mikes metrologia ka · pdf file4 — vtt mikes metrologia kalibrointipalvelut 2016 vtt...

MIKES METROLOGIA

KalibrointipalvelutKansainvälistäkilpailukykyä

ja luotettavuutta

2 — VTT MIKES METROLOGIA Kalibrointipalvelut 2018

Copyright © VTT MIKES 2018

Teknologian tutkimuskeskus VTT OyPL 1000 (Vuorimiehentie 3, Espoo), 02044 VTTPuh. 020 722 111, faksi +358 722 7001www.vtt.fi

http://www.vtt.fi/

VTT MIKES METROLOGIA Kalibrointipalvelut 2018 — 3

VTT MIKES - metrologia

Massa, paine, virtausPunnusten kalibrointi .............................................................................. 6Paineen mittauslaitteiden kalibroinnit ..................................................... 8Voiman ja vääntömomentin kalibrointi ................................................... 10Vesivirtausmittareiden kalibrointi ......................................................... 12Kaasuvirtauskalibroinnit ja nesteiden tiheys ........................................... 14Putoamiskiihtyvyys ............................................................................. 16

Lämpötila, kosteusKosteusmittareiden kalibrointi............................................................. 18Infrapunalämpömittareiden kalibrointi .................................................. 20Platinavastuslämpömittareiden kiintopistekalibrointi ............................. 22

Sähkö, akustiikkaTasajännitteen ja -virran kalibrointi........................................................ 24Vaihtojännitteen ja vaihtovirran kalibrointi ............................................. 26Kapasitanssi- ja induktanssinormaalien kalibrointi ................................ 28Resistanssin kalibrointi ........................................................................ 30Verkkotaajuisen tehon ja energian kalibroinnit ........................................ 32RF- ja mikroaaltokalibroinnit ............................................................... 34Suurjännite- ja suurvirtasuureet ........................................................... 36Akustiset kalibroinnit ........................................................................... 38

AikaAjan, aikavälin ja taajuuden kalibrointi ................................................. 40

OptiikkaOptiset suureet .................................................................................... 42

Pituus, geometriaQuantitave Microscopy – Atomic Force Microscope ............................. 44Nanopartikkelien karakterisointi ........................................................... 46Laserinterferometrien kalibrointi .......................................................... 48Mittapalojen interferometrinen kalibrointi ............................................. 50Mittapalojen mekaaninen vertailukalibrointi .......................................... 52Muodon ja pinnankarheuden 2D- ja 3D-mittaus ...................................... 54Optinen pinnanmuodon mittaus ............................................................ 56Takymetrit .......................................................................................... 58Kulman ja kohtisuoruuden mittaus ........................................................ 60Tarkkojen sisä- ja ulkopuolisten mittojen sekä kierteiden mittaukset ......... 62Koordinaattimittaus ............................................................................. 64Optinen koordinaattimittaus – videomittaus.......................................... 66Piirtomitat ja etäisyysmittarit ............................................................... 68Tasomaisuuden ja muodon interferometrinen mittaus ............................ 70Työstökonemittaukset .......................................................................... 72Ympyrämäisyyden mittaus .................................................................. 74Calibration of microscopes and calibration standards............................ 76Pituus geodesiassa ............................................................................. 78

KemiaVeden laatu ......................................................................................... 80


VTT MIKES metrologiaVTT MIKESTekniikantie 102150 ESPOO

VTT MIKES-Kajaani, Tehdaskatu 15,Puristamo 9P1987100 KAJAANI

Puh. 020 722 111 (keskus)Sähköposti: [email protected]

MIKES on kansallinen metrologian eli mittaustieteen laitos, joka ylläpitää ja kehittää kansallista mittanor-maalijärjestelmää. MIKES toimii itse useimpien suureiden kansallisena mittanormaalilaboratoriona janimeää muut tarvittavat mittanormaalilaboratoriot ja sopimuslaboratoriot. Tällä hetkellä Suomessa onhieman hajautettu metrologiaorganisaatio.

MIKES-metrologia on Suomen edustaja kansainvälisissämetrologian yhteistyöjärjestöissä: European Association ofNational Metrology Institutes (EURAMET e.V.), ConférenceGénérale des Poids et Mesures (CGPM), Comité Internatio-nale des Poids et Mesures (CIPM) ja Bureau Internationaldes Poids et Mesures (BIPM). Jäsenenä MIKES vaikuttaametrologian tutkimuksen painopisteisiin ja avainvertailujenjärjestämiseen.

MIKES on allekirjoittanut kansainvälisen tunnustamissopi-muksen CIPM MRA (Mutual Recognition Arrangement),jossa mukana olevat kansalliset metrologialaitokset ja kan-salliset mittanormaalilaboratoriot tunnustavat toistensa mit-tanormaalit ja toistensa antamat mittaus- ja kalibrointitodis-tukset tasavertaisiksi. CIPM MRA:n tavoite on ”kerran mi-tattu, kaikkialla hyväksytty” (kuva 2). Menettelyn tuloksenakunkin kansallisen metrologialaitoksen ja mittanormaalila-boratorion mittauskykytiedot, CMC:t (Calibration and Mea-surement Capabilities), on julkaistu BIPM:n tietokannassa:

http://kcdb.bipm.org/ (taulukko 1).

Kuva 2. CIPM MRA-logo kalibrointitodis-tuksessa kertoo, ettämittauksemme hyväk-sytään globaalisti.

• Toteutamme SI-mittayksikköjärjestelmän• Teemme korkeatasoista mittaustieteen tutkimusta• Kehitämme mittausmenetelmiä teollisuuden ja

yhteiskunnan tarpeisiin• Tarjoamme kalibrointi-, asiantuntija- ja

koulutuspalveluita

http://www.mikes.fi/

http://kcdb.bipm.org/


Kalibrointipalvelujen lisäksi MIKES-metrologia tekee tutki-musyhteistyötä muiden metrologialaitosten, teollisuuden,tutkimuslaitosten ja yliopistojen kanssa. Tutkimuksen ta-voitteena on edistää mittausten luotettavuutta ja saavuttaatarkemmilla mittauksilla lisäarvoa yhteiskunnan eri alojen

tuottavuudelle ja kilpailukyvylle. Tutkimuspalvelujen lisäksitarjoamme tuotekehityspalveluja mm. mittauslaitesuunnit-teluun, prototyyppien valmistukseen, laitetestaukseen javalidointiin sekä koulutusta esim. mittausjärjestelmistä jamittausepävarmuudesta.

Metrikonventio

Kansallinen mittanormaalijärjestelmä

Kuva 1. Metrologiaorganisaatio Suomessa. MIKES=Mittatekniikan keskus, Aalto = MIKES Aalto mittaustekniikka,SYKE=Suomen Ympäristökeskus, FMI=Ilmatieteen laitos, STUK=Säteilyturvakeskus ja MML/FGI= MaanmittauslaitoksenPaikkatietokeskus.

Taulukko 1. CMC-vientejä on heinäkuussa 2015 yhteensä 24031 ja niistä 359 Suomesta. Alla esimerkki yhdestä rivistä.

Measurement Levelor Range

Measurement Conditions /Independent variables

Expanded Uncertainty

Minimumvalue

Maximumvalue

Units Parameter Specifications Value Units Coveragefactor

Level of Con-fidence

Is the ex-panded un-certainty arelative one

Comments Serviceprovider

231,928 231,928 °C Temperaturecontrolledfurnace

231 °C 0,0009 °C 2 95 % No Approved on18 May 2004

MIKES

Sähkö, akustiikka, aika, taajuus, lämpötila, kosteus,paine, massa, voima, vääntömomentti, virtaus ja pituus

Veden laatu Ilman laatu Ionisoiva säteilyPituus geodesiassa

ja putoamiskiihtyvyys

Foto- ja radiometria

Sn-c

ell

Tinan jähmettymispisteMIKES on osoittanut pystyvänsä mittaamaanarvon 0,0009 °C tarkkuudella.


Massa,paine ja virtaus

Lämpötilaja kosteus

Sähkö, aika jaakustiikka

Optiikka Pituus jageometria

Kemia

Punnusten kalibrointiHeikki Kajastie, TutkijaPuh. 050 410 5511(Espoo)[email protected]

Kari Kyllönen, TutkimusteknikkoPuh. 050 4434180 (Kajaani)[email protected]

MIKES, Tekniikantie 1, 02150 EspooMIKES-Kajaani, Tehdaskatu 15, Puris-tamo 9P19, 87100 KajaaniPuh. 020 722 111, www.mikes.fi

JäljitettävyysMIKESin massalaboratorion punnusnormaalit ovatmassan kansallisen mittanormaalin – Pt-Ir-kilogram-man prototyypin nro 23 – välityksellä jäljitettävissäBIPM:ssä säilytettävään kansainvälisen kilogrammanprototyyppiin. Laboratorion mittanormaalien vertailu-kelpoisuutta pidetään yllä vertailumittauksilla (Esim.EURAMET avainvertailut). Laboratorio tekee vaakoi-hin ja punnuksiin liittyvää tutkimus– ja kehitystyötäsekä tarjoaa punnusten ja vaakojen käyttöön liittyviäasiantuntijapalveluja. Laboratoriolla on käytössäänkorkealuokkaiset tilat ja automaattisilla punnusten-vaihtimilla varustettuja vaakoja. Laboratoriotilat sijait-sevat Otaniemessä ja Kajaanissa.

MittausmenetelmätMIKESin massan mittausalueena on 1 mg ... 2000 kg.Punnusten kalibroinnit tehdään yleisesti hyväksytyilläpunnitusmenetelmillä. Näitä ovat vertailumenetelmäja jakomenetelmä. Edellisessä punnusta verrataansuoraan normaaliin ja jälkimmäisessä punnussarjakalibroidaan yhden tai useamman punnusnormaalinavulla.

mailto:[email protected]




KalibrointipalvelutMIKESillä on resurssit kalibroida OIML luokkien E1,E2 ja F1 mukaisia punnuksia, joiden nimellismassatovat korkeintaan 20 kg (E1), 50 kg (E2) ja 2000 kg(F1).

MIKES kalibroi myös muita punnuksia, kuten paine-vaakojen punnuksia. Kalibrointitodistuksissa punnus-ten massat annetaan joko konventionaalisena mas-sana tai todellisena massana.

Massan kalibroinneissa saavutettavat pienimmät mit-tausepävarmuudet on koottu oheiseen taulukkoon 1.Punnukset, joiden nimellismassa on 50 kg tai suu-rempi kalibroidaan Kajaanissa.

Punnusten tilavuudenkalibrointiPunnusta kalibroitaessa joudutaan punnitustulok-seen tekemään ilman nosteesta aiheutuva korjaus.Korjauksen suuruus riippuu punnuksen tilavuudestaja ilman tiheydestä. Jotta korjaus voitaisiin tehdä riit-tävän tarkasti, on tarkimpien punnusten tilavuudettunnettava. Massalaboratorio kalibroi kiinteiden kap-paleiden tilavuuksia ja tiheyksiä. Tiheysnormaalinaon joko tislattu vesi tai pii. Mittausmenetelmänä onhydrostaattinen punnitus. Mittauslaitteisto soveltuu2 kg ja sitä pienempien punnusten tilavuuksien kalib-rointiin. Isompien punnusten tilavuudet voidaan tarvit-taessa määrittää esim. dimensiomittausten avulla.Punnusten tilavuuden kalibroinnissa saavutettavatepävarmuudet on koottu oheiseen taulukkoon 2.

Taulukko 1. Punnuskalibrointien mittausepävarmuudet.

Massa Mittausepävarmuus (k=2)2000 kg *) 3000 mg1000 kg *) 1500 mg500 kg *) 750 mg200 kg *) 300 mg100 kg *) 200 mg50 kg *) 30 mg

20 kg 3,0 mg10 kg 1,5 mg5 kg 1,0 mg2 kg 0,3 mg1 kg 0,05 mg

500 g 0,03 mg200 g 0,02 mg100 g 0,015 mg50 g 0,010 mg20 g 0,008 mg10 g 0,007 mg5 g 0,005 mg2 g 0,004 mg1 g 0,003 mg

500 mg 0,003 mg200 mg 0,002 mg100 mg 0,0015 mg50 mg 0,0015 mg20 mg 0,0010 mg10 mg 0,0008 mg5 mg 0,0008 mg2 mg 0,0008 mg1 mg 0,0008 mg

*) Kalibroinnit tehdään MIKES-Kajaanissa

Taulukko 2. Tilavuuskalibrointien mittausepävarmuudet.

Massa Tilavuus Epävarmuus (k=2)1 g – 2 kg 0,1 – 255 cm3 0,000 3 – 0,008 cm3






Kemia

Paineen mittauslaittei-den kalibroinnitMonika Lecklin, TutkimusteknikkoPuh. 050 410 [email protected]

Sari Saxholm, ErikoistutkijaPuh. 050 410 [email protected]

MIKES, Tekniikantie 1, 02150 EspooPuh. 020 722 111www.mikes.fi

Kuva 1. Paineen yksikkö toteutetaan jäljitettävästi paine-vaa’alla.

MIKESillä on hyvät valmiudet erilaisten paineen mit-tauslaitteiden kalibrointeihin. Mittausalue on ylipai-nealueella 0 ... 500 MPa ja absoluuttipainealueella0,0005 Pa ... 1,75 MPa. MIKESin parhaat mitta-normaalit ovat painevaakoja, joilla paine realisoidaanmääritelmän mukaisesti, p = F / A, eli paine on voima

jaettuna pinta-alalla. Voima muodostuu painevaa’anmännän ja sen päällä olevien punnusten massoista.Paikallinen putoamiskiihtyvyyden arvo tulee tuntea.Pinta-ala A on painevaa’an mäntä-sylinteriyhdistel-män tehollinen pinta-ala.

Painevaakoja käytetään yli- ja alipainealueen mit-tauksissa sekä absoluuttisen paineen mittauksissa.

Painevaaka-alueen mittauksissa laajalla toiminta-alu-eella tarvitaan useita erikokoisia mäntä-sylinteriyhdis-telmiä, jotta erilaisia paineita voidaan toteuttaa ja pun-nusten määrä pysyy silti helposti käsiteltävänä.

Painevaaka-alueen alapuolella käytetään mittanor-maaleina kapasitiivisia antureita ja spinning rotor -mit-taria. Spinning rotor -mittarilla kalibroidaan tyhjiöalu-een kaikkein pienimmät paineet: 0,0005 Pa ... 2 Paabsoluuttista painetta. Spinning rotor -mittarilla tehtä-vät mittaukset ovat vaativia pitkien stabiloitumisaiko-jen ja mittausmenetelmän vaatiman pitkän mittaus-ajan vuoksi.

Paineen mittausmenetelmät ja -laitteet vaihtelevatpaine-alueesta riippuen.

Kuva 2. Painemittauksia tehdään hyvin laajalla alueella, esimerkiksi alkaen hiukkaskiihdytinkokeiden 10–9 pascalistajauhemetallurgian yli 109 pascalin eli 1 GPa:n paineisiin. Mittalaitteet ja niiden toimintaperiaatteet vaihtelevat suurestimitattavasta painealueesta riippuen. MIKESin mittausalue 0,5 mPa ... 500 MPa on merkitty kuvaan sinisellä palkilla.








KemiaPaineen mittauslaitteiden kalibroinnit


Kuva 3. Käytännössä paineen mittaaminen on aina paine-eron mittaamista. Vertailuarvosta riippuen käytetään pai-neelle erilaisia nimityksiä, ja erilaisia mittauslaitteita.

Absoluuttinen paineVertailuarvona on tyhjiö (vakuumimittarit).

Vallitseva ilmanpaineVallitseva ilmanpaine on ilmakehän aiheuttamaa ab-soluuttista painetta eli vertailuarvona on tyhjiö (baro-metrit).

YlipaineVertailuarvona on vallitseva ilmanpaine. Esimerkiksiauton rengaspaine on ylipainetta. Ylipaine voidaanmuuntaa absoluuttipaineeksi lisäämällä siihen muun-noshetkellä vallitseva ilmanpaine.

AlipaineAlipaine on negatiivista ylipainetta, ja vertailuarvonaon vallitseva ilmanpaine. Absoluuttipaineeksi muun-nettuna alipaine on siten vallitsevaa ilmanpainettapienempi. Alipaine tarkoittaa siis kohteen pienempääpainetta verrattuna ympäristöön.

Paine-eroPaine-erosta puhutaan erityisesti silloin, kun vertai-luarvona on jokin muu paine kuin tyhjiö tai vallitsevailmanpaine. Vertailuarvoa sanotaan tällöin usein lin-japaineeksi.

Absoluuttipaine,kaasu väliaineena

Painealue (Pa)

Suhteellinenmittausepävarmuus

k = 2 (%)

Ylipaine,kaasu väliaineena

Painealue (Pa)


k = 2 (%)0,0005 9 100 0,030,001 6 1000 0,010,01 3 10 000 0,0040,1 3 100 000 (0,1 MPa) 0,003

1 2 1 000 000 (1 MPa) 0,002

10 0,5 10 000 000 (10 MPa) 0,004100 0,1 16 000 000 (16 MPa) 0,004

1000 0,01

Kuva 4. Erikokoisia paine-vaakojen mäntä-sylinteri-yhdistelmiä.

10 000 0,005100 000 (0,1 MPa) 0,0041 000 000 (1 MPa) 0,004

1 750 000 (1,75 MPa) 0,003

Alipaine,kaasu väliaineena

Painealue (Pa)


k = 2 (%)

Ylipaine,öljy väliaineenaPainealue (Pa)


k = 2 (%)

–100 0,03 500 000 (0,5 MPa) 0,005–1000 0,01 1 000 000 (1 MPa) 0,004

–10 000 0,005 10 000 000 (10 MPa) 0,003–100 000 (–0,1 MPa) 0,004 100 000 000 (100 MPa) 0,003

500 000 000 (500 MPa) 0,01






Kemia

Voiman ja vääntömomentinkalibrointiSauli Kilponen, TutkimusinsinööriPuh. 050 443 [email protected]

Jani Korhonen, TutkimusinsinööriPuh. 050 443 [email protected]

MIKES, Tehdaskatu 15, Puristamo9P19, 87100 Kajaani, Puh. 050 4434213www.mikes.fi

Voiman jäljitettävyysja kalibrointi

VTT MIKES-Kajaani suorittaa voiman kalibrointejaalueella 1 N ... 1,1 MN, pienimmän mittausepävarmuu-den ollessa 2×10–5. Kalibroitavia laitteita ovat muunmuassa voima-anturit, voimanmittauslaitteet, vaa’at(esimerkiksi koukku-, pyöräpaino- ja lentokonevaa’at)ja vetokoelaitteet.

Voiman kalibrointi perustuu standardiin ISO 376. Voi-man kalibrointi alueella 1 N ... 110 kN tehdään voima-normaaleilla, joiden toiminta perustuu suoraan kuormi-tukseen massoilla. Hydraulisella voimanormaalilla voi-daan tehdä kalibroinnit alueella 20 kN ... 1,1 MN.

Voiman muodostus perustuu tunnetun massan aiheut-tamaan voimaan maan vetovoimakentässä (F = mg).VTT MIKES-Kajaanin käyttämät massat ovat jäljitettä-vissä massan kansallisen mittanormaalin kauttaBIPM:ssä säilytettävään kansainvälisen kilogrammanprototyyppiin. Jäljitettävyys toteutetaan paitsi masso-jen kalibroinneilla myös kansainvälisillä vertailumit-tauksilla, joista avainvertailu on tärkein.

Kuva 1. Kuvassa 1 MN:n hydraulinen voimanormaali sekä100 kN:n suorakuormitteinen voimanormaali. Laitteistonkokonaiskorkeus on n. 8 m, mihin sisältyvät lattiatason ala-puolella olevat kuormitusmassat.

Taulukko 1. Voiman mittausalueet.

Kuormitustapa Mittausalue Mittausepävarmuus (k=2)

Suorakuormitus Puristus / veto: 10 N ... 10 kN 2 · 10–5

Suorakuormitus Puristus / veto: 10 kN ... 100 kN 5 · 10–5

Hydraulinen kuormitus Puristus / veto: 20 kN ... 1 MN 1 · 10–4

Voiman kenttäkalibrointi 1 N ... 1 MN 5 · 10–4








KemiaVoiman ja vääntömomentin kalibrointi


Vääntömomentinjäljitettävyys ja kalibrointi

MIKES-Kajaani suorittaa vääntömomentin kalibroin-teja alueella 0,1 Nm ... 20 kNm, parhaimman mittaus-kyvyn ollessa 5×10–4. Vääntömomentin kalibrointi ta-pahtuu vääntömomentin perusnormaaleilla tai refe-renssiantureihin perustuvilla normaaleilla.

Vääntömomentissa kalibrointitarve jakaantuu kol-meen eri tyyppiseen laiteryhmään. Suurin tarkkuus-vaatimus on vääntömomenttiantureilla, joita käyte-tään esimerkiksi pyörivien koneiden tutkimuksessavääntömomentin mittaamiseen, mm. pumpuissa jamoottoreissa, mittausepävarmuuden vaatimus0,05 % ... 0,5 %. Toinen ryhmä on vääntömomentti-työkalujen kalibrointilaitteet. Näitä laitteita on teolli-suudella, jolla on runsaasti vääntömomenttityökaluja.Näiden osalta kalibrointinormaalin mittausepävar-muus ei saa ylittää arvoa 0,5 %. Kolmantena ryhmänäovat vääntömomenttityökalut lähinnä teollisuudelle,jolla ei itsellään ole kalibrointilaitteita. Työkalujenkalibroinnin mittausepävarmuus on yleensä alueella1 % ... 10 %.

