¿Cuál es la diferencia entre una realización, una representación y una implementación en metrología?

El documento de referencia para términos metrológicos es el Vocabulario Internacional de Metrología (VIM). Las definiciones allí están cuidadosamente elaboradas, pero con frecuencia pueden parecer un poco oscuras para los no metrólogos y es posible que se necesiten más comentarios.

Por lo que respecta a la realización y la reproducción ( la representación también se encuentra en la literatura para la reproducción), su significado se encuentra bajo el término estándar de medida :

Realización de la definición de una cantidad dada, con valor de cantidad declarado y la incertidumbre de medición asociada, utilizada como referencia.

En particular, las notas relacionadas 1 y 3 dicen:

NOTA 1 Una "realización de la definición de una cantidad dada" puede ser proporcionada por un sistema de medición, una medida material o un material de referencia.

NOTA 3 El término “realización” se usa aquí en su significado más general. Denota tres procedimientos de “realización”. La primera consiste en la realización física de la unidad de medida a partir de su definición y es realización sensu stricto . La segunda, denominada “reproducción”, consiste no en realizar la unidad de medida a partir de su definición, sino en establecer un patrón de medida altamente reproducible basado en un fenómeno físico, como sucede, por ejemplo, en el caso del uso de láseres de frecuencia estabilizada para establecer una estándar de medida para el metro, del efecto Josephson para el voltio o del efecto Hall cuántico para el ohm. El tercer procedimiento consiste en adoptar una medida material como patrón de medida. Se da en el caso de la medida estándar de 1 kg.

Por lo tanto, los términos realización y reproducción denotan un objeto o un experimento con propiedades específicas.

Para ilustrar la diferencia entre una realización estricta y una reproducción, tomemos el ejemplo de una cantidad específica, la unidad ohm (tenga en cuenta que una unidad es una cantidad, aunque especialmente elegida).

Primero, tenemos que definir qué es esta cantidad: esto se puede hacer con palabras, posiblemente con la ayuda de relaciones matemáticas que involucren otras cantidades, y agregando especificaciones sobre las cantidades de influencia .

El ohmio en el SI se define de la siguiente manera [ CIPM, 1946: Resolución 2 ]:

El ohmio es la resistencia eléctrica entre dos puntos de un conductor cuando una diferencia de potencial constante de 1 voltio, aplicada en esos puntos, produce en el conductor una corriente de 1 amperio, no siendo el conductor asiento de ninguna fuerza electromotriz.

Hasta ahora todo bien, o al menos eso parece. En realidad, estamos un poco atascados porque podemos darnos cuenta del amperio y el voltio respectivamente a través de los balances de corriente y voltaje, pero la reproducibilidad del ohmio obtenido de esta manera sería baja, aproximadamente en el$10^{-6}$nivel. Y el procedimiento sería bastante complejo. Nos salvan en 1956 Thompson y Lampard, quienes descubrieron un nuevo teorema en electrostática [1], que es el dual electrostático del teorema de van der Pauw [2,3]. Este teorema esencialmente dice que puede construir un estándar de capacitancia (es decir, realizar el farad o uno de sus submúltiplos), cuya capacitancia puede calcularse con precisión (algo que no puede hacer con un capacitor de placas paralelas, por ejemplo). Si tenemos un estándar de capacitancia, a través de las relaciones$Y = \mathrm{j}\omega C$y$Z = 1/Y$, tenemos los estándares de admitancia e impedancia, es decir, tenemos el siemens y el ohm, sin embargo en régimen AC.

Por lo tanto, la estricta realización SI del ohm, como estándar de resistencia, es aproximadamente la siguiente:

1. Construyes un condensador calculable (y diez años de tu vida se han ido). Por lo general, un capacitor calculable de 1 m de largo tiene una capacitancia de alrededor de 1 pF, que a una frecuencia de kHz corresponde a una impedancia bastante alta (para obtener una breve bibliografía sobre el capacitor calculable, consulte esta página ).
2. Por medio de puentes de impedancia, escala la capacitancia a valores más altos (por ejemplo, 1 nF).
3. Por medio de un puente de impedancia en cuadratura, compara el valor de impedancia de una resistencia estándar con comportamiento CA-CC calculable con el de la capacitancia escalada.
4. Calculas el valor DC de la resistencia.
5. Se reduce la resistencia a 1 ohm por medio de un puente de resistencia.

Una vez que tenga todos los experimentos funcionando (después de muchos años), la realización del ohm a través de la cadena de experimentos anterior puede llevar más de un mes, pero lo más importante es que la reproducibilidad del ohm realizado de esta manera, aunque mejor. que el que se puede obtener a través de las realizaciones del voltio y el amperio, está justo en el$10^{-7}$-$10^{-8}$nivel.

