Etaloane, etalonări, erori și incertitudini în măsurări

Precizia instrumentală este cea mai importantă caracteristică metro¬logică a mijloacelor de măsurare. Ea poate fi obţinută, deter¬minată şi verificată numai prin compararea mijlocului de măsurare cu un etalon. Această operaţie de comparare, numită în general etalonare, se execută la fabricarea oricărui mijloc de măsurare. Majoritatea mij¬loacelor de măsurare necesită şi etalonări periodice ulterioare, fie pentru consemnarea în scris a unor caracteristici metrologice, fie pentru sta¬bilirea încadrării acestora între limite prescrise.

- Etaloane

Etalonul este un mijloc de măsurare destinat definirii, reproducerii, determinării, conservării sau generării uneia sau mai multor valori cu¬noscute ale unei mărimi, pentru a servi drept referinţă în compararea altor mijloace de măsurare cu etalonul.

Etalonul poate fi o măsură etalon, un aparat de măsurat etalon, un traductor etalon sau un ansamblu de măsurare etalon (instalaţie de măsurare etalon, sistem de măsurare etalon etc.).

Mijloacele de măsurare etalon au deci o destinaţie bine precizată : etalonarea altor mijloace de măsurare. Etaloanele nu se folosesc pentru măsurări curente.

Categorii de etaloane

Uniformitatea şi compatibilitatea măsurărilor, în orice loc şi la orice moment, reclamă etaloane care să asigure :

- generarea principalelor unităţi de măsură, în conformitate cu definiţiile lor („materializarea" definiţiilor prin experimente adecvate) ;

- menţinerea (conservarea) unităţilor de măsură constante în timp, în toate laboratoarele de metrologie, pe plan naţional si pe plan mon¬dial ;

- corelarea între ele a unităţilor de măsură, derivarea altor uni¬tăţi de măsură, extinderea la multipli şi submultipli ai unităţilor de măsură şi trecerea de la regim static la regim dinamic.

Aceste trei operaţii fundamentale în activitatea de metrologie se efectuează, în mod corespunzător, cu următoarele trei categorii de etaloane :

- etaloane de definiţie ;

- etaloane de conservare ;

- etaloane de transfer.

Etaloanele de definiţie constituie referinţa iniţială pentru măsurarea unei mărimi, în conformitate cu definiţia unităţii sale de măsură. Eta¬lonul de definiţie „generează" unitatea de măsură, prin „materializarea" definiţiei sale, în cadrul unui experiment fizic bazat pe această definiţie.

De exemplu, etalonul de definiţie pentru unitatea de lungime este un laser a cărui frecvenţă este sincronizată pe un multiplu al frecvenţei atomului de cesiu 133. Acest etalon „reproduce" experimental definiţia metrului şi anume : lungimea drumului parcurs de lumină în vid în fracţiunea 1/299 792 458 dintr-o secundă. Etalonul de definiţie pentru unitatea de timp este un etalon atomic cu cesiu, care „generează" se¬cunda în conformitate cu definiţia ei şi anume 9 192 631 770 perioade ale radiaţiei atomului de cesiu 133. Etalonul de definiţie pentru intensitatea curentului electric este „balanţa de curent", care compară forţa electro¬dinamica creată de un curent electric într-un sistem de conductoare de dimensiuni cunoscute cu forţa de gravitaţie a unui corp de masă cu¬noscută, permiţând determinarea intensităţii curentului în funcţie de nişte lungimi şi de o masă, în conformitate cu definiţia amperului.

Etaloanele de conservare „păstrează" o anumită valoare a unei mărimi fizice, cu o bună stabilitate în timp. Această valoare, caracteristică eta¬lonului de conservare, trebuie determinată prin comparaţie cu un etalon de definiţie, sau cu alte etaloane de conservare.

Sub forma cea mai simplă, etalonul de conservare este un obiect sau un sistem tehnic care are o anumită proprietate stabilă în timp. De exemplu, o greutate de oţel sau din fontă este folosită ca etalon de con¬servare pentru masă ; o cală plan-paralelă este un etalon de conservare pentru lungime ; un rezistor din manganina este un etalon de con¬servare pentru rezistenţa electrică.

Alte tipuri de etaloane de conservare „generează" o mărime fizică de anumită valoare : un element normal generează o tensiune electromo¬toare de circa 1,018 V, o lampă etalon generează un flux luminos de o anumită valoare etc.

Tot etaloane de conservare sunt diverse instalaţii relativ complexe, bazate pe anumite efecte fizice, în care intervin eventual şi constante fizice. Un exemplu cunoscut este acela al surselor de radiaţii etalon, de lungimi de undă cunoscute, care servesc ca etaloane de lungime. Insta¬laţii bazate pe efectul Josephson, în care intervine constanta 2e/h, unde e este sarcina electronului şi h este constanta lui Planck, constituie cele mai precise etaloane de conservare pentru tensiunea electrică. Instalaţii folosind efectul giromagnetic al protonului, în care intervine constanta giromagnetică a protonului γ’p, sunt utilizate ca etaloane de conservare de cea mai înaltă precizie pentru intensitatea curentului electric.

Etaloanele de transfer fac trecerea de la etaloanele de conservare la etaloane ale unor mărimi derivate (transfer dimensional), la etaloane ale aceleiaşi mărimi dar de valori diferite (transfer adimensional) şi res¬pectiv la etaloane în regim variabil (transfer static-dinamic).

Etaloanele pentru transfer dimensional se numesc etaloane de deri¬vare. Cu ajutorul acestor etaloane se „reproduce" o mărime derivată, pe baza unei ecuaţii fizice, în funcţie de alte mărimi cunoscute. De exemplu, un manometru etalon cu piston şi greutăţi generează o presiune ale cărei valori se calculează în funcţie de masa totală a părţii mobile şi aria efectivă a ajustajului piston-cilindru ; o punte de cuadratura permite compararea unui etalon de capacitate electrică cu etaloane de rezistenţă electrică şi de frecvenţă ; un inductor mutual etalon, împreună cu un mijloc etalon de măsurare a curentului, constituie, un etalon de flux magnetic.

Etaloanele pentru transfer adimensional se numesc etaloane de raport. Ele se folosesc îndeosebi în domeniul mărimilor electrice. Sunt constituite din „dispozitive de raport" de mare precizie (divizoare de tensiune, comparatoare de curent, transformatoare de curent şi de tensiune, ate¬nuatoare etc.), care permit efectuarea unor comparaţii 1: n prin metode de raport.

Etaloanele pentru transfer static-dinamic sunt destinate trans¬punerii în regim de variaţie sinusoidală, în impulsuri sau altă dependenţă de timp a unor mărimi de valoare cunoscută. Se cunosc asemenea etaloane pentru mărimi ca forţa, tensiune electrică, curentul electric, putere electrică etc.

Clasificarea etaloanelor după componenţa lor

Un mijloc de măsurare care îndeplineşte singur, de sine stătător, rolul de etalon constituie un etalon individual. Exemple de etaloane indi¬viduale : etalon de masă de 1 kg, cală plan-paralelă etalon, manometru etalon, voltmetru etalon.