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Metrologie Wissenschaft des Messens

Die Vergleichbarkeit von Messergebnissen

Der Begriff Metrologie kommt vom altgriechischen μετρεῖν (metreín - messen) und steht heute für die Wissenschaft des Messens. Sie befasst sich mit vielen Aspekten von Messungen – in der Theorie und der Praxis:

  • Quantifizierung von physischen Größen und Eigenschaften
  • Definition und Realisierung von zentralen Maßeinheiten
  • Kalibrierung von Messgeräten
  • Ermittlung von Messunsicherheiten

Ziel der Metrologie ist es, die Verlässlichkeit und Vergleichbarkeit von Messergebnissen zu gewährleisten. Dies kann nur gelingen, wenn ihre Vorgaben für alle Bereiche gelten: angefangen bei der Wissenschaft über die Technik bis hinein ins moderne Leben. Sie wird angewandt in der Industrie, im Handel, in der Gesundheitsversorgung und dem Umweltschutz – und natürlich in der Lichtmesstechnik.

Jede Messmethode hat eine eigene Messunsicherheit

Eine wichtige Erkenntnis in der Metrologie ist, dass jede Messung eine Messunsicherheit besitzt, die nicht vermieden werden kann. Der Messwert stellt deshalb nur einen Schätzwert für den gesuchten Wert dar und die Messunsicherheit ist das Maß für die Verlässlichkeit der Messung. Ein vollständiges Ergebnis umfasst in der Metrologie neben dem numerischen Messwert mit Einheit immer auch die ermittelte Messunsicherheit. Diese ist abhängig von der verwendeten Messmethode.

Die Lichtstärke als international anerkannte metrische Einheit

Um die Vergleichbarkeit von Messergebnissen sicherzustellen, bedarf es international eindeutig definierter Maßeinheiten, auf die in Messungen Bezug genommen wird. Zu diesem Zweck wurde 1875 die Meterkonvention geschlossen. Mit ihr wurde ein international einheitlich gültiges metrisches System für Maßeinheiten geschaffen, genannt SI-System (Système international d'unités). Seit der Revision 2019 umfasst das SI-System neun SI-Einheiten auf Basis von sieben Naturkonstanten, darunter zum Beispiel die Lichtgeschwindigkeit c. Dies stellt sicher, dass die gewählten Definitionen der SI-Einheiten unabhängig von einer konkreten Realisierung sind. Photometrische Messgrößen sind alle auf die Lichtstärke (Candela, cd) bezogen. Ihre Definition erfolgt über das photometrische Strahlungsäquivalent Kcd, welches die Verknüpfung mit der historischen Definition der Candela gewährleistet.

Größe

SI-Einheit

Einheitenzeichen

Naturkonstante

Länge

Meter

m

c

Masse

Kilogramm

kg

h

Zeit

Sekunde

s

Δ ν

Stromstärke

Ampere

A

e

Temperatur

Kelvin

K

k

Stoffmenge

Mol

mol

NA

Lichtstärke

Candela

cd

Kcd

Rückführbarkeit auf nationale Normale

Mit der primären Realisierung und Bewahrung der SI-Einheiten sind nationale Metrologie-Institute beauftragt. In Deutschland ist das die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB). Zu ihren Aufgaben gehört es, die Einheiten darzustellen und mit den kleinstmöglichen Unsicherheiten weiterzugeben. Dafür entwickelt die PTB nationale Normale, auf die sich das gesamte Messwesen der Bundesrepublik Deutschland bezieht. Ein ständiger Vergleich mit messtechnischen Instituten anderer Länder (z.B. der NIST) stellt sicher, dass die Einheiten in der ganzen Welt gleich sind. Über „Kalibrierstandards“ wird der Bezug zur SI-Einheit an Anwender weitergegeben (mehr zum Thema Kalibrierung). Ist eine eindeutige Verknüpfung der Messergebnisse mit der primären Realisierung der SI-Einheit eines nationalen Instituts gegeben, spricht man von metrologischer Rückführbarkeit des Ergebnisses (Abbildung rechter Teil).

Darstellung der metrologischen Rückführbarkeit von Messergebnissen in der Lichtmesstechnik im Rahmen des SI-Systems.

International einheitliche Umsetzung der Rückführbarkeit

Ein komplexes Netzwerk von Organisationen, Verträgen und Normen sorgt für eine international einheitliche Umsetzung der metrologischen Rückführbarkeit auf das SI-Einheitensystem (Abbildung linker Teil). An Kalibrier- und Prüflabore werden über Normen wie zum Beispiel die ISO/IEC 17025 hohe Anforderungen gestellt, um verlässliche Prozesse im Rahmen der Rückführbarkeit zu garantieren.

Akkreditierte Dienstleister wie Instrument Systems unterziehen sich regelmäßig unabhängigen Kompetenzprüfungen (in Deutschland durch die DAkkS) und dokumentieren die Ergebnisse ihrer Prüfungen in Kalibrier- bzw. Prüfscheinen.