In dieser Vorlesung werden wir die internationalen und nationalen metrologischen Infrastrukturen kennenlernen, die erforderlich sind, um genaue und international vergleichbare Messungen zu ermöglichen.

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Genaue und vertrauenswürdige Messungen, die international und nachweislich vergleichbar sind, stellen eine Voraussetzung dar für nationalen und internationalen Austausch von Waren und Industrieprodukten, fairen Handel, Verbraucher-, Gesundheits- und Umweltschutz. Auch wissenschaftliche Experimente sind ohne genaue und vertrauenswürdige Messungen wertlos.

Insbesondere in industrialisierten Ländern mit einer gut entwickelten und funktionierenden metrologischen Infrastruktur werden vertrauenswürdige Messungen gern als selbstverständlich angesehen. Doch in Wirklichkeit ist die Grundlage dafür eine komplexe nationale und internationale Infrastruktur, welche über Jahrzehnte aufgebaut und kontinuierlich verbessert wurde. Da die Anforderungen an die Messtechnik ständig steigen, sowohl hinsichtlich neuer Messgrößen als auch erweiterter Messbereiche und höherer Messgenauigkeit, müssen alle Elemente dieser Infrastruktur ständig weiterentwickelt werden.

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Im vorindustriellen Zeitalter waren vor allem Messungen von Masse, Volumen und Länge für den Handel wichtig. Referenzen für diese Messungen waren im allgemeine lokale Standards, Referenzen waren häufig auf einen lokalen Herrscher oder eine Gruppe von Menschen bezogen (Ellen- oder Fuß-Länge).

Zeitmessungen waren wichtig für die Strukturierung des Tages- und Jahresablaufs, zum Beispiel zur Bestimmung des besten Zeitpunkts für die Aussaat. Diese nahmen im allgemeinen den Sonnenverlauf als Referenz.

Ein interessantes Beispiel für die Längenmessung war die altägyptisches Königselle („royal cubit“) um etwa 3000 vor unserer Zeitrechnung: Die Königselle war über die Ellbogenlänge des Pharaos festgelegt und wurde in einen Granit-Maßstab übertragen, der die Referenz für Längenmessungen darstellte (Maßverkörperung). Auf allen Baustellen, insbesondere beim Pyramidenbau wurde die Königselle als Referenz verwendet. Arbeiter verwendeten hölzerne Maßstäbe, die sie monatlich mit dem Granit-Maßstab vergleichen mussten (im Prinzip eine „Eichung“). Bei Nichtbeachtung drohten harte Strafen.

Die im Mittelalter in Braunschweig verwendete Braunschweiger Elle war als Metallmaßstab gefertigt am Altstadtrathaus angebracht und damit sowohl Verkäufern (z.B. von Stoffen) und Kunden zugänglich.

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Infolge der komplizierten politischen Strukturen und der vielen Kleinstaaten herrschte im ausgehenden Mittelalter und der beginnenden Neuzeit in Europa eine chaotische Situation bezüglich Maßen und Gewichten. Jeder Staat und viele Regionen hatten ihre eigenen Maße für Länge, Volumen und Masse.

Die Geburtsstunde der modernen Metrologie wurde im Zuge der französischen Revolution gelegt. Ganz im Geiste der revolutionären Ideen der Gleichheit der Menschen wollte man Maße schaffen, die nicht mehr auf lokale Referenzen zurückgeführt waren, sondern allen Menschen gleichermaßen zur Verfügung standen.

Das Meter wurde als der zehnmillionste Teil des Erdquadranten definiert, also des Abstandes vom Nord- oder Südpol zum Erdäquator. Für Volumenmessungen wurde der Liter als ein Kubik-Dezimeter eingeführt; für die Masse das Kilogramm, welches der Masse von einem Liter reinem Wasser bei 4°C und einem Luftdruck von 760 mm Quecksilbersäule entsprach.

