Metrologie: de basis voor betrouwbare kalibraties

Transcriptie

1 Metrologie: de basis voor betrouwbare kalibraties Gerard Nieuwenkamp WoTS 2018 Utrecht, 3 oktober 2018

2 Inhoud van de presentatie Wat is Metrologie (en wat is de rol van VSL) Betrouwbaarheid Onzekerheid Herleidbaarheid (Metrological traceability) Wat is het belang van kalibratie standaarden Wat is de kracht en noodzaak van comparisons (round-robin, PT,..) Metrologische uitdagingen VSL: beyond all doubt 2

3 Metrologie: the Science of Measurement Een meting is altijd een vergelijking, namelijk het vergelijken van de grootheid (maat) die je wilt kennen of bepalen, met die welke je denkt te kennen (de standaard) (bron: wikipedia) De kwaliteit van het meetresultaat hangt samen met: Betrouwbaarheid Onzekerheid Herleidbaarheid (Metrological traceability) VSL: beyond all doubt 3

4 Het belang van metrologie Handel / fiscal metering Klein meetverschil in hoeveelheid en/of samenstelling scheelt M VSL: beyond all doubt 4

5 Het belang van metrologie Industrie Chipindustrie: productie van wafer boards met nanometer nauwkeurigheid Assemblage bijv. in Azie, hopelijk met diezelfde nanometer nauwkeurigheid! VSL: beyond all doubt 5

6 Het belang van metrologie Sport Nieuw wereldrecord: nauwkeurige meting van de tijd!? VSL: beyond all doubt 6

7 Het belang van metrologie Sport Huidige wereldrecords Nieuw wereldrecord op 1500 m met 0,01 seconde verschil in zwembad van 570 µm (1 cm verschil komt overeen met 0,18 sec) Hoe zit het met T H2O, ρ H2O, η H2O,? Het hebben van vergelijkbare meetstandaarden is dus essentieel!! 7

8 Het belang van gelijke standaarden Handel in de 18 e eeuw Kasselrij Oudenaarde 1 el = 0,703 m 1 zak = 107,8 L 1 pint = 0,554 L 1 pond = 0,4639 kg Land van Aalst 1 el = 0,719 m 1 zak = 212,9 L 1 pint = 0,6525 L 1 pond = 0,43385 kg VSL: beyond all doubt 8

9 Gebruik dezelfde eenheden! NASA Mars Climate Orbiter Air Canada Flight 143 Gimli Glider Boeing 767 from Ottawa to Edmonton runs into trouble, because of a miscalculation of the amount of fuel. Instead of 22,300 kg of fuel, they had 22,300 pounds on board - only a little over 10,000 kg, or less than half the amount required to reach their destination. Crashed 23 september 1999 (125 M$). The navigation error arose because a NASA subcontractor Lockheed Martin used imperial units (pound-seconds) instead of the metric units (newtonseconds) as specified by NASA VSL: beyond all doubt 9

10 Meter conventie (1875) nu 56 landen Meterconventie CGPM (regeringsleiders, elke 4 jaar) CIPM (internationale organisaties, elk jaar) CCM, CCQM, CCE, CCT, (vertegenwoordigers NMI s, elk jaar) BIPM (onafhankelijke organisatie) VSL - Beyond all doubt 10

11 SI stelsel: Système international d unités Eenheid Definitie Sinds seconde (s) De duur van perioden van de straling die vrijkomt bij de periodieke overgang tussen twee specifieke energieniveaus van het cesium-133 atoom meter (m) De afstand die het licht aflegt in een tijdsinterval van 1/ seconde Onder herziening kilogram (kg) De massa van het internationale prototype van de kilogram: een cilinder van platina-iridium bewaard in Parijs ampère (A) De stroom in twee rechte geleiders, op 1 meter afstand in vacuüm, waarbij een kracht ontstaat tussen de geleiders van 0, Newton per meter lengte kelvin (K) 1/273,16 deel van de temperatuur van het tripelpunt van water mol Het aantal elementaire eenheden dat gelijk is aan het aantal atomen in 0,012 kilogram zuiver koolstof candela (cd) De lichtsterkte van een monochrome bron met frequentie van 540 terahertz waarvan de stralingssterkte /683 Watt per steradiaal is. VSL - Beyond all doubt 11

12 De rol van een Nationaal Metrologie Instituut (NMI, designated institute) Een NMI staat aan de top van de herleidbaarheidsketen Grand K Nationale PtIr Ref. standaarden NMI Werkstandaarden NMI geaccrediteerde laboratoria Per stap naar beneden gaat de meetonzekerheid omhoog NMI s moeten dus veel nauwkeuriger kunnen meten dan wat de gebruikers in het veld nodig hebben Industrie herleidbaarheidsketen VSL - Beyond all doubt 12

13 Verschillende klassen van referentiemateriaal -verschil in meetonzekerheid Van beneden naar boven: onzekerheid omlaag en prijs omhoog Instrument, monstername, kalibratie, etc. moeten passen bij de gestelde eisen Goed is goed genoeg! (maar minder is onacceptabel!) Let wel op metrologische herleidbaarheid! VSL - Beyond all doubt 13