Vääntömomentin kalibrointimenettelyille on standar-deja hyvin rajoitetusti. Vääntömomenttityökaluille onISO 6789, joka on lähinnä testausstandardi, muttamäärittelee myös kalibrointimenettelyn. Työkalujenkalibrointilaitteille ei ole standardia tai suositusta.Vääntömomenttiantureille on olemassa EA:n työryh-män tekemä suositus (Euramet/cg14), jota eurooppa-laiset maat käyttävät ja sitä sovelletaan mahdollisuuk-sien mukaan.

Vääntömomentti on johdannaissuure, joka muodos-tuu tunnetuista massoista ja tunnetusta vivun pituu-desta. Vaikka sekä massoille että pituudelle saadaanjäljitettävyys erikseen, niin vääntömomentin kokonai-suuden varmentaminen perustuu pääasiallisesti labo-ratorioiden keskinäisiin vertailumittauksiin.

Kuva 2. 2 kNm:n vääntömomenttinormaali, jolla tehdäänvertailumittaukset alueella 100 Nm – 2 kNm sekä vääntö-momenttianturien kalibroinnit.

Kuva 3. Referenssianturiin perustuva vääntömomentti-normaali, 20 kNm

Momenttinormaali Mittausalue Mittausepävarmuus (k=2)

Vipu - massa 0,1 ... 10 Nm oikea / vasen 5 · 10–4

Vipu - massa 10 ... 2000 Nm oikea / vasen 5 · 10–4

Referenssinormaali 2 ... 20 kNm oikea / vasen 5 · 10–4






Kemia

VesivirtausmittareidenkalibrointiMika Huovinen, TutkijaPuh. 050 415 [email protected]

Timo Nissilä, TutkimusinsinööriPuh. 050 443 [email protected]

MIKES, Tehdaskatu 15, Puristamo 9P19,87100 Kajaani, Puh. 050 443 4213www.mikes.fi

Kalibroinnilla luotettavuuttaNestevirtausten tarkkaa mittaamista tarvitaan monillateollisuuden aloilla, kuten prosessi-, kaivannais- jaenergiateollisuudessa. Kansainvälisen kilpailukyvynsäilyttämiseksi ja tuotteiden laadun takaamiseksi tar-kat nestevirtausmittaukset mahdollistavat teollistenprosessien optimaalisen toiminnan ja tätä kautta vä-hentävät resurssien käyttöä sekä päästöjä ympäris-töön. Olipa sovellus mikä tahansa, nestevirtausmitta-rien säännöllinen kalibrointi ja niiden stabiiliuden seu-ranta ovat oleellinen osa mittausten varmentamista.

Kuva 1. D200-nestevirtauskalibrointilaitteistonkäyttöliittymä.








KemiaVesivirtausmittareiden kalibrointi


JäljitettävyysMIKES-Kajaanin nestevirtauslaboratorion tärkeim-pänä tehtävänä on toteuttaa nestevirtausmittaustenjäljitettävyys Suomessa ylläpitämällä ja kehittämällänestevirtauksen mittanormaaleja sekä tarjoamalla ka-librointi- ja asiantuntijapalveluja. Laboratorion korkeataso pidetään yllä osallistumalla alan kansainvälisiintutkimus- ja vertailumittaushankkeisiin sekä toteutta-malla tutkimushankkeita. VTT MIKES-Kajaanin nes-tevirtauslaboratoriossa noudatetaan ISO/IEC 17025mukaista laatujärjestelmää.

KalibrointipalvelutMIKES-Kajaani kalibroi nestevirtausmittareita kolmel-la eri nestevirtauskalibrointilaitteistolla, joista yksi onnestevirtauksen kansallinen mittanormaali. Tämä tar-kin nestevirtauksen mittaus toimii gravimetrisella pe-riaatteella ja tällä mittanormaalilla tehtävät nestevir-tausmittaukset ovat jäljitettävissä SI-yksiköihin ajan,massan ja lämpötilan kansallisten mittanormaalienkautta.

Mittanormaalissa nestevirtaus saadaan aikaan maanvetovoimaa hyväksi käyttäen siten, että 20 m:n kor-keudella sijaitsevassa säiliössä veden pinnankorkeuspidetään vakiona ja tilavuusvirta säädetään haluttuunarvoon. Kalibrointihetkellä kalibroitavan mittarin läpikulkeva vesivirta ohjataan vaa’alle ja mittarilta saatujatuloksia verrataan vaa’an tuloksiin.

Suljettuun vesikiertoon perustuvissa kalibrointilaitteis-toissa referenssimittareina toimivat joko magneettisetvirtausmittarit tai Coriolis-massavirtamittarit. Näissäjäljitettävyys perustuu DN 200 (putken halkaisija 20cm) kokoon asti MIKESin omaan gravimetriseen mit-tanormaaliin. Jäljitettävyys suurempien putkikokojenkohdalla tulee ulkomaisista metrologialaitoksista, tyy-pillisesti PTB:ltä Saksasta.

MIKESin nestevirtausmittareiden kalibrointien mit-taustavat, mittausalueet ja saavutettavat epävarmuu-det on koottu oheiseen taulukkoon 1.

Taulukko 1. Nestevirtauskalibrointilaitteistojen mittausalueet ja mittausepävarmuus.

Laitteisto Toiminta-periaate

Putkikoot Tilavuusvirta Paine Mittausepävarmuus(k=2)

D100 suljettu kierto DN 15DN 50

0,3 l/s … 20 l/s <0,7 MPa 0,3 %

D500 suljettu kierto DN 150DN 500

7 l/s … 750 l/s <0,5 MPa 0,3 %

D200 gravimetrinen DN 10DN 50DN 100DN 200

0,1 l/s … 200 l/s 0,2 MPa 0,03 %

Lisäksi MIKES-Kajaanissa on jäähdytyksellä varustettu massankierrätyslaitteisto, jossa voidaan kierrättää sa-keudeltaan 0 % … 12 % massaa virtausnopeudella 0,5 m/s … 3 m/s.

Kuva 2. Osa D500-nestevirtauskalibrointilaitteistosta.






Kemia

Kaasuvirtauskalibroinnitja nesteiden tiheysRichard Högström, ErikoistutkijaPuh. 050 303 [email protected]

Heikki Kajastie, TutkijaPuh. 050 410 [email protected]


Kalibroinnilla luotettavuuttaPienten kaasumäärien tarkkaa mittaamista tarvitaannykyisin monissa eri sovelluksissa. Asiakkaiden tur-vallisuuden varmistaminen esimerkiksi terveyden-huollossa, sairaanhoidossa ja lääketeollisuudessa onerittäin tärkeää. Kansainvälisen kilpailukyvyn säilyttä-miseksi ja tuotteiden laadun takaamiseksi on proses-siteollisuuden kaasuvirtausmittauksien tarkkuus pys-tyttävä luotettavasti todentamaan. Olipa sovellusmikä tahansa, virtausmittarien säännöllinen kalib-rointi ja niiden stabiiliuden seuranta ovat oleellinenosa mittausten varmentamista. MIKES kalibroi kaasu-virtausmittareita virtausalueella 5 ml/min ... 110 l/min,sekä tarjoaa kaasuvirtausmittauksiin ja niiden luotet-tavuuteen liittyvää tutkimus- ja asiantuntijapalvelua.

JäljitettävyysMIKESin tehtävänä on luoda edellytykset virtausmit-tausten jäljitettävyydelle Suomessa kehittämällä ja yl-läpitämällä virtauksen mittanormaaleja sekä tarjoa-malla kalibrointija asiantuntijapalveluja.

MIKESissä kaasun massavirran jäljitettävyys perus-tuu virtauslaboratoriossa kehittämäämme punnituk-seen perustuvaan kalibrointilaitteistoon (DWS, Dyna-mic weighing system). Laitteistolla tehdyt virtausmit-taukset voidaan jäljittää massan ja ajan kansallisiinmittanormaaleihin. DWS-laitteistolla kalibroidaan la-boratoriomme laminaarivirtauselementteihin perustu-van laitteiston (LFE, Laminar flow element) mitta-normaalit sekä sellaiset asiakkaiden mittarit, joidensuhteellinen tarkkuustaso on parempi kuin 1 %.

Virtausmittaustoimintamme korkea taso pidetään ylläosallistumalla alan kansainvälisiin tutkimus- ja vertai-lumittaushankkeisiin sekä toteuttamalla omia tutki-mushankkeita.








KemiaKaasuvirtauskalibroinnit ja nesteiden tiheys


Kalibrointipalvelut

Mikäli kaasuvirtausmittarin suhteellinen tarkkuustasoon parempi kuin 1 %, käytetään sen kalibrointiinDWS-kalibrointilaitteistoa. Tyypillisiä tällä laitteistollakalibroitavia virtausmittareita ovat esimerkiksi laaduk-kaat laminaarivirtauselementit ja eräät mäntä-sylinte-ritilavuusvirtamittarit.

Suurin osa asiakkaiden virtausmittareista kalibroi-daan MIKESissä LFE-kalibrointilaitteistolla. Sen käy-tettävyys on DWS-kalibrointilaitteistoa parempi javaatimukset ympäristöolosuhteille pienemmät. Mit-taustoiminta on siten joustavampaa ja nopeampaa.Laitteiston on havaittu soveltuvan hyvin sellaisten vir-tausmittarien kalibrointeihin, joiden suhteellinen tark-kuustaso on huonompi kuin 1 %. Näitä ovat esimer-kiksi termiset massavirtamittarit ja -säätäjät.

MIKES tekee myös nesteiden tiheysmittauksia. Kalib-roimme esimerkiksi areometrejä ja värähtelyyn perus-tuvia tiheysmittareita sekä määritämme asiakkaidenomien nestenäytteiden tiheyksiä mittausalueella600 kg/m3 ... 2000 kg/m3.

Taulukko 1. MIKESin mittausalueet ja parhaimmat saavutettavissa olevat kalibrointiepävarmuudet.

Suure Mittausalue Mittausepävarmuus (k=2)

Massavirta (DWS) 0,1 mg/s ... 625 mg/s 0,3 % ... 0,8 %

Massavirta (LFE) 0,1 mg/s ... 625 mg/s 0,4 % ... 0,9 %

Tilavuusvirta (LFE) 5 ml/min ... 30 l/min 0,4 % ... 0,9 %

Nesteen tiheys (LDCS) 600 kg/m3 ... 2000 kg/m3 15 ppm

Areometrin kalibrointi (HCS) 600 kg/m3 ... 2000 kg/m3 0,05 %

DWS = Dynamic weighing systemLFE = Laminar flow elementLDCS = Liquid density calibration systemHCS = Hydrometer calibration system






Kemia

PutoamiskiihtyvyysMarkku Poutanen, Prof.Puh. 029 531 [email protected]

Mirjam Bilker-Koivulavanhempi tutkijaPuh. 029 531 [email protected]

Hannu Ruotsalainenvanhempi tutkijaPuh. 029 531 [email protected]

Paikkatietokeskus, Geodeetin-rinne 2, 02430 Masala,Puh. 029 530 1100,www.fgi.fi

MaanmittauslaitoksenpaikkatietokeskusMaanmittauslaitoksen paikkatietokeskus ylläpitäägeodeettisten ja fotogrammetristen mittausten mitta-normaaleja ja toimii pituuden ja putoamiskiihtyvyydenkansallisena mittanormaalilaboratoriona. Paikkatieto-keskus huolehtii Suomen kartoituksen tieteellisistäperusmittauksista ja paikkatietojen metrologiastasekä tekee tutkimustyötä geodesian, geoinformatii-kan, kaukokartoituksen ja paikannuksen sekä niihinliittyvien tieteiden aloilla.

Menetelmät ja jäljitettävyysKansallinen mittanormaali on absoluuttigravimetriFG5X-221. Sen tulos on jäljitettävissä suoraan pituu-den ja ajan mittanormaaleihin. Olemme osallistuneetalan kaikkiin kansainvälisiin vertailuihin vuodesta1989. Asiakkaan luona mittaus tehdään tavallisestierotusmittauksena relatiivigravimetrillä, lähtien pis-teeltä, jonka painovoima on tunnettu.

Putoamiskiihtyvyys japainovoimaPutoamiskiihtyvyys riippuu paikasta ja ajasta. Riippu-vuus ajasta johtuu auringon ja kuun vuoksivoimista(vaihteluväli Suomessa 3 µm s–2) ja mm. pohjavedenja ilmakehän massan vaihteluista (vähintään kertalu-vun verran pienempiä). Kun tärkeimmät aikavaihtelutpoistetaan putoamiskiihtyvyydestä sovituin menetel-min, saadaan painovoiman kiihtyvyys, jota usein voi-daan käsitellä ajasta riippumattomana suureena.

Kuva 1. Putoamiskiihtyvyys Suomessa, yksikkö ms–2.




http://www.fgi.fi/





KemiaPutoamiskiihtyvyys


Kalibrointipalvelut jaepävarmuusMittaamme painovoiman pyydetyllä paikalla ja ilmoi-tamme sen perusteella putoamiskiihtyvyyden arvon.Aikavaihtelu sisällytetään epävarmuuteen 4 μm s–2

(k=2). Tarvittaessa toimitamme tarkan painovoima-arvon (pienin epävarmuus 0,08 μm s–2) ja menetelmätaikavaihtelun ennustamiseksi (pienin epävarmuus0,10 μm s–2). Ylläpidämme avointa kalibrointilinjaa,jossa asiakkaat voivat tarkistaa gravimetrinsä.

Tutkimus, kehitys, tiedotus

Teemme tutkimusta ja kehitämme kansallista infra-struktuuria putoamiskiihtyvyyden ja painovoiman mit-tauksen kaikkia sovelluksia varten (mm. geodesia,geofysiikka ja geologia). Kansallisen painovoima-verkon 30000 pisteen avulla putoamiskiihtyvyys voi-daan arvioida ilman uutta mittausta tarkkuudella0,1 mm s–2. Olemme tehneet mittauksia absoluutti-gravimetreillä 20 maassa.

Kuva 2. Mittaus relatiivigravimetrillä. Kuva 3. Absoluuttigravimetri FG5X-221 perustuu pudotuskokeeseen tyhjössä.

Kuva 4. Suprajohtava gravimetri (Metsähovi, Kirkkonummi) rekisteröi jopa0,1 nm s–2 vaihtelut putoamiskiihtyvyydessä.






Kemia

KosteusmittareidenkalibrointiRichard Högström, ErikoistutkijaPuh. 050 303 [email protected]

Heikki Kajastie, TutkijaPuh. 050 410 [email protected]


Kalibroinnilla luotettavuuttaKosteusmittausten luotettavuus on tärkeää mm.puun, paperin, elintarvikkeiden yms. varastoinnissa,ilmailussa ja ympäristövalvonnassa sekä eri teolli-suuden ja tutkimuksen aloilla. Kosteusmittareidensäännöllinen kalibrointi ja niiden stabiiliuden seurantaovat oleellinen osa mittausten varmentamista.

MIKES tarjoaa korkeatasoista kaasujen kosteudenmittauslaitteiden kalibrointipalvelua sekä kosteusmit-tauksiin ja niiden luotettavuuden arviointiin liittyväätutkimus- ja asiantuntijapalvelua.

JäljitettävyyttäkosteusmittauksilleMIKES luo edellytykset kosteusmittausten jäljitettä-vyydelle Suomessa kehittämällä ja ylläpitämällä kos-teuden mittanormaaleja sekä tarjoamalla kalibrointi-ja asiantuntijapalveluja.

Laboratorion korkea taso pidetään yllä osallistumallaalan kansainvälisiin tutkimus- ja vertailumittaushank-keisiin sekä toteuttamalla omia tutkimushankkeita.








KemiaKosteusmittareiden kalibrointi


JäljitettävyysKosteusmittausten jäljitettävyys perustuu kastepiste-lämpötila-asteikkoon. Asteikko toteutetaan kastepis-tegeneraattorilla, joka on kosteuden kansallinen mit-tanormaali Suomessa.

Kastepistegeneraattorin ydinosa on kyllästin, jossailma kyllästyy täysin veden tai jään suhteen säädel-lyssä lämpötilassa. Generaattorista ulos tulevan ilmankastepistelämpötila lasketaan kyllästimen lämpöti-lasta sekä sen ja tarkastelukohteen välisestä paine-erosta. Kun kyllästetty ilma johdetaan kosteus-generaattorin mittauskammiojärjestelmään, laitteistosoveltuu myös suhteellisen kosteuden mittarien kalib-rointiin.

Kuva 1. Optisten kastepistemittarien kalibrointi.

Kalibroitava kastepistemittari kytketään suoraan kas-tepistegeneraattoriin. Jos kohteena on suhteellisenkosteuden mittari, se sijoitetaan mittauskammiojär-jestelmään. Mittarin näyttämää verrataan suhteelli-seen kosteuteen, joka lasketaan kammiossa vallitse-van kastepistelämpötilan ja kaasun lämpötilan perus-teella.

KalibrointipalvelutUseimmat kastepistemittarit kalibroidaan kastepiste-generaattorilla. Laboratorion mittanormaalit kattavatkastepistelämpötila-alueen –80 °C ... +84 °C. Kaste-pistekalibrointeja tehdään myös vertailukalibrointeinakalibraattoreissa esimerkiksi kapasitiivisille kastepis-temittareille.

Useimmat suhteellisen kosteuden mittarit kalib-roidaan sääkaapissa. Kaapin ilman kastepistelämpö-tila ja lämpötila mitataan optisella kastepistemittarillaja digitaalilämpömittarilla. Suhteellinen kosteus las-ketaan kastepistelämpötilan ja lämpötilan perus-teella. Jos näin saatava mittausepävarmuus ei oleriittävä tai lämpötila-alue ulottuu alle +10 °C, kalib-rointi suoritetaan generaattorilaitteistoja käyttäen.Suhteellisen kosteuden mittareita kalibroidaan mit-tausalueella 10 %rh … 95 %rh lämpötiloissa–20 °C … +85 °C.

Muiden kaasun kosteutta kuvaavien suureiden osaltakalibroinnit suoritetaan edellä samoilla laitteistoillakuin suhteellisen kosteuden mittaritkin. Näiden suu-reiden arvot voidaan laskea kaasun kastepistelämpö-tilan, lämpötilan ja paineen avulla.

Suure Mittausalue Mittausepävarmuus (k=2)Kastepistelämpötila –80 °C ... –60 °C

–60 °C ... +84 °C0,2 °C ... 0,1 °C0,05 °C ... 0,06 °C

Suhteellinen kosteus 10 %rh ... 95 %rh(–20 °C ... +85 °C)

0,1 %rh ... 1,0 %rh(generaattori)

Suhteellinen kosteus 10 %rh ... 95 %rh(+10 °C ... +85 °C)

0,4 %rh ... 2,0 %rh(sääkaappi)






Kemia

Infrapunalämpömitta-reiden kalibrointiOssi Hahtela, ErikoistutkijaPuh. 050 303 [email protected]


MittausmenetelmätInfrapunalämpömittarin kalibroinnissa käytetään jokomustan kappaleen säteilijöitä tai kalibrointilamppuja.MIKESin säteilijät toimivat alueella -40 °C ... 1500 °C,ja kalibrointilamput välillä 700 °C ... 1700 °C.

Mustan kappaleen säteilijän lämpötila voidaan mitataesim. lämpötila-anturilla, joka on upotettu säteilijänseinässä olevaan onkaloon. Säteilylämpötila laske-taan mitatusta lämpötilasta ottaen huomioon säteili-jän seinien ja pohjan materiaalien emissiivisyys sekä

säteilijän geometria ja lämpötilagradientit. Infrapu-nalämpömittarin mittaama säteilylämpötila on useinalhaisempi kuin mitattavan pinnan lämpötila, koskapinnan emissiivisyys on yleensä pienempi kuin ideaa-lisen mustan kappaleen (mustan kappaleen emissii-visyys on 1 mutta esim. kiiltävän kuparipinnan 0,1).MIKESissä infrapunamittarit kalibroidaan joko omillakalibroiduilla referenssipyrometreillä tai referenssi-säteilijöillä.







KemiaInfrapunalämpömittareiden kalibrointi


JäljitettävyysKansainvälinen lämpötila-asteikko ITS-90 toteute-taan lämpötilan 962 °C yläpuolella referenssipyro-metrillä ja kiintopistesäteilijöillä (962 °C, 1064 °C ja1085 °C). MIKESissä on käytössä näistä ensimmäi-nen ja viimeinen, jotka ovat hopean (kuva 1) ja kupa-rin jähmettymispisteitä.

Lämpötilan 962 °C alapuolella ITS-90 on määriteltypyrometrin sijasta vastuslämpömittarien avulla.MIKESin säteilylämpötilan referenssilaitteet alueella-40 °C … 962 °C perustuvatkin ITS-90-asteikon mu-kaisesti kalibroituihin vastuslämpömittareihin.

Säteilylähteen koon vaikutusKalibroinnin tuloksiin vaikuttaviin kalibroitavan infra-punalämpömittarin ominaisuuksiin kuuluu myös sä-teilylähteen koon vaikutus (size-of-source-effect,SSE). Infrapunamittari kerää lämpösäteilyä myösmustan kappaleen säteilijän ulkopuolelta tai mitatta-van kohteen ulkopuolelta. Tämän merkitys riippuumittarin optiikan rakenteesta (kuva 2).

