Πέμπτη, 1 Σεπτεμβρίου 2016

Μετρολογία – Βασικές μονάδες μέτρησης

Η Μετρολογία είναι η επιστήμη των μετρήσεων και περιλαμβάνει την επιστημονική έρευνα και τα προβλήματα της πρακτικής των μετρήσεων. Η ποιότητα κάθε μέτρησης εστιάζεται στα εξής σημεία: (α) πόσο αξιόπιστη είναι η μέτρηση, (β) πόσο ακριβής είναι η μέτρηση και (γ) πόσο αποτελεσματική είναι η επανάληψη της ίδιας μέτρησης υπό διαφορετικές αρχικές συνθήκες.

Η απάντηση στα παραπάνω ερωτήματα εξαρτάται από τους εξής παράγοντες που μπορεί να συνοδεύουν όλη τη διαδικασία: το χρησιμοποιούμενο όργανο, τη λήψη δεδομένων (επιλογή τιμών και απόρριψη άλλων), τη διαχείρισή τους (επιλογή κατάλληλης υπολογιστικής μεθόδου), καθώς επίσης και την εμπειρία του επιστήμονα, που εκτελεί το πείραμα.

Για να υπάρχει πλήρης εναρμόνιση μεταξύ όλων των εμπορικών, επιστημονικών ή άλλων εταίρων, θα πρέπει τα φυσικά μεγέθη να είναι συγκρίσιμα μεταξύ τους. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιούμε τα πρότυπα αναφοράς (standards) με τα οποία οφείλει κάθε μέγεθος (π.χ. μήκος, χρόνος, μάζα, πυκνότητα κ.ά.) να συγκρίνεται και να βαθμονομείται.

Κάθε πρότυπο αντιστοιχεί σε μία θεμελιώδη ποσότητα που προσδιορίζεται βάσει διεθνών κανονισμών και θα πρέπει να πληροί τις εξής ιδιότητες: (α) να διαθέτει τη μέγιστη δυνατή ακρίβεια και (β) να είναι αναπαραγωγίσιμο μέγεθος.
  
Από τις επτά βασικές μονάδες του Μετρικού Συστήματος (Systeme Internationale, SI) μόνο η μονάδα του μήκους (το Μέτρο) και η μονάδα του χρόνου (το Δευτερόλεπτο) ορίζονται βάσει οπτικών μεθόδων, στηριζόμενες σε αξιώματα και σε παγκόσμιες σταθερές που παραμένουν αναλλοίωτα με το χρόνο και δεν εξαρτώνται από κατασκευαστικές ή λειτουργικές λεπτομέρειες της πηγής εκπομπής. Παρακάτω θα ασχοληθούμε με αυτά τα δύο βασικά μεγέθη καθώς επίσης και με τη μονάδα της φωτεινότητας (candela).

Η βασική μονάδα του μήκους
Η βασική μονάδα μέτρησης του μήκους είναι το Μέτρο. Το Μέτρο είχε αρχικά οριστεί (1875) ως η απόσταση δύο χαραγών μίας συγκεκριμένης ράβδου από κράμα ιριδιούχου λευκόχρυσου με ακρίβεια μέτρησης 0.1μm. Η ακρίβεια αυτή ισοδυναμούσε σε σφάλμα 30m στη μέτρηση της απόστασης γης-σελήνης.

Για να επιτευχθεί μεγαλύτερη ακρίβεια μέτρησης, έγινε το 1960 αναθεώρηση του ορισμού ως εξής: «το μέτρο ισούται με 1650763.73 φορές το μήκος κύματος της ακτινοβολίας του χημικού στοιχείου Κρυπτού που εκπέμπεται στο κενό και αντιστοιχεί στην ενεργειακή μετάπτωση του νουκλιδίου 86 του Κρυπτού».

Το σφάλμα της μέτρησης, που προέκυπτε με το συγκεκριμένο ορισμό, ήταν δέκα φορές μικρότερο από το αντίστοιχο του μηχανικού προτύπου, επειδή η ενεργειακή μετάπτωση προσδιορίζεται με πολύ μεγάλη ακρίβεια από τις κβαντικές στάθμες του ατόμου του Κρυπτού, που σύμφωνα με την Κβαντομηχανική παραμένουν χρονικά αμετάβλητες. Ήταν η πρώτη φορά που ορίστηκε βασική μονάδα του συστήματος SI από τους Νόμους της κβαντικής Φυσικής.

Η Διεθνής Επιτροπή Μέτρων και Σταθμών προχώρησε, το 1981, στον εκ νέου προσδιορισμό του Μέτρου, θεωρώντας την τιμή της ταχύτητας του φωτός στο κενό χωρίς πειραματικό λάθος, και ως εκ τούτου ως παγκόσμια σταθερά. Ο νέος ορισμός του Μέτρου είχε ως εξής: «το μέτρο είναι το μήκος του διαστήματος που διανύει το φως στο κενό σε χρόνο ίσο με το 1/299792458 του δευτερολέπτου».

Θα μπορούσε να τεθεί το ερώτημα, πώς είναι δυνατόν από το μήκος κύματος μίας ακτινοβολίας να μετράμε άλλα μήκη; Απάντηση στο ερώτημα αυτό δίνει η Συμβολομετρία, όπου σε συνδυασμό με οπτικές μεθόδους συγκρίνεται το πρότυπο Μέτρο με το πολλαπλάσιο ενός μήκους κύματος μίας πηγής αναφοράς (π.χ. των ακτίνων Laser).

Ακρίβεια μέτρησης μεγάλων αποστάσεων πετυχαίνουμε με τηλεμετρητικές μεθόδους, που υπολογίζουν το χρόνο διαδρομής που διανύει ένας παλμός Laser. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η μέτρηση της απόστασης γης-σελήνης. Αν τοποθετήσουμε μία συστοιχία ανακλαστικών πρισμάτων στην επιφάνεια της σελήνης και στοχεύσουμε τα πρίσματα με μία παλμική δέσμη Laser, από τη γη, τότε η ακτίνα θα ξαναγύριζε πίσω ανεξάρτητα από τη στιγμιαία θέση της σελήνης. Γνωρίζοντας την ταχύτητα του φωτός (c=299792458m/s) και για παλμούς πολύ μικρής διάρκειας (10^-12s), μπορούμε να υπολογίσουμε με μεγάλη ακρίβεια το χρονικό διάστημα T, στο οποίο ένας φωτεινός παλμός διανύει δύο φορές την απόσταση L (2L=cT). Έτσι, δίνεται η δυνατότητα μέτρησης μεγάλων αποστάσεων με ακρίβεια μερικών εκατοστών.

Σήμερα, η τηλεμετρία χρησιμοποιεί τα δορυφορικά συστήματα GPS. Με την τεχνική αυτή, ένας δορυφόρος εκπέμπει ταυτόχρονα σήματα προς δύο γήινους σταθμούς λήψης, οι οποίοι τα λαμβάνουν τις χρονικές στιγμές t1 και t2 αντίστοιχα. Από τη διαχρονική εξέλιξη της διαφοράς t1-t2 μπορεί να προσδιοριστεί π.χ. η απομάκρυνση των σταθμών ή να μελετηθούν γεωλογικά φαινόμενα, όπως π.χ. η απομάκρυνση των ηπείρων.

Η βασική μονάδα του χρόνου
Το πρότυπο του χρόνου βασίστηκε αρχικά σε αστρονομικές παρατηρήσεις που οδήγησαν στον ορισμό της ώρας, του λεπτού και του δευτερολέπτου, ως κλάσματα της περιόδου της περιστροφής της γης γύρω από τον άξονά της. Το Δευτερόλεπτο ορίστηκε ως εξής: «1s=1/(60 60 24)=1/86400 μίας ηλιακής ημέρας, που μεσολαβεί ανάμεσα σε δύο διαδοχικές διαβάσεις του ηλίου από τον ουράνιο μεσημβρινό του τόπου».

Για καθημερινές εφαρμογές χρησιμοποιούμε άλλα πρότυπα χρόνου που προσφέρουν μεγαλύτερη ακρίβεια. Αν και τα ρολόγια από χαλαζία έχουν κατασκευαστεί να μετρούν συχνότητες έχει αποδειχτεί ότι είναι πολύ καλά χρονόμετρα. Ο κρύσταλλος του χαλαζία είναι ένα υλικό που απαντάται στη φύση και μπορεί να υποστεί εύκολη επεξεργασία. Έχει πολύ σταθερές ηλεκτρικές και μηχανικές ιδιότητες και γι’ αυτό χρησιμοποιείται ως ταλαντωτής, δηλαδή διατηρεί συνεχείς ταλαντώσεις σε ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα χωρίς εξωτερική επίδραση.

Τα ρολόγια χαλαζία προσφέρουν ακρίβεια συχνοτήτων Δν/ν<10^-9 ή ημερήσια ακρίβεια 10^-4s. Γνωρίζοντας τον αριθμό των ταλαντώσεων που πραγματοποιεί ένα ρολόι χαλαζία εντός ενός δευτερολέπτου, μπορούμε να ορίσουμε τη βασική μονάδα του χρόνου με μεγαλύτερη ακρίβεια.

Για τη μέγιστη δυνατή ακρίβεια, το πρότυπο του χρόνου βασίστηκε αυτή τη φορά σε μία άλλη κβαντική σταθερά, δηλαδή στον αριθμό των ταλαντώσεων που πραγματοποιούν διεγερμένα άτομα Καισίου, όταν βρεθούν σε κατάλληλο χώρο. Ο επίσημος ορισμός του δευτερολέπτου σήμερα είναι ο εξής: «το Δευτερόλεπτο είναι η χρονική διάρκεια, όπου ένα ατομικό ρολόι Καισίου πραγματοποιεί 9192631770 ταλαντώσεις».

Τα ατομικά ρολόγια είναι συσκευές που μετρούν τη χρονική διάρκεια περιοδικών φαινομένων με θεωρητική ακρίβεια Δν/ν<10^-11. Το κύριο χαρακτηριστικό ενός ατομικού χρονομέτρου είναι ότι δεν δίνει την ώρα αλλά το ρυθμό των δευτερολέπτων. Ο συγχρονισμός της ώρας διαδίδεται με την εκπομπή ραδιοσημάτων από ένα ρολόι αναφοράς που βρίσκεται υπό τον έλεγχο του Διεθνούς Γραφείου Ώρας.

Ανά τον κόσμο βρίσκονται σε χρήση διάφοροι τύποι ατομικών ρολογιών, που λειτουργούν υπό την επίβλεψη εθνικών ή διεθνών μετρολογικών εργαστηρίων. Πολύ γνωστά μετρολογικά κέντρα είναι το National Institute of Standards and Technology (Boulder, Αμερική), το National Physics Laboratory (Teddington, Αγγλία) και το Physikalisch–Technische Bundesanstalt (Braunschweig, Γερμανία). Τα εργαστήρια αυτά διαθέτουν ως εθνικά πρότυπα ατομικά ρολόγια μέγιστης ακρίβειας. Ο φορέας προσδιορισμού του Εθνικού Χρόνου στην Ελλάδα είναι το Ελληνικό Ινστιτούτο Μετρολογίας.

Η βασική μονάδα της φωτεινότητας
Οι φωτομετρικές μονάδες παρουσιάζουν κάποια ιδιαιτερότητα στο μετρικό σύστημα. Το φως θεωρείται ΗΜ ακτινοβολία, της οποίας η ισχύς μετριέται σε Watt. Η φωτομετρία ασχολείται με την αλληλεπίδραση μίας φωτεινής ακτινοβολίας με το ανθρώπινο μάτι. Οι υποκειμενικές μετρήσεις δεν βασίζονται σε φυσικά φαινόμενα αλλά σε κριτήρια, που εξαρτώνται από τη φυσιολογία και μόνο του ανθρώπινου ματιού. Η εμπειρική φασματική καμπύλη ευαισθησίας του ανθρώπινου ματιού θεωρείται κριτήριο σύγκρισης φωτεινών πηγών για την περιοχή 380–780nm και είναι διεθνώς αποδεκτή.

Η Καντέλα είναι η βασική μονάδα της φωτομετρίας και ο επίσημος ορισμός της είναι ο εξής: «η Candela είναι η φωτεινή ένταση προς μία ορισμένη κατεύθυνση της πηγής, που εκπέμπει μονοχρωματική ακτινοβολία συχνότητας 540 10^12Hz, όταν η ακτινοβολούμενη ένταση προς την κατεύθυνση αυτήν είναι 1/683W ανά στερακτίνιο».

Η μονάδα αυτή μετρά την ενέργεια που εκπέμπει μία φωτεινή πηγή μέσα σε μία στερεά γωνία με κορυφή την ίδια την πηγή. Απ’ όλες τις βασικές μονάδες του μετρικού συστήματος SI, η Καντέλα προσδιορίζεται με τη μικρότερη ακρίβεια.


  

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου