Ord och begrepp inom mätteknik

• Metrologi och mätteknik
• Kalibrering
• Mätosäkerhet
• Mätresultat
• Spårbarhet, spårbara mätningar, spårbarhetskedja
• Realisera, realisering av en enhet
• Normal, mätnormal
• Mätinstrument, mätdon
• Mätfel, visningsfel
• Korrektionsterm

Metrologi och mätteknik

Mätteknik eller metrologi är läran om mätning. Metrologi handlar om:

• Definitioner av enheter
• Realisering av enheterna i den verkliga världen
• Spårbarhet

Det finns flera underområden inom metrologin. Vetenskaplig/fundamental metrologi handlar om definitioner av enheter, hur enheterna kan realiseras och hur vi kan upprätthålla spårbarheten på allra högsta nivå. Tillämpad/teknisk metrologi handlar om metoder och tekniker för att mäta och hur metoderna kan användas inom till exempel industrin, och om att upprätthålla spårbarheten inom till exempel industrin genom kalibreringar. Legal metrologi handlar om krav och standarder kring mätning, i syfte att skydda exempelvis hälsa, miljö och konsumenter. I Sverige är det Swedac som ansvarar för legal metrologi eller reglerad mätteknik.

Kalibrering

Kalibrering är en jämförelse mellan en referens (mätnormal) och det mätinstrument som ska kalibreras. Vid en kalibrering bestäms hur mycket instrumentets mätvärde skiljer sig från referensens värde. Vi får då en uppfattning om instrumentets visningsfel.

För att en kalibrering ska vara pålitlig måste man använda en referens som är kalibrerad av en riksmätplats eller av ett ackrediterat kalibreringslaboratorium. På så sätt upprätthålls spårbarheten.

Vid en kalibrering får du ett kalibreringsprotokoll som berättar hur du ska hantera ditt instrument och hur du ska korrigera instrumentets mätvärde, den så kallade korrektionstermen. Av protokollet framgår också visningsfel och mätosäkerhet.

Kalibrering innebär inte att instrumentet justeras, även om många instrument också kan justeras för att visa rätt mätvärde enligt kalibreringen.

Mätosäkerhet

Mätosäkerhet är det intervall kring mätvärdet som det sanna värdet med stor sannolikhet ligger inom.

Många faktorer påverkar mätningar: den mänskliga faktorn, temperatur, luftfuktighet, vad vi mäter, vilket instrument vi använder och så vidare. Men oavsett hur bra mätinstrument vi använder eller hur ideala förhållandena är går det inte att veta att det mätvärde vi fått är sant. Mätosäkerheten anger hur mycket mätvärdet på instrumentet kan skilja sig från det sanna värdet med en viss sannolikhet (oftast 95 procent).  

Ett mätresultat består av ett mätvärde, mätosäkerheten och enhet (till exempel meter eller kilogram). Mätresultatet 5,00 m +- 0,05 m innebär att det sanna mätvärdet, med en viss sannolikhet, ligger mellan 4,95 m och 5,05 m.

Med väldigt bra förhållanden, metoder och instrument kan vi nå en väldigt låg mätosäkerhet. Mätosäkerheten vid riksmätplatserna ligger i många fall på miljon- eller miljarddelar. För de flesta användningsområden är denna nivå av mätosäkerhet inte nödvändig, men det är alltid det aktuella användningsområdets behov som bör avgöra vilken nivå av mätosäkerhet som krävs. Det är viktigt att tänka igenom behov av mätosäkerhet vid kalibrering av mätinstrument, då mätosäkerheten ökar för varje kalibreringssteg.

Mätresultat

Vid kvalitetssäkrade mätningar är det viktigt att inte bara titta på det mätvärde som mätinstrumentet visar, utan också ta hänsyn till mätosäkerheten. Man får då ett mätresultat.

Ett mätresultat består av ett mätvärde, mätosäkerhet och enhet (till exempel meter eller kilogram). Mätresultatet 5,00 m +- 0,05 m innebär att det sanna mätvärdet, med en viss sannolikhet (oftast 95 procent), ligger mellan 4,95 m och 5,05 m.

Spårbarhet, spårbara mätningar, spårbarhetskedja

Spårbarhet innebär att ett mätresultat ska kunna spåras tillbaka till definitionen av mätstorheten, genom en obruten kedja av jämförelser mot lämpliga normaler med angivna mätosäkerheter. Ett mätvärde utan spårbarhet är inte pålitligt. 

Spårbarhetskedjan går oftast via en så kallad riksmätplats, antingen i Sverige eller i ett annat land, och upprätthålls via kalibreringar: Måttbandet på bygget kalibreras mot en normal, som i sin tur kalibreras mot en normal på ett ackrediterat laboratorium, som i sin tur kalibreras mot en arbetsnormal vid en riksmätplats, som i sin tur kalibreras mot en primärnormal, som kalibreras mot realiseringen av enheten som är kvalitetssäkrad via internationella jämförelsemätningar. Varje kalibreringssteg ut från realiseringen av enheten innebär att mätosäkerheten ökar.

Genom spårbarhetskedjan kan vi förvänta oss att exempelvis en meter är en meter i hela världen, vilket är en förutsättning för internationell handel, forskning, näringsliv och så vidare. 

