Tarkka ja luotettava mittaaminen on nykymaailmassa välttämätöntä

Vuoden 1960 tapahtumia maailmalla olivat mm. seitsemäntoista Afrikan maan itsenäistyminen siirtomaaisännistään, John F. Kennedyn valinta Yhdysvaltain presidentiksi ja Fidel Castron 4,5 tunnin maratonpuhe YK:n yleiskokouksessa.

Eräs vähemmän tunnettu vuoden 1960 tapaus oli metrin uudelleenmäärittely, historiallinen alkusysäys kehitykselle, joka saadaan päätökseen ensi vuonna. Metri oli lanseerattu jo vuonna 1799, ja se perustui pitkään Pariisissa säilytettävän metallipalkin pituuteen. Määritelmää tarkennettiin muutamaan otteeseen, mutta 1960 se vaihdettiin krypton-spektrilampun tuottaman valon aallonpituuteen perustuvaan määritelmään.

Vuonna 1983 valon nopeus tyhjiössä määriteltiin luonnonvakioksi, jolle annettiin tarkka arvo. Siitä lähtien pituusmittaukset ovat kytkeytyneet aikaan ja taajuuteen. Määrittely luonnonvakion kautta mahdollistaa metrin toteutuksen mahdollisimman tarkasti myös tulevaisuudessa.

Ensi vuonna tapahtuu taas: Mittayksikköjen SI-järjestelmään ollaan tekemässä isoa remonttia, jonka jälkeen myös muut yksiköt perustuvat luonnonvakioihin. SI-järjestelmän yksiköiden määritelmät ovat aina perustuneet kulloinkin käytössä olleisiin tarkimpiin menetelmiin.  Uuden järjestelmän käyttöönotosta päätetään marraskuussa 2018 Versailles’ssa, järjestyksessään 26. kansainvälisessä mittayksikköjen konferenssissa. Näillä näkymin uusi järjestelmä otetaan käyttöön maailman metrologiapäivänä 20. toukokuuta 2019.

Metrin lisäksi SI-järjestelmään kuuluvat perusyksiköt ovat kilogramma, sekunti, ampeeri, kelvin, mooli ja kandela. Näiden yksiköiden päivitetyt määritelmät ja ohjeet niiden käyttämisestä viestinnässä on jo ladattavissa verkosta.

Esimerkiksi kilogrammalle julkistetaan ensi syksyn konferenssissa uusi määritelmä. Aluksi kilogramma johdettiin desimetristä veden avulla. 1800-luvun lopulla platina-iridiumseoksesta valettiin kilogramman prototyyppi, jota säilytetään myös Pariisissa. Kilogramma on ollut viimeinen este mittayksikköjärjestelmän uudistukselle. Yli sata vuotta vanha prototyyppi on näihin päiviin asti ollut paras tapa määrittää kilogramma.

Vuodesta 2011 alkaen pitkä kehitystyö kahden eri uuden realisointitavan osalta on alkanut tuottaa tuloksia, jotka mahdollistavat uuden määritelmän käyttöönoton. Nämä tavat ovat sähkömagneettinen punnitus ja piipallon atomien lukumäärään perustuva menetelmä. Uusia realisointitapoja yhdistää kilogramman uudelleenmäärittelyn yhteydessä kiinnitettävä Planckin vakio.

Yksiköiden määrittely saattaa tuntua maallikolle etäiseltä. Tarkemmin pohdittuna ollaan kuitenkin tekemisissä erittäin tärkeiden asioiden kanssa. Mittayksiköiden ja suureiden täsmällisyys on tieteen tekemisen ytimessä, ja mittauksiin pitää voida luottaa eri laskelmissa ja laskelmiin pohjautuvissa sovelluksissa. Toimivat määritelmät myös mahdollistavat mittaamisen yhteismitallisuuden eri puolilla maailmaa. Tämä on välttämätön edellytys modernille teolliselle tuotannolle, jossa laitteet kootaan eri puolilta maailmaa hankituista komponenteista.

Mittaustekniikan sovellusalueita on lukemattomia. Kauppa ja teollinen tuotanto ovat näistä perinteisimpiä. Mittaustiedon määrä kasvaa kiihtyvällä vauhdilla myös muilla alueilla, ja täsmällinen mittaaminen mahdollistaa entistä paremmin toimivat sovellukset. Esimerkiksi terveydenhuollossa, energiateollisuudessa ja lentoliikenteessä pienilläkin mittausvirheillä voi olla katastrofaaliset seuraukset.  Myös uusia aloja tulee koko ajan mittaustekniikan piiriin. Tällä hetkellä esimerkiksi ympäristötekniikka ja valmistus hyödyntävät mittaustekniikkaa päivä päivältä enemmän.

VTT:llä on Suomessa erityinen rooli mittaustekniikan ja mittayksiköiden suhteen. Se on kansallinen metrologialaitos, jonka vastuulla on SI-mittayksikköjärjestelmän ylläpitäminen, kehittäminen ja valvominen Suomessa. Tämän lisäksi VTT:llä on toki merkittävä rooli myös metrologiaan pohjautuvassa tutkimuksessa yhdessä kotimaisten ja kansainvälisten yhteistyökumppaneiden kanssa.

Metrin ja kilogramman prototyypeillä on uusien määritelmien myötä enää välillinen arvo eikä niihin tarvitse perustaa laskelmia. Ensi vuonna mittaaminen ottaa jälleen yhden tärkeän askeleen eteenpäin, kun uudet määritelmät lanseerataan.MikkoM

 
Mikko Merimaa
Vice President, MIKES Metrology
mikko.merimaa@vtt.fi
Puh. +358 5041 05517
www.mikes.fi
www.vttresearch.com/services/vtt-mikes-metrology