Revista Standardizarea, ed. nr. 1/2019

Autori: Liliana CÎRNEANU, Marciana SIMIONESCU, Institutul Național de Metrologie, Florica Elena IONESCU, expert standardizare, ASRO.

Introducere

Institutul Naţional de Metrologie (INM) este organizat ca institut de cercetare-dezvoltare în domeniul metrologiei, aflat în subordinea Biroului Român de Metrologie Legală (BRML).

Principalele activități desfășurate de INM constau în dezvoltarea, menținerea și utilizarea etaloanelor naționale, asigurarea trasabilității la Sistemul Internațional (SI) şi diseminarea unităților de măsură la nivel național.

Etaloanele naționale sunt bunuri publice, aflate în proprietatea statului român, întreținute, perfecționate, comparate, conservate și utilizate de către Institutul Național de Metrologie.

Laboratorul Mărimi Electrice din Institutul Naţional de Metrologie a fost şi este deţinătorul etaloanelor naţionale ale României în domeniul electric şi vârful sistemului de măsurări electrice naționale. Între etaloanele naţionale deţinute de acest laborator, se regăsesc şi cele care fac subiectul acestui articol, respectiv: etalonul naţional de rezistenţă şi de tensiune electrică în curent continuu.

Scurt istoric

Etalonul naţional de rezistenţă electrică în curent continuu al României a fost un etalon de grup, constituit din rezistoare de valoare unică. Prima etalonare a unui rezistor etalon de 1 Ω, fabricaţie Siemens & Halske, aparţinând Direcţiei de Măsuri şi Greutăţi, a avut loc la Biroului Internațional de Măsuri și Greutăți (BIPM) în anul 1937. Din anul 1958, institutul dispune de grupuri de rezistoare etalon cu valori nominale de: (0,1, 1, 10, 100) mΩ şi (1, 10, 100, 1 000, 10 000) Ω. Grupul de 1 Ω, cel care prezenta cele mai bune caracteristici metrologice, era utilizat pentru preluarea unităţii de la BIPM şi pentru diseminarea unităţii de rezistenţă electrică şi constituia etalonul naţional.

Începând cu anul 2006, etalonul naţional a fost completat cu un grup de rezistoare etalon de 10 kΩ si reatestat ca etalon naţional. Astfel, în prezent, etalonul naţional de rezistenţă electrică în curent continuu al României este un etalon secundar, format din două grupuri de rezistoare etalon de valoare unică de 1 Ω şi 10 kΩ.

Rezistorul etalon cu valoare unică, este un rezistor special caracterizat printr-o singură valoare nominală a rezistenţei electrice între punctele sale de conexiune, destinat a fi utilizat ca etalon de rezistenţă electrică. Rezistoarele etalon sunt construite astfel încât rezistenţa lor electrică să fie stabilă în timp şi să prezinte variaţii cât mai mici cu temperatura, umiditatea, presiunea şi cu modul de conectare în circuitul de măsurare.

Un rezistor din grupul naţional (Figura 1) este constituit dintr-o bobină de manganină introdusă într-o carcasă metalică etanşă. Capetele bobinei sunt conectate la 4 borne exterioare, două de curent – I1, I2 – şi două de tensiune – U1, U2 –, fixate pe capacul carcasei, care este o placă din material electroizolant.

Rezistoarele etalon de 1 Ω şi 10 kΩ care compun etalonul naţional şi etaloanele de referinţă sunt păstrate într-o încăpere termostatată la temperatura de 23°C ± 10 °C, la Institutul Naţional de Metrologie (Figura 2).

Pe lângă grupurile din componenţa etalonului naţional, laboratorul deţine etaloane de referinţă constituite din grupuri de rezistoare etalon cu valori nominale cuprinse în domeniul 0,1 mW – 100 TW. Aceste grupuri servesc la diseminarea unităţii de rezistenţă electrică, fiind plasate în schema de ierarhizare pe treapta imediat următoare, sub etalonul naţional.

Etalonul naţional de tensiune electrică în curent continuu a fost constituit în 1968 ca un etalon de grup, alcătuit din elemente Weston saturate (Figura 3), fabricate în URSS. Aceste elemente, însă, aveau următoarele dezavantaje:

• erau fragile, astfel că trebuiau manipulate cu o grijă deosebită; trebuiau ferite de zdruncinări, vibraţii, loviri sau şocuri mecanice;
• trebuiau să fie ferite de expunerea la lumină;
• nu trebuiau răsturnate sau înclinate, deoarece se puteau combina substanţele din interior, ducând la distrugerea pilei electrice;
• valoarea tensiunii electromotoare (t.e.m.) a elementelor era puternic dependentă de temperatură;
• valoarea tensiunii electromotoare (t.e.m.) a elementelor era afectată de fenomenul de histerezis termic; timpul de revenire la valoarea iniţială a tensiunii, după modificarea temperaturii, fiind de 10-30 de zile.