Luego llega el efecto Hall cuántico (QHE). Un elemento QHE bajo condiciones de baja temperatura y alto campo magnético, realiza una resistencia de cuatro terminales (o transresistencia ) con valor de resistencia$R_\mathrm{H} = R_\mathrm{K}/i$, dónde$R_\mathrm{K}$es una constante, la constante de von Klitzing, y$i$es un número entero, llamado índice de meseta (típicamente usamos la meseta correspondiente a$i=2$). A fines de la década de 1980, estaba claro que los elementos QHE podían proporcionar estándares de resistencia con una reproducibilidad mucho mejor que los otros métodos descritos anteriormente: en ese momento, del orden de$10^{-8}$-$10^{-9}$; en la actualidad, del orden de$10^{-10}$-$10^{-11}$(dos o tres órdenes de magnitudes mejores que las que se obtienen con un capacitor calculable). Resulta, además, que la constante de von Klitzing está ligada a dos constantes fundamentales, la constante de Planck y la carga elemental,$R_\mathrm{K} = h/e^2$.

La situación a fines de la década de 1980 es, pues, la siguiente:

1. Un experimento QHE es mucho más fácil de implementar que el de un capacitor calculable (y mucho menos costoso).
2. La resistencia realizada por un experimento QHE tiene una reproducibilidad mucho mejor que la realizada por un experimento de capacitor calculable.
3. Sin embargo, la precisión de la constante de von Klitzing está solo al nivel de la realización del SI en ohmios, es decir, de aproximadamente$10^{-7}$, y la relación$R_\mathrm{H} = R_\mathrm{K}/i = h/(e^2 i)$aún no tiene suficiente fundamento teórico sólido para ser explotado.

Los dos primeros puntos sugieren la adopción de una unidad convencional de resistencia, definiendo un valor convencional de la constante de von Klitzing [ CIPM, 1988: Recomendación 2 ]. Este valor convencional de la constante de von Klitzing se denota por$R_{\mathrm{K}-90}$(porque fue adoptado en 1990) y tiene valor

$$R_\mathrm{K-90} = 25\,812.807\,\Omega\quad \text{(exact)}.$$

La unidad convencional de resistencia es el$\mathit{\Omega}_{90}$, definido como ¹

$$\mathit{\Omega}_{90} = \frac{R_\mathrm{K}}{\{R_\mathrm{K-90}\}} = \frac{R_\mathrm{K}}{25\,812.807}.$$

En la actualidad, prácticamente todas las escalas de resistencia nacionales son trazables a esta unidad convencional.

Ahora vale la pena señalar que la cantidad$\mathit{\Omega}_{90}$no tiene vínculos con el SI ohm: está cerca de (la discrepancia relativa es del orden de$10^{-8}$), pero no es lo mismo. Por lo tanto, la$\mathit{\Omega}_{90}$se llama reproducción (o representación) del ohm, porque de algún modo realiza el ohm, pero no según su definición.

En la actualidad, esta no es la única unidad reproducida: actualmente se reproduce el voltio mediante el efecto Josephson a través de un valor convencional de la constante de Josephson , y la escala termodinámica de temperatura se reproduce mediante dos escalas de temperatura convencionales, la Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90) y la Escala Provisional de Bajas Temperaturas de 2000 (PLTS-2000) .

En cambio, con la próxima revisión del Sistema Internacional de Unidades, el llamado "nuevo SI" , el efecto Hall cuántico y el efecto Josephson realmente proporcionarán realizaciones SI del ohmio y el voltio (ver este borrador de la puesta en práctica de las unidades eléctricas).

Finalmente, en lo que respecta al término implementación , que yo sepa, no tiene un significado técnico específico dentro de la comunidad de metrólogos, y se usa en el significado común en inglés (mientras que la realización tiene una connotación algo diferente). Así, por ejemplo, podemos hablar de dos implementaciones diferentes de un experimento de resistencia de Hall cuántico (porque algunos detalles pueden ser diferentes).

notas

¹ Una nota sobre la notación: la cantidad$\mathit{\Omega}_{90}$está escrito en cursiva porque no es una unidad SI; las llaves denotan el valor numérico de una cantidad, según la notación$Q = \{Q\}[Q]$[4,5, y esta pregunta ].

Referencias

[1] AM Thompson y DG Lampard (1956), "Un nuevo teorema en electrostática y su aplicación a estándares calculables de capacitancia", Nature , 177, 888.

[2] LJ van der Pauw (1958), "Un método para medir la resistividad específica y el efecto Hall de discos de forma arbitraria", Philips Research Reports , 13, 1–9.

[3] LJ van der Pauw (1958), "Un método para medir la resistividad y el coeficiente de Hall en láminas de forma arbitraria", Philips Technical Review , 20, 220–224.

[4] ER Cohen et al. (2008), Cantidades, unidades y símbolos en química física , IUPAC Green Book, 3.ª edición, 2.ª impresión, IUPAC & RSC Publishing, Cambridge [ En línea ]

[5] ER Cohen y P. Giacomo (1987), Symbols, Units, Nomenclature and Fundamental Constants in Physics , IUPAP SUNAMCO Red Book, revisión de 1987, IUPAP & SUNAMCO, Países Bajos [ En línea ]