Die Einführung dieser metrischen Einheiten folgte dabei den Prinzipien, die Grundeinheiten aus naturgegebenen Größen abzuleiten, alle anderen Einheiten darauf zurückzuführen und alle, mit Ausnahme der Zeit, dezimal zu vervielfachen und zu unterteilen. Dies kann man als ersten Schritt zur Entwicklung des Internationalen Einheitensystems (SI) ansehen.

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Ein prominentes Beispiel dafür was passieren kann, wenn man keine einheitliches Einheitensystem verwendet, ist die missglückte Mars Climate Orbiter Mission der NASA von 1998/99. Die Marssonde verglühte in der Marsatmosphäre in Folge von Programmierfehlern bei der Erstellung der Steuerungssoftware: Ingenieur-Teams hatten Daten in unterschiedlichen Einheitensystemen (SI, Imperial) eingegeben.

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Das SI (Basis-Einheiten, abgeleitete Einheiten, geplante und mittlerweile beschlossene Neudefinition) wurde bereits in Vorlesung 1 eingeführt.

Eine ausführliche Beschreibung des SI findet man in der vom BIPM erstellten Broschüre.

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Die Einführung des dezimalen metrischen Einheitensystems während der Französischen Revolution und die Herstellung von Platin-Normalen zur Bewahrung des Meters und des Kilogramms am 22. Juni 1799 durch die Französische Akademie der Wissenschaften kann als der erste Schritt zur Entwicklung des aktuellen Internationalen Einheitensystems (SI) angesehen werden.

Nach der Unterzeichnung der Meterkonvention am 20. Mai 1875 durch 17 Staaten und der damit verbundenen Gründung des „Internationalen Büros für Maße und Gewischte“ (BIPM) wurden die neuen internationalen Prototypen für Meter und Kilogramm hergestellt und im BIPM aufbewahrt.

1889 fand die erste Tagung der Generalkonferenz für Maße und Gewichte (CGPM) statt, des Entscheidungsgremiums der Meterkonvention, bei der das sogenannte MKS-System festgelegt wurde, bestehend aus Meter, Kilogramm und astronomischer Sekunde.

1954 wurde das MKS-System um die Einheiten Ampere, Kelvin und Candela erweitert und 1960 schließlich in „Internationales Einheitensystem“ (SI) umbenannt. 1973 wurde das SI um die siebte Einheit Mol erweitert.

1999 wurde das „International Recognition Arrangement of the CIPM“ (CIPM MRA) unterzeichnet, welches die Grundlage der wechselseitigen Anerkennung der nationalen Normale der teilnehmenden Länder und Internationalen Organisationen darstellt.

Am 16. November 2018 beschloss das CGPM, eine grundlegende Reform der Definition der Basiseinheiten des SI: sämtliche Einheiten sind jetzt über universelle Naturkonstanten definiert. Diese neuen Definitionen traten am 20. Mai 2019 in Kraft.

Beispielsweise ist nun der Kilogramm-Prototyp ersetzt durch eine neue Definition des Kilogramm über die Plank-Konstante h. Die Realisierung erfolgt derzeit über eine Kibble-Waage (früher „Watt-Waage“) oder eine Silizium-Kugel aus hochreinem einkristallinem Silizium („Avogadro-Projekt“).

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Realisierung, Bewahrung und Weitergabe der SI Einheiten ist eine der Kernaufgaben der Nationalen Metrologie-Institute (NMI) weltweit.

