Ons dagelijks leven is doordrenkt met maten en meten. Het is met afstand de belangrijkste techniek om onzekerheid te verminderen.
Door de boycot van Rusland wordt aardgas momenteel vooral in de vorm van LNG – liquefied natural gas, vloeibaar aardgas – per schip aangevoerd. Transporteurs willen precies weten welke hoeveelheden worden vervoerd, en afnemers willen zekerheid over de kwaliteit van het geleverde gas.
Dat levert nieuwe uitdagingen voor het meten op. Aardgas wordt vloeibaar bij -162 °C; het volume wordt daardoor zeshonderd keer kleiner. Door de extreem lage temperatuur kan zich ijs vormen op de meetapparatuur. Dat heeft invloed op de accuratesse van de meting van volumes en samenstelling.
Het VSL Nederlands Metrologisch Instituut beschikt sinds oktober 2022, als eerste ter wereld, over een test- en kalibratiefaciliteit voor lng-meetapparatuur. Daarbij wordt er getest onder cryogene omstandigheden. De meetonzekerheid neemt daardoor sterk af. VSL kon voor de deadline van dit artikel helaas niet aangeven in welke mate de nauwkeurigheid toeneemt door kalibratie bij cryogene omstandigheden.
Maten en meten
De gasmeter registreert gasverbruik voor verwarming en koken. Om waterverbruik te meten is er in elk huis een watermeter geïnstalleerd. De benzinepomp bevat een telwerk om de getankte hoeveelheid brandstof te registreren. Wie voor een bestraling naar het ziekenhuis moet rekent erop dat die apparatuur goed is afgesteld. Een sprinter rent tijdens een wedstrijd honderd meter en zijn tijd wordt geklokt. Om tijden op verschillende banen te kunnen vergelijken zijn de afmetingen van die banen nauwkeurig opgemeten en de tijdregistratie-apparatuur is gekalibreerd.
Wij hebben de weegschaal in de groentekraam op de markt voor ogen, maar de meeste metingen aan levensmiddelen gebeuren in het laboratorium. Daar is vast te stellen hoeveel vitamines voedsel bevat, en of er zich pesticiden, zware metalen of schimmels in bevinden. Ook de herkomst van levensmiddelen kan aan de hand van de chemische samenstelling worden vastgesteld. Temperatuur- en vochtigheidsmetingen geven aan of ze veilig bewaard of verpakt zijn.
En tenslotte het precies afwegen van de waren. Elke klant dient alleen te betalen voor wat hij of zij koopt. Dat geldt in de supermarkt, maar ook bij het beladen van vrachtschepen met graan. Daar zijn grote belangen mee gemoeid; de handel in levensmiddelen is goed voor twintig procent van de wereldhandel.
Onzekerheid verminderen
Ons dagelijks leven is doordrenkt met maten en meten. We hebben te maken met klokken, kledingmaten, alcoholgehaltes, golflengtes, snelheidsmeters, thermometers, neerslagmeters – ‘allemaal dienen ze er toe de wereld om ons heen om te zetten in overzichtelijke en begrijpelijke cijfers en statistieken’, schrijft Andrew Robinson in zijn boek ‘De kunst van het meten’. Meten is met afstand de belangrijkste techniek om onzekerheid te verminderen.
Ons systeem van maten en gewichten berust op het Internationale Stelsel van Eenheden. Tot in de negentiende eeuw telde de wereld vele verschillende maten en gewichten. ‘Maar halverwege die eeuw was de hang naar het metrieke stelsel wereldwijd’, meldt ‘De kunst van het meten’.
Het was eind achttiende eeuw ontwikkeld in Frankrijk, ten tijde van de Franse Revolutie. In 1816 voerde Nederland als eerste het metrieke stelsel in. In 1875 tekenden zeventien landen – Nederland nog niet – de Meterconventie. In 1929 tekende Nederland ook.
In 1960 werd het Internationaal Stelsel van Eenheden – ook bekend als SI: Système International – voor vastgelegd. Het geldt sindsdien als lichtend voorbeeld van internationale samenwerking. De Meterconventie en het SI liggen aan de basis van ongekende vooruitgang in wetenschap en technologie.
Het SI kent zeven basiseenheden: meter (voor lengte), kilogram (voor massa), ampère (stroom), kelvin (thermodynamische temperatuur), mol (hoeveelheid stof), en candela (lichtsterkte). Daarvan werden vele niet-fundamentele SI-eenheden afgeleid, zoals hertz (frequentie), watt (energie) en graad Celsius (temperatuur). Het Internationale Bureau voor Maten en Gewichten te Sèvres bij Parijs is wereldwijd verantwoordelijk voor een juist gebruik van meeteenheden. In Nederland is dat het Van Swinden Laboratorium, onderdeel van TNO.
De meter is vanaf de Franse Revolutie tot aan de invoering van het SI in 1960 bepaald door de lengte van een metalen staaf, een legering van platina en iridium. De nauwkeurigheid bedroeg ±0,002 millimeter. In 1960 wordt de meter opnieuw gedefinieerd als een spectrumlijn van krypton, met een nauwkeurigheid van ±0,000007 mm. Vervolgens wordt in 1983 de huidige definitie aangenomen: een meter is de afstand die het licht in vacuüm aflegt in 1/299.792.458 seconde (gemeten met een atoomklok; nauwkeurigheid ±1 seconde per 5 miljard jaar), wat tot een precisie leidt van ±0,0000007 mm, later met verbeterde lasers teruggebracht tot ±0,00000002 mm.
Inmiddels zijn alle basiseenheden gedefinieerd in termen van natuurconstanten.
Meten en milieunormen
Met de komst van nieuwe apparatuur – zoals massaspectrometers, vloeistofchromatografen, computertomografie – heeft de meetnauwkeurigheid zich enorm ontwikkeld. Dat is terug te vinden in de benaming van minuscule hoeveelheden. Tot rond 1950 kenden we alleen het procent en het promille. In 1960 duikt het ppm op (parts per million), In 1970 het ppb (parts per billion), en in 1980 het ppt (parts per trillion, één op het biljoen). Aldus wetenschapsjournalist Simon Rozendaal in Elsevier Weekblad van 24/3/2018. Hij verduidelijkt deze ontwikkeling als volgt: ‘één ppm correspondeert met het ontdekken van één grijze haar op een hoofd, één ppb met het vinden van een speld in een hooiberg, één ppt met een contactlens op het Noordzeestrand’.
Ook de te meten gewichtshoeveelheden zijn gekrompen. In 1950 detecteerden apparaten een milligram (0,001 gram), in 1960 een microgram, in 1970 een nanogram, vanaf 1980 een picogram, en in het laboratorium is het mogelijk om een femtogram 0,000.000.000.000.001 gram) aan te tonen, aldus prof.dr. Thomas Hankemeier van de Universiteit Leiden, geciteerd in Elsevier. De nauwkeurigheid van een te meten gewicht is dus sinds 1950 een biljoen maal beter geworden.
Een gevolg van nauwkeuriger meten is dat normen steeds strenger worden. Vijftig jaar geleden zou het geen enkele zin hebben gehad wanneer de overheid als norm zou hebben bepaald dat er een bepaalde hoeveelheid microgrammen fijnstof in de lucht mocht zitten. De apparatuur om microgrammen te meten bestond nog niet. Nu ligt de norm voor stofdeeltjes van tien micrometer op 50 microgram per kubieke meter.
De strengste norm voor één van de meest schadelijke soorten PFAS in oppervlaktewater ligt momenteel op zeven picogram per liter. Dat heeft natuurlijk alleen zin indien dat ook meetbaar is. Tien of twintig jaar geleden kon dat nog niet.
De euv-wafersteppers van ASML schrijven op de chip verbindingen met een breedte van drie nanometer. Elektronenstralen met een resolutie van één nanometer maken het mogelijk te controleren hoe de structuren op de chip er daadwerkelijk uitzien. Met deze techniek worden defecten opgespoord tussen de miljarden componenten op de chip. De nieuwste versie van zo’n elektronenkanon stelt met 25 stralen tegelijk uit de kwaliteit van evenzovele plekken op de chip vast.
Meetfouten
Elke meting gaat gepaard met fouten. Bij huis-tuin-en-keuken-metingen zal dat zo goed als geen rol spelen. De aannemer die bij ons huis de maten opneemt voor een nieuwe pui gaat nogal nonchalant te werk met zijn rolmaat, maar achteraf blijkt alles te passen. Bij gecompliceerde technisch-wetenschappelijke metingen in het laboratorium kan een meetfout echter wel van belang zijn. Elke meter – ook de nauwkeurigste – heeft een ingebouwde tolerantie. Dat moet dus in het meetresultaat worden meegenomen.
Meetonzekerheden ontstaan afhankelijk van hoe zorgvuldig we de meting doen, en van omstandigheden zoals vochtigheidsgraad en temperatuur. Zijn meetinstrumenten wel gekalibreerd (vastgesteld aan welke eisen ze voldoen)? Ze kunnen een afwijking vertonen als gevolg van ouderdom of slijtage (een liniaal kan door buiging zijn gerekt). Bovendien moeten metingen representatief zijn: stedelijke luchtkwaliteit moet niet worden gemeten op een winderige dag, en het kwaliteitsniveau van productielijnen kan beter niet op maandagochtend worden vastgesteld.
Drones en helikopters
Voor