I varje land finns en instans, ett Nationellt Metrologiskt Institut (NMI), som ansvarar för att upprätthålla spårbarheten. I Sverige är RISE Nationellt Metrologiskt Institut med uppdrag att driva så kallade riksmätplatser för de olika fysikaliska storheterna.

Realisera, realisering av en enhet

Ordet realisera betyder förverkliga eller genomföra. I metrologiska sammanhang innebär det att vi utifrån en enhets definition förverkligar enheten i den verkliga världen. Denna realisation av enheten kan sedan användas som bas för spårbarhetskedjan genom fortsatta kalibreringar. Realiseringarna av enheterna kvalitetssäkras genom internationella jämförelsemätningar.

Fram till 2019 var världskilogrammet (den internationella kilogramprototypen, IPK, en metallcylinder av platina och iridium) både definitionen och realisationen av ett kilogram. Spårbarhetskedjan för kilogrammet gick via det svenska rikskilot som med jämna mellanrum flögs ner till Paris för att kalibreras. Ett av problemen med att använda en artefakt så som världskilogrammet som definition är att världskilogrammet faktiskt kan ändra massa, genom till exempel luftföroreningar. Och eftersom ett kilogram definierades som världskilogrammet innebar det att ett föremål faktiskt kunde väga mer eller mindre än tidigare, även om inte något hänt med föremålet.  

Sedan 2019 utgår hela det internationella måttsystemet, SI, från så kallade naturkonstanter. Det innebär att definitionen av enheten är oberoende av realisationen. För respektive enhet finns sedan så kallade mises en pratique, godkända metoder för hur enheterna kan realiseras utifrån definitionerna. Då definitionerna inte längre är kopplade till realisationen kan nya, enklare och bättre mises en pratique tas fram i takt med den teknologiska utvecklingen. 

Genom att jämföra direkt med realiseringen av enheten kan vi ta fram primärnormaler med lägsta mätosäkerhet. Även om det i teorin skulle vara möjligt att göra alla kalibreringar direkt mot realiseringen av enheten, skulle det knappast vara praktiskt möjligt. De flesta användningsområden har heller inte behov av den nivå av mätosäkerhet som en jämförelse direkt mot realiseringen kan ge. Därför används sekundärnormaler (arbetsnormaler) som är kalibrerade mot primärnormalerna i det dagliga arbetet vid de olika riksmätplatserna.

Normal, mätnormal

En normal eller mätnormal är en referens som används vid kalibrering av mätinstrument. Mätnormaler är fundamentala för att upprätthålla spårbarheten. Mätnormaler måste alltid ha ett uppmätt värde med lägre mätosäkerhet än det mätinstrument som ska kalibreras och ska i sin tur vara kalibrerad mot en annan mätnormal med ännu lägre mätosäkerhet. På så sätt upprätthålls spårbarhetskedjan ända upp till realiseringen av enheten. Mätnormalen kan till exempel vara en vikt eller ett föremål med en viss längd.

Flera olika begrepp förekommer när det gäller mätnormaler, ibland med olika eller överlappande betydelser beroende på sammanhang:

• Primärnormal/nationell normal. Avser en mätnormal som är kalibrerad direkt mot realiseringen av enheten. I Sverige upprätthåller RISE som Nationellt Metrologiskt Institut de nationella normalerna vid de så kallade riksmätplatserna. 
• Sekundärnormal. I arbetet vid riksmätplatserna på RISE avses en mätnormal som är kalibrerad mot en primärnormal.
• Arbetsnormal/kalibreringsnormal. En mätnormal som används i det dagliga arbetet med kalibrering. Vid riksmätplatserna avses antingen en sekundärnormal eller en mätnormal som är kalibrerad mot en sekundärnormal.
• Referensnormal. Synonymt med normal eller mätnormal.

Mätinstrument, mätdon

En anordning eller utrustning som används för att mäta en eller flera fysikaliska storheter. Det kan vara ett måttband för att mäta längd eller en våg för att mäta massa. Alla mätinstrument är behäftade med mätosäkerhet. För att mätinstrumentet ska vara pålitligt bör det kalibreras regelbundet (med hänsyn till dess användningsområde).

Mätfel, visningsfel

Mätfel eller visningsfel är mätvärdet minus det "sanna" värdet. Om vågen visar 80 kg men det sanna värdet är 78 kg är mätfelet eller visningsfelet 80-78=2 kg. Om vågen visar 78 kg men det sanna värdet är 80 kg är mätfelet 78-80=-2 kg. Kom ihåg att vi aldrig kan veta säkert vilket det sanna värdet är, alla mätningar är behäftade mätosäkerhet. Eftersom vi inte vet vilket det sanna värdet är kan vi heller inte känna till det exakta mätfelet eller visningsfelet.

Korrektionsterm

Ett värde som fås vid kalibrering av ett mätinstrument och som kompenserar för mätfelet eller visningsfelet hos instrumentet. Korrektionstermen är lika med mätfelet med ombytt tecken. Om vågens mätfel är -2 kg behöver vi korrigera mätvärdet med 2 kg för att få det "sanna" värdet. Tänk på att eftersom mätfelet aldrig är exakt känt är korrektionstermen behäftad med osäkerhet.