MIKESissä mitataan tarvittaessa säteilylähteen koonvaikutus.

Kuva 1. Referenssipyrometrin kalibrointiintarvittava hopeakenno.

Kuva 2. SSE: Pyrometri näkee tässä alhaisempialämpötiloja, kun säteilijän aukko on pienempi kuin15 mm ja kun säteilijän lämpötila on korkeampi kuinympäristön lämpötila.

Sanastoa • referenssimittari: mittanormaali • pyrometri: infrapuna(lämpö)mittari • mustan kappaleen säteilijä ei heijasta lain-kaan ulkoa päin tulevaa säteilyä. Kohteen lämpötila riippuu vain kappaleeseen tuodusta lämpöenergiasta ja siten sensäteilyn intensiteetti on verrannollinen kappaleen lämpötilaan.






Kemia

Platinavastuslämpömitta-reiden kiintopistekalibrointiOssi Hahtela, ErikoistutkijaPuh. 050 303 [email protected]


Kalibrointikohteetja -menetelmät

Hyvänlaatuisia eli stabiileja standardiplatinavastus-antureita kalibroidaan lämpötila-asteikon ITS-90 kiin-topisteissä. Kiintopistekenno (kuva 1) sisältää useingrafiittikuoreen suljetun puhtaan metallin, esim. tina,sinkki, alumiini, hopea. Metallin puhtaus on yleensän. 99,99995 %. Grafiittikuori on kvartsiputkessa. Ken-non keskellä on grafiittiseinäinen tiivis onkalo, jonkasisällä on kvartsiputki. Kiintopistekenno sijoitetaansopivaan kalibrointiuuniin (pystyuuni), jonka lämpötilanostetaan hitaasti, kunnes metalli sulaa kokonaan.

Tässä vaiheessa lasketaan uunin lämpötilaa hiukan,jotta metallin jähmettyminen alkaisi. Kun metalli onalijäähtyneessä tilassa, kalibroitava anturi lasketaanvarovasti kennoon. Anturi kytketään nelijohdinkytken-nällä mittasiltaan. Jähmettymistila saattaa kestääjopa 10 tuntia (kuva 2), ja tämän aikana kiintopiste-kennon lämpötila pysyy ±0,5 milliasteen sisällä. Vas-tussillan avulla mitataan anturin vastus jähmettymis-tilan aikana. Anturit kalibroidaan useimmiten kolmentai viiden eri kiintopisteen avulla.

Kuva 1. Pt25-anturi kiintopistekennossa.







KemiaPlatinavastuslämpömittareiden kiintopistekalibrointi


KalibrointikertoimienlaskeminenLämpötila lasketaan ITS-90 asteikon mukaisesti. En-sin lasketaan W = R(T90)/R/(T0,01 °C) eli jaetaan anturinvastus tina- tai sinkkipisteessä anturin vastuksen ar-volla veden kolmoispistekennossa. Kalibroinnissalasketaan alla olevan yhtälön vakiot a ja b. Wr on re-ferenssifunktio, joka on annettu ITS-90 asteikossa.

W(T90) – Wr(T90) = a[W(T90) – 1] + b[W(T90) – 1]2

Edellä olevaa yhtälöä voidaan käyttää muissakin ka-librointipisteiden välisissä pisteissä, kun a ja b ovattiedossa. W(T90) on anturin vastus mitatussa tunte-mattomassa lämpötilassa jaettuna veden kolmoispis-teessä mitatulla vastuksella. Yhtälöstä ratkaistaan Wrja taulukoista saadaan T90.

Kiintopistekalibroinnin epä-varmuudetMittatekniikan keskuksen kiintopisteiden epävarmuu-det ovat välillä 0,0002 ... 0,010 °C. Näistä edellinenraja saavutetaan veden kolmoispisteessä ja jälkim-mäinen alumiini- ja hopeapisteessä.

Vastusanturin kalibrointiepävarmuus on esitettyjäsuurempi, koska siihen sisältyvät kalibrointilaitteistonepävarmuudet (silta, referenssivastus) ja kalibroita-van anturin stabiilius kalibroinnin aikana.

Muut kiintopistekalibroinnitJalometallisia B-, R- ja S-tyyppisiä termoelementtejäkalibroidaan myös kiintopisteissä. Ylin kiintopiste onsilloin kuparin jähmettymispiste, jonka lämpötila on1084,62 °C.

JäljitettävyysMIKESin kiintopisteet ovat osa kansainvälisen lämpö-tila-asteikon ITS-90 toteutusta. Kiintopistekennojenstabiiliutta seurataan ja niiden tuottamaa lämpötilaaverrataan samanlaisten (omien ja ulkomaisten labo-ratorioiden) kennojen tuottamiin lämpötiloihin.

MIKESin kiintopistekennotvastusantureille

Aine Lämpötila (°C) Tila *

Argon (Ar) –189,3442 k

Elohopea (Hg) –38,8344 kVesi (H2O) 0,01 kGallium (Ga) 29,7646 s

Indium (In) 156,5985 j

Tina (Sn) 231,928 j

Sinkki (Zn) 419,527 j

Alumiini (Al) 660,323 j

Hopea (Ag) 961,78 j

* Tilamerkinnät taulukossa ovat: k = kolmoispiste,s = sulamispiste ja j = jähmettymispiste

Kuva 2. Sinkin jähmettymiskäyrä.

Lyhenteitä:Pt25 = 25-ohminen platinavastuslämpömittariHTPRT = korkean lämpötilan platinavastuslämpömittari






Kemia

Tasajännitteen ja -virrankalibrointiPekka Immonen, tutkijaPuh. 050 410 [email protected]

Ilkka Iisakka, TutkijaPuh. 050 410 [email protected]


Lähes kaikkien sähkösuureiden mittauslaitteidentarkkuus perustuu, resistanssin ohella, tasajännitteenjäljitettävyyteen. VTT MIKES metrologia ylläpitääSuomessa tasajännitteen ja tasavirran kansallisiamittanormaaleita. Tasajännitteen yksikkö, voltti, mää-ritetään erittäin tarkasti (uusittavuuden suhteellinenepävarmuus jopa 10-10) Josephson-jännitenormaalinavulla. Josephson-normaalista voltti siirretään Zener-käyttönormaaleihin ja niistä edelleen kalibraattoreihinja yleismittareihin. Mittausalueen laajentaminen 10 Vyläpuolelle toteutetaan resistiivisen jännitteenjakajanavulla. Tasavirran jäljitettävyys perustuu käytännössätasajännitteeseen ja resistanssiin sekä Ohmin lakiin.Alle 100 pA:n virtojen jäljitettävyys voidaan toteuttaamyös varaamalla kondensaattoria lineaarisesti kas-vavalla jännitteellä. Tutkimuskohteena on nanoraken-teissa esiintyviin yksielektroni-ilmiöihin perustuvankvanttinormaalin kehittäminen tasavirralle.

Laboratorion kehittämät menetelmät ja mittauslaitteetedustavat kansainvälistä huippuluokkaa. Tästä ker-too muun muassa erinomainen menestys kansainvä-lisissä metrologialaitosten välisissä vertailumittauk-sissa. MIKES on myös tasavirtametrologian tutkimuk-sen kansainvälisessä eturintamassa. Tärkeimpiä tut-kimuskohteita ovat mikromekaanisiin antureihin(MEMS) perustuvien jännitenormaaleiden kehittämi-nen sekä kvanttimetrologiakolmio, jonka tavoitteenaon osoittaa jännitteen, virran ja resistanssin kvantti-normaaleiden välinen, Ohmin lain mukainen, yhteen-sopivuus.

Kuva 1. Tasajännitteen jäljitettävyys perustuu nestehe-liumissa jäähdytettävään Josephson-normaaliin.






KemiaTasajännitteen ja -virran kalibrointi


KalibrointipalvelutMIKES palvelee akkreditoitujen kalibrointilaboratori-oiden lisäksi kaikkia pientä mittausepävarmuutta tar-vitsevia asiakkaita. Tasajännitealueella tärkeimpiäkalibrointikohteita ovat tasajännitenormaalit, tasajän-nite- ja yleiskalibraattorit sekä tarkkuusyleismittarit.Kalibroitavaa jännitenormaalia seurataan yleensä pa-rin viikon ajan vertaamalla sitä käyttönormaaleihin.Automatisoidun seurantalaitteiston releasema kytkeenormaaleiden erojännitteet nanovolttimittarille sään-nöllisin väliajoin. Kalibraattoreiden ja yleismittareidentasajännite- ja tasavirta-alueen rutiinikalibroinnit teh-dään MIKESin referenssiyleismittaria ja yleiska-libraattoria käyttäen. Tasajännitteen peruskalibroin-tien mittausalueet ja kalibrointiepävarmuudet alle 1kV jännitetasolla on esitetty taulukossa 1. Tasavirta-kalibrointeja tehdään yleisimmin 0,1 mA – 1 A virroillesuhteellisen epävarmuuden ollessa 10 μA/A sekä100 fA – 100 μA virroille 600 μA/A – 20 μA/A epävar-muuksilla.

Pienempiä mittausepävarmuuksia tarvittaessa Ze-ner-normaalin kalibrointi on mahdollista tehdä myössuoraan MIKESin Josephson-normaalilla. Samoinkalibraattoreiden ja yleismittareiden tasajännitealueetvoidaan erikoistilauksesta kalibroida suoraan Jo-sephson- ja Zener-normaaleiden sekä resistiivisenjännitteenjakajan avulla. Alle 10 μA/A epävarmuuttavaativat tasavirtakalibroinnit sekä mittaukset yli 1 A:nvirtatasoilla voidaan tehdä resistanssinormaalin yliolevaa jännitettä mittaamalla, jolloin voidaan saavut-taa taulukon 2 mukaiset pienimmät mittausepävar-muudet. Resistiiviset jännitteenjakajat kalibroidaanvertaamalla niitä referenssijakajaan tai Josephson-normaaliin.

Annettavasta kalibrointitodistuksesta ilmenee jännit-teen tai virran suuruus ja kalibroinnin epävarmuus.Tasajännitenormaalille voidaan tehdä stabiilisuus- tailämpötilariippuvuusmittaus asiakkaan toivomustenmukaisesti. MIKES seuraa asiakkaittensa tasajänni-tenormaaleiden pitkäaikaisstabiiliutta ja tarvittaessaoheistaa ylläpitämänsä seurantatulokset kalibrointito-distuksiin.

Kalibrointien lisäksi toteutamme myös jännite- ja vir-tamittauksiin liittyviä erikoistoimeksiantoja sekä osal-listumme alan kehitys- ja tutkimusyhteistyöhankkei-siin.

Kuva 2. Zener-tasajännitenormaali.

Taulukko 1. Yleisimpien tasajännitekalibrointien pienimpiä mittausepävarmuuksia. Erikoismenetelmin on mahdollista saa-vuttaa huomattavastikin pienempiä kalibrointiepävarmuuksia.

Laite Zener-normaali Kalibraattori tai yleismittariJännite (V) 1 1,018 10 0 ... 10 10 ... 100 100 ... 1000Epävarmuus (μV) 0,2 0,2 2 0,3 ... 20 70 ... 610 1000 ... 10000Virta < 0,1 pA (0,1 ... 100) pA (1 ... 100) nA (0,1 ... 100) μA (0,1 ... 100) mA (0,1 ... 20) AEpävarmuus 0,1 fA (1 ... 0,6) mA/A (0,1 ... 2) pA 20 μA/A 5 μA/A (5 ... 20) μA/A






Kemia

Vaihtojännitteen javaihtovirran kalibrointiIlkka Iisakka, TutkijaPuh. 050 410 [email protected]


Monet yhteiskunnallisesti tärkeät toiminnat, kutensähköverkossa kulkevan ja sieltä kuluttajille syötettä-vän sähköenergian mittaus, perustuvat vaihtojännit-teen ja vaihtovirran tarkkaan mittaamiseen. MIKESvastaa Suomen vaihtojännitteiden ja vaihtovirtojenjäljitettävyydestä. Tarkimpien vaihtojännitemittaustenjäljitettävyys perustuu referenssinormaaleina toimi-viin kalibroituihin termomuuntimiin ja aluevastuksiin.Yleiskalibraattoreiden ja yleismittareiden vaihtojän-nite- ja vaihtovirta-alueiden jäljitettävyys perustuuMIKESissä tai muiden maiden kansallisissa mitta-normaalilaboratorioissa kalibroituun vaihtojännitenor-maaliin ja sen kalibroituihin alue- ja sivuvirtavastuk-siin. Tulosten luotettavuus varmennetaan kansainvä-lisin vertailumittauksin.

VTT MIKES metrologia tekee myös korkeatasoistavaihtojännitemetrologian tutkimusta. MIKES on kan-sainvälisen metrologiatutkimuksen huipulla erityisestikahden erityyppisen vaihtojännitenormaalin kehitys-työssä. Näistä tutkimuskohteista toinen on Joseph-son-ilmiöön perustuva primaarinen vaihtojännitenor-maali ja toinen on mikromekaanisiin antureihin(MEMS) perustuva vaihtojännitteen käyttönormaali.

Kuva 1. Vaihtojännitteen ja vaihtovirran kansallisen mitta-normaalilaboratorion laitteistoa.






KemiaVaihtojännitteen ja vaihtovirran kalibrointi


KalibrointipalvelutMIKESillä on käyttönormaaleina tarkkoja vaihtojänni-temittareita ja kalibraattoreita. MIKES kalibroi jännit-teitä taajuusalueella 10 Hz ... 1 MHz ja jännitealueella1 mV ... 1000 V, ja virtoja taajuusalueella 40 Hz ... 10kHz ja virta-alueella 100 μA ... 20 A (ja 8000 A:iin astitaajuusalueella 45 Hz ... 65 Hz). Tyypillisiä kalibroita-via laitteita ovat termomuuntimet, tarkat yleismittarit jakalibraattorit sekä virtamuuntajat ja -anturit. Muitakinlaitteita voidaan kalibroida sopimuksen mukaan. Ta-vallisimmin MIKES kalibroi asiakkaiden vaihtojännite-ja vaihtovirtalaitteet vertaamalla niiden AC/DC-eroaFluke 5790A -käyttönormaalin ja Fluke A40 -AC/DC-sivuvirtavastuksien AC/ DC-eroon tai vertaamallasuoraan laitteiden tehollisarvoa MIKESin laitteen te-hollisarvoon. Alla olevissa taulukoissa on esitetty täl-laisten kalibrointien mittausalueet ja pienimmät epä-varmuudet. Kuva 2. AC-DC-rele ja kaksi termomuunninta.

Taulukko 1. Yleiskalibraattorin vaihtojännitealueen peruskalibrointien mittausalueet ja pienimmät suhteelliset epävarmuu-det miljoonasosina mittaustuloksesta (µV/V).

Taajuus

10 Hz 20 Hz 40 Hz 53 Hz 400 Hz 1 kHz 10 kHz 20 kHz 50 kHz 100 kHz 500 kHz 1 MHz

1 mV 1200 1200 1200 – 1200 1200 1200 1200 1200 1400 3300 50002 mV 590 590 590 – 590 590 590 590 590 680 1600 460020 mV 130 120 120 – 120 120 120 120 120 140 350 580100 mV 50 50 30 – 30 30 30 30 35 60 220 4501 V 40 40 20 – 15 15 15 15 30 50 110 44010 V 40 40 20 – 20 20 20 20 30 45 140 400100 V 40 40 30 – 20 20 20 20 35 40 – –1000 V – – 50 50 50 – – – – – – –

Taulukko 2. Yleiskalibraattorin vaihtovirta-alueen peruskalibrointien mittausalueet ja pienimmät suhteelliset epävarmuudetmiljoonasosina.

Taajuus

40 Hz 400 Hz 1 kHz 5 kHz 10 kHz

100 µA 80 80 80 90 110

1 mA 35 35 35 35 4010 mA 35 35 35 35 50

100 mA 35 35 35 35 601 A 35 35 35 50 11010 A 110 110 110 150 21020 A 110 110 110 180 260






Kemia

Kapasitanssi- ja induktans-sinormaalien kalibrointiIlkka Iisakka, TutkijaPuh. 050 410 [email protected]


Kondensaattorit ja kelat ovat olennaisia piirikom-ponentteja elektroniikassa. Lisäksi hyvin monissatarkoissa mittauksissa (esim. paikka, etäisyys, pin-nankorkeus) käytetään kapasitiivisia antureita. Tark-kojen LCR-mittareiden kalibrointi tehdään kapasi-tanssi- ja induktanssinormaaleja käyttäen. Tämänvuoksi kapasitanssin ja induktanssin mittaaminen jäl-jitettävästi on tärkeää. Suomessa MIKES vastaa ka-pasitanssin ja induktanssin jäljitettävyydestä.

MIKES jäljittää kapasitanssin dekadeittain alueella10 pF – 1 μF ns. kvadratuurisillan avulla resistanssiinja taajuuteen, jotka ovat molemmat MIKESin ylläpi-

Kuva 1. Kapasitanssin jäljitys resistanssista jataajuudesta impedanssilaboratoriossa.

tämiä suureita. Tulosten luotettavuus varmennetaankansainvälisin vertailumittauksin sekä hyödyntämälläBIPM:n kapasitanssimittauspalveluita. Väliarvot inter-poloidaan mittasilloilla, jotka perustuvat induktiivisiinjakajiin. Induktanssit alueella 100 µH – 100 mH ovatjäljitettäviä MIKESin kapasitanssi- ja resistanssi-normaaleihin.

KalibrointipalvelutMIKES kalibroi kapasitanssit alueella 0 pF – 1 μFkäyttäen erittäin stabiilia kapasitanssimittasiltaa jatarkkoja referenssikapasitanssinormaaleita. Mittauk-set tehdään yleensä 1 kHz taajuudella, mutta muut-kin mittaus taajuudet ovat mahdollisia. Kalibrointi teh-dään joko kaksipisteisesti tai kolmipisteisesti kytke-mällä kalibroitava kapasitanssinormaali 16-kanavai-sen koaksiaalireleen kautta kapasitanssisiltaan jamittaamalla sitä automaattisesti 2–3 päivän ajan. Ka-libroitava normaali sijoitetaan vakiolämpöiseen ti-laan yhdessä Pt-100-lämpötila-anturin kanssa ja senlämpötilaa vaihdellaan mittauksen aikana noin 1–2°C, jotta normaalin lämpötilakerroin voidaan mitata.Tulokset korjataan lämpötilaan 23 °C.

MIKESin induktanssikalibroinnit kattavat alueen 100μH – 100 mH. Jäljitettävyys perustuu BIPM:llä ka-libroituihin kapasitansseihin (100 pF) sekä resis-tanssinormaaleihin, jotka ovat jäljitettävissä MIKESinkvantti-Hall-resistanssinormaaliin. Mittausalueen ylä-päässä (10 mH ja 100 mH) käytetään sarjaresonans-simenetelmää ja kalibroinnit ovat jäljitettävissä im-pedanssiltaan saman suuruisiin kapasitansseihinjoko 1 kHz tai 1,59 kHz taajuudella. Pienempien in-duktanssien (100 μH – 10 mH) kalibrointi perustuureferenssivastuksen ja kalibroitavan induktanssin im-pedanssisuhteen mittaamiseen jännitteen näytteis-tyksen avulla ja mittaustaajuus on alle 1 kHz.






KemiaKapasitanssi- ja induktanssinormaalien kalibrointi


Kuva 2. Etusivulla olevan impedanssin mittauspaikan peri-aatteellinen kytkentä.

Kuva 3. AH2500A-mittasilta ja kalibroitava 1 nF kapasitans-sinormaali.

Taulukko 1. MIKESin mittausalueet ja pienimmät kalibrointiepävarmuudet kapasitanssinormaalien kalibroinneille 1 kHz:ntaajuudella. Laajennettu suhteellinen epävarmuus (k = 2) esitetään miljoonasosina mitatusta kapasitanssista.

Kapasitanssin arvo 10 pF 100 pF 1 nF 10 nF 100 nF

Suhteellinen epä-varmuus (µF/F)

5 5 10 30 100

Taulukko 2. MIKESin mittausalueet ja pienimmät kalibrointiepävarmuudet sellaisten kondensaattoreiden kalibroinnille, joi-den arvo on alle 10 pF tai yli 100 nF tai joiden arvo ei ole tasadekadi. Laajennettu suhteellinen epävarmuus (k = 2) esitetäänmiljoonasosina mitatusta kapasitanssista. Alle 10 pF kapasitanssiarvoilla epävarmuuteen lisätään 5 aF pohjataso.

Kapasitanssin arvo 0 pF – 10 pF 10 pF – 1 nF 1 nF – 10 nF 10 nF – 100 nF 100 nF – 1 μF

Suhteellinen epä-varmuus (µF/F)

10 (+ 5 aF) 10 30 200 400

Taulukko 3. Induktanssien kalibrointimenetelmät ja kalibrointien jäljitettävyys 1 kHz taajuudella.

