- หน้าแรก
- คลังความรู้
- เซนเซอร์และทรานส์ดิวเซอร์
- 20.5 มาตรวิทยา
// บทที่ 20.5 · Sensors & Transducers · Metrology
มาตรฐานการวัดและมาตรวิทยา: ใครเป็นต้นแบบของ "ค่าจริง"
โซ่การสอบกลับจากนิยาม SI ถึงเซนเซอร์หน้างาน ประวัติต้นแบบ การนิยามใหม่ปี 2019 มาตรฐานไฟฟ้าควอนตัม จุดคงที่ ITS-90 และเครื่องคิดเลขงบความไม่แน่นอน
1 · ลำดับการสอบกลับ (traceability)
ค่าที่อ่านจากเซนเซอร์จะ "เชื่อถือได้" ก็ต่อเมื่อสอบกลับไปยังหน่วย SI ได้ผ่านโซ่การสอบเทียบที่ไม่ขาดตอน และทุกข้อต่อมีความไม่แน่นอนกำกับ (VIM เรียกว่า calibration hierarchy) ความไม่แน่นอนเพิ่มขึ้นเมื่อลงมาทางหน้างาน
กดแต่ละขั้นเพื่อดูตัวอย่างไฟฟ้าและอุณหภูมิ
2 · ต้นแบบและประวัติศาสตร์ของมาตรฐานการวัด
ค.ศ. 1799 · ฝรั่งเศส — ระบบเมตริกกำเนิด
ฝรั่งเศสทำต้นแบบเมตริกจากแพลตินัม "Mètre des Archives" และ "Kilogramme des Archives" เก็บไว้ที่หอจดหมายเหตุ
ค.ศ. 1875 · ปารีส — อนุสัญญาเมตร (Metre Convention)
17 ประเทศลงนามเพื่อตั้ง BIPM ซึ่งตั้งอยู่ที่ Sèvres ใกล้ปารีส เป็นศูนย์กลางมาตรวิทยาโลก
ค.ศ. 1889 — ต้นแบบเมตรและกิโลกรัมสากล
CGPM ครั้งแรกรับรอง International Prototype of the Kilogram (IPK) ทำจากโลหะผสมแพลตินัม-อิริเดียม เก็บที่ BIPM และมีสำเนาแจกจ่ายประเทศสมาชิก กิโลกรัมเป็นหน่วยฐานสุดท้ายที่ยึดวัตถุจนถึงปี 2019
ค.ศ. 1960 — ตั้งชื่อ SI
การประชุม CGPM ครั้งที่ 11 รับรองชื่อ "ระบบหน่วยระหว่างประเทศ" (SI)
ค.ศ. 1967 / 1983 — วินาทีและเมตรอิงปรากฏการณ์ธรรมชาติ
วินาทีนิยามจากการเปลี่ยนสถานะของอะตอมซีเซียม-133 ; เมตรนิยามจากอัตราเร็วแสง (ปี 1983)
ค.ศ. 1990 — ITS-90 และค่าตามสัญญาทางไฟฟ้า
มีสเกลอุณหภูมิ ITS-90 และกำหนดค่าตามสัญญา KJ-90 = 483 597.9 GHz/V และ RK-90 = 25 812.807 Ω เพื่อให้ทุกประเทศใช้มาตรฐานไฟฟ้าควอนตัมให้สอดคล้องกัน
ค.ศ. 1999 — CIPM MRA
ข้อตกลงยอมรับร่วมระหว่างสถาบันมาตรวิทยาแห่งชาติ ทำให้ใบรับรองสอบเทียบของ NMI สมาชิกได้รับการยอมรับข้ามประเทศ
20 พฤษภาคม ค.ศ. 2019 — SI ฉบับนิยามใหม่
มติรับรองในการประชุม CGPM ครั้งที่ 26 ที่แวร์ซายส์ (พฤศจิกายน 2018) มีผลวันที่ 20 พฤษภาคม 2019 : กิโลกรัม แอมแปร์ เคลวิน และโมลถูกนิยามใหม่จากค่าคงตัว h, e, k, NA วัตถุ IPK หมดสถานะเป็นนิยามของกิโลกรัม
ภาพต้นแบบ: ผมไม่ได้ฝังภาพถ่ายต้นแบบในหน้านี้ เพราะรอบทำงานนี้ตรวจสอบสิทธิ์ใช้งานของไฟล์ภาพจริงไม่ได้ ภาพที่ควรเลือกใส่เมื่อตรวจสิทธิ์แล้ว ได้แก่ IPK ใต้ฝาแก้ว, เครื่อง Kibble balance, ชิป Josephson array, อาคาร BIPM ที่ Sèvres และ NIMT ค้นได้จาก Wikimedia Commons (ตรวจสัญญาอนุญาตและใส่เครดิตทุกครั้ง): IPK · Kibble balance · Josephson · BIPM
3 · มาตรฐานไฟฟ้าควอนตัม
หลังปี 2019 ค่า e และ h เป็นค่าแน่นอน ทำให้ปรากฏการณ์ควอนตัมสองแบบให้ค่าอ้างอิงไฟฟ้าที่ทำซ้ำได้ทุกห้องปฏิบัติการ:
แรงดัน: ปรากฏการณ์ Josephson
รอยต่อตัวนำยิ่งยวดที่ได้รับไมโครเวฟความถี่ f ให้ขั้นแรงดันคงที่ V = n·f/KJ โดย KJ = 2e/h ค้นพบเชิงทฤษฎีโดย Brian Josephson (สหราชอาณาจักร, 1962) ได้รางวัลโนเบล 1973
ความต้านทาน: ปรากฏการณ์ควอนตัมฮอลล์