În consecinţă, se impunea înlocuirea acestor etaloane,  cu unele mai robuste şi mai puţin dependente de condiţiile de mediu. Astfel, în anul 2006, elementele Weston din componenţa etalonului naţional au fost înlocuite cu etaloane de tensiune cu diodă Zener (Figura 4). Acestea au următoarele avantaje:

• sunt stabile în timp;
• au acumulator, fapt ce le conferă o independenţă a alimentării timp de 72 de ore;
• sunt robuste şi fiabile, fiind rezistente la şocuri mecanice şi zdruncinări;
• influenţa temperaturii ambiante este minimă, având termostatare încorporată etc.

La sfârşitul anului 2011, a fost achiziţionat etalonul primar de tensiune electrică bazat pe efect Josephson (Figura 5) care realizează unitatea de măsură volt fără a se raporta la alte etaloane ale aceleiaşi mărimi şi se bazează, conform relaţiei de mai jos, numai pe constante fundamentale şi pe frecvenţa f care poate fi controlată cu foarte mare exactitate:

Vn = nf/K_J

unde:

• K_J = 2e/h, constanta Josephson;
• e – sarcina elementară;
• h – constanta Planck;
• n – numărul de trepte;
• f – frecvența radiației electromagnetice.

Valoarea constantei Josephson a fost atribuită prin consens internaţional la Comitetul Internaţional de Măsuri şi Greutăţi (CIPM) în 1988 şi a fost aplicată din 1 ianuarie 1990: K_J-90 = 483 597,9 GHz/V, cu o incertitudine standard relativă de 4×10^-7.

Până la data de 20 mai 2019 (Ziua Mondială a Metrologiei), va fi implementat Sistemul Internaţional de unităţi revizuit^[1]. Noile progrese în calculul constantelor fundamentale (în acest caz, constanta Planck şi sarcina elementară), au condus la o modificare a constantei Josephson de la valoarea atribuită în 1990 prin convenţie, la o nouă valoare, rotunjită la 15 cifre semnificative (această rotunjire conduce la o eroare mai mică de 1×10^-15, neglijabilă în marea majoritate a aplicaţiilor):

K_J = 483 597,848 416 984 GHz/V

Ca urmare, valoarea tensiunii se va modifica cu +0,1067 ppm (de exemplu, pentru 1 V, valoarea devine: 1,000 000 1067 V).

Componentele acestei instalaţii sunt:

• (1) – joncţiunea Josephson tip SIS (Nb/AlOx/Nb); cryocooler;
• (2) – unitatea electronică;
• (3) – sursă pentru blocarea frecvenţmetrului;
• (4) – detector de nul (nanovoltmetru);
• (5) – comutator cu trei canale pentru schimbarea polarităţii;
• (6) – senzor pentru temperatură, umiditate şi presiune atmosferică;
• (7) – computer cu interfaţă IEEE cu soft dedicat pentru controlul întregului sistem;
• (8) – compresor.^[2]

Asigurarea trasabilităţii la SI (Sistemul Internațional)

Rezultatele măsurărilor și valoarea etaloanelor trebuie să se raporteze la referințe stabilite, printr-un lanț neîntrerupt de comparări cu incertitudini determinate pentru a realiza trasabilitate la SI. În acest scop, trasabilitatea etalonului naţional de rezistenţă electrică la SI, se menţine prin etalonarea rezistoarelor de transfer de 1 Ω şi de 10 kΩ, la BIPM sau la un alt institut naţional cu capabilitate recunoscută CIPMMRA, faţă de etalonul primar de rezistenţă electrică bazat pe efectul Hall cuantic.

Pentru a susţine atestarea etalonului de rezistenţă electrică în curent continuu ca etalon naţional, INM a participat la două comparaţii bilaterale în 2006: BIPM.EM-K13 a şi BIPM.EM-K13 b, care au asigurat echivalenţa etalonului naţional cu valoarea de referinţă a comparaţiei cheie.^[3],[4]

În ceea ce priveşte trasabilitatea etalonului naţional de tensiune electrică în curent continuu la SI, aceasta s-a realizat până în 2011 (anul achiziţionării etalonului primar), prin etalonarea periodică a unuia dintre etaloanele de tensiune cu diodă Zener, la BIPM sau la un alt institut naţional cu capabilitate recunoscută CIPMMRA.

Începând din anul 2012, unitatea de măsură s-a transmis prin comparare directă faţă de etalonul primar bazat pe efect Josephson, aparţinând INM.

