qneinvestiční dotace (dotace na provoz): 0 qinvestiční dotace: 60 mil. Kč qhmotný majetek: většinou nepoužitelný qlegální metrologie (ověřování v tradiční oblasti měr a vah): 70 – 80 % EKONOMICKÉ PARAMETRY ČMI v roce 1993 33 *ZÁKLADNÍ SMĚRY (dané i auditem EK): qharmonizovat legislativu s EU (tehdy ES) qbudování institucí: založit oddělené instituty pro činnosti standardizace (normalizace, metrologie, akreditace) qzbavit se přílišné závislosti na legální metrologii qvybudovat sektor fundamentální metrologie (státní etalony – metrologická návaznost) na základě místních potřeb qposléze se začal budovat systém managementu kvality DALŠÍ POSTUP OD ZALOŽENÍ 34 q qv té době se však též objevila nabídka různých programů technické pomoci ze strany západoevropských zemí (EU Phare, PSO Holandsko, G24 Švýcarsko) qV ČR to bylo orientováno zejména na ČMI (státní etalony) a zkušebny (zvlášť nákladná zařízení jako laboratoř EMC atd.) qmy jsme se snažili toho maximálně využít: spolu s národními inv.dotacemi (+ později i zapojení fondu reprodukce tvořeného z odpisů) to vedlo k úplné obměně naší technické infrastruktury qod té doby je naší politikou mít k dispozici nejmodernější techniku, která je ve světě k dispozici DALŠÍ POSTUP OD ZALOŽENÍ 35 q qv éře globalizace je to pro nové a malé NMI složitá záležitost qna rozdíl od mnoha existujících NMI, náš přístup k metrologickým činnostem spočívá v tom, že jde více či méně o činnosti podnikatelského charakteru než cokoliv jiného qexistuje jakýsi niche trh služeb v metrologii, pro které je NMI nejlépe vybaven – vnitřní ekonomický režim však tomuto přístupu musí odpovídat (neměly by existovat omezení typická pro státní organizace: limit mezd a počtu zaměstnanců) qdůležitou nutnou podmínkou je, aby správní činnosti v metrologii zajišťovala nějaká jiná organizace než NMI (což naštěstí v ČR tak z historických důvodů je: ÚNMZ versus ČMI), jinak nelze žádné změny dosáhnout ! STRATEGIE MALÉHO NMI – kritická místa 36 q qradikálního obratu se mi podařilo dosáhnout v r. 2002, kdy se podařilo prosadit změnu legislativy (ČMI přestal formálně být orgánem státní správy) qod té doby je vnitřní chod ČMI velmi podobný tomu u soukromé firmy, ovšem s tím, pro zaměstnance příznivým, důsledkem, že výše zisku není hlavní prioritou qzvýšení mezd, rozsáhlý systém odměn, všichni motivováni k dosahování úspor, schopnost uspokojovat zákazníky qdlouhodobým důsledkem je, že naše závislost na státním rozpočtu je pouhých 18 % celkových nákladů qzávislost na legální metrologii začala rychle ustupovat, bylo rozvinuto široké spektrum služeb, proniklo se s nimi do zahraničí, rychlý průnik do výzkumu a vývoje v metrologii STRATEGIE MALÉHO NMI – kritická místa 37 q qkomplikace: existuje překryv s privátními kalibračními laboratořemi – musíme být schopni prokázat, že dotace směřují výhradně do oblastí veřejného zájmu, nepoužívají se k distorzi trhu qdalší důležitá zkušenost: držet všechny činnosti veřejného zájmu v metrologii v jedné organizaci! qv Evropě existuje značná duplicita v realizaci některých jednotek měření – závěr diskusí: některé země tvrdě trvají na tom, že expertní znalosti příslušných specialistů nutně potřebují pro poskytování případných konzultací místnímu průmyslu STRATEGIE MALÉHO NMI – kritická místa 38 q qstále příspěvková organizace zřízená MPO qpočet zaměstnanců: 342 (z toho 42 % VŠ) qFinanční