Menetelmä Induktanssi Impedanssi 1 kHz Referenssi Epävarmuus 2s

2 DVM 0,1 mH 1 W 1 W 50

2 DVM 1 mH 10 W 10 W 50

2 DVM / SR 10 mH 100 W 100 W 20

SR / 2 DVM 100 mH 1 kW 253 nF / 100 W 20






Kemia

Resistanssin kalibrointiIlkka Iisakka, TutkijaPuh. 050 410 [email protected]


Resistanssi on tasajännitteen ohella sähkömittaustentärkein perussuure, jota tarvitaan suoran resistanssi-kalibroinnin lisäksi monien muiden sähkösuureidenjäljitettävyyden toteuttamiseksi. MIKES on resistans-sin kansallinen mittanormaalilaboratorio. MIKESissäresistanssin jäljitettävyys perustuu omaan kvantti-Hall-normaaliin, jonka avulla resistanssin yksikkösaadaan sidotuksi luonnonvakioiden arvoihin noin10–8 suhteellisella epävarmuustasolla. Siitä jäljitettä-vyys siirretään sekundääri- ja käyttönormaaleina käy-tettäviin, lämpötilastabiloiduissa öljy- tai ilmahau-teissa säilytettäviin resistanssinormaaleihin kryogee-nistä virtavertainta tai digitaalista resistanssisiltaakäyttäen. Yli 1 GΩ resistanssinormaalien jäljitettävyystoteutetaan muunnettua Wheatstonen siltaa käyttäen.

MIKESin resistanssin jäljitettävyystarkkuus on kan-sainvälistä huippuluokkaa. Siitä osoituksena on hyvämenestys resistanssimittausten kansainvälisissä ver-tailuissa. MIKES on osallistunut myös kansainvälistenavainvertailujen koordinointiin ja niissä on käytettyMIKESin kehittämiä erittäin tarkkoja resistanssin siir-tonormaaleita.







KemiaResistanssien kalibrointi


KalibrointipalvelutMIKES palvelee pientä mittausepävarmuutta tarvitse-via yrityksiä ja yhteisöjä. Asiakkaisiimme kuuluu ulko-maisia kansallisia mittanormaalilaboratorioita, koti-maisia tutkimusryhmiä, kalibrointilaboratorioita sekäyritysasiakkaita, joiden toimialat vaihtelevat pakokaa-sumittauksista sotilasteknologiaan ja ilmailusta me-talliteollisuuteen. Resistanssikalibroinnissa mitataankalibroitavan laitteen resistanssi ja mittaustuloksellelasketaan epävarmuus. Tarvittaessa voidaan määrit-tää myös resistanssin lämpötila-, teho- tai jänniteriip-puvuus. MIKES seuraa asiakkaittensa resistanssi-normaaleiden pitkäaikaisstabiilisuutta ja oheistaapyydettäessä ylläpitämänsä seurantatulokset kalib-rointitodistuksiin. Resistanssinormaaleiden ohella ta-vallisimpia kalibrointikohteita ovat tarkkuusyleismitta-rit ja yleiskalibraattorit.

Alueessa 0,0001 Ω ... 100 MΩ resistanssinormaalitkalibroidaan vertaamalla niitä MIKESin primääri- jakäyttönormaaleihin MI 6242B -resistanssisillalla.

Erikoistarkkuutta vaadittaessa mittaukset voidaantehdä myös kryogeenisella virtavertaimella. Alueessa1 MΩ ... 100 TΩ vertailuun käytetään muunnettuaWheatstonen siltaa. Resistanssit sijoitetaan kalibroin-nin ajaksi lämpöhauteeseen. Mittaukset tehdään jokokaksi- tai nelipisteisesti ja tarvittaessa guardatusti.Yleismittareiden resistanssialueet kalibroidaan MIKE-Sin yleiskalibraattorilla ja kalibraattorit MIKESin tark-kuusyleismittarilla, ellei vaadita erikoistarkkaa kalib-rointia.

Kalibrointien lisäksi toteutamme myös resistanssimit-tauksiin liittyviä erikoistoimeksiantoja sekä osallis-tumme alan kehitys- ja tutkimusyhteistyöhankkeisiin.

Kuva 1. Resistanssinormaalien mittausalueet ja -epävarmuudet.






Kemia

Verkkotaajuisen tehonja energian kalibroinnitEsa-Pekka SuomalainenErik.tutkija, Puh. 050 382 [email protected]

Tapio Lehtonen, TutkijaPuh. 050 511 [email protected]

Pekka Immonen, TutkijaPuh. 050 410 [email protected]

MIKES, Tekniikantie 1, 02150Espoo, Puh. 020 722 111www.mikes.fi

Sähköenergian kulutuksen mittauksella on hyvinsuuri taloudellinen merkitys. Sähkömarkkinoidenkehityksen myötä on mittaustarkkuuden ja mittaus-ten jäljitettävyyden merkitys korostunut edelleen.Energiamittareiden kalibrointiin tarvitaan tarkkojatehonormaaleita. MIKESissä 50 Hz sähkötehon mit-taukset jäljitetään näytteistävän tehonormaalinavulla. Kalibroinnit tehdään joko yksi- tai kolmivai-heisesti ja tyypillisiä kalibroitavia laitteita ovat esim.tehomittarit ja -muuntimet.

MIKESin teholaboratoriossa 50 Hz sähkötehon jälji-tettävyys palautuu Josephson-normaalista saata-vaan tasajännitteeseen ja kvantti-Hall-laitteistollatoteutettuun resistanssiin. Näytteistävään tehonor-maaliin kuuluu kaksi 8 ½ numeron jännitemittaria,jotka on synkronoitu tarkasti keskenään. Alle 20 Avirtasignaali muutetaan jännitteeksi erikoisrakentei-silla sivuvirtavastuksilla, joiden resistanssiarvot jälji-tetään kvantti-Hall-normaaliin. Vastusten raken-teesta johtuen niiden taajuusriippuvuus on hyvinpieni. Jännitemittareiden nopeaan näytteenottoonperustuvat mittaustulokset jäljitetään Josephson-jännitenormaaliin. Yhdessä Rogowskin kelaan pe-rustuvan virta-anturin kanssa samaa laitteistoa käy-tetään suurten virtojen ja virtasuhteiden mittaami-seen aina 8000 A:iin asti. MIKESin referenssilaittei-den tehon mittausepävarmuus on parhaimmillaan0,005 %.

Kuva 1. Teho- ja energiamittauksissa tarvitaan jälji-tettävyyttä myös suurille virroille. Kuvassa Rogows-kin kelaan perustuvaa 8 kA mittauslaitteistoa.

Laboratorion menetelmät ja mittalaitteet edustavatkansainvälistä huippuluokkaa. Mittausten korkea tasovarmennetaan osallistumalla kansainvälisiin vertailu-mittauksiin muiden maiden kansallisten mittanormaali-laboratorioiden kanssa. MIKES on mukana kansainvä-lisessä metrologiatoiminnassa myös aktiivisena sähkö-metrologian asiantuntijatyöryhmien jäsenenä ja osallis-tuu sekä kotimaisiin että kansainvälisiin tutkimusyhteis-työhankkeisiin.









KemiaVerkkotaajuisen tehon ja energian kalibroinnit


KalibrointipalvelutKalibroimme erityisesti parasta mittaustarkkuuttavaativien asiakkaiden referenssinormaaleita, kutentehokomparaattoreita ja -muuntimia. Kalibroinnit teh-dään kytkemällä samat virta- ja jännitesignaalit kalib-roitavaan laitteeseen ja MIKESin referenssimittariin.Tarvittaessa käytettävän teholähteen epästabiiliudenvaikutus mittausepävarmuuteen minimoidaan tahdis-tamalla mittarit keskenään. Kalibroinneissa käytetäänreferenssimittarina joko yksivaiheista näytteistäväätehonormaalia tai kolmivaiheista tehokomparaattoria.

Tehonormaalien lisäksi kalibroimme myös virta- jajännitemuuntajia ja -muuntimia 200 kV jännitteeseenja 8 kA virtaan saakka. Toteutamme sähkötehon ja-energian mittaamiseen liittyviä erikoistoimeksiantojasekä osallistumme alan kehitys- ja tutkimusyhteistyö-hankkeisiin. Lisäksi järjestämme alaan liittyviä koulu-tustilaisuuksia sekä asiakkaan tarpeisiin räätälöityäkoulutusta.

Kuva 2. Näytteistävän tehonormaalin koaksiaalinen sivuvastus.

Taulukko 1. MIKESin mittausalueet ja pienimmät kalibrointiepävarmuudet verkkotaajuisille teho- ja energiakalibroinneille.

Mitattava suure Laajennettu suhteellinen epävarmuus (k = 2)1-vaihe, 30 V – 500 V, 5 mA – 10 APätöteho 50 μW/VALoisteho 100 μvar/VA3-vaihe, 50 V – 350 V, 5 mA – 12 APätöteho 120 μW/VALoisteho 250 μvar/VAPätöenergia 120 μWh/VAhLoisenergia 250 μvarh/VAh






Kemia

RF- jamikroaaltokalibroinnitKari Ojasalo, TutkijaPuh. 050 410 [email protected]

Jari Hällström, Johtava metrologiPuh. 050 382 [email protected]


RF- ja mikroaaltoalueen sovellusten määrä kasvaajatkuvasti ja sen myötä mittausten luotettavuudenmerkitys korostuu. MIKES toimii tällä alueella kan-sallisena mittanormaalilaboratoriona ja tarjoaa jäljitet-tävyyden kansainvälisesti hyväksyttyihin mitta-normaaleihin pienillä epävarmuuksilla RF- ja mikro-aaltoalueen tehomittauksissa sekä S-parametrimit-tauksissa (heijastuskertoimet ja vaimennus). Kalib-roimme mm. tehoantureita ja vaimentimia.

Kalibrointilaitteistomme on varustettu tarkkuus-N-liit-timillä, joten taajuusalueemme ulottuu 18 GHz:iin.Mittaukset ja tulosten analysointi on pitkälle automa-tisoitu. Mittaukset suoritetaan tarkkuussäädetyssä23 ˚C lämpötilassa sähkömagneettisesti suojatuissatiloissa.

Mittausten korkea taso varmennetaan osallistumallakansainvälisiin vertailumittauksiin muiden maidenkansallisten mittanormaalilaboratorioiden kanssa.Kalibrointien jäljitettävyys kansainvälisiin mittanor-maaleihin perustuu Iso-Britannian kansallisessa met-rologialaitoksessa (National Physical Laboratory,NPL) suoritettuihin tehon ja vaimennuksen kalib-rointeihin sekä MIKESin omiin primäärisiin mitta-normaaleihin.

Kuva 1. Tehoantureidenmittaus.








KemiaRF- ja mikroaaltokalibroinnit


KalibrointipalvelutTehoAnturien kalibrointikertoimet määritetään tehonjaka-jaan perustuvalla mittalaitteistolla. Heijastuskerroin-mittaus vektoripiirianalysaattoreilla kuuluu antureidenkalibrointiin. Tyypillinen kalibrointiaika anturille on viisityöpäivää. Tehomittarirungon tehoreferenssin abso-luuttisen tehon kalibrointi tehdään termopari- ja dio-ditehoantureille. Lähteen heijastuskerroin määrite-tään samalla.

VaimennusVaimennuskalibroinnit suoritetaan jäljitettävillä vekto-ripiirianalysaattorimittauksilla. Heijastuskertoimienmääritys kuuluu vaimentimien kalibrointiin. Kalib-roimme sekä kiinteitä vaimentimia että askelvaimen-timia. Askelvaimentimia voidaan ohjata GPIB-väylän,RS-232-liitynnän tai suoraan Agilentin 11713A askel-vaimentimen ohjaimen välityksellä.

HeijastuskerroinJäljitettävät heijastuskerroinmittaukset toteutetaanvektoripiirianalysaattoreilla. Mittauksiin käytettävienimpedanssinormaalien impedanssi määritetäänMIKESissä tarkoin dimensiomittauksin. N-tyypin ilma-linjojen dimensiomittauspalvelua tarjotaan myös asi-akkaille.

Muut palvelutMIKES tarjoaa myös konsultointia suurtaajuus- jaEMC-asioihin liittyen. Lisäksi järjestämme alaan liitty-viä koulutustilaisuuksia ja seminaareja sekä asiak-kaan tarpeisiin räätälöityä koulutusta.

Kuva 2. Tehoanturien mittausasetelma.

Kuva 3. Referenssiaskelvaimentimen mittaus.

Taulukko 1. Mittausalueet ja -epävarmuudet.

Suure Mittausalue Mittauksen taajuusalue Epävarmuus

Tehoanturien kalibrointikertoimet 1 mW 10 MHz – 18 GHz(1) 0,4 % – 1,1 % (k=2)(2)

Absoluuttinen teho 1 mW 10 MHz – 18 GHz(1) 4 mW/W – 11 mW/W (k=2)Vaimennus 0 dB – 80 dB 300 kHz – 6 GHz 0,02 dB – 0,17 dB (k=2)Vaimennus 0 dB – 60 dB 6 GHz – 18 GHz 0,05 dB – 0,18 dB (k=2)Heijastuskerroin (reaali- jaimaginääriosat)

–1 ja 1 välillä 10 MHz – 18 GHz 0,013 – 0,024 (k=2,45) (3)

1) Tehon kalibrointitaajuudet ovat: 10, 30, 50, 100, 300, 500 MHz, 1 GHz, 1,5 GHz, 2 GHz – 18 GHz 1 GHz askelin.2) Heijastuskertoimen itseisarvo ≤ 0,083) Kompleksimuuttujan kompleksiselle epävarmuudelle 95 %:n kattavuus saadaan, kun k=2,45.






Kemia

Suurjännite- jasuurvirtasuureetEsa-Pekka Suomalainen, ErikoistutkijaPuh. 050 382 [email protected]

Jussi Havunen, TutkijaPuh. 050 590 [email protected]


SuurjännitemittauksetSuurjännitemittausten tärkeys on korostunut avautu-neiden sähkömarkkinoiden myötä. Sähkön laatu, siir-tohäviöt ja viimekädessä sähkön myynti teollisuudelleja yksityistalouksille ovat tulleet yhä tärkeämmiksi mit-taus- ja seurantakohteiksi. Suurjännitteiden kuluttajialöytyy sähkö-, elektroniikka- ja tietoteollisuuden li-säksi lähes kaikilta teollisuuden aloilta. MIKESin suur-jännitemetrologia on arvostettu kansainvälisesti ja to-teuttaa jäljitettävyyspalveluja myös käyttäjän tiloissakautta maan ja kautta maailman.

JäljitettävyysSuurjännitemittausten jäljitettävyys saadaan MIKE-Sin kapasitansseista, vastuksista ja jännitteistä, jotkapohjautuvat MIKESin kvanttimekaanisisiin perusnor-maaleihin: Josephson-jännitenormaaliin ja kvantti-Hall-vastusnormaaliin. Laboratorio on menestynyt hy-vin suurjännitemetrologian kansainvälissä vertai-luissa ja toiminut menestyksellä myös vertailujenkoordinaattorina. Viimeksi mainitusta esimerkkinälaajojen euroopan- ja maailmanlaajuisten salama–syöksyjännitteen vertailumittausten koordinointi.








KemiaSuurjännite- ja suurvirtasuureet


KalibrointipalvelutMIKES tarjoaa kalibrointipalveluja lähes kaikille suur-jännitesuureille ja -mittausjärjestelmille 2000 kV:njännitteeseen asti. Vaihtovirtakalibrointien alue yltää6 kA:iin asti. Pulssisuureiden osalta palvelu kattaajännitealueen millivolteista megavoltteihin ja virratkymmeniin kiloampeereihin saakka. Asiantuntijapal-velu kattaa mittausjärjestelmien kalibrointeihin ja ka-libroitavuuteen liittyviä kysymyksiä. Asiakkaan mit-tausjärjestelmää arvioidaan haluttaessa ja modifioi-daan tarkemmaksi ja stabiilimmaksi tarvittaessa. Tu-levaisuudessa pätevyysalue laajenee sähkönlaatu-mittauksiin liittyviin kalibrointeihin.

Paras kalibrointitarkkuus saavutetaan kohteen ol-lessa MIKESin laboratoriossa, mutta kalibrointeja teh-dään myös asiakkaan tiloissa. Mittausjärjestelmä voi-daan kalibroida käyttö- paikalla mm. jännitetason, jär-jestelmän koon, maadoitusolojen tai läheisyysvaiku-tusten sitä vaatiessa.

KalibrointikohteetKalibroitavia laitteita ovat mm.

· jännitteenjakajat· jännite- ja virtamuuntajat· mittapäät, jännite- ja virta-anturit sekä

virtashuntit· suurjännitekuristimet ja -kondensaattorit· transienttitallentimet, huippujännitemittarit· surge-, EFT- ja ESD- testilaitteet· jännitetesterit· pulssikalibraattorit· osittaispurkauskalibraattorit

Taulukko 1. Suurjännitteen kalibrointipalvelut

Suure Mittausalue Epävarmuus (k=2)

Tasajännite 1 kV – 1000 kV 0,0005 – 0,01 %Vaihtojännite, jännitesuhde 1 kV – 200 kV 0,002 – 0,01 %

– kulmavirhe 0 – 100 mrad 0,02 mrad

Vaihtovirta, virtasuhde 1 A – 6 kA 0,0025 – 0,02 %

– kulmavirhe 0 – 100 mrad 0,2 – 0,4 mrad

Kapasitanssi 1 – 100 kV / 10 pF – 200 µF 0,002 – 0,05 %

– häviökerroin tan δ 1.10–5 – 2 1 % (1.10–5 abs)

Induktanssi / häviöt 1 µH – 10 H 0,03 % / 0,2 mradSalamasyöksyjännite 50 mV – 400 kV 0,1 – 0,5 %Kytkentäsyöksyjännite 1 V – 200 kV 0,1 – 0,2 %Muut jännitepulssit (esim. surge) 1 V – 400 kV 0,1 – 0,5 %Virtapulssit 1 A – 10 kA 3 %ESD-pulssi 1 A – 50 A 5 %Pulssien aikaparametrit 0,7 ns – 100 ms 0,5 – 5 %Pulssin varaus (osittaispurkaus) 1 pC – 1 nC 2 % (0,2 pC abs)






Kemia

Akustiset kalibroinnitKari Ojasalo, TutkijaPuh. 050 410 [email protected]

Jussi Hämäläinen, TutkijaPuh. 050 410 [email protected]


Tarve tarkkoihin akustisiin mittauksiin on kasvussamm. uusien melupäästöjä ja tärinäaltistusta koske-vien säännösten takia. Hyvä mittaustarkkuus edellyt-tää korkealaatuisten mittalaitteiden lisäksi säännöl-listä, jäljitettävää kalibrointia. Suomessa akustiikanperussuureiden, äänenpaineen ja kiihtyvyyden, jälji-tettävyydestä vastaa MIKES.

Äänenpaine muunnetaan sähköiseksi signaaliksi tar-koilla kondensaattorimikrofoneilla, joiden primäärika-librointilaitteisto on käytössä MIKESissä. Konden-saattorimikrofoneja käytetään edelleen äänitaso-kalibraattoreiden kalibrointiin. Äänenpaineen jäljitet-tävyyden tuottava mittausketju alkaa laboratoriomik-rofonien resiprookkikalibroinnista, jolla saadaan sel-ville mikrofonien jännite-paineherkkyydet. Menetelmäon kuvattu standardissa IEC 61094-2 (1992-3) ja seon käytössä useiden muidenkin maiden kansallisillamittanormaalilaboratorioilla.

Kiihtyvyysanturi tuottaa mekaanisen liikkeen kiihty-vyyteen verrannollisen signaalin, tyypillisesti tietynjännitteen tai varauksen. Näin ollen kiihtyvyysanturinkalibrointi tarkoittaa sen herkkyyden (tyypillisesti mV/(m/s2) tai pC/(m/s2)) määrittämistä taajuuden funk-tiona. MIKES kalibroi kiihtyvyysanturin vertaamallasen näyttämää tunnettuun värähtelyyn, joka tuote-taan täristimellä. Värähtelyn oikea kiihtyvyysamplitudija taajuus mitataan samanaikaisesti referenssiantu-rilla. Menetelmä on kuvattu standardissa ISO 16063-21:2003.

Kuva 1. Mikrofonien resiprookki-kalibrointi alkamassa äänieriste-tyssä laboratoriossa.








KemiaAkustiset kalibroinnit


KalibrointipalvelutMikrofonit

Kalibroimme IEC-standardin IEC 61094-1 mukaisia½- (LS2P) ja 1- (LS1P) tuuman kondensaattorimikro-foneja (taulukko 1). Kalibrointitapa riippuu asiakkaantarvitsemasta mittaustarkkuudesta. Pienimmät kalib-rointiepävarmuudet saadaan resiprookkimenetel-mällä. Monissa tapauksissa riittää vertailu referenssi-mikrofoniin äänitasokalibraattorin avulla.

Taulukko 1. Mittausmikrofonien kalibrointiepävarmuudet.

Mikrofonintyyppi

Taajuus[kHz]

Epävarmuus[dB]

LS 1

0,0315 0,060,063 ... 2 0,044 0,055 0,068 0,0810 0,10

LS 2

0,0315 0,080,063 0,060,125 ... 8 0,0510 0,0612,5 0,0816 0,1020 0,14

Äänitasokalibraattorit

Äänitasokalibraattorit ja mäntä-äänilähteet ovatMIKESin akustiikkalaboratorion suurin yksittäinen ka-libroitava laiteryhmä. Kalibroimme äänitasokalibraat-toreiden äänenpainetasot pistetaajuuksilla. Samallamitataan äänilähteen särö ja taajuus (taulukko 2).