Im ersten Schritt muss die Einheit entsprechend der gültigen internationalen Definition (SI) mit der nach dem aktuellen Stand der Technik niedrigstmöglichen Unsicherheit realisiert werden (siehe VIM 5.1 Anm. 3). Praktische Realisierungsvorschriften werden von den Konsultativ-Komitees (CC = Consultative Committee) der Meterkonvention erarbeitet und sind auf der Webseite des BIPMveröffentlicht: https://www.bipm.org/en/publications/mises-en-pratique/

Eine entsprechende Messapparatur zur Realisierung der Einheit gemäß ihrer Definition, ohne dass Bezug auf ein anderes (genaueres) Normal der gleichen Einheit genommen wird, bezeichnet man als Primärnormal. In vielen Fällen wird das Primärnormal verwendet um damit eine Maßverkörperung, ein Messgerät oder eine Messapparatur zu kalibrieren, welche eine Bewahrung der Einheit unter praktischen Aspekten erleichtert.

Unter Bewahrung eines Normals versteht man die „Gesamtheit aller Maßnahmen, die erforderlich sind, um die metrologischen Eigenschaften eines Normals innerhalb vorgegebener Grenzen zu bewahren.“ (siehe VIM 5.11). Dies umfasst im Allgemeinen die periodische Verifizierung von vordefinierten metrologischen Eigenschaften, die Lagerung unter geeigneten Bedingungen und die vorgeschriebene Sorgfalt beim Gebrauch.

Um zuverlässige Messungen bei den Nutzern der Metrologie z.B. in der Industrie, im Umwelt- oder Verbraucherschutz zu gewährleisten, müssen die Einheiten im nächsten Schritt „weitergegeben“ werden. Dies erfolgt über Kalibrierung der von den Nutzern verwendeten Messgeräte.

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In einer Rückführbarkeitskette nimmt die Messunsicherheit bei jedem Kalibrierschritt zu. NMIs müssen daher ihre Normale mit einer hinreichend kleinen Messunsicherheit bereitstellen, um bei dem Nutzer am Ende der Kalibrierkette eine ausreichend kleine Messunsicherheit zu ermöglichen.

Ein Meter (Formelzeichen: m) ist definiert als die Länge der Strecke, die Licht im Vakuum während der Dauer von (1/299 792 458) Sekunden durchläuft.

Realisiert wird er über die Wellenlänge von Frequenz-stabilisierten Lasern, deren Frequenz man direkt misst und auf eine Realisierung der Sekunde mittels Atomuhren zurückführt.

Über mehrere Kalibrierzwischenstufen, die in einem Nationalen Metrologie-Institut (NMI) und/oder nachgeordneten Kalibrierlaboratorien erfolgen, kommt man schließlich zu kalibrierten Endmaßen („Gauge Block“), die beispielweise von Anwendern in einem industriellen Prüflabor zur Kalibrierung oder Überprüfung von Mikrometerschrauben verwendet werden.

Über diese Kalibrierkette ist die Messung im industriellen Prüflabor rückgeführt auf die Realisierung des Meters in einem NMI.

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In der Praxis gibt es verschiedene Möglichkeiten, wie die Kalibrierkette von der Realisierung der Einheit bis hin zur Messung in einem Industrie- oder sonstigem Labor aufgebaut sein kann.

Die genaueste Referenz die in einem Land existiert nennt man „Nationales Normal“. Gemäß der Definition 5.3 im VIM ist ein Nationales Normal ein Normal, das durch eine nationale Behörde anerkannt ist, in einem Land oder einer Volkswirtschaft als Grundlage dafür zu dienen, Größenwerte anderen Normalen für die betreffende Größenart zuzuordnen.

Nationale Normale werden in Nationalen Metrologie Instituten (NMI) betrieben, in Deutschland beispielsweise von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB). Für Messgrößen, welche das NMI selbst nicht abdeckt, werden häufig spezialisierte Institute formell designiert („Designiertes Institut“ = DI). Diese DIs unterstützen das NMI, nationale Normale für die wichtigsten in dem Land benötigten Messgrößen bereitzustellen.

Nationale Normale können Primärnormale sein. Gerade in kleineren NMIs begnügt man sich aber häufig damit die Einheit über ein Sekundärnormal oder ein Normal noch niedrigerer Ordnung zu bewahren, welches auf ein Primärnormal eines anderen Landes rückgeführt ist. Diese kostengünstigere Lösung ist akzeptabel, wenn sie den Genauigkeitsanforderungen der Metrologie-Nutzer im Land genügt.

NMIs und DIs geben die Einheit im Allgemeinen über Kalibrierung von Referenznormalen in Kalibrierlaboratorien weiter, welche dann wiederum Messgeräte oder Referenznormale von industriellen oder anderen Laboratorien kalibrieren.

In den auf der Folie dargestellten Ketten können sich aus technischen Gründen weitere Zwischenstufen von Kalibrierungen und Normalen befinden. In der Grafik sind lediglich die Referenznormale auf jeder Stufe gezeigt.

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Auch wenn Nationale Normale eines NMIs diesen Status über die Entscheidung einer nationalen Stelle erhalten, muss das NMI deren Genauigkeit dennoch nachweisen, um das Vertrauen der Nutzer zu erhalten.

Der direkte Nachweis dafür, dass ein Labor befähigt ist, eine Messung oder Kalibrierung mir einer angegebenen Genauigkeit durchzuführen, erfolgt über Messvergleiche. Bei Messvergleichen wird ein Messobjekt von verschiedenen Laboratorien vermessen; anschließend wird überprüft, ob ihre Ergebnisse innerhalb der angegebenen Messunsicherheiten übereinstimmen. Auswerteverfahren von Mess- und Ringvergleichen wurden in Vorlesung 6 behandelt.

Auf internationaler Ebene finden Messvergleiche zwischen NMIs statt. Diese „Key Comparisons“ (KC) und „Supplementary Comparisons“ (SC) werden später erklärt. Auf nationaler Ebene organisieren beispielsweise NMIs Ringvergleiche zwischen akkreditierten Kalibrierlaboratorien: das NMI liefert den Referenzwert, und es wird überprüft wie gut die Messergebnisse der Kalibrierlaboratorien mit diesem Referenzwert übereinstimmen.

Die erfolgreiche Teilnahme an einem Messvergleich alleine ist noch kein Garant dafür, dass ein Labor eine Mess- oder Kalibrierdienstleistung auch im Alltagsbetrieb zuverlässig durchführen kann. Um dies sicherzustellen betreiben Laboratorien Qualitätsmanagementsysteme (QMS), die z. B. die Anforderungen der Norm ISO/IEC 17025 erfüllen. Dass diese Anforderungen tatsächlich erfüllt sind, lässt sich über eine Akkreditierung nachweisen (siehe zweiter Teil der Vorlesung).

Zwischen NMIs ist es üblich, anstelle einer Akkreditierung den Kompetenznachweis über sogenannte „Peer Reviews“ durchzuführen. Da die Messkapazitäten in den NMI häufig sehr speziell sind, wäre es schwierig, kompetente Gutachter aus einer Akkreditierungsstelle zu finden, die auf die Begutachtung von Routine-Messeinrichtungen in Kalibrierlaboratorien spezialisiert sind. Stattdessen begutachten sich NMIs gegenseitig über internationale Teams, die sich aus Experten anderer NMIs zusammensetzen („Peers“ = Fachkollegen).

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Im vorherigen Kapitel haben wir die Elemente und Mechanismen kennengelernt, die für die Sicherstellung präziser, vertrauenswürdiger und international vergleichbarer Messungen eine Rolle spielen.

In diesem Kapitel werden wir sehen, in welche internationalen und nationalen Infrastrukturen diese Elemente eingebettet sind.

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Am 20. Mai 1875 wurde in Paris von Repräsentanten aus 17 Staaten die Meterkonvention unterzeichnet. Ziel der Meterkonvention war und ist es, die Einheitlichkeit des Messens weltweit (oder zumindest in den Mitgliedsländern) sicherzustellen und die dafür erforderliche Infrastruktur zu schaffen. Mittlerweile verzeichnet die Meterkonvention 61 Vollmitglieder und 41 assoziierte Mitglieder.