Pentru a susţine atestarea etalonului primar bazat pe efect Josephson ca etalon naţional, INM a participat la două comparaţii bilaterale: BIPM.EM-K11 a,b în 2013 şi BIPM.EM-K10 b în 2014, care au asigurat echivalenţa etalonului primar la valoarea de referinţă a comparaţiei cheie.^[5],[6]

Toate rezultatele acestor comparaţii susţin pe deplin incertitudinile de măsurare declarate de INM în domeniul mărimilor electrice în curent continuu. Acestea pot fi consultate pe site-ul web al BIMP (Bureau International des Poids et Mesures): https://kcdb.bipm.org/AppendixC/EM/RO/EM_RO.pdf.

Standarde general aplicabile

• SR EN ISO/IEC 17025:2018, Cerinţe generale pentru competenţa laboratoarelor de încercări şi etalonări. Acest standard specifică cerinţele generale pentru competenţa, imparţialitatea şi funcţionarea consecventă a laboratoarelor şi se aplică tuturor organizaţiilor care desfăşoară activităţi de laborator, indiferent de numărul personalului.
• SR GHID ISO/CEI 99:2010, Vocabular internaţional de metrologie. Concepte fundamentale şi generale şi termeni asociaţi (VIM). Acest vocabular conţine un ansamblu de definiţii şi de termeni asociaţi pentru un sistem de concepte fundamentale şi generale utilizate în metrologie şi scheme conceptuale care ilustrează relaţiile dintre ele. Pentru un mare număr de definiţii, sunt prezentate informaţii suplimentare sub formă de exemple şi note.
• ISO/IEC GUIDE 98-1:2009, Uncertainty of measurement – Part 1: Introduction to the expression of uncertainty in measurement. Ghidul pentru exprimarea incertitudinii în măsurare (GUM) oferă o scurtă introducere pentru a indica relevanţa acestui ghid fundamental şi a promova utilizarea sa. De asemenea, subliniază documentele referitoare la GUM care vizează extinderea aplicării acestui ghid la categorii şi domenii mai largi de probleme practice. Ghidul ISO/IEC 98-1:2009 (E) abordează ştiinţa măsurării la un nivel adecvat pentru acei cititori care au beneficiat de cursuri de formare cel puţin până în al doilea an al unui curs de studii ştiinţifice sau inginerie, care conţin noțiuni de predare a teoriei probabilităţilor şi statistici. Mai mult, Ghidul ia în considerare diferitele concepte folosite în ştiinţa măsurătorilor. În special, aceasta acoperă necesitatea de a caracteriza calitatea unei măsurători prin declaraţii adecvate de incertitudine de măsurare. Acest document introductiv descrie, de asemenea, evoluţia recentă a gândirii privind incertitudinea măsurării.
• SR GHID ISO/CEI 98-3:2010, Incertitudine de măsurare. Partea 3: Ghid pentru exprimarea incertitudinii de măsurare (GUM). Acest Ghid stabileşte reguli generale pentru evaluarea şi exprimarea incertitudinii măsurărilor care pot fi efectuate la diferite niveluri de exactitate şi în numeroase domenii de la activitate comercială până la cercetare fundamentală. De aceea, principiile acestui Ghid sunt gândite să fie aplicabile la un spectru larg de măsurări.
• ISO/IEC GUIDE 98-4:2012, Edition 1.0 (2012.11.19), Uncertainty of measurement – Part 4: Role of measurement uncertainty in conformity assessment. Ghidul ISO/IEC 98-4:2012 oferă îndrumări şi proceduri pentru evaluarea conformităţii unui element (entitate, obiect sau sistem) cu cerinţele specificate. Elementul ar putea fi, de exemplu, un bloc de calibre, cântare pentru produse alimentare sau o mostră de sânge. Procedurile pot fi aplicate în cazul în care există următoarele condiţii: elementul se distinge printr-o singură cantitate scalară (o proprietate măsurabilă) definită la un nivel de detaliu suficient pentru a fi reprezentat în mod rezonabil de o adevărată valoare reală unică; un interval de valori admisibile ale proprietăţii este specificat de una sau două limite de toleranţă; proprietatea poate fi măsurată şi rezultatul măsurării exprimat într-o manieră compatibilă cu principiile GUM, astfel încât cunoaşterea valorii proprietăţii poate fi descrisă în mod rezonabil prin: (a) o funcţie de densitate a probabilităţii, (b) o funcţie de distribuţie, (c) aproximări numerice la astfel de funcţii sau (d) o estimare optimă, împreună cu un interval de acoperire şi o probabilitate de acoperire asociată.

BIBLIOGRAFIE