Kiihtyvyysanturit ja tärinäloggerit

Kalibroimme kiihtyvyysantureita, tärinäloggereita javärähtelymittauslaitteistoja taajuusalueella 1 Hz – 10kHz. Tyypillinen nimelliskiihtyvyys on 10 m/s2. Kalib-roinnin tuloksena saadaan kiihtyvyysanturin herkkyy-den magnitudi ja vaihe. Kalibroinnin epävarmuus riip-puu kalibroitavasta anturista mutta tyypillisesti epä-varmuudet ovat magnitudille 1–3 % ja vaiheelle 1–2 °taajuudesta riippuen (kuva 2).

Kuva 2: Kiihtyvyysanturien kalibrointipalvelun mittausalueja mittausepävarmuudet.

Taulukko 2. Äänitasokalibraattoreiden kalibrointialueet ja -epävarmuudet. Mittausmikrofonin tyyppi on LS2P.

Kalibraattorin tyyppi Taajuus (Hz) Äänitaso [dB re 20 µPa] Epävarmuus [dB]

Yksitaajuinen 125 – 1000 70 – 130 0,08

Monitaajuinen31,5 94 – 114 0,15

63 – 4000 94 – 114 0,158000 – 12500 94 – 114 0,15






Kemia

Ajan, aikavälin jataajuuden kalibrointiIlkka Iisakka, TutkijaPuh. 050 410 [email protected]

Anders Wallin, ErikoistutkijaPuh. 050 415 [email protected]


Taajuuden ja aikavälin mittaamista tarvitaan erittäinmonissa suorissa ja välillisissä mittauksissa esimer-kiksi tietoliikennesovellutuksissa. Siksi taajuuden jaaikavälin tarkka ja jäljitettävä mittaaminen on kansal-lisesti tärkeää. Myös tarkan absoluuttiajan merkityson kasvamassa (esim. NTP, aikaleimat).

MIKES vastaa Suomen kansallisen ajan, aikavälin jataajuuden jäljitettävyydestä. Aikalaboratorio ylläpitää

kansallista aikaa 10 ns:n epävarmuudella (k=1) suh-teessa kansainväliseen aikaan (UTC, koordinoituyleisaika) sekä kansallista taajuutta 1·10–13 suhteelli-sella epävarmuudella. Ajan ja taajuuden referenssi-normaaleina on yksi cesium-atomikello, neljä vetyma-seria ja useita GPS-vastaanottimia. Suomi osallistuumyös UTC:n ylläpitoon viidellä referenssinormaalil-laan GPS-satelliitteihin perustuvan aikavertailunkautta.

Kuva 1. Ajan ja taajuuden jäljitettävyysperustuu vetymasereihin (kuvassa) jacesium-atomikelloihin, jotka ovat erikois-ilmastoiduissa kaapeissa.








KemiaAjan, aikavälin ja taajuuden kalibrointi


KalibrointipalvelutKalibroimme mm. GPS-vastaanottimia (taajuus), os-killaattoreita, aikavälimittareita, sekuntikelloja, strobo-skooppeja ja optisia kierroslukumittareita. Taajuudenmittausalueemme on 1 mHz ... 5 GHz. Aikavälimit-tauksia teemme asiakkaiden tarpeiden mukaan, ala-rajana on noin nanosekunti. Lisäksi MIKESillä on ai-kakoodia ja tarkkaa 25 MHz taajuutta lähettävä nor-maalitaajuuslähetin, joka palvelee pääkaupunkiseu-dun läheisyydessä olevia tarkan ajan ja taajuuden tar-vitsijoita.

Kalibrointitoiminnan lisäksi toteutamme myös ajan jataajuuden mittaamiseen liittyviä erikoistoimeksiantojasekä osallistumme alan kehitys- ja tutkimusyhteistyö-hankkeisiin.

NTP-verkkoaikapalveluTietokoneiden kellot voidaan tahdistaa MIKESin yllä-pitämään Suomen kansalliseen aikaan NTP-verkko-aikapalvelun (Network Time Protocol) avulla. Saavu-tettava epävarmuus riippuu verkkoyhteyksistä, muttaon parhaimmillaan millisekunnin luokkaa.http://www.mikes.fi/ntp

Virallinen NTP-verkkoaika-palveluMIKES ylläpitää virasto-, laitos- ja yrityskäyttöön tar-koitettuja maksullisia NTP-palvelimia. Näitä korkeim-man eli Stratum 1 -tason palvelimia on yhteensäneljä, joista kaksi on synkronoitu suoraan MIKESinatomikelloihin ja kaksi GPS-vastaanottimiin.

· NTP-ohjeet· NTP-säännöt· Hinnasto

Julkinen NTP-verkkoaika-palveluMIKESillä on kaksi virallisiin NTP-palvelimiin lukittuajulkista NTP-palvelinta, jotka tarjotaan maksutta ylei-seen käyttöön.

Kuva 2. MIKES osallistuu UTC:n ylläpitoon GPS-satelliit-teihin perustuvan aikavertailun kautta.

http://www.mikes.fi/ntp

http://www.mikes.fi/mikes/esitteet/NTPohjeet.pdf

http://www.mikes.fi/mikes/esitteet/NTPsaannot.pdf

http://www.mikes.fi/mikes/esitteet/hinnasto.pdf


Mass, pressureand flow

Temperatureand humidity

Electricity, timeand acoustics

Optics Length andgeometry

Chemistry

Optiset suureetFarshid Manoocheri, TkT,Puh. 09 470 22337,[email protected]

Petri Kärhä, TkT,Puh. 09 470 [email protected]

MIKES Aalto Mittaustekniikka,Otakaari 5A, 02150 Espoohttp://metrology.tkk.fi

MIKES-AaltoMittaustekniikkaAalto-yliopiston (Aalto) ja Mittatekniikan keskuksen(MIKES) yhteinen laboratorio MIKES-Aalto Mittaus-tekniikka toimii optisten suureiden kansallisena mitta-normaalilaboratoriona MIKESin kanssa tehdyn sopi-muksen mukaisesti. Laboratorio on Signaalinkäsitte-lyn ja akustiikan laitokseen kuuluva opetus- ja tutki-musyksikkö. Perustutkimusta tehdään mm. LED-mit-tausten, lämpötilamittausten, materiaalien optistenominaisuuksien, mittauselektroniikan ja erilaisten fo-tometrian ja radiometrian mittausmenetelmien pa-rissa. Laboratorio tarjoaa kalibrointipalveluiden lisäksiasiantuntijapalveluita sekä kouluttaa diplomi-insinöö-rejä, tekniikan lisensiaatteja ja tekniikan tohtoreitavaativiin mittaustekniikan asiantuntijatehtäviin.

TutkimustoimintaTutkimustyö ja kansallisen mittanormaalilaboratoriontehtävät edellyttävät laboratoriolta jatkuvaa kansain-välistä yhteistyötä. Mittanormaalien jäljitettävyysket-jujen luomiseen ja mittausepävarmuuksien varmenta-miseen kuuluu olennaisena osana kansainvälinenvertailumittaustoiminta. Laboratorio osallistuu aktiivi-sesti mm. EURAMETin, CCPR:n ja CIE:n toimintaansekä EU:n tutkimusohjelmiin.

Kuva 1. Luminanssi- ja radians-sikalibroinneissa käytetään valo-lähteenä integroivaa palloa,jonka ulostulon intensiteetinpaikkajakauma on tasainen.



http://metrology.tkk.fi/





KemiaOptiset suureet


KalibrointipalvelutMIKES-Aalto Mittaustekniikka tarjoaa kalibrointipal-veluja alla olevassa taulukossa esitetyille optisillesuureille. Kaikilla mittauksilla on jäljitettävyys kan-sallisiin ja kansainvälisiin mittanormaaleihin. Epä-varmuudet on varmistettu kansainvälisillä vertailu-mittauksilla. Annamme mielellämme lisätietoja esim.kalibrointipalveluiden sisällöstä ja mittausepävar-muuden jakautumisesta eri mittaus- ja aallonpituus-alueille.

KalibrointikohteetKalibroitavia laitteita ovat mm.

• valaistusvoimakkuusmittarit• mittanormaalilamput• radianssi- ja luminanssimittarit• lasertehomittarit• optiset suodattimet• heijastusreferenssit• UV-mittarit• fluoresoivat näytteet.

Kuva 2. Lampun spektristä irradianssia mitataan asettamallalamppu tarkasti määritellylle etäisyydelle radiometristä, jonkaspektrinen herkkyys ja pinta-ala tunnetaan.

Kuva 3. Osa kalibroinneista voidaan tehdäkenttäkalibrointeina asiakkaan laborato-riotiloissa. Kuvassa on laboratoriossa ke-hitetty suodatinradiometri, jolla voidaankalibroida mittanormaalilampuista spektri-nen irradianssi tai valaistusvoimakkuus.

Suure Mittausalue Aallonpituusalue Epävarmuus (k=2)Valovoima 1 – 10 000 cd – 0,5 %Valaistusvoimakkuus Valais-tusvoimakkuusherkkyys 0,1 – 5 000 lx – 0,5 % – 0,7 %

LuminanssiLuminanssiherkkyys 1 – 40 000 cd/m2 – 0,8 % – 1,0 %

Valovirta 10 – 10 000 lm – 1,0 %

Spektrinen irradianssi 100 μW m–2 nm–1

– 500 W m–2 nm–1 290 – 900 nm 0,8 % – 2,9 %

Spektrinen radianssi 100 μW m–2 sr –1 nm–1

– 1 W m–2 sr –1 nm–1 360 – 830 nm 1,4 % – 4,2 %

Värikoordinaatit (x, y) 0,1 – 0,9 – 0,0005Värilämpötila 2800 – 3250 K – 5 KOptinen teho 0,1 – 0,5 mW 325 – 920 nm 0,05 % – 1,0 %

Spektrinen herkkyys 0,01 – 20 μW0,05 – 5,0 mW

380 – 1700 nm250 – 380 nm

0,5 % – 4,0 %2,0 % – 5,0 %

Transmittanssi 0,0001 – 1 250 – 1700 nm 0,2 % – 5,0 %Absorbanssi 0 – 4 250 – 1700 nm 0,0009 – 0,022Reflektanssi (5° – 85°) 0,01 – 1 250 – 1000 nm 1,0 % – 5,0 %Hajaheijastus 0,1 – 1 360 – 830 nm 0,4 % – 1,0 %Kuituoptinen teho 1 nW – 200 mW 1310 – 1550 nm 1,2 % – 2,0 %






Kemia

Quantitave Microscopy –Atomic Force MicroscopeVirpi Korpelainen, Senior ScientistTel. +358 050 410 [email protected]


Development and research in nanotechnology has in-creased the need for accurate measurements in re-search institutes and industry. Different kinds of Scan-ning Probe Microscope (SPM) measurements arecommonly used in many institutes and companies. Inorder to guarantee accurate and reliable dimensionalmeasurements at nanometre range, MIKES has atraceably calibrated Atomic Force Microscope (AFM).Thus, MIKES can provide customers with traceablemeasurements also at nanometre range.

MIKES provides accurate AFM measurement ser-vices to match the needs of customers. In addition, wecalibrate SPM transfer standards.

Figure 1. Alignment of laserbeams for interferometriccalibration of y-axis of theAFM.







KemiaQuantitave Microscopy – Atomic Force Microscope


MIKES has a PSIA XE-100 AFM, which is calibratedinterferometrically and with grating calibrated by la-ser diffraction at MIKES. The AFM is traceable tothe definition of the metre. The xy-movements of theAFM are mechanically separated from the z-move-ments. This increases the linearity of the move-ments, decreases out of plane movements andeliminates crosstalk. The structure of the device al-lows rather large samples to be measured, alsomeasurements can be done using the most usualmeasurement modes: contact, non-contact, tappingand lateral force. The measurement results can beanalysed using SPIP software 1.

Scale errors of uncalibrated SPMs typically rangefrom 2 % to 20 %. In addition, measurement errorsmay cause distortions in the measured figure, whichmight be difficult to detect from the figure. Therefore,the device has to be calibrated. New, more advan-ced SPMs have increased measurement precision,but the development does not remove need for cal-ibration. Especially in all quantitative form measure-ments, the measurements should be traceable tothe definition of the metre. Usually SPMs are cali-brated by using calibrated transfer standards.1 The Scanning Probe Image Processor SPIPTM

http://www.imagemet.com

Property DataSample size <100 mm × 100 mmSample thickness <20 mmSample mass <500 gMeasurement range (xy) 100 µm × 100 µmMeasurement range (z) 12 µm

Resolution (xy) 0.15 nm0.02 nm (low voltage mode*)

Resolution (z) 0.05 nm0.01 nm (low voltage mode*)

Uncertainty (k=2),x and y directions Q [3; 2 L/µm] nm

Uncertainty (k=2),z direction Q [3; 2 L/µm] nm

Q [x; y] = (x2 + y2)1/2

Figure 2. 2-D grid standard.

Figure 3. AFM image of Seeman tiletype DNA nano-origami structures.

http://www.imagemet.com/






Kemia

NanopartikkelienkarakterisointiVirpi Korpelainen, ErikoistutkijaPuh. +358 050 410 [email protected]


Nanopartikkeleita käytetään yleisesti monissa sovel-luksissa. Nanopartikkeleiden tarkka karakterisointi ontärkeää tutkimuksessa, tuotannossa ja monilla sovel-lusaloilla kuten teollisuus, terveys, turvallisuus ja näi-hin liittyvä sääntely. VTT MIKES metrologiassa par-tikkeleita voidaan karakterisoida kahdella eri menetel-mällä: dynaaminen valon sironta (DLS) ja atomivoi-mamikroskooppi (AFM). Mittausten jäljitettävyys met-rin määritelmään tulee MIKESin interferometrisestijäljitettävän metrologisen AFM:n (IT-MAFM) kautta.Molemmilla menetelmillä on omat hyvät puolensa jarajoituksensa. DLS on nopea ja tulokset ovat tilastol-lisesti edustavia. DLS-mittauksissa jo pieni määräsuuria partikkeleita voi estää pienten partikkeleidenhavaitsemisen. AFM:llä voidaan mitata sekä partikke-lin kokoa että muotoa. Huonona puolena on, että vainrajallinen määrä partikkeleita voidaan mitata, mikäjohtaa huonoon statistiikkaan. Mittauskärjen ja näyt-teen vuorovaikutus on merkittävä, etenkin kun mita-taan pieniä partikkeleita. Joissain tapauksissa myösnäytteen valmistus voi olla hankalaa.

Kuva 1. AFM kuva 100 nm:n nanopartikkeleista.

Kuva 2. DLS mittauksia.

Taulukko 1. VTT MIKES metrologiassa on kaksi laitetta,jotka soveltuvat nanopartikkeleiden mittauksiin.

Laite Zetasizer Nano PSiA XE-100

Mittausmenetelmä DLS AFM

Mittaussuure KokojakaumaZeta potentiaali

KokoMuoto

Mittausalue 0,3 nm – 10 µm 5 nm – 5 µmMittausepävarmuus 2 % alkaen 1 nm







KemiaNanopartikkelien karakterisointi


Zetasizer NanoDynaamista valonsirontaa käytetään partikkeleiden jamolekyylien koon mittaamiseen. Tässä tekniikassamitataan partikkeleiden diffuusiota, kun ne liikkuvatBrownin liikkeen seurauksena. Tästä liikkeestä laske-taan Stokes-Einstein yhtälöiden avulla partikkeleidenkoko ja kokojakauma.

Laser Doppler Micro-electrophoresista käytetäänzeta-potentiaalin mittaamiseen. Liuoksessa molekyy-lit tai partikkelit liikkuvat sähkökentän vaikutuksesta.Tämän liikkeen nopeus on suhteessa molekyylien taipartikkeleiden zeta-potentiaaliin.

Nanopartikkeleiden mittaus-palvelut MIKESissä

• Nanopartikkeleiden koon ja muodon mittauksetAFM:llä

• Nanopartikkeleiden kokojakauman mittauksetliuoksessa DLS:llä

• Nanopartikkeleiden pintavarauksen (zeta-potentiaalin) mittaukset liuoksessa

Atomivoimamikroskopia (AFM)AFM:n mittauspäässä on hyvin terävä kärki, jokaskannaa tutkittavaa aluetta. Kun kärki lähestyy pin-taa, jossain vaiheessa lyhyen kantaman attraktiivisetvoimat taivuttavat mittauspäätä pintaa kohti. Jos kärkituodaan vielä lähemmäksi pintaa, jolloin kärki kosket-taa pintaa alkavat repulsio voimat vaikuttaa ja taivut-tavat mittauspäätä pinnasta poispäin.

AFM mittauksessa kuvataan näytteenpinnan muotoskannaamalla mittauskärjellä halutun alueen yli piirtokerrallaan. Pinnan nousut ja laskut taivuttavat mit-tauspäätä ja muutokset havaitaan paikkaherkällä de-tektorilla. Takaisinkytkentäluuppi säätää mittauskär-jen korkeutta ja pitää taipuman vakiona. Siten saa-daan mitattua tarkka topografiakartta pinnan muo-dosta.

Kuva 3. DLS tulos noin100 nm:n nanopartikkeleista.






Kemia

LaserinterferometrienkalibrointiJeremias Seppä, ErikoistutkijaPuh. 050 410 [email protected]

Veli-Pekka Esala, ErikoistutkijaPuh. 040 866 [email protected]


Laserinterferometrit ovat nykyaikaisessa pituusmet-rologiassa mittapalojen ohella tärkeimmät mitta-normaalit. Vielä 1980-luvulla ajateltiin, että laserinter-ferometrit ovat riittävän tarkkoja ilman kalibrointiakin.Käyttäjien tarpeiden ja kertyneiden kokemusten pe-rusteella nykyään katsotaan myös laserinterferomet-rien kalibrointi välttämättömäksi. MIKESillä on jäljitet-tävät menetelmät laserinterferometrien kalib-roimiseksi. Kalibrointi parantaa laserinterferometrienkäyttötarkkuutta ja luotettavuutta.

Kuva 1. Laserinterferometrin toiminnallinen testaus.

Kuva 2. Metrin primaari-normaali – 633 nm:njodistabiloitu HeNe-la-ser.








KemiaLaserinterferometrien kalibrointi


Kalibroinnin sisältöLasertaajuuden kalibrointi

Laserinterferometrisissä mittauksissa käytettävien la-sereiden tyhjiöaallonpituus kalibroidaan jodistabiloidunlaserin avulla. Suora jäljitettävyys metrin määritelmääntaataan sillä, että jodistabiloitujen lasereiden taajuus(tyhjiöaallonpituus) on määritetty atomikelloon lukitullaoptisella taajuuskampalaitteistolla.

MIKES ylläpitää seuraavia lasereita, joiden taajuus onlukittu kansainvälisten suositusten mukaisesti jodi-molekyylin absortioviivoihin: HeNe-laserit aallonpituuk-silla 633 nm (kuva 2) ja 543,5 nm sekä Nd:YAG-laseraallonpituudella 532 nm. Näiden laserien taajuudensuhteellinen laajennettu epävarmuus (k=2) on parempikuin 10–10.

Jodistabiloiduilla lasereilla kalibroidaan muiden stabi-loitujen lasereiden taajuus (tyhjiöaallonpituus) taa-juuseromittauksella. Lasertaajuuden kalibrointiin kuu-luu pitkäkestoinen taajuusmittaus sekä toistettavuus-mittauksia. Lisäksi mitataan pysty- ja vaakapolarisaa-tioiden välinen taajuusero ja tarkastetaan polarisaatio-erottelu. Nämä mittaukset antavat hyvän kuvan laitteentaajuuden stabiiliudesta ja luotettavuudesta. Muilla aal-lonpituuksilla toimivien lasereiden taajuus voidaanmäärittää optisen taajuuskamman avulla.

Kuva 3. Virheet olosuhdeantureissa saattavat aiheuttaa huo-mattaviakin virheitä laserinterferometrin mittaustuloksessa.

Ympäristöantureiden kalibrointija toiminnan testaus

Lasertaajuuden lisäksi kalibroidaan olosuhdeanturitja testataan laitteiston toiminta monipuolisesti.Nämä mittaukset ovat välttämättömiä laserinterfero-metrille ominaisen hyvän mittaustarkkuuden takaa-miseksi. Erityisesti olosuhdeanturien kalibroinnillasaavutetaan kalibroidulle laitteistolle jopa kertaluok-kaa parempi mittaustarkkuus kuin ilman laitteistonkalibrointia.

Olosuhdeanturien kalibrointi sisältää lämpötila-antu-rin, ilmanpaineanturin ja materiaalin lämpötila-antu-reiden kalibroinnit. Toiminnallinen testaus suorite-taan lämpötilastabiloidussa mittauslaboratoriossamittaamalla siirtyvään kelkkaan kiinnitetyn retro-reflektorin paikoituksia sekä kalibroitavalla että refe-renssilaserinterferometrillä (kuva 1). Mittauksessamolempien laserien säteet kulkevat samojen optis-ten komponenttien kautta sekä ilman olosuhdeantu-reita että niiden kanssa. Samoin kulma-asteikko tes-tataan referenssilaseriin vertaamalla. Tarvittaessaoptiset komponentit mitataan tasomaisuusinterfero-metrillä.

Mikäli olosuhdeantureiden virheet ovat merkittäviä,on ne syytä säätää. Säätämällä saadaan interfero-metrin mittaus helposti tarkemmaksi (kuva 3). Esi-merkiksi Agilentin laserinterferometreille säätö on-nistuu melko helposti.

JäljitettävyysJodistabiloitujen lasereiden taajuus on kalibroitutaajuuskamman avulla. Taajuuskampa, jonka avullametri realisoidaan MIKESissä saa taajuusasteik-konsa atomikelloista. Olosuhdeantureiden kalibroin-neissa käytettävät mittarit on kalibroitu vastaavienkansallisten mittanormaalilaboratorioiden toimesta.

Taulukko 1. Kalibroinnin epävarmuudet.

Suure Mittausalue Epävarmuus(k=2)

Aallonpituus 633 nm; 543,5 nm;532 nm

~10–9

(suhteellinen)Ilman paine 970…1050 hPa

(730…790 mmHg)40 Pa

Ilman lämpötila 17…25 °C 0,10 °CMateriaalinlämpötila

15…25 °C 0,050 °C






Kemia

Mittapalojen interfero-metrinen kalibrointiPasi Laukkanen, TutkimusinsinööriPuh. 050 382 [email protected]

Antti Lassila, Johtava metrologiPuh. 040 767 [email protected]


Mittapalojen kalibrointiInterferometrinen mittapalamittaus on primaari mene-telmä mittapalojen, jotka ovat teollisuuden tärkeimpiäpituuden mittanormaaleja, kalibrointiin. Interferomet-rien avulla siirretään metrin realisointi mittapaloihin la-serin stabiloidun ja kalibroidun aallonpituuden kautta.Myös vertailumittauksella kalibroitujen mittapalojenon oltava jäljitettäviä interferometrisesti kalibroituihinmittapaloihin. Mittapalan pituudeksi on standardissamääritelty etäisyys mittapalan pinnan keskipisteestätoiseen päähän imeytettyyn referenssitasoon 20 °Clämpötilassa ja 1013,25 hPa paineessa. Interferomet-risesti kalibroidun mittapalasarjan käyttö antaa pie-nemmän epävarmuuden mekaanisiin kalibrointeihinesim. akkreditoiduissa kalibrointilaboratorioissa.

MIKESin interferometritMIKESillä on mittapalainterferometri sekä lyhyille(0 … 300 mm) että pitkille (100 … 1000 mm) mittapa-loille ja päätemitoille. Laitteet sijaitsevat ympäristösta-biloiduissa mittaushuoneissa ja ne on varustettu läm-pötila-, kosteus- ja paineantureilla. Tarkka olosuhde-valvonta (laboratorion lämpötilastabiliteetti 20 °C ±0,05 °C) mahdollistaa pienen epävarmuuden taiteker-roin- ja lämpöpitenemiskompensoinneille. Mittapalanpinnan ja referenssitason välinen pinnankarheuseromitataan ja korjataan tuloksista. Mittapaloista voidaanmitata myös pintojen yhdensuuntaisuus ja tasomai-suus.

Lyhyiden mittapalojen interferometri MIKES PSIGB(kuva 1) käyttää 633 ja 543,5 nm:n stabiloituja He-Ne-lasereita. Laitteessa on iso imeytysalusta, jokamahdollistaa nopean jopa 14 mittapalan peräkkäisenautomaattisen kalibroinnin. Laitteella mittapalat kalib-roidaan pystyasennossa.

Kuva 1. Tesa-NPL mittapalainterferometri.

Pitkien päätemittojen interferometri (kuva 2) käyttäähyväkseen valkoisen valon ja 633 nm laservalon in-terferenssejä. Valkoisen valon interferenssin käytönetuna on se, että kalibroinnissa ei tarvita ennakkotie-toa päätemitan pituudesta. Päätemitat kalibroidaanvaaka-asennossa tuettuna Besselin pisteistä, sitenettä referenssitason paino on kompensoitu.








Kemia Mittapalojen interferometrinen kalibrointi


JäljitettävyysPituusmittojen ja pituudenmittauslaitteiden säännölli-nen kalibrointi on välttämätön osa mittausten varmen-tamista. Jäljitettävät kalibroinnit ja tieto mittaustenepävarmuudesta ovat perusedellytyksiä hyvälle ja ta-saiselle laadulle. Jäljitettävyys mittapalakalibrointei-hin saadaan kalibroimalla niissä käytettyjen HeNe-la-sereiden aallonpituudet pituuden kansallisia mitta-normaaleja jodistabiloituja lasereita vasten. Interfero-metrien kanssa käytettävät lämpötilan, paineen jakosteuden mittalaitteet kalibroidaan vastaavissaMIKESin laboratorioissa. Kalibrointien luotettavuusvarmistetaan osallistumalla säännöllisesti kansainvä-lisiin vertailumittauksiin.

KalibrointipalvelutMittapalainterferometreillä voidaan mitata muitakinkappaleita, joiden pinnat ovat riittävän tasomaisia jasileitä. Esimerkkejä ovat keraamisten tiivisteiden läm-pöpitenemiskertoimen määritys ja kahden yhden-suuntaisen lasipinnan väliin muodostetun ilmavälinmittaus. Interferometrinen kalibrointi vaatii tavallistaenemmän myös mittapaloilta. Niiden mittauspintojenon oltava hyvin yhdensuuntaiset, tasomaiset sekänaarmuttomat. MIKES kalibroi laatuluokkien K (00) ja0 mukaisia mittapaloja sekä päätemittoja esim. kvart-simetrejä oheisen taulukon mukaisesti.

Kuva 2. MIKESin pitkien mittapalojen interferometrinen ka-librointilaite.

Taulukko 1. Kalibrointikohteet ja mittausepävarmuudet

Kalibroitava laite Mittausalue Epävarmuus (k=2)

Mittapalat, lyhyet 0,5 mm ... 300 mm Q[20; 0,3L] nm

Mittapalat, pitkät 100 mm ... 1000 mm Q[30; 0,11L] nm

Kvartsimetrit 1000 mm 72 nm






Kemia

Mittapalojen mekaaninenvertailukalibrointiArttu Ollikainen, TutkimusassistenttiPuh. 050 395 [email protected]



Mekaaninen vertailumittaus on yleisin tapa mittapalo-jen pituuden määrittämiseksi. Menetelmässä kalib-roitavan mittapalan pituutta verrataan nimellisarvol-taan saman pituisen kalibroidun mittapalan pituuteenerityisen komparaattorin avulla (kuva 1).

MittapalamittausSamaa materiaalia olevien samanpituisien mittapalo-jen vertaaminen toisiinsa on menetelmänä erittäin yk-sinkertainen, luotettava, nopea ja edullinen. Mene-telmä soveltuu myös käytössä olleille mittapaloille,joiden pinnat ovat kuluneet. MIKES kalibroi teräksisiäsekä myös kovametallisia että keraamisia mittapa-loja. Kalibroitavien mittapalojen pituus vaihtelee alu-eella 0,1…1000 mm (taulukko 1). Kalibroinnin yhtey-dessä tarkastamme mittapintojen tasomaisuuden japoistamme purskeet, jotka estäisivät mittapalojen luo-tettavan käytön. Palojen määrävälein tapahtuva tar-kastus estää vaurioiden siirtymisen koko sarjaan. Ka-libroimattomien palojen käyttö tuotannon laadunval-vonnassa ja mittalaitekalibroinnissa aiheuttaa ylimää-räisiä riskejä ja kustannuksia.

Kuva 1. Mittapalavertailulaitteen anturi tunnistaa palan pin-nan sijainnin 0,6 N mittausvoimalla.

Taulukko 1. Mittapalojen mekaaninen vertailukalibrointi.

Mittalaite Mittausalue Laajennettumittausepävarmuus

Tesa-mittapalavertailija 0,1 mm …100 mm Q[0,050; 0,00087L] µm

MIKES pitkien mittapalojen vertailulaite 100 mm …1000 mm Q[0,20; 0,00087L] µm

L mittapalan nimellismitta millimetreissä








KemiaMittapalojen mekaaninen vertailukalibrointi


JäljitettävyysMekaanisessa vertailumittauksessa käytetyt refe-renssimittapalat kalibroidaan säännöllisesti MIKESinomilla mittapalainterferometreillä. Mittapalainterfero-metreissa käytettyjen lasereiden aallonpituudet onkalibroitu pituuden kansallisten mittanormaalien jo-distabiloitujen lasereiden avulla.

Taulukko 2. Standardin ISO 3650:1998 mukaiset tarkkuusluokat mittapaloille.

Nimellismitta-aluemm

KalibrointiluokkaK

mm

Luokka0

mm

Luokka1

mm

Luokka2

mm

Alaraja Yläraja ±te tv ±te tv ±te tv ±te tv

0,5 10 0,20 0,05 0,12 0,10 0,20 0,16 0,45 0,30

10 25 0,30 0,05 0,14 0,10 0,30 0,16 0,60 0,30

25 50 0,40 0,06 0,20 0,10 0,40 0,18 0,80 0,30

50 75 0,50 0,06 0,25 0,12 0,50 0,18 1,00 0,35

75 100 0,60 0,07 0,30 0,12 0,60 0,20 1,20 0,35

100 150 0,80 0,08 0,40 0,14 0,80 0,20 1,60 0,40

150 200 1,00 0,09 0,50 0,16 1,00 0,25 2,00 0,40

200 250 1,20 0,10 0,60 0,16 1,20 0,25 2,40 0,45

250 300 1,40 0,10 0,70 0,18 1,40 0,25 2,80 0,50

300 400 1,80 0,12 0,90 0,20 1,80 0,30 3,60 0,50

400 500 2,20 0,14 1,10 0,25 2,20 0,35 4,40 0,60

500 600 2,60 0,16 1,30 0,25 2,60 0,40 5,00 0,70

600 700 3,00 0,18 1,50 0,30 3,00 0,45 6,00 0,70

700 800 3,40 0,20 1,70 0,30 3,40 0,50 6,50 0,80

800 900 3,80 0,20 1,90 0,35 3,80 0,50 7,50 0,90

900 1000 4,20 0,25 2,00 0,40 4,20 0,60 8,00 1,00

Taulukon lyhenteet ovat:te = toleranssi poikkeamalle nimellismitastatv = toleranssi pituuden vaihteluille






Kemia

Muodon ja pinnankarheu-den 2D- ja 3D-mittausBjörn Hemming, ErikoistutkijaPuh. 050 773 [email protected]

Maksim Shpak, TutkijaPuh. 050 415 [email protected]


Nykyaikaisten tuotteiden valmistustarkkuudet sekäpyrkimys korkeaan laatuun edellyttävät kykyä mitatapienehköjen ja muodoltaan monimutkaisten kappalei-den muotosuureita, kuten suoruuksia, yhdensuuntai-suuksia, kaarevuussäteitä tai pinnankarheutta. Rat-kaisun näihin mittausongelmiin tarjoavat MIKESinpalvelut tietokoneohjatulla muodon- ja pinnankarheu-den mittalaitteella.

MuodonmittausMuodonmittauskone mahdollistaa jopa 0,6nm:n suu-ruusluokkaa olevien muotopoikkeamien havaitsemi-sen. Tyypillisiä muodonmittauksia ovat tarkat suoruu-den mittaukset, sisä- ja ulkopuolisten kaarevuussätei-den määritykset sekä erilaiset pienten osien dimen-siomittaukset (kuva 1). Näihin kuuluvat urien syvyyk-sien ja pituuksien sekä pienten sisä- ja ulkopuolistenkulmien mittaukset. Muodonmittauskoneen TaylorHobson Form Talysurf tärkeimmät tekniset tiedot onkoottu taulukkoon 1.

Kuva 1. Lieriöpinnan sivun suoruuden mittaus.








KemiaMuodon ja pinnankarheuden 2D- ja 3D-mittaus


Pinnankarheuden mittausPinnankarheusnormaalien kalibroinnin ohella tavalli-sia tehtäviä ovat laadunvalvontaan ja tuotekehityk-seen liittyvät mittaukset. MIKESin pinnankarheusmit-taukset perustuvat standardeihin ISO 5436-1 sekäISO 4287.

Mittauskohteita• pinnankarheusnormaalien jäljitettävät kalibroinnit• lääketieteen tuotekehitykseen liittyvät proteesien

mittaukset• tribologisten näytteiden mittaukset• maanrakennuksessa käytettävien työkoneiden

terien profiilimittaukset• elektroniikan komponenttien tuotekehitykseen ja

laadunvalvontaan liittyvät geometriset mittaukset• metallisten tiivisteiden, hydrauliikka- ja pneuma-

tiikkakomponenttien tuotekehitys- ja laadunval-vontamittaukset.

JäljitettävyysMittauskoneen jäljitettävyys tulee interferometrisestikalibroitujen mittapalojen, piirtomitan sekä tasolasienja pallon kautta.

Kuva 2. Kylkiviivan suoruuden mittaus käynnissä.

Taulukko 1. Muodonmittauskoneen Taylor Hobson Form Talysurf tärkeimmät tekniset tiedot.

Ominaisuus Tiedot

Mittauslaite ja toimintaperiaate Taylor Hobson Form Talysurf Ser. 2, Type 112/2815-02, induktiivinen

Käytettävät mittauskärjet Timanttikärki, säde 0,002 mm,Pallonmuotoinen safiirikärki, säde 0,397 mm.

Mittausvoimat 1,0 mN (timanttikärkeä käytettäessä),15–20 mN (safiirikärkeä käytettäessä)

Mitattavat pinnankarheuden parametrit R3y, R3z, Ra, Rc, Rda, Rdc, Rdq, RHSC, Rku, Rln, RLo, Rlq, Rmr,Rmr(c), Rp, RPc, Rq, RS, Rsk, RSm, Rt , Rv, RVo, Rz, Rz(JIS).Lisäksi joukko aaltomaisuusparametreja.

Suurin mittauspituus 120 mmMitattavan kappaleen suurin korkeus 700 mm, suurin leveys 3D-mittauksessa 50 mmSuurin sallittu muotopoikkeama 28 mm (120 mm:n mittauskärjellä)Mittausnopeus 1 mm/sLaitteiston erottelukyky 0,0006 µmPienin mittausepävarmuus Q[10; 70P] nm, kun P on poikkeama tasomaisuudesta mikrometreinä






Kemia

Optinen pinnanmuodonmittausVille Heikkinen, TutkijaPuh. 050 415 [email protected]

Björn Hemming, ErikoistutkijaPuh. 050 773 [email protected]


MIKESin valkoisen valon pyyhkäisymikroskoopilla onmahdollista mitata millimetri-mikrometri kokoluokanrakenteita.

MIKESin valkoisen valon pyyhkäisymikroskoopin(SWLI) ominaisuuksiin kuuluu nanometriluokan pys-tytarkkuus, mikrometriluokan vaakaresoluutio ja kykymitata millimetriluokan alueita nopeasti. MIKESinSWLI on mallia Bruker ContourGT-K (kuva 1). EtunaSWLI:ssä muihin vastaavaan pystysuunnan mittaus-tarkkuuteen pystyviin instrumentteihin verrattuna(esim. laserinterferometrit tai AFM) on suuri mittaus-alue, kyky mitata korkeita pystysuoria askelmia jakyky mitata läpinäkyvien kerrosten läpi. Lisätietojalaitteen ominaisuuksista on taulukossa 1.

Todellinen mittausepävarmuus on aina tapauskoh-taista riippuen ympäristöolosuhteista, koneesta jatyökappaleen ominaisuuksista. Erityisesti kiinnitäm-me toiminnassamme huomiota kohteen puhtauteen,lämpötilaan, kiinnitykseen, suuntaamiseen, mittaus-järjestelyihin sekä tulosten dokumentointiin.

Esimerkkejä mittauskohteista:• Laakerit, liukupinnat, pinnan topografia ja kulu-

minen• Puolijohteiden ja MEMS rakenteiden mittaus• Lääketieteelliset komponentit ja implantit• Optiset komponentit• Tarkkuuskoneistetut komponentit

Kuva 1. Bruker ContourGT-K valkoisen valon pyyhkäisy-mikroskooppi.

Teemme SWLI:llä• palvelumittausta eri kappaleille

o pinnan muotojen ja yksityiskohtien pituudenja korkeuden mittaus

o pinnanmuotojen digitointio kerrospaksuuksien mittauso pinnankarheus (2D ja 3D ISO pinnankar-

heusparametrit), tasomaisuus, poikkeamatmuodosta

• erilaisia mittalaitekalibrointeja• siirtonormaalien kalibrointeja

o askelkorkeusnormaalit ja vertailukappaleet








KemiaOptinen pinnanmuodon mittaus


Optimaaliset mittausolosuhteetSWLI on sijoitettu maanalaiseen, tasalämpöiseen (20± 0,2) °C mittaushuoneeseen. Huoneessa useimmatlämpölähteet on eliminoitu poistoilmaputkituksilla.

JäljitettävyysSWLI on jäljitettävä SI-metriin MIKESin omien siirto-normaalien kuten askelkorkeusnormaalien ja laserin-terferometrin kautta.

Taulukko 1. SWLI:n tärkeimmät ominaisuudetOminaisuus TiedotOptinen x-y resoluutio 3,8 – 0,7 µmPikselikoko 7,2 – 0,2 µmPystysuunnan erotuskyky < 0,1 nmAskelkorkeuksien mittaus:

• toistuvuus < 0,1 %• tarkkuus < 0,75 %

Mitattavan pinnan heijastavuus: 0,05 % – 100 %Mitattavan pinnan maksimikaltevuus: 3° (2,5× objektiivilla), 18,9° (20× objektiivilla)Objektiivit 2.5× ja 20× objektiivit, 0.55×, 1× ja 2× suurennuslinssitMittausalue (X × Y × Z mm3): pienin suurennos 3,5 × 4,6 × 3,5

suurin suurennos 0,4 × 0,6 × 3,5Mittausalue pikseleinä 640 × 480Ohjelmistot Vision64 Analysis Software, MountainsMap, MatLab

Mitattavan kappaleen maksimikoko 10 cm korkea × 20 cm leveä, toisen vaakasuunnan pituus voiolla paljon suurempi

Kyky mitata päällekkäisiä pintoja 2 päällekkäistä pintaa voidaan mitata yhdellä mittauksella.Maksimisyvyys riippuu taitekertoimista, geometriasta ja suuren-noksesta, esim. 0,3 mm lasin läpi voi mitata.7 mm ehdoton yläraja mittaussyvyydelle.

Kuva 2. Alumiinin työstöjäljen laadun tutkimista.

Kuva 3. Lasiin uurretun uran muodon mittaus.






Kemia

TakymetritJarkko Unkuri, TutkijaPuh. 040 410 [email protected]



MIKES kalibroi takymetrien kulma- ja pituusmittaustoimintoja.

Etäisyysmittarin kalibrointi30 metrin mittaradallaTakymetrin etäisyysmittarin havaintoja verrataan MI-KESin referenssimittalaitteen, laserinterferometrin,havaintoihin 30 m:n mittaradalla. Takymetrin ja lase-rinterferometrin mittausakselit linjataan yhdensuun-taisiksi. Interferometri nollataan mittaradan alussa jaetäisyysmittarin havainnoista vähennetään interfero-metrin nollakohdassa havaittu lukema. Tuloksena

kalibrointitodistuksessa ilmoitetaan poikkeamat refe-renssietäisyydestä ja laajennettu (k=2) mittausepä-varmuus tähyksittäin. Tähyksenä voi olla mm. tark-kuusprisma, palloprisma, tarratähys tai tähyslevy.Mittausepävarmuuden arvo riippuu havaintojen ha-jonnasta ja on tarkoilla etäisyysmittareilla yleensä vä-lillä 0,05 mm – 0,25 mm.

Kuva 1. MIKESin 30 m:n mittarata.








KemiaTakymetrit


Kulmamittaustenkalibrointi pyöröpöydällä jakollimaatioputkillaTakymetrin pysty- ja vaakakulma-asteikot kalibroi-daan käyttäen referenssilaitteena monitahokkaiden jaautokollimaattoreiden avulla kalibroitua Eimeldingenpyöröpöytää.

Vaaka-asteikon kalibrointia varten takymetri asemoi-daan kulmapöydälle siten että pystyakseli on kulma-pöydän akselin jatkeena (kuva 2). Kulmapöytää kään-netään täysikierros 30° välein ja vastaavat havainnottakymetrillä tehdään kollimaatioputkeen kohdistaen.

Pystykulma-asteikko kalibroidaan samaan tapaanpyöröpöytä pystyasennossa käyttäen hyväksi tarkoi-tusta varten suunniteltua optomekaniikkaa.

Kuva 2. Takymetrin vaaka-asteikon kalibrointi Eimeldingenpyöröpöydällä käyttäen tähtäyskohteena kollimaatioputkea.

Takymetrikalibroinnin sisältö Tyypillinen mittausepävarmuus

pituusasteikon kalibrointi

ero referenssiin– tarkkuustähyksellä 0,15 mm– pallotähyksellä 0,15 mm– tarratähyksellä 0,20 mm– ilman tähystä

kulma-asteikkojen kalibrointi

– pystykehän asteikkovirhe 2" – 3"– vaakakehän asteikkovirhe 1" – 2"– tappikaltevuus 1" – 2"– pystykehän indeksivirhe 0,5" – 1,5"– kollimaatiovirhe 0,5" – 1,5"– hiusristikon asento ja kohtisuoruus– fokusoinnin vaikutus– olosuhdeantureiden näyttämän tarkistus– automaattihakutoiminnon hajontatesti






Kemia

Kulman jakohtisuoruuden mittausAsko Rantanen, Vastaavatutkimusteknikko, Puh. 0400 925 [email protected]



Kulman mittaus on tärkeää kaikessa konepaja- ja ra-kennusteollisuudessa. Mittojen kasvaessa kulmanmittauksen merkitys korostuu myös dimensioiden mit-tauksessa. Suorakulma ja siihen liittyvä kohtisuoruusovat kulmanmittauksen keskeinen erikoistapaus.

Kulman yksikkö SI-järjestelmässä on radiaani [rad],mutta toimialasta ja mittauskohteesta riippuen kul-malle käytetään yleisemmin muita yksiköitä. Koneen-rakennuksessa kulmat ilmoitetaan yleensä asteina[°], minuutteina ['] ja sekunteina ["], geodesiassa ylei-simmin käytetty yksikkö on gooni [gon]. Maaraken-nuksessa ja muutenkin pienille kulmille yleinen yksik-kö on [mm/m]. Kirjavassa yksikköjoukossa muita il-maisutapoja ovat prosentit [%] ja pituussuhteet.

Kohtisuoruus ISO1101-standardin mukaan:

• Tuloksena annetaan toleranssialueen leveys t• Toinen sivu määritetään referenssisivuksi ja

vain tätä referenssisivua vastaan kohtisuorasivu mitataan

Kuva 1. Kuvassa monitahokason kiinnitetty pyöröpöytään.Pyöröpöydän ja monitahok-kaan virheet voidaan erottaatoisistaan suorittamalla sarjamittauksia Möller Wedel HPRautokollimaattorilla.








KemiaKulman ja kohtisuoruuden mittaus


Kulman mittalaitteetTavallisimpia kalibrointikohteita konepajoissa ovattyöstö- ja mittauskoneitten pyöröpöydät, yleiskulma-mitat, kulmamittapalat ja erilaiset vesivaa’at. Kone-asennuksissa ja rakennusteollisuudessa käytettäviäkulmamittalaitteita ovat mm. sähköiset kulmanmit-tauslaitteet, teodoliitit, vaaituskojeet, takymetrit, laser-interferometrit, autokollimaattorit ja monitahokkaat.

Kuva 2. Takymetrin vaaka-asteikko kalibroidaan Eimeldin-gen pyöröpöydällä käyttäen tähtäyskohteena kollimaa-tioputkea.

MittausepävarmuusMittaukset tapahtuvat kontrolloidussa mittaushuo-neessa +20 °C ± 0,1 °C lämpötilassa. Saavutettavamittausepävarmuus riippuu oleellisesti kalibroinninkohteesta ja sen ominaisuuksista (esim. muoto- japinnankarheusvirheet).

Kuva 3. Kuvassa kalibroidaan kivisuorakulmaa MIKESissäkehitetyllä mittalaitteella.

Taulukko 1. Esimerkkejä kulmamittalaitteiden pienimmistä mittausepävarmuuksista.

Laite Mittausalue Mittausepävarmuus (k=2) Rajoituksia

Optiset monitahokkaat 0° – 360° 0,2"

Indeksoitava pyöröpöytä 0° – 360° 0,5" indeksoitava kulma n x 15°

Pyöröpöytä 0° – 360° 0,2"

Autokollimaattori 0° – 1° 0,02"

Sähköinen kulmamittalaite 0° – 360° 0,2"

Teodoliitti 0° – 360° 0,2" pystykulmaa rajoittaa laite

Kulmamittapala 0° – 360° 0,2"

Teräs- ja kivisuorakulma 90° 0,5" suurin pituus 1 m

Pylvässuorakulma 90° 0,5" suurin pituus 1 m

Optinen suorakulma 90° 0,5"






Kemia

Tarkkojen sisä- ja ulkopuolistenmittojen sekä kierteiden mittaukset

Pasi Laukkanen, TutkimusinsinööriPuh. 050 382 [email protected]



Mittaukset SIP-pituudenmittauskoneellaTarkat sisä- ja ulkopuoliset halkaisijamittaukset teh-dään SIP-pituudenmittauskoneella joko omalla as-teikolla tai samanpituiseen referenssinormaaliin ver-taamalla (kuva 2). Mittaus tapahtuu kosketuksella ke-raamisilla pallokärjillä, tasokärjillä tai sisäpuolisissamittauksissa vipumittakärjellä. Mikäli mittaussyvyyssisäpuolisissa mittauksissa on yli 15 mm, käytetäänerillisiä hakaleukoja. Mittausvoimaa voidaan säätääalueella 0,3…11 N. Mittaamalla kohdetta eri mittaus-voimilla voidaan laskennallisesti poistaa mittausvoi-man eri geometrioilla ja materiaaleilla aiheuttamatmuodonmuutokset ja antaa tulos ns. nollavoimalla.Tämä on välttämätöntä, jos referenssi ja kalibroitavakohde ovat eri materiaalista tai eri muotoisia.

SIP-pituudenmittauskoneen asteikon tarkkuutta pys-tytään parantamaan laserinterferometrillä (5528A) jaerillisellä lukuohjelmalla. Mittaukset tapahtuvat kont-rolloidussa mittaushuoneessa + 20 °C ± 0,1 °C läm-pötilassa. Eri lämmönlähteet on eliminoitu poistoilma-putkituksilla, lämpösuojilla ja tarpeen vaatiessa erilli-sellä laminaarivirtauksella. Mittausepävarmuudenarvo riippuu mittauspituuden lisäksi mittauskohteesta(muoto- ja pinnankarheus), mittalaitteesta, mittaus-olosuhteista ja käytetystä menettelystä.

Halkaisijamittausten lisäksi SIP:llä tehdään myöskierteenmittauksia ja toleranssivertailuja. Kierteen-mittaus tehdään sisäpuolisessa mittauksessa pallo-kärjillä ja ulkopuolisessa mittauksessa kolmilankame-netelmällä.

Kuva 1. Rengastulkinhalkaisijan mittaus pituu-denmittauskoneessa.








KemiaTarkkojen sisä- ja ulkopuolisten mittojen sekä kierteiden mittaukset


Halkaisijamittauksiatäydentävät mittauksetJotta mitattavan pyörähdyskappaleen ominaisuuk-sista saisi tarkan kuvan, on kohteesta mitattava myösympyrämäisyydet, pinnankarheudet ja kylkien suo-ruudet erillisillä erikoismittalaitteilla.

JäljitettävyysPituudenmittauskoneella tehdyt mittaukset ovat jälji-tettäviä vastaaviin MIKESin kalibroituihin siirtonor-maaleihin. Lineaariasteikko kalibroidaan laserinterfe-rometrin avulla, referenssimittapalat on kalibroitu in-terferometrisesti ja lämpötila-anturit kalibroidaan hau-teessa Pt-25-referenssiantureita vasten.

Taulukko 1. Halkaisijamittausten saavutettavissa olevatmittausepävarmuudet.

Mittauskohde Mittausepävarmuus (k=2)

Tappitulkki 0 – 550 mm Q[0,2; 0,87L] µm

Rengastulkki 1 – 500 mm Q[0,2; 0,87L] µm

Pallo 0,2 mm … 200 mm Q[0,15; 0,7L] µm

L metreissä

Kuva 2. Kappaleen ja referenssin kiinnitys vierekkäin ver-tailumittauksessa.

Kuva 3. SIP 550M pituudenmittauslaitteisto.






Kemia

KoordinaattimittausPasi Laukkanen, TutkimusinsinööriPuh. 050 382 [email protected]



MIKESin koordinaattimittauspalvelut sisältävät mit-tauksia optisella koordinaattimittauskoneella sekä eri-koistarkalla teollisuuskokoa olevalla koskettavallakoordinaattimittauskoneella.

Koskettava koordinaattimittausMIKESin koordinaattimittauskoneen perusominai-suuksiin kuuluu tarkkuus, joustavuus, nopeus sekämittaustulosten automaattinen laskenta. MIKESin3D-kone on Mitutoyo Legex 9106, portaalityyppinenkoordinaattimittauskone (kuva 1). Lisätietoja mittaus-koneen ominaisuuksista on taulukossa 1.

Todellinen mittausepävarmuus on aina tapauskoh-taista riippuen ympäristöolosuhteista, koneesta jatyökappaleen ominaisuuksista. Erityisesti kiinni-tämme toiminnassamme huomiota kohteen puhtau-teen, lämpötilaan, kiinnitykseen (kuva 2), suuntaami-seen, mittausjärjestelyihin sekä tulosten dokumen-tointiin.

Kuva 1. Mitutoyo Legex koordinaattimittauskone.








KemiaKoordinaattimittaus


Teemme koordinaattimittauskoneella mm:• palvelumittausta 3D-kappaleille (kuva 3) ja vai-

keille muodoille– skannaus– pistepilven digitoinnit

• erilaisia mittalaitekalibrointeja– viivaimet, tasot, tulkit, kartiot, suorakulmat

• koordinaattimittauskoneiden siirtonormaalienkalibrointeja– porrasmittapalat, pallokuutiot ja -levyt ja ver-

tailukappaleet.

Optimaaliset mittausolosuh-teet maan allaMittauskone on sijoitettu maanalaiseen, tilavuudel-taan suureen tasalämpöiseen + 20 °C ± 0,2 °C mit-taushuoneeseen. Huoneessa useimmat lämpöläh-teet on eliminoitu poistoilmaputkituksilla. Lisäksihuone on varustettu 1000 kg:n kiskoilla kulkevallanosturilla ja tavaroiden haalauksen mittaushuonee-seen voidaan käyttää 4000 kg:n hissiä.

JäljitettävyysKäyttöönotossa tehtyjen laser- ja mittapalamittaustenlisäksi koordinaattimittauskone kalibroidaan säännöl-lisesti MIKESin omilla mittanormaaleilla kuten porras-mittapaloilla, pallolevyillä ja laserinterferometrilla. Mit-taustulosten epävarmuus ja jäljitettävyys varmiste-taan tapauskohtaisesti vertailumittauksena (substitu-tion method) eli tulosta korjataan kalibroidun normaa-lin avulla.

Kuva 3. Tyypillinen tuotantokappale mitattavana koordi-naattimittauskoneessa.

Kuva 2. Kappaleiden oikein kiinnittäminen on tärkeää.

Taulukko 1. Koordinaattimittauskoneen pääominaisuudet.

Ominaisuus TiedotSuorituskyky ISO 10360-2mukaisesti tarkistettuna:• maksimivirhe pituuden

mittauksessa• maksimi 3D kosketus-

poikkeama• maksimivirhe skannaus-

mittauksessa

MPEe = (0,35 + L /1000) µm,L = mmMPEP = 0,35 µm

MPEthp = 1,4 µm

Asteikot Mitutoyo Zerodur -lasiasteikotuivalla kiinnityksellä, resoluutio0,01 µm.

Liikepituudet X-910 mm, Y-1010 mmja Z-610 mm

Koskettava mittauspää Renishaw nivelistukkaPH10MQ Renishaw SP25Mkosketus- ja skannausanturi.

Ohjelmistot Mitutoyo COSMOS -ohjelmisto• Geopak-Win-geometriaoh-

jelma• Statpak-Win geo tilastollinen

laadunvalvonta• Scanpak-Win-muodonmit-

tausohjelma• 3Dtol-Win/ MCAD300 CAD-

malliin vertaaminen ja mal-lista ohjelmointi

Mittausvoima 0,03 N…0,09 NMitattavan kappaleenmaksimipaino

800 kg

Mittakärjen halkaisijat 0,5 mm…30 mm






Kemia

Optinen koordinaattimittaus– videomittausVille Byman, TutkijaPuh. 050 386 [email protected]



Nykyaikaisten tuotteiden valmistustarkkuudet sekäpyrkimys korkeaan laatuun edellyttävät kykyä mitatatarkasti pienten ja muodoltaan monimutkaisten kap-paleiden dimensionaalisia suureita.

Videomittalaitteet sekä konenäkö ovat vakiintuneetkosketuksettomiin tarkkuusmittauksiin.

MIKESillä on Mitutoyo Quickvision Hyper QV-350 vi-deomittalaite, joka on varustettu myös koskettavallamittakärjellä. Optisesti mitattaessa laite käyttää hy-väkseen CCD-kameralla konenäön menetelmin saa-tua mittauspisteen paikkaa sekä paikkatietoa, jokasaadaan mekaanisten johteiden yhteyteen asenne-tuista tarkoista asteikoista. Kuva 1. Mitattavaa kappaletta voidaan valaista objektiivin

läpi tulevalla myötävalolla, alavalolla ja rengasvalolla.








KemiaOptinen koordinaattimittaus – videomittaus


Laitteisto on tietokoneohjattu ja kappaleiden mittausvoidaan suorittaa automatisoidusti. Mittauslaitteellavoidaan mitata pituutta, halkaisijaa, kulmaa, suo-ruutta, tasomaisuutta, yhdensuuntaisuutta ja ympyrä-mäisyyttä.

Laite soveltuu erityisesti mittaamaan piirilevyjä,ohutseinäisiä hentoja muovi- ja metallikappaleita,sekä muita kappaleita, joiden mittaaminen koskettaenon hankalaa tai mahdotonta.

Mitattavaa kappaletta voidaan valaista objektiivin läpitulevalla myötävalolla, rengasvalolla ja alavalolla.Rengasvalossa on neljä ohjattavaa segmenttiä ja senkorkeus on säädettävissä.

MIKES tarjoaa asiakkaan tarpeisiin räätälöitäviä tark-koja optisia tai koskettavia dimensiomittauksia. Toi-meksiannosta riippuen mittauksista tehdään joko ka-librointitodistus tai mittauspöytäkirja.

Taulukko 1. Videomittauskoneen ominaisuudet.

Ominaisuus Tiedot

Mittaustilavuus 350 mm x 350 mm x 150 mm

Mittauspöydän koko 490 mm x 550 mm

Mitattavan kappaleenmaksimipaino 15 kg

Pienin mittausepävar-muus (k=2) optisesti mi-tattaessa

U1XY = (0,8 + 2 L/1000) µm *U2XY = (1,4 + 3 L/1000) µm *U1Z = (3 + 2 L/1000) µm *

Pienin mittausepävar-muus (k=2) koskettavallakärjellä mitattaessa

U1XY = (1,8 + 2 L/1000) µm *

Maksiminopeus (pika-liike) 100 mm/s

Maksimikiihtyvyys 490 mm/s2

* L on mittauspituus millimetreissä. U1 on epävarmuus mi-tattaessa yhden akselin suuntaisesti ja U2 vastaavasti mi-tattaessa kahden akselin suuntaisesti.

Kuva 2. Koskettava kärki täydentää videomittalaitetta.






Kemia

Piirtomitat jaetäisyysmittaritJarkko Unkuri, TutkijaPuh. 040 410 [email protected]



Kalibrointipalvelut interfero-metrisillä mittaradoillaPiirtomittainterferometriMIKESin tarkkojen piirtomittojen kalibrointilaite (kuva1.) mahdollistaa piirtomittojen kalibroinnit parhaallamahdollisella tarkkuustasolla aina 1,12 metrin pituu-teen saakka. Mittalaite sijaitsee olosuhteiltaan stabii-lissa laboratoriossa: lämpötila on 20 °C ± 0,05 °C jasuhteellinen kosteus 45 ± 5 %. Laite mittaa piirtojenetäisyydet tietokoneohjatusti interferometriä ja mikro-skooppiin kytkettyä ccd-kameraa käyttäen. Mitat ase-tetaan mikroskoopin alle tuettuina ns. Airyn pisteistä,jolloin mitan taipumat ovat minimissään. Ilman taite-kertoimen vaikutus mitataan erillisten kosteus-,paine- ja lämpötila-antureiden avulla ja korjataankäyttäen uudistettua Edlenin kaavaa. Lämpöpite-nemiskorjaus tehdään mittaan kiinnitettyjen neljän Pt-100 anturin lukemia käyttäen. Kalibroitavat piirtovälitvoivat olla 10 µm ... 1,12 m. Laite soveltuu sekä te-räsmitoille että esim. lasisille mikroskooppiasteikoille.

Piirtomittojen ja etäisyys-mittareiden kalibroinnit30 m:n mittarataMIKESin 30 m:n mittarata (kuva 2) tarjoaa hyvät mah-dollisuudet tarkkojen pituuden mittalaitteiden kalib-rointeihin. Mittahuoneen lämpötilaksi on vakioitu kokopituudeltaan +20 °C ± 0,5 °C ja kosteudeksi 45 ± 5 %.Kolmenkymmenen metrin mittausalue on toteutettu

korkealuokkaisen lineaarijohteen ja liikkuvan mittaus-kelkan avulla. Mittauskelkalla sijaitsevat piirtomittojenmittauksissa käytettävät mikroskooppi, ccd-kamera jamonitori. Mikroskoopin paikka mitataan laserinterfe-rometrin avulla.

Mittaushuoneen lämpötilan tasaisuus ja tarkat mittaritmahdollistavat tarkan lämpöpitenemisen ja taiteker-toimen kompensoinnin. Radalla voidaan kalibroidahyvin erilaisia pituuden mittalaitteita. Kalibroitavat

Kuva 1. Piirtomittainterferometri.








KemiaPiirtomitat ja etäisyysmittarit


laitteet voivat olla fyysisiä artefakteja kuten esim. mit-tanauhoja, mittalattoja tai esim. optisia etäisyydenmit-tauslaitteita. Nauhamitat ja muut taipuisat pituusnor-maalit jännitetään standardoitua, valmistajan ilmoitta-maa tai erikseen asiakkaan kanssa sovittua voimaaapuna käyttäen. Useimmiten nauhamitoille voima on50 N.

Lämpöpitenemisen korjaamiseen käytetään valmista-jan tai asiakkaan ilmoittamaa kerrointa ja mitattuamateriaalilämpötilaa.

Kuva 2. 30 metrin mittarata.

JäljitettävyysPiirtomittainterferometrissä ja 30 m:n interferometri-sellä mittaradalla käytettyjen laserien aallonpituudeton kalibroitu pituuden kansallista mittanormaalia jo-distabiloitua He-Ne laseria vasten. Myös käytettävätlämpötila-, paine- ja kosteusmittarit on kalibroituMIKESissä.

Piirtomittainterferometrissä ja 30 m:n interferometri-sellä mittaradalla käytettyjen laserien aallonpituudeton kalibroitu pituuden kansallista mittanormaalia jo-distabiloitua He-Ne laseria vasten. Myös käytettävätlämpötila-, paine- ja kosteusmittarit on kalibroituMIKESissä.

Taulukko 1. Kalibroitavat piirtomitat, mittausalueet jamittausepävarmuudet.

Kalibroitavalaite Mittausalue Epävarmuus

(k=2)

Tarkat piirtomitat,mikroskooppias-teikot

10 µm ... 1 m Q[6,2; 82L] nm**

Mittanauha 0,001 m ... 30 m,(60, 90 ...) m Q[35; 2L] µm

Mittalatta 0,001 m... 5 m Q[4; 1L] mm**

Circometri 0,1 m ... 9,55 m(halkaisija) Q[7; 2D] mm**

Luotimitta 1 m ... 30,(60, 90) m Q[250; 5L] mm**

Muut laitteet 0 m ... 30 m (tapauskohtai-sesti)

L, D = mitattu pituus tai vastaava halkaisija metreissä*Kalibroinnin epävarmuus on yleensä näitä suurempi joh-tuen kalibroitavan laitteen aiheuttamasta epävarmuudesta**Epävarmuus lasketaan Q[x; y]=(x2+y2)1/2






Kemia

Tasomaisuuden ja muodoninterferometrinen mittausBjörn Hemming, ErikoistutkijaPuh. 050 773 [email protected]

Ville Byman, TutkijaPuh. 050 386 [email protected]


TasomaisuusTekniikan ja fysiikan eri osa-alueilla käytetään moni-naisia komponentteja, joissa kappaleen pinnan muo-to ja erityisesti tasomaisuus on tärkeää. Esimerkkeinämainittakoon piikiekot puolijohdeteollisuudessa, tiivis-tepinnat, laakeripinnat, mittauspinnat koskettavassamittauksessa ja valon taittamiseen sekä heijastami-seen käytettävät optiset tasopinnat ja linssit.

Tasolasi on nopea ja helppokäyttöinen mittaväline ta-somaisuuden siirtonormaaliksi sekä mittaamiseen.

Tasolasia käytetään teollisuudessa esim. mittapalo-jen ja mikrometrien mittauspintojen tasomaisuudenmittaamiseen, jolloin lasipinnan hyvä tasomaisuus onehdoton edellytys kohdepinnan mittausten onnistu-miseksi. Tasolaseilla siirretään tasomaisuus myös te-ollisuudessa käytettäville tasomaisuusinterferomet-reille tai muille tasomaisuuden tarkistuslaitteistoille.Edellä mainituille mittaustarpeille tarjoaa MIKES mit-tauspaikan sekä metrologisen jäljitettävyyden taso-maisuuden ja muodon mittauslaitteistollaan (kuva 1).

Kuva 1. Tasolasin kalibrointi.








KemiaTasomaisuuden ja muodon interferometrinen mittaus


MittausmenetelmäMIKESin tasomaisuusmittalaite on Fizeau-interfero-metri, jonka valolähteenä on 633 nm:n He-Ne-laser.Säätämällä pieni kulma referenssinä toimivan tasonja mitattavan pinnan välille saadaan aikaan interfe-renssijuovia. Interferenssijuovien muoto mitataan ns.phase stepping -menetelmällä. Tuloksena on tutkitta-van pinnan muodon poikkeama referenssitasosta(kuva 2). Mittausmenetelmän etuja ovat nopeus jatarkkuus sekä se, että menetelmä mittaa koko alueenyhdellä kertaa.

JäljitettävyysLaitteen referenssitaso on erittäin hyvälaatuinen ta-somaisuuspoikkeaman ollessa vain noin 20 nm. Re-ferenssitaso kalibroidaan joko absoluuttisella kolmentason menetelmällä tai vertaamalla nestepintaan. Ta-soja on myös eri heijastuskertoimilla, mikä mahdollis-taa sekä peilipintojen että esimerkiksi lasipintojen tut-kimisen.

MittauspalvelutMIKESin laitteistolla (Zygo GPi) voidaan mitata hal-kaisijaltaan ≤150 mm pintojen muotoa parhaimmil-laan 45 nanometrin mittaustarkkuudella. Mittauksenedellytyksenä on, että mitattavan pinnan korkeus-vaihtelut ovat alle 12 µm ja luonteeltaan hitaasti muut-tuvia. Optinen valon interferenssiin perustuva pinnan-muodon mittaus soveltuu kosketuksettomana myösaroille materiaaleille ja tarkkuutensa ansiosta erityi-sen hyvin vaativiin mittauksiin. Laitteella voidaan mi-tata myös läpinäkyvien levyjen tasapaksuutta.

Kuva 2. Esimerkki mitatuista pinnanmuodoista tasolasille.

Kuva 3. Esimerkki mitatuista pinnanmuodoista tasolasille.






Kemia

TyöstökonemittauksetAsko Rantanen, Vastaavatutkimusteknikko, Puh. 0400 925 [email protected]



TyöstökonemittauksetTuotannon ja laatujärjestelmien vaatimukset edellyt-tävät työstökoneiden tarkkuuden tuntemista. Työstö-koneille suoritetaan erilaisia mittauksia vastaanotto-tarkastuksissa, siirtojen yhteydessä ja pyrittäessä en-nakoivaan kunnossapitoon. MIKES tarjoaa käyttöönlaajan kokemuksensa geometrisista mittauksista, pai-koitus- ja toistotarkkuuden mittauksista sekä koneellatyöstettyjen testikappaleiden mittauksista.

MIKESin asiantunteva ja kokenut henkilöstö, nykyai-kainen mittalaitekanta ja jatkuva mittausmenetelmienkehitystyö takaavat asiakkaalle tarkat ja standardienmukaiset mittaukset.

Kuva 1. Työstökoneen asteikon mittaus.

Kuva 2. Mittausjärjestely työstökoneen mittauksessa.








KemiaTyöstökonemittaukset


Geometriset mittauksetGeometristen mittausten avulla selvitetään työstöko-neiden tärkeimpien toimielinten muotovirheet sekäosien keskinäiset sijainnit ja asennot. MIKES tekeegeometriset mittaukset ISO- ja DIN-standardeihin pe-rustuen. Tärkeimpiä mittauskohteita ovat karan hei-ton mittaus, karan ja koneen johteiden yhdensuuntai-suuksien ja kohtisuoruuksien mittaus sekä koneenliikkeiden kohtisuoruuksien ja suoruuksien mittauk-set.

Paikoitus- ja toistotarkkuu-den mittauksetAkselin paikoitus- ja toistotarkkuuden mittauksellasaadaan selville virheet akselin eri pisteissä. Liikeak-selin virheet voidaan kompensoida syöttämällä vir-heitä vastaavat kompensointiarvot työstökoneen oh-jainyksikön muistiin. MIKESin laserinterferometrilläsuorittama paikoitustarkkuuden mittaus on nopea jatarkka tapa koneen liikeakselien säätöön (kuva 3).Kyseistä menetelmää käytettäessä mittaustarkkuuson parhaimmillaan alle 0,001 mm /m.

Testikappaleiden mittauksetTyöstökokeiden tarkoituksena on selvittää koneentarkkuus työstötilanteessa. MIKESin geometriset mit-taukset ja työstökokeissa valmistettujen testikappa-leiden mittaukset täydentävät toisiaan. Testikappa-leet mitataan lämpötilastabiloidussa mittauslaborato-riossa monipuolisia ja nykyaikaisia mittalaitteita jamenetelmiä käyttäen. Käytössä on valikoima yleisiäkonepajateknisiä mittalaiteita sekä joukko erikoislait-teita (katso taulukko 1).

JäljitettävyysKaikki työstökonemittauksissa käytetyt mittanormaaliton kalibroitu vastaavia tarkempia MIKESin siirtonor-maaleja käyttäen.

Taulukko 1. Työstökonemittauksissa käytettäviä mittalait-teita.

Geometrisissasekä paikoitus- jatoistotarkkuudenmittauksissa:

Testikappaleidenmittauksissa

– laserinterferometrit– pinnankarheuden, muodon,

ympyrämäisyyden ja pituudenmittauskoneet

– autokollimaattorit – induktiiviset anturit

– sähköinen vesivaaka – yleiset konepajateknisetmittalaitteet

– induktiiviset anturit – koordinaattimittauskone

– luotimitta

– muut laitteet

Kuva 3. Erään avarruskoneen x-akselinvirheet ennen lasermittausta ja säätöäsekä sen jälkeen.






Kemia

Ympyrämäisyyden mittausBjörn Hemming, ErikoistutkijaPuh. 050 773 [email protected]



Ympyrämäisyys konepaja-teollisuudessaKoneistettujen kappaleitten geometrisistä elementeis-tä n. 80 % on pyörähdyspintoja. Koneiden ja laitteidenmoitteettoman toiminnan kannalta ympyrämäisyy-dellä on tärkeä merkitys, joka korostuu vaadittaessaluotettavuutta, pitkää käyttöikää, alhaisia käyttökus-tannuksia ja ympäristöystävällisyyttä. MIKES mittaaympyrämäisyyttä mm. rengas- ja tappitulkeista, liu-kulaakereista, metallisista tiivisteistä sekä hydrau-liikka- ja pneumatiikkakomponenteista. Näihin lähei-sesti liittyvinä suureina mittaamme myös mm. heitot,sama-akselisuudet, yhdensuuntaisuudet ja suoruu-det (kuva 1).

Kuva 1. Ympyrämäisyyden mittaus on välttämätön osa ko-nepajateknistä valmistusta.








KemiaYmpyrämäisyyden mittaus


MittausmahdollisuudetYmpyrämäisyys mitataan joko pyörivällä karalla taipyörivällä pöydällä varustetulla ympyrämäisyydenmittauskoneella. Mittaukset voidaan suorittaa useallaeri suodattimella ISO 1101 -standardin määritelmänmukaisesti (MZ) ja vastaavasti käyttäen muita lasken-tatapoja (MC, MI ja LS). Asiakkaan kannalta kahdenvaihtoehtoisen mittauskoneen käyttö takaa sen, ettäkohteet saadaan oikein ja edullisesti mitattua. Tar-kemmat tiedot laitteesta löytyvät taulukossa 1.

Lieriömäisyydet mitataan pyörivällä pöydällä varuste-tulla mittauskoneella (kuva 2), osin samalla asetuk-sella voidaan mitata kappaleen sama-akselisuuksia,heittoja, yhdensuuntaisuuksia ja suoruuksia. Lieriö-mäisyyden mittaus on osa rengas- ja tappitulkkien ka-librointia.

JäljitettävyysMolempien mittauskoneiden antureiden jäljitettävyyssaadaan suurennusnormaalien avulla, jotka vuoros-taan on kalibroitu muodonmittauskoneella. Muodon-mittauskone saa jälkensä interferometrisesti kalib-roiduista mittapaloista. Mittauskoneiden johteet ja ak-selit on kalibroitu virhe-erottelua käyttäen. Kuva 2. Ympyrämäisyyden ja lieriömäisyyden mittauskone

Talyrond 262.

Taulukko 1. MIKESin ympyrämäisyyden mittalaitteet.

Laite Pyöriväosa

Kappaleenmaksimikorkeus

/mm

Kappaleenmaksimi

sisä- / ulko-halkaisija

/mm

Kappaleenmaksimi-

paino/kg

Muuta Laajennettuepävarmuus

(k=2)

Talyrond 73HRympyrämäsyys

kara 400 175 / 300 100 pinta voi ollaepäjatkuvaja epäsym-metrinen

Q[0,01; 0,01R ] µm

Talyrond 262lieriömäisyys

pöytä 500 – / 350 50 pinta voi ollaepäjatkuva

Q[0,1; 0,5L] µm

R on poikkeama ympyrämäisyydestä mikrometreissä, L on lieriön korkeus metreinä; Q[x; y] = (x2+y2)1/2






Kemia

Calibration of microscopesand calibration standardsVirpi Korpelainen, Senior ScientistTel. +358 050 410 [email protected]


Reliable measurement results in research, manufac-ture and quality control require knowledge of accu-racy of measurement instruments. Calibration is thebest way to check the accuracy and stability of theinstrument. The calibration can be done with cali-brated transfer standards. Official calibration certifi-cate guarantees traceability to the definition of themetre.

For optical microscopes MIKES provides calibrationof high quality line scales.

Scanning probe microscopes (SPMs) can be cali-brated using several kinds of transfer standards [1,2],which can be calibrated at MIKES. 1-D and 2-D grat-ings are calibrated either by laser diffraction or by me-trology atomic force microscope (MAFM). Pitch andorthogonality of the grid can be measured. Stepheight standards or z scale of 1-D or 2-D gratings canbe calibrated.[1] Guideline VDI/VDE 2656 Part 1 (Draft): Determination of geo-

metric quantities by Scanning Probe Microscopes - Calibrationof Measurement Systems.

[2] V. Korpelainen and A. Lassila, Calibration of a commercialAFM: traceability for a coordinate system, Meas. Sci. Technol.18 (2007) 395–403.

Figure 1. MIKES interferometrically traceable metrologyAFM (MIKES IT-MAFM).







KemiaCalibration of microscopes and calibration standards


Calibration itself gives information about the accu-racy of the instrument. Accuracy of the measurementcan be increased by corrections of the errors de-tected in the calibration either directly in the meas-urement software or after the measurement withseparate software.

The first step in the calibration is measurement of xand y scale errors by 1-D or 2-D gratings and z scaleerrors by step height standards. The calibration ofthe x and y scales gives also information about thelinearity of the scales. The linearity of the z scaleneeds to be checked by several different step heightstandards. Orthogonality errors can be detected

by 2-D grids. Out-of-plane errors can be measured us-ing a flatness standard. In the most accurate calibra-tions also some other error types has to be measuredand corrected; e.g. orthogonality of z-axis, rotationaland other guiding errors. There are also other errorsources, which should be taken into account, e.g. tip-sample interactions, vibrations, noise and thermal drift.Calibration period depends on the stability of the de-vice, e.g. microscopes with open loop scanner needcalibration before and after each measurement.

Figure 3. Some error types of SPMs.

Table 1. Calibration services for SPM standards.

Range Uncertainty

1-D grid (diffraction measurement)Pitch 300 nm – 10 µm 50 – 100 pm

2-D grid (diffraction measurement)Pitch 300 nm – 10 µm 50 – 100 pmOrthogonality

1-D grid (AFM measurement)Pitch, p 100 nm – 10 µm Q [3.4; 0.2 p/µm] nmOrthogonality 14 mradStep height, h 10 nm – 2 µm Q [2; 0.2 h/µm] nmFlatness 100 µm × 100 µm 5 nm

Step height standard 10 nm – 2 µm Q [2; 0.2 h/µm] nmFlatness standard 100 µm × 100 µm 5 nm






Kemia

Pituus geodesiassaMarkku Poutanen, Prof.Puh. 029 531 [email protected]

Paavo Rouhiainen,vanhempi tutkijaPuh. 029 531 [email protected]

Jorma JokelatutkimuspäällikköPuh. 029 531 [email protected]

Paikkatietokeskus, Geodeetin-rinne 2, 02430 Masala,Puh. 029 530 1100,www.fgi.fi

MaanmittauslaitoksenpaikkatietokeskusMaanmittauslaitoksen paikkatietokeskus ylläpitäägeodeettisten ja fotogrammetristen mittausten mitta-normaaleja ja toimii pituuden ja putoamiskiihtyvyy-den kansallisena mittanormaalilaboratoriona. Paik-katietokeskus huolehtii Suomen kartoituksen tieteel-lisistä perusmittauksista ja paikkatietojen metrologi-asta sekä tekee tutkimustyötä geodesian, geoinfor-matiikan, kaukokartoituksen ja paikannuksen sekäniihin liittyvien tieteiden aloilla.

KalibrointipalvelutKalibroimme tarkkuusetäisyysmittareita ja mit-taamme kalibrointiperusviivoja ja testikenttiä. Kalib-roimme tarkkavaaituslattoja, niin digitaalisia kuin pe-rinteisiäkin, ja suoritamme digitaalivaaituskojeidenjärjestelmäkalibrointia. Masalan laboratorioiden li-säksi teemme kalibrointimittauksia mm. Nummelannormaaliperusviivalla ja Metsähovin tutkimusase-malla. Valtaosan töistä teemme kenttäoloissa taimuuten todellista käyttötilannetta vastaavissaoloissa.

Kuva 1 ja 2. Väisälä-komparaattorilla mitattu Nummelannormaaliperusviiva on ollut yksi maailman tarkimmista javakaimmista pituuksista jo yli puolen vuosisadan ajan.




http://www.fgi.fi/





KemiaPituus geodesiassa


Jäljitettävyysja epävarmuusKansallisia mittanormaaleja Maanmittauslaitoksenpaikkatietokeskuksen pituusmittauksissa ovat Väisä-lä-interferenssikomparaattori kvartsimetrijärjestelmi-neen ja lattakomparaattori laserinterferometreineen.

Kaikkiin mittauksiin liittyy jäljitettävyys tunnettuineepävarmuuksineen. Lattakalibroinnin mittausepävar-muus on 1 ppm ja vaaituksen järjestelmäkalibroinnin5 ppm. Väisälän interferenssikomparaattorilla mitattu-jen perusviivojen (864 m ja 432 m) mittausepävar-muus on tyypillisesti välillä 0,1 ppm – 0,2 ppm (k=2)ja muiden perusviivojen (1 m – 10 km) parhaimmil-laan 0,2 ppm.

Kuva 3. Maailman tarkimpien etäisyysmittareiden kalibroin-teja tehdään Nummelan normaaliperusviivalla. Nummelanmittakaava on siirretty lukuisille ulkomaisille perusviivoille.

Tutkimus ja kehitysKehitämme jatkuvasti ja tutkimme aktiivisesti erilaisiakorkeudenmittauslaitteita ja -menetelmiä. Pituuden-mittausten ohella teemme muitakin maanmittaus-alaan liittyviä tarkkuusmittauksia, kuten kulmien, atsi-muuttien tai koordinaattien määrittämistä ja satelliitti-paikanmääritystä. Lisäksi teemme GNSS-metrologi-aan liittyvää tutkimusta. Kansainvälinen yhteistoi-minta on keskeinen osa työtämme, perusviivojaolemme mitanneet lähes 20 maahan.

Kuva 4. Digitaalisen tarkkavaaituskojeen ja viivakoodilatanjärjestelmäkalibrointia.

Kuva 5. GNSS-antennien tarkkuustut-kimusta voidaan tehdä Metsähovinobservatorion testikentällä.






Kemia

Veden laatuTeemu Näykki, FT, Dos, erikoistutkijaPuh. 029 525 [email protected]

Timo Sara-Aho, tutkijaPuh. 029 525 [email protected]

Suomen ympäristökeskus,Hakuninmaantie 6, 00430 Helsinki,Puh. 029 525 1000,www.syke.fi/envical

ENVICAL SYKE on Suomen ympäristökeskuksen ke-mian metrologian tutkimus- ja kehittämistoimintaankeskittyvä tiimi. Toimintaamme kuuluvat jäljitettävienja tarkkojen kalibrointimenetelmien kehittäminen, uu-sien mittaustekniikoiden luotettavuuden testaaminenja analyysimenetelmien validointi ja laadunvarmistus.

Jäljitettävät kalibroinnitSYKEn akkreditoitu kalibrointilaboratorio (K054: ENISO/IEC 17025) tuottaa korkean tarkkuuden ja jäljitet-tävyyden omaavia kalibrointituloksia sekä vastaa pri-maaritekniikoihin perustuvien menetelmien kehittämi-sestä.

Yleisesti voidaan todeta, että isotooppilaimennusmassaspektrometria (IDMS) on yksi tärkeimmistä re-ferenssimenetelmistä alkuaineanalytiikassa, ja asian-mukaisesti käytettynä se tarjoaa korkeimman tark-kuuden ja pienimmän mittausepävarmuuden.

Menetelmää käytetään tuntemattoman, luonnollisenisotooppijakauman omaavan näytteen alkuainepitoi-suuden määrittämiseen. Tähän näytteeseen sekoite-taan tunnettu määrä samaa alkuainetta sisältäväätoista näytettä (spike). Spike-näytteen isotooppikoos-tumus on tiedossa ja se poikkeaa luontaisesta näyt-teestä tutkittavan alkuaineen osalta; yleensä siten,että alkuaineen harvinaisempia isotooppeja on rikas-tettu. Kun tutkittava näyte ja spike on täydellisesti se-koitettu, tuloksena syntyneellä seoksella (blend) onuusi (isotooppilaimennettu) isotooppijakauma, jossa

Photo Timo Vänni



http://www.syke.fi/envical





KemiaVeden laatu


isotooppien suhteet ovat tutkittavan näytteen ja lisä-tyn spike-näytteen väliltä. Seoksen isotooppisuhteetmitataan ja tulos on suoraan verrannollinen tutkitta-van alkuaineen pitoisuuteen.

SYKEn kalibrointilaboratorion pätevyysalue kattaatoistaiseksi lyijyn määrityksen luonnonvedestä ja elo-hopean määrityksen luonnon- ja jätevedestä. Mene-telmät perustuvat isotooppilaimennusmenetelmän jainduktiivisesti kytketyn plasmamassaspektrometrin(ICP-MS) käyttöön. Menetelmävalikoimaa täydenne-tään jatkossa liuenneen hapen määrityksellä sekäVesipolitiikan puitedirektiivin prioriteettiaineisiin lu-keutuvilla nikkelillä ja kadmiumilla. Isotooppilaimen-nusmassaspektrometriaa käytetään laajasti myösSYKEn orgaanisen kemian haitta-aineanalytiikassa.

Asiakkaitamme ovat julkiset ja yksityiset toimijat, jotkahaluavat erittäin tarkan ja luotettavan mittaustuloksenympäristönäytteestään. Esimerkiksi laboratorioidenvälisiin pätevyyskokeisiin olemme tuottaneet jäljitettä-viä vertailuarvoja.

TutkimustoimintaMittaustulosten vertailtavuus on kansainvälisesti erit-täin tärkeää. Mittaustulosten luotettavuutta ja vertai-lukelpoisuutta voidaan parantaa realistisella mittaus-epävarmuuden arvioinnilla, mittausmenetelmien vali-doinnilla ja varmistamalla mittaustulosten jäljitettä-vyys.

ENVICAL SYKE on kokenut mittalaitteiden luotetta-vuuden ja mittausepävarmuuden arviointimenettelyi-den tutkija ja kehittäjä. Olemme rakentaneet uusiatyökaluja niin laboratoriomittausten kuin kannettavienja jatkuvatoimisten kenttämittalaitteiden vedenlaaduntulosten luotettavuuden osoittamiseen ja parantami-seen. Esimerkkejä näistä ovat MUkit- ja AutoMUkit-mittausepävarmuuden laskentaohjelmat.

Osallistumme myös aktiivisesti vedenlaadun anturi-mittauksille kohdennettujen pätevyyskokeiden järjes-tämiseen.

Mittanormaalien kansainvälisen jäljitettävyyden yllä-pidon lisäksi toimintaan kuuluu mm. kansallinen jakansainvälinen metrologian tiedotus-, julkaisu- ja kou-lutustoiminta. Järjestämme tarvittaessa myös räätä-löityä koulutusta kemiallisten analyysien mittausepä-varmuuksien arvioinnista tai analyysimenetelmien va-lidoinnista.

Taulukko 1. Mittauskyky.

Suure / mene-telmä / kohde Mittausalue

Mittaus-kyky, laa-jennettumittaus-epävar-

muus (k=2)Kemialliset analyysit, ainemäärä

Liukoinen kokonais-elohopea (Hg) syn-teettisessä vedessä,luonnonvedessä (eimerivesi) ja jäteve-dessä

30 – 125 ng/kg>125 – 5000 ng/kg

6 %3 %

Liukoinen koko-naislyijy (Pb)synteettisessä ve-dessä ja luonnon-vedessä(ei merivesi)

0,200 – 1,00 μg/kg>1,00 – 100 μg/kg

0,030 μg/kg3 %

Photo Timo Vänni





Kemia

VTT MIKES MetrologiaTekniikantie 102150 Espoo

VTT MIKES-KajaaniTehdaskatu 15, Puristamo 9P1987100 KAJAANI

Puh. 020 722 111Sähköposti: [email protected]

www.mikes.fi


mikes metrologia ka · pdf file4 — vtt mikes metrologia kalibrointipalvelut 2016 vtt...

Documents