Als wichtiges Element wurde mit der Unterzeichnung der Meterkonvention das Internationale Büro für Maße und Gewichte (BIPM) gegründet. Es hat seinen Sitz im „Pavillon de Breteuil“ in Sèvres bei Paris. Das BIPM koordiniert wichtige internationale Tätigkeiten der Metrologie und unterhält Laboratorien in einigen ausgewählten Bereichen, in denen Forschung zur Entwicklung neuer Bereiche der Metrologie betrieben wird. Unter anderem bewahrt das BIPM den Internationalen Kilogramm-Prototypen, der bis 2019 die internationale Referenz für das Kilogramm war, ist für den Betrieb der internationalen Zeitskala UTC verantwortlich (kontinuierliche Vergleiche von Atomuhren weltweit), koordiniert Schlüssel-Vergleiche („Key-Comparisons“) und organisiert viele internationale Meetings und Trainingskurse im Rahmen der Meterkonvention.

Das Internationale Komitee für Maße und Gewichte (CIPM) besteht aus 18 hochrangigen Experten aus dem Bereich der Metrologie, die aus verschiedenen Mitgliedsstaaten der Meterkonvention stammen. Sie diskutieren aktuelle Themen der Meterkonvention und beraten und erstellen Entscheidungsvorschläge für die CGPM.

Die Generalkonferenz für Maße und Gewichte (CGPM) besteht aus Delegierten der Mitgliedsstaaten der Meterkonvention. Sie tagt alle 4 Jahre und trifft alle relevanten Entscheidungen, wie beispielsweise über Neu-Definitionen der SI-Einheiten oder Aufgaben und Budget des BIPM.

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Die Folie gibt einen Überblick über die internationalen Strukturen in der Metrologie. Einige Elemente davon (BIPM, CIPM, CGPM) wurden bereits in der vorherigen Folie erläutert.

Die Konsultativ-Komitees („Consultative Committee“ = CC) des CIPM setzen sich aus internationalen Experten in speziellen Bereichen der Metrologie zusammen. Zu ihren Aufgaben dem CIPM Empfehlungen zu geben zu den wissenschaftlichen Arbeitsgebieten des BIPM und die Planung und Koordinierung von internationalen Schlüsselvergleichen (KC).

Nationale Metrologie Institute (NMI) sind die höchsten Instanzen innerhalb eines Landes in Fragen zur Metrologie. Sie sind zuständig für die Realisierung der Einheiten und/oder ihrer Bewahrung über nationale Normale, sowie ihrer Weitergabe an Nutzer im Lande mittels Kalibrierungen. Die internationale Vergleichbarkeit ihrer Nationalen Normale müssen sie über Messvergleiche (KC, SC) und andere Maßnahmen sicherstellen (siehe CIPM MRA, nächste Folie). Außerdem tragen sie wesentlich zur Weiterentwicklung der Metrologie über Forschungsprojekte bei, sowie zum Wissenstransfer in ihrem Land.

Regionale Metrologie Organisationen (RMO) koordinieren die Zusammenarbeit der NMI in verschiedenen Regionen der Welt. Mehr Details werden auf den nächsten Folien gegeben.

Das Joint Committee for Regional Bodies (JCRB) ist ein Koordinierungs-Komitee zwischen der RMOs und dem BIPM in allen Fragen des CIPM MRA (siehe nächste Folie).

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Das Mutual Recognition Arrangement des CIPM (CIPM MRA) ist ein Abkommen zwischen NMIs, welches die internationale Vergleichbarkeit von Nationalen Normalen und den damit verbundenen Mess- und Kalibrierkapazitäten (CMC = „Calibration and Measurement Capabilities“) von NMIs und DIs sicherstellt. Das 1999 in Kraft getretene Abkommen wurde mittlerweile von Vertretern von 105 Instituten unterzeichnet (59 Mitglieder, 42 assoziierte Mitglieder, 4 internationale Organisationen, z.B. IAEA und WMO) und deckt damit die Kapazitäten der NMIs und DIs der beteiligten Ländern oder internationalen Organisationen ab.

Die im Rahmen des CIPM MRA durchgeführten Maßnahmen sind:

1) Messvergleiche (KCs, SCs) zum Vergleich der Nationalen Normale2) Begutachtung der QMS der beteiligten Institute (peer review)3) Gegenseitige Revision der von den teilnehmenden Instituten deklarierten Kalibrier- und

Messkapazitäten (CMC)

Alle wichtigen Daten sind in der sogenannten „Key Comparison Database“ (KCDB) auf der Webseite des BIPM veröffentlicht (siehe https://kcdb.bipm.org/):1) Unterzeichner der CIPM MRA, einschließlich aller einbezogenen Institute (NMIs und DIs)2) Ergebnisse aller KCs und SCs3) CMC-Listen

Anmerkung: Die KCDB wird derzeit technisch überarbeitet, insbesondere um die Nutzerfreundlichkeit der CMC-Datenbank zu verbessern.

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Ein Schlüsselelement des CIPM MRA sind Messvergleiche, sogenannte „Key Comparisons“ und „Supplementatry Comparisons“.

Die Teilnahme an CIPM Key Comparisons (KC) ist auf NMIs begrenzt, welche die Messgröße über ein Primärnormal realisieren und eine sehr hohe Genauigkeit erzielen. Zwischen aus den Ergebnissen wird ein Referenzwert für die Messgröße festgelegt, und zwar im Konsens. Die erzielte Messunsicherheit der Teilnehmer wird dabei berücksichtigt.

Weitere NMIs können an CIPM KCs „angeschlossen“ werden, in dem sie an von ihrer RMO organisierten KCs teilnehmen. Das Messprotokoll einer RMO KC muss dasselbe sein, wie das der entsprechenden CIPM KC. Es wird überprüft wie gut die Ergebnisse mit dem aus der CIPM KC ermittelten Referenzwert übereinstimmt. Die NMIs, welche sowohl an der CIPM KC als auch an der RMO KC teilnehmen, stellen den Anschluss an der Referenzwert aus der CIPM KC dar

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Regionale Metrologie Organisationen (RMO) koordinieren die Zusammenarbeit von Nationalen Metrologie Instituten (NMI) in einer Region, zum Beispiel in der Umsetzung der Maßnahmen des CIPM MRA, Metrologieforschung oder Trainingskursen.

Derzeit gibt es 6 RMOs, wie auf der Folie dargestellt.

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Die europäische RMO ist EURAMET, die „European Association of National Metrology Institutes“.

Mitglieder im EURAMET sind die NMIs aus 38 Ländern, sofern es in diesen Ländern DI gibt, haben diese einen assoziierten Status in EURAMET.

Die Rechtsform von EURAMET ist ein eingetragener deutscher Verein (e.V.); das zentrale Sekretariat befindet sich in Braunschweig auf dem Gelände der PTB.

Die wichtigsten Aufgaben von EURAMET liegen in der - Durchführung von Maßnahmen des CIPM MRA, einschließlich der Bereitstellung von

metrologischer Rückführbarkeit zwischen den Mitgliedern- Koordinierung von europäischen Metrologie-Forschungsprogrammen (aktuelles Programm

EMPIR, Laufzeit etwa 10 Jahre, Finanzvolumen 600 M€), welche gemeinsam von den Mitgliedsländern und der EU finanziert werden

- Durchführung von Trainingsprogrammen für die Mitglieder (Trainings-Kurse, Stipendien zur Teilnahme an EMPIR-Projekten)

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Zum Abschluss sei die Rolle von EURAMET im Rahmen des CIPM MRA kurz dargestellt.

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