14 VSL: Dutch metrology institute: (voorheen Nederlands Meetinstituut NMi-VSL) Maintains and develops national measurement standards Makes measurements directly traceable to international standards Contributes to reliability, quality and innovation for industry and society VSL - Beyond all doubt 14

15 VSL: Van Swinden Laboratory Jean Henri (Jan Hendrik) van Swinden (8 juni maart1823) Dutch scientist in mathematics and physics. Professor in physics in Franeker en after 1785 professor in mathematics, physics and astronomy in Amsterdam. Van Swinden was member of the international committee to determine the meter, based on previous work by Delambre and Mechain. Presented the resultats to the French Corps Législatif on 20 June In 1971 the central laboratory of the dienst voor het ijkwezen was named Van Swinden Laboratory VSL - Beyond all doubt 15

16 Kalibratie voor Gasanalyse in de praktijk Voor betrouwbare meetresultaten zijn een o.a. goede sampling, juiste meetmethode/meetinstrument en betrouwbare kalibratie nodig VSL - Beyond all doubt 16

17 Belang van het kalibratiegas Analyzer respons sample X sample = * X kal gas Analyzer respons kal gas Fout in de kalibratie komt volledig terug in het resultaat Afname van de gevoeligheid van de detector zie je niet terug in het resultaat VSL - Beyond all doubt 17

18 VSL - chemistry Al ruim 30 jaar één van s werelds beste labs voor de productie van nauwkeurige kalibratiegassen Hoe bewijs je de kwaliteit van de resultaten? VSL - Beyond all doubt 18

19 ISO 17025: Deelname aan ringvergelijken Bureau International du Poids et Mesures VSL - Beyond all doubt 19

20 Key comparison CCQM-K1a (1993): 1000 µmol mol -1 CO in N 2 13 C depleted CO voor de standaarden VSL - Beyond all doubt 20

21 CCQM Key Comparisons voor CO 2 in lucht verbetering in de loop van de tijd K1b-1993 K Wereldwijde vergelijkbaarheid en verbeterde resultaten door samenwerking in comparisons VSL - Beyond all doubt 21

22 (10-2 mol/mol) Proficiency Testing schemes PT schema s VSL organiseert PT s (onder accreditatie op basis van ISO 10743) - reguliere PT s - PT on demand L001 L002 L003 L004 L005 L006 L007 L008 L009 L010 L011 L012 L013 L014 L015 L016 L017 L018 L019 L020 L021 L022 PT aardgas: Results for C 3 H Laboratory ID P 22

23 Performance assessment Z-score State of practice: often Z-score Z y s m where y = the average laboratory result m = grand mean s = standard deviation of laboratory averages Interpretation Z < 2 satisfactory performance 2 < Z < 3 Z > 3 Performance compared to the field VSL - Beyond all doubt 23

24 Performance assessment E n -score Alternative: E n k u 2 x i 2 x u x i x PT PT where x i = laboratory result x PT = reference value Interpretation (bij k=2) E n < 1 satisfactory performance E n > 1 non-satisfactory performance Individual performance, based on result and uncertainty ( satisfactory linked to uncertainty) VSL - Beyond all doubt 24

25 L001 L002 L003 L004 L005 L006 L007 L008 L009 L010 L011 L012 L013 L014 L015 L016 L017 L018 L019 L020 L021 L022 E n -number L001 L002 L003 L004 L005 L006 L007 L008 L009 L010 L011 L012 L013 L014 L015 L016 L017 L018 L019 L020 L021 L022 Z-Score L001 L002 L003 L004 L005 L006 L007 L008 L009 L010 L011 L012 L013 L014 L015 L016 L017 L018 L019 L020 L021 L022 (10-2 mol/mol) PT aardgas : performance Results for C 3 H Laboratory ID Z-scores for C 3 H Laboratory ID E n -numbers for C 3 H 8 P 25 Laboratory ID

26 EMRP / EMPIR European Metrology Research Program Eur. Metr. Prog. for Innovation and Research -23 participating European Countries -Individual national research funding collected by EU and doubled! -Collaborative project proposals in several themes: -environment - energy - industry - health - etc -Per call 8-10 projects funded (>60 ideas) -REGs (Research Grants) -unfunded partners from industry/university etc. VSL - Beyond all doubt 26

27 Wegens succes verlengd in de vorm van EMPIR VSL - Beyond all doubt 27

28 Examples of EMRP projects: LNG I:Primary LNG mass flow standard, 25 m 3 /h LNG II: Unieke meetfaciliteiten op de Maasvlakte

29 Smart Grids Issues: reliability, billing, power quality VSL - Beyond all doubt 29

30 Solid State Lighting 3m integrating sphere: Luminous flux calibrations 3D Goniometer: Irradiance measurements (a.o. LED-TL) VSL - Beyond all doubt 30

31 Schematisch overzicht van metrologische infrastructuur Metrologiewet NEN VSL, RvA Geaccrediteerde laboratoria Industrie (fabrieken, winkels) Samengevat: de zaken zijn (in Nederland) goed geregeld, en het is fijn als iedereen zich af en toe eens realiseert dat daar veel boeiend werk bij komt kijken VSL: beyond all doubt 31

32 Bedankt voor jullie aandacht! Zijn er nog vragen?