ที่อุณหภูมิต่ำและสนามแม่เหล็กสูง ความต้านทานฮอลล์เป็นขั้น R = RK/i โดย RK = h/e² ค้นพบโดย Klaus von Klitzing (เยอรมนี, 1980) ได้รางวัลโนเบล 1985
คำนวณ KJ, RK และแรงดันของอาเรย์ Josephson
เครื่อง Kibble balance (เดิมเรียก watt balance ที่ NPL สหราชอาณาจักร โดย Bryan Kibble) ใช้คู่กับมาตรฐานทั้งสองนี้เพื่อโยง "มวล" เข้ากับ h จึงทำให้ห้องปฏิบัติการสร้างกิโลกรัมจากไฟฟ้าได้ โดยไม่ต้องพึ่ง IPK
4 · มาตรฐานถ่ายทอดและเครื่องสอบเทียบ
ชุดควอนตัมอยู่ในห้องแล็บแห่งชาติเท่านั้น ลงมาทางหน้างานใช้ มาตรฐานถ่ายทอด เช่น ไดโอดซีเนอร์อ้างอิงแรงดัน (หลาย V) ตัวต้านทานมาตรฐาน (1 Ω, 10 kΩ ฯลฯ) และมัลติมิเตอร์/เครื่องสอบเทียบความละเอียดสูง ในอดีตใช้ เซลล์ Weston (แรงดัน ≈ 1.0183 V) เป็นตัวแทนแรงดันมาตรฐานจนถึงยุคก่อน ค.ศ. 1990
5 · อุณหภูมิ: ITS-90 และจุดคงที่
สเกลอุณหภูมิสากลอ้างอิงจุดคงที่ของสารบริสุทธิ์ (จุดสามสถานะ จุดหลอมเหลว จุดเยือกแข็ง) ซึ่งเทอร์โมมิเตอร์ความต้านทานแพลตินัมมาตรฐานใช้สอบเทียบ ความสัมพันธ์ R–T ของ Pt100 ในมาตรฐาน IEC 60751 ก็อิงสเกลนี้
| จุดคงที่ ITS-90 | อุณหภูมิ (°C) |
|---|---|
| จุดสามสถานะของอาร์กอน | −189.3442 |
| จุดสามสถานะของปรอท | −38.8344 |
| จุดสามสถานะของน้ำ | 0.01 (273.16 K) |
| จุดหลอมเหลวของแกลเลียม | 29.7646 |
| จุดเยือกแข็งของอินเดียม | 156.5985 |
| จุดเยือกแข็งของดีบุก | 231.928 |
| จุดเยือกแข็งของสังกะสี | 419.527 |
| จุดเยือกแข็งของอะลูมิเนียม | 660.323 |
| จุดเยือกแข็งของเงิน | 961.78 |
6 · ความไม่แน่นอนของการวัด
ผลวัดที่ไม่มีความไม่แน่นอนกำกับ ถือว่าไม่สมบูรณ์ GUM (JCGM 100) กำหนดวิธีประเมิน: แต่ละองค์ประกอบแปลงเป็น ความไม่แน่นอนมาตรฐาน ui (Type A จากสถิติการวัดซ้ำ, Type B จากใบสอบเทียบ สเปก การแจกแจงสมมติ) แล้วรวมแบบรากที่สองของผลรวมกำลังสอง (กรณีองค์ประกอบอิสระ สัมประสิทธิ์ความไวเท่ากับ 1) และคูณตัวประกอบครอบคลุม k
รวมองค์ประกอบความไม่แน่นอน
ใส่ขนาดแต่ละองค์ประกอบ (หน่วยเดียวกัน) แล้วเลือกการแจกแจงเพื่อแปลงเป็นความไม่แน่นอนมาตรฐาน
ตัวอย่างทิศทาง: สเปก "±0.1 °C" ของเครื่องวัดมักตีความเป็นการแจกแจงสี่เหลี่ยมผืนผ้า u = 0.1/√3 ≈ 0.058 °C ; ความละเอียดการอ่าน 0.01 °C ให้ u = (0.01/2)/√3 ≈ 0.0029 °C ; ความไม่แน่นอนจากใบสอบเทียบที่ระบุ U = 0.05 °C (k = 2) ให้ u = 0.025 °C
7 · สถาบันมาตรวิทยาแห่งชาติ (NMI) ในแต่ละประเทศ
| ประเทศ | สถาบัน | ที่ตั้ง |
|---|---|---|
| ฝรั่งเศส | BIPM (นานาชาติ) · LNE (ระดับชาติ) | Sèvres · ปารีส/Trappes |
| สหรัฐอเมริกา | NIST | Gaithersburg, Maryland |
| เยอรมนี | PTB | Braunschweig และ Berlin |
| สหราชอาณาจักร | NPL | Teddington |
| ญี่ปุ่น | NMIJ/AIST | Tsukuba |
| สวิตเซอร์แลนด์ | METAS | Bern-Wabern |
| จีน | NIM | ปักกิ่ง |
| เกาหลีใต้ | KRISS | แทจอน |
| ออสเตรเลีย | NMIA | ซิดนีย์ (Lindfield) |
| สิงคโปร์ | NMC, A*STAR | สิงคโปร์ |
| อินเดีย | CSIR-NPL | นิวเดลี |
| ไทย | NIMT สถาบันมาตรวิทยาแห่งชาติ | ปทุมธานี |
ห้องปฏิบัติการสอบเทียบเอกชนในไทยที่ได้รับการรับรองตาม ISO/IEC 17025 จะระบุขอบข่ายและความไม่แน่นอนที่ทำได้ในใบรับรอง ตรวจสอบขอบข่ายก่อนส่งเครื่องมือไปสอบเทียบเสมอ