parametry (2009): qobrat: ca 357 mil. Kč ročně qNeinvestiční dotace: 65 mil. Kč (méně než 18 % obratu !) qinvestiční dotace: 13 mil. Kč qhmotný majetek: 1,1 miliardy Kč v pořizovací hodnotě qlegální metrologie (cejchování): kolem 20 % obratu qprůměrná měsíční mzda: 40 000 Kč, u VŠ 50 000 Kč SITUACE v roce 2010 39 q qobrat: 82 % velmi diverzifikovaných služeb qzbývajících 18 %: uchovávání a rozvoj státních etalonů, výzkum v metrologii (nyní prudký nárůst – program EU EMRP, až 50 mil. Kč v nových příjmech) qověřování v klasické oblasti měr a vah, kde má ČMI stále monopol, tvoří ca 20 % obratu qorganizační struktura: sídlo organizace je Brno, 14 vnitřních organizačních jednotek, z toho 4 v Praze qČMI krizi v r. 2009 poměrně snadno překonal DALŠÍ INFORMACE o ČMI 40 q qrozvinout ČMI do (minimálně) regionálního poskytovatele komplexních metrologických služeb na nejvyšší úrovních metrologické návaznosti qmaximálně se zapojit do výzkumu a vývoje v metrologii, zejména v evropském kontextu na principech ERA přes EURAMET e.V. (program EMRP) qzákladní přístup k činnostem posuzování shody: nutnost snažit se maximálně uspokojovat požadavky zákazníků s výjimkou rozhodnutí o shodě qzískat maximum outsourcinkových partnerů v ČR, proniknout se službami do zahraničí (od NMI soustředěných jen na výzkum) VIZE CÍLOVÉHO STAVU 41 42 GEOGRAFICKÉ ROZMÍSTĚNÍ VOJ ČMI C:\Users\sklenovska\Documents\Prezentace_ALL\Prezentace_ČMI\Buklet_Lyon\Fotky_laboratoře\Pobočky.gi f q qsoučasná pozice v EMRP: spolu se Španělskem na 8. – 9. místě z 22 členských zemí EU, které se programu účastní qsoučasná pozice v počtu registrovaných kalibračních a měřících schopností (CMC) v databázi ujednání CIPM MRA: celkem 471, což představuje 6. místo v Evropě (za 4 největšími zeměmi a Holandskem) SOUČASNÝ STAV - benchmarking 43 *SI 44 PŘÍKLAD I: ZÁKLADNÍ FYZIKÁLNÍ VÝZKUM V METROLOGII ¦Kilogram je stále definován pomocí materiálového artefaktu (IPK – International Prototype of Kilogram) ¦Tento artefakt nemůže být absolutně stabilní – drift ¦Změna u hmotnosti ovlivní též elektrické jednotky, mol a kandelu ¦CGPM doporučila v r. 1999 dosáhnout pokroku v experimentech zaměřených na vazbu jednotky hmotnosti na fundamentální přírodní konstanty – začátek procesu redefinice ¦CIPM navrhl CGPM 2011 usnesení k budoucí revizi SI 45 PROČ MĚNIT SOUSTAVU SI ¦Záměrem CIPM je vyjádřit definice všech 7 základních jednotek SI jednotným způsobem použitím v tzv. „tvaru s explicitní konstantou“ (na rozdíl od tvaru s explicitní definicí jednotky), ve kterém je „jednotka definována nepřímo stanovením přesné hodnoty všeobecně uznávané fundamentální konstanty„. ¦Příkladem je současná definice jednotky délky metr s rychlostí světla ve vakuu c jako přesně stanovenou fundamentální konstantou. 46 NAVRŽENÉ ZMĚNY 47 NAVRŽENÉ ZMĚNY 48 KILOGRAM 49 PROBLÉMY S UCHOVÁVÁNÍM JEDNOTKY HMOTNOSTI JAKO ARTEFAKTU 50 KILOGRAM ¦ ¦ ¦ ¦Jak redefinovat kilogram ? ¦ ¦Kde tady vzít fundamentální konstantu ? 51 KILOGRAM 52 EXPERIMENTÁLNÍ STANOVENÍ PLANCKOVY / AVOGADROVY KONSTANTY 53 EXPERIMENTÁLNÍ STANOVENÍ PLANCKOVY / AVOGADROVY KONSTANTY 54 EXPERIMENTÁLNÍ STANOVENÍ PLANCKOVY / AVOGADROVY KONSTANTY 55 EXPERIMENTÁLNÍ STANOVENÍ PLANCKOVY / AVOGADROVY KONSTANTY 56 WATTOVÉ VÁHY 57 PRINCIP WATTOVÉ VÁHY I. * Phase 1: static experiment Weight of a test mass is compared with the force on a coil in a magnetic field. wire length current flux density m g = I L B In a radial magnetic field, this can be simplified to 58 PRINCIP WATTOVÉ VÁHY II. * Phase 2: dynamic experiment Coil is moved through the magnetic field and a voltage is induced. ind. voltage velocity wire length flux density U = B L v In a radial magnetic field, this can be simplified to * 59 WATTOVÉ VÁHY h = 6.626 068 91(24) x 10-34 J s u = 3.5 x 10-8 R.L. Steiner et al, IEEE IM 56, 592, 2007 * 60 WATTOVÉ VÁHY WattSchematic3 Wattové váhy, NIST, USA * 61 WATTOVÉ VÁHY WattCrew * 62 WATTOVÉ VÁHY Wattové váhy budované v BIPM BIPM wb_2011_v2 * 63 EXPERIMENT AVOGADRO 64 EXPERIMENT AVOGADRO * 65 MĚŘENÍ AVOGADROVY KONSTANTY křemík NA = n × Mmol r × a3 hustota mřížková konstanta molární hmotnost monokrystal 66 EXPERIMENTÁLNÍ STANOVENÍ PLANCKOVY / AVOGADROVY KONSTANTY ¦monokrystal 5 kg ¦z něj vyrobeny 2 koule: 229 mm, 367 mm + 5 cm-ový krystal XINT pro měření mřížkové konstanty C:\Users\sklenovska\Desktop\IKZ_MG_0918.JPG Courtesy of the Leibniz-Institute of Crystal Growth in Berlin * 67 MĚŘENÍ AVOGADROVY KONSTANTY NPL watt balance NPL watt balance NIST watt balance NIST watt balance CO DA TA METAS watt balance kg drift Avo 28Si Metrologia 48, No. 2, special issue „International determination of the Avogadro constant“ (2011) * 68 DŮSLEDEK * Hmotnost mezinárodního prototypu kilogramu (nebo mezinárodního skupinového etalonu) tak získá (nenulovou) relativní směrodatnou nejistotu řádu 2 . 10-8 69 PŘÍKLAD II: APLIKOVANÝ FYZIKÁLNÍ VÝZKUM C:\Users\sklenovska\AppData\Local\Microsoft\Windows\Temporary Internet Files\Content.IE5\WDMJDDSL\MP900433192[1].jpg 70 APLIKOVANÝ FYZIKÁLNÍ VÝZKUM nv důsledku nedávné vlny přímých zahraničních investic se ČR stala rájem automobilového průmyslu: ČR a sousední Slovensko jsou v počtech vyrobených aut na hlavu na prvních 2 místech v Evropě npožadavky norem systémů managementu kvality (zejména ISO/TS 16949) vytvářejí velkou poptávku po různých metrologických službách * 71 APLIKOVANÝ FYZIKÁLNÍ VÝZKUM *MĚŘENÍ NETĚSNOSTÍ: nfyzikálně jde o velmi malé proudění plynu na hranici s malým průtokem naplikace měření netěsností: nchemický průmysl nautomobilový průmysl npotravinářský průmysl npolovodičový průmysl nvakuový průmysl nkontejnerové ukládání vyhořelého jaderného paliva nvýroba srdečních stimulátorů * 72 APLIKOVANÝ FYZIKÁLNÍ VÝZKUM *APLIKACE V AUTOMOBILOVÉM PRŮMYSLU: nbrzdové okruhy nejsou docela překvapivě nejkritičtějšími měřeními z hlediska přesnosti (přeci jen těsnost kapalných systémů není tak kritická) navšak těsnost klimatizačních jednotek vyžaduje přesnost měření netěsností ca 10 -4 sccs (standartní kubický centimetr za sekundu) npožadovaný rozsah netěsnosti je přitom velmi malý: vyšší hodnoty by vedly k snížení celkové provozní doby a výkonu, nižší hodnoty (tj. lepší těsnost) by měla za následek vyšší hmotnost jednotky (vyšší náklady, problémy u crash-testů apod.) * 73 APLIKOVANÝ FYZIKÁLNÍ VÝZKUM *APLIKACE V AUTOMOBILOVÉM PRŮMYSLU: nkalibrace měřidel přímo v provozu je tedy třeba dělat s přesností lepší než 10 %, přičemž nejlepší primární etalony ve světě mají specifikaci 1 – 3 % npro zajištění toho požadavku ČMI spolu s Karlovou universitou Praha vyvinul 2 etalony netěsností pokrývající 2 rozdílné rozsahy s měřící schopností 1 % z měřené hodnoty (to bude třeba ještě potvrdit mezinárodním porovnáním) * 74 APLIKOVANÝ FYZIKÁLNÍ VÝZKUM * 75 PŘÍKLAD III: SOFISTIKOVANÁ KALIBRACE * pg7000 76 SOFISTIKOVANÁ KALIBRACE *Diferenciální tlak za vysokých statických tlaků: ntyto převodníky tlaku (DPT) hrají kritickou roli v přesných měřeních průtoku kapalin, statický tlak je dán transportním tlakem v produktovodech (10, max. 20 MPa) nzde jsou v sázce obrovské finanční částky ® DPT jsou tedy předmětem intenzivního výzkumu (3x lepší přesnost za 10 let) * 77 SOFISTIKOVANÁ KALIBRACE *Diferenciální tlak za vysokých statických tlaků: nkalibrace je však nutné provádět za skutečných provozních podmínek, zejména za požadovaného statického tlaku nhlavní omezení (donedávna): max. statický tlak ca 35 MPa nnová výzva: pro vytěžení ložisek uložených hlouběji pod povrchem moře z ropných plošin je nutné pracovat při statických tlacích 100 MPa či dokonce 120 MPa (3 000 m pod hladinou moře), cílová přesnost 0,1 % 78 SOFISTIKOVANÁ KALIBRACE *Diferenciální tlak za vysokých statických tlaků: npřesná měření zde slouží ke 2 cílům: nstanovit množství (100 kPa) nřízení technologie těžby – separaci písku, vody, plynu a surové ropy (500 kPa) nza tak vysokých tlaků není technologie výroby těchto čidel dostatečně reprodukovatelná ® vznikají chyby až 1 % v důsledku závislosti na statickém tlaku kolem bodu 100 MPa 79 SOFISTIKOVANÁ KALIBRACE * 80 SOFISTIKOVANÁ KALIBRACE *Diferenciální tlak za vysokých statických tlaků: nČMI si vybudoval kalibrační systém s CMC lepšími než 0,05 % až do 100 MPa statického tlaku nfrancouzský výrobce nové generace DPT až do 100 MPa se po určitých zkouškách rozhodl, že bude využívat ČMI pro tyto náročné kalibrace nDPT jedinečné konstrukce z Japonska jsou vyráběny ve Francii jsou tedy prvotně kalibrovány v ČR, aby pak byly umístěny na ropné plošiny v Norsku (v Norském moři) 81 SOFISTIKOVANÁ KALIBRACE * 82 SOFISTIKOVANÁ KALIBRACE * 83 SOFISTIKOVANÁ KALIBRACE * 84 FYZIKOVÉ V ČMI * http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/88/M_Faraday_Th_Phillips_oil_1842.jpg/220px-M _Faraday_Th_Phillips_oil_1842.jpg http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/42/Coulomb.jpg/220px-Coulomb.jpg http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/15/James-clerk-maxwell_1.jpg/220px-James-cler k-maxwell_1.jpg Portrét Johanna Keplera od neznámého autora z roku 1610 C:\Users\sklenovska\Documents\Simonka_různé dokumenty\Pasy_2011\Pasy_2008\Pasy_SP.jpg 85 FYZIKOVÉ V ČMI qv současné době je v ČMI zaměstnáno 29 fyziků qněkolik jich je z pedagogických fakult, většina jsou fyzikové pevné fáze a jaderní fyzikové qtvoří 50 % statutárních zástupců organizace qPožadavky z pohledu ČMI: qměli by být ze státní univerzity qslabinou (po 20 letech svobody překvapivou) bývá znalost anglického jazyka (bohužel však i českého!) qpředpokládá se u nich velmi dobrá adaptabilita na konkrétní problematiku organizace a dobré základy matematiky * 86 VÝZVY A HROZBY PRO ČMI qpřípadná privatizace, např. i formou státem vlastněné a.s. qzabezpečení zdrojů veřejných financí pro výzkum a vývoj v metrologii (přes zapojení do evropského programu EMRP v podstatě vyřešeno) quhájení monopolu v ověřování některých stanovených měřidel (váhy, výdejní stojany, taxametry) qsoučasný nekontrolovaný rozmach, až agresivita některých v.v.i., kterým žene (krátkodobý) vítr do plachet zvýhodněné podmínky a neřízená podpora z evropských fondů * MCj04380650000[1] MCj04380660000[1] MCj04380680000[1]