Metrologia

Zientzialari bat Microarcsecond Metrology Testbed metrologia optikoko tresnaren aurrean.

Metrologia zientziaren eta teknologiaren adar bat da, batez ere magnitude eskalarren eta ordinalen neurketa, neurri unitateen eta neurri patroien definizioa aztertzen dituena. Nazioarteko Unitate Sisteman (SI) funtsezkotzat jotzen dira unitate hauek: luzera, masa, denbora, korronte elektrokoa, tenperatura, argiaren intentsitatea eta substantzia kantitatea. Gainerako unitateak funtsezko horietatik eratorritzat har daitezke, 1. neurri unitatea (1 zenbakia) izan ezik, magnitude «dimentsiogabeetan» aplika daitekeena, zeinetan dimentsioen berretzaile guztiak zero baitira.

Sarrera

Pisuen eta Neurrien Nazioarteko Bulegoak (BIPM) lantzen duen Metrologiako Nazioarteko Hiztegia (Vocabulaire international de métrologie VIM) metrologia honela definitzen du: «neurketen eta haien aplikazioen zientzia». Metrologiak neurketen alderdi teoriko eta praktiko guztiak hartzen ditu bere barne, berdin da zein izan daitezkeen neurketaren ziurgabetasuna eta aplikazio eremua.

Nahasterik egon ez dadin, nabarmendu behar da neurriaren teoria ez dagokiola metrologiari, analisi matematikoari baizik.

Metrologia hiru urrats nagusitan garatzen da:

• Neurri unitateak definitzea.
• Neurri unitateak praktikan aplikatzea.
• Trazabilitatea, hau da, praktikan egindako neurketak estekatzea erreferentziazko estandarrekin.

Metrologia eremu askotan erabil daiteke, eta eremu bakoitzerako aplikazio bat du:

• Metrologia zientifikoa: kantitate sistemak eta neurketa unitateak ezartzea, neurketa metodoak garatzea, neurketa estandarrak sortu eta estandar horiei buruzko informazioa gizartera transferitzea ditu bere zereginak.
• Teknika industriala: neurketa zientzia industria ekoizpeneko prozesuetan aplikatzeari eta gizartean erabiltzeari dagokio; adibidez, neurketa tresnak kalibratzea eta haien kalitatea kontrolatzea.
• Lege metrologia: osasuna, segurtasun publikoa edo ingurumena babesteko neurriek eta neurketa tresnek behar dituzten araudiak ezartzen ditu.

Garapen historikoa

Neurgailuak, besteak beste, hozte zirkuituko termometroa, amperemetroa eta olio presioaren manometroa.

Metrologia antzinaroan sortu zen, era batera edo bestera. Metrologiaren forma goiztiarrenak izan ohi ziren agintariek ezarritako estandar arbitrario batzuk, askotan neurri praktikoetan oinarritutakoak. Antzinako pisu eta neurri sistemak gizakiaren morfologian oinarritzen ziren; horregatik, unitateen izenak gorputzaren zatikien aipamena egiten zuen maiz: hazbetea (eskuko hatz baten luzera), oina (oin baten luzera) edo yarda (jatorriz, giza beso baten luzera neurria). Halako neurri estandarizatu lehen adibideak luzera, denbora eta pisua neurriak izan ziren. Era horretako estandarrak merkataritza errazteko eta gizakiak egindako jarduerak erregistratzeko ezarri ziren.

Iraultza zientifikora bitarte, Aro Modernoan, ez kimikariek ez fisikariek ez zuten aurrerapen nabarmenik egin metrologiaren arloan. Zientziak aurreratu ahala, emaitza esperimentalen eta teorikoen arteko konparazioa egin ahal izateko, unitateen sistema arrazional bat ezinbestekoa bihurtu zen, baina hori ezinezkoa izan zen metrologia modernoa iritsi arte. Metrologian egindako aurrerapenei esker, dena dela, atomoen, elektrizitatearen edo termodinamikaren eremuan aitzinamenduak egin ahal izan ziren. Hala, metrologia Industria Iraultzaren aitzindarietako bat izan zen, eta guztiz ezinbesteko bihurtu zen produkzio masiboa egiteko edo muntaketa lerroak gauzatzeko.

Metrologia modernoak Frantziako Iraultzan du jatorria, Frantziako unitate guztiak harmonizatzeko motibazio politikoarekin eta naturaren konstanteetan oinarritutako neurri unitateen ezarpenaren kontzeptuarekin. Helburua zen neurri unitateak pertsona guztientzat, garai guztietakoentzat eskuragarri egotea. Erreferentziak ez ziren arbitrarioak izan: luzera unitatea (metroa) Lurraren dimentsioen zatiki zehatz bat zen, eta masa unitatea (metro kubikoa), berriz, ur kubo baten baliokidea. Ikuspegi horren emaitza izan ziren, besteak beste, platinozko estandarrak metrorako eta kilogramorako. Horrela, sistema metrikoaren oinarriak ezarri ziren, 1795eko apirilaren 7an.

Sistema berriaren arrakastak Nazioarteko Unitate Sistema (SI) sortzea bultzatu zuen. Sistema horrek aurrekaririk gabeko onarpena lortu zuen mundu osoan, neurri unitate modernoen oinarrizko definizio eta estandar gisa. Nazio guztien unitate sistema ofiziala ez den arren, SIren definizioak eta zehaztapenak globalki onartzen eta aitortzen dira.

Nazioarteko Unitate Sistemako oinarrizko lau unitate (kilogramoa, amperea, kelvina eta mola) birdefinitu egin ziren 2019an, zenbakizko balio zehatzak ezarriz zenbait konstanterentzat -Planck-en konstantea (h), oinarrizko karga elektrikoa (e), Boltzmann konstantea (k_b), eta Avogadro konstantea ( N_A), hurrenez hurren.

Sakontzeko, irakurri: «2019ko SI oinarrizko unitateen birdefinizioa»

Oinarrizko kontzeptuak

Neurri unitateak

Nazioarteko Unitate Sisteman (SI) funtsezkotzat jotzen dira unitate hauek: luzera, masa, denbora, korronte elektrokoa, tenperatura, substantzia kantitatea eta argiaren intentsitatea. Egiunez ulertzen da unitate horietako bakoitzak izaera beregaina duela eta eratu daitekeela zuzenean bere ezaugarrietatik abiatuta.

SI unitateak eta estandarrak

oinarria	izena	ikurra	definizioak
Denbora	segundoa	s	Zesio-133 atomoaren oinarrizko egoeraren maila hiperfin bien artean 9192631770 trantsizio egiteko behar den denbora 0 K balioko tenperaturan.
Luzera	metroa	m	Argiak segundo baten 299.792.458renean (1/299.792.458) hutsean ibilitako bidearen luzera.
Masa	kilogramoa	kg	2019az geroztik: h = 6.626607015Ix1034 J·s, hau da, quantum edo fotoi bati dagokion energia kopurua zehazteko aukera ematen duen fisika kuantikoaren konstantea (Plancken konstantea).
Korronte elektrikoa	ampere	A	2019az geroztik: beraren balioa definiturik geratzen da oinarrizko karga elektrikoaren balio numeriko zehatza 1,602 176 634 x 10-19 denean A s denean unitatetan ematean.
Tenperatura termodinamikoa	kelvin	K	2019az geroztik: beraren balioa definituri geratzen da Boltzmmannen konstantearen k bitartez, $k\approx 1,3806504\times 10^{-23}{\rm {\ J/K}}$
Substantzia kantitatea	mol	mol	2019az geroztik: substantzia jakin baten lagin batean dauden 6,02214076×1023 gauzaki elemental. Kopuru hori da Avogadroren zenbakiaren balio finkoa da, NA = 6,02214076×1023 mol−1.
Argi intentsitatea	kandela	cd	540 x 1012 Hz-eko frekuentziadun erradiazio monokromatikoa norabide jakin bateko estereorradian bakoitzeko 1/638 W-eko intentsitatez erradiatzen duen argi iturriaren argi intentsitatea.

Erroreak

Erroreek neurketa eta zenbaketa okerrak eragin ditzakete. Akatsik ez egon arren, ia neurri guztiak zehaztugabeak dira oraindik. Errore zehaztugabetasunerako soilik erabiltzen da; neurketaren ziurgabetasuna ere deitzen zaio. Neurri zehatz gutxi batzuen artean daude:

• Neurtzen den kantitaterik ez izatea, kableak zirkuitu-laburrean dituen voltmetroa bezala: aparatuak zero adierazi beharko luke.
• Kalifikazio baldintzetan onartutako konstante baten neurria, hala nola ur puruaren puntu hirukoitzarena: termometroak 273,16 kelvin (0,01 Celsius gradu, 32,018 Fahrenheit gradu) irakurri beharko lituzke ekipo kualifikatuak behar bezala erabiltzen direnean.
• Autokontrola, neurketa metrikoen eta potentziometro baten arteko erlazioa: urratsen arteko erlazioa doitzen da eta modu independentean egiaztatzen da, zehaztasun ezak eraginik izan ez dezan.

Beste neurri guztiak berrikusi egin behar dira behar adina zuzenak izan daitezen, edo zoriz utzi behar dira. Neurketa egoera espezifikoak zuzentzen dituen zientzia da metrologia. Neurketa errorearen eta bestelako erroreen arteko bereizketa zehatza ez dago guztiz finkatuta, eta herrialdearen arabera aldatzen ahal da. Errepikagarritasun eta erreprodukziogarritasun azterketen bitartez doitasuna hobeki kuantifikatu daiteke; era horretakoa da ANOVA R&R azterketa teknika.

Kalibrazioa, hain zuzen ere, neurgailuei eta neurtze prozesuei metrologia aplikatzeko prozesua da, neurketa estandar ezagun batekiko adostasuna bermatzearren, gehienetan normalizazio arauen batzorde ofizial bati egotz dakiokeena.

Trazabilitate metrologikoa

Trazabilitatea azaltzen duen piramidea.

Metrologiaren arloko kontzeptu nagusi bat trazabilitate metrologikoa da, VIMek honela definitzen duena: «neurri emaitza baten propietatea da, berari esker emaitza hori erreferentzia batekin erlaziona baitaiteke, kalibrazio kate jarraitu eta dokumentatu baten bidez, guztiek neurketa ziurgabetasunari laguntzen diotelarik». Trazabilitate metrologikoak neurketen konparagarritasuna ezartzen du: neurketa baten emaitza aurrekoarekin konparatu daiteke, duela urtebeteko neurketaren emaitza batekin, edo mundu osoan egindako neurketa baten emaitzarekin.

Trazabilitate metrologikoa sarritan kalibrazioaren bidez lortzen da, neurketa tresna baten adierazpenaren eta estandar baten balioaren arteko erlazioa ezarriz. Kalibrazioak egiten duena da erlazio bat sortu, ziurgabetasun maila jakin bat duen neurketa estandar baten eta ebaluatzen den gailuaren artean. Prozesu horrek zehaztuko ditu neurketaren balioa eta gailuaren ziurgabetasuna, eta trazabilitate esteka bat sortuko du neurketa estandarrarekiko.

Trazabilitateak piramide gisa jokatzen du: erpinean, nazioartean onartutako estandarrak daude; beherago, herrialde bakoitzeko metrologia erakundeek (esate baterako, AEBtan, National Institute of Standards and Technology; Erresuma Batuan, National Physical Laboratory; Alemanian, Physikalisch-Technische Bundesanstalt, eta abar), neurri unitateak aplikatzen dituzte kalibrazioen bitartez, trazabilitate estekak sortuz oinarrizko neurri unitateekiko. Hortik aurrera, metrologia erakundeek, kalibrazio laborategiek eta industriako ebaluazio laborategiek egindako kalibrazioek behera bultzatzen dute trazabilitateren katea. Horrela, trazabilitate katea hori behetik gora doa, industriarentzat lan egiten duten laborategien neurketak aise estekatzen ahal baitira neurketa unitatearen definizioarekin.

Neurri patroiak

Metroaren patroiaren prototipo historikoa

Neurri patroiak autoritatetzat hartu diren objektuak edo ideiak dira, mundu guztiak onartutako arrazoiren batengatik. Patroi hauek duten balioa edozein dela ere, erabilgarri dira ezezagun batekin konparatzeko, neurketa patroian oinarritutako balio esleitua ezartzeko edo berresteko. Metrologia, hain zuzen ere, horixe da: neurketen konparazio prozesu horren diseinua. Kalibrazioa da, berriz, neurketa patroi baten eta beste neurgailu baten arteko erlazioa ezartzeko, neurketen konparazioak egitea.

Industriarako neurketa patroi espezifikoak

Herrialde bakoitzeko eta nazioarteko erakundeek sortutako neurri patroiez gain, industriako enpresa handi eta txiki askok ere beren metrologia ereduak eta prozedurak definitu ohi dituzte, modu tekniko eta ekonomikoki lehiakorrean fabrikatzeko behar bereziak asetzeko. Arau eta prozedura horiek herrialde bakoizteko eta nazioarteko neurri patroietan oinarritzen dira, baina ekoizpen jarduerara bideratuago daude, erabiltzen den makineria eta eta maiztasuna kontuan hartuta. Hala, industriarako berariazko patroi horiek fabrikazio prozesua eta produktuaren zehaztapenak behar bezala kontrolatzeko oinarria dira.

Metrologia industrialaren arloan, metrologia metodoen erabilera mugatzen duten zenbait faktore daude, zehaztasunetik haratago. Faktore horien artean daude, besteak beste:

• Fabrikazio prozesuan piezetan edo gainazaletan neurketak egiteko abiadura, ekoizpen lerroaren Takt denborarekin bat etorri behar duena (zikloaren denbora).
• Fabrikatutako pieza ezin hobeki neurtzeko behar den gaitasuna, metrologiaren goi definizioan ageri den moduan.
• Neurketa mekanismoak duen gaitasuna fabrikazio instalazioaren inguruan modu fidagarrian jarduteko, kontuan hartuta tenperatura, bibrazioak, hautsa eta kontrako beste faktore batzuk.
• Neurketa emaitzen gaitasuna, aurkezten diren moduan, fabrikazio edo automatizazio operadoreek garaiz asimilatzeko, fabrikazio prozesuko aldagaiak eraginkortasunez kontrolatzeko.
• Pieza bakoitzaren neurketaren finantza kostu osoa.

Ikus, gainera

• Neurgailu
• Neurri-unitate
• Nazioarteko Unitate Sistema

Kanpo estekak

• Michael Grabe (2005) Measurement Uncertainties in Science and Technology. ISBN 978-3540273196.
• Advanced Product Quality Planning.

• Datuak: Q394
• Multimedia: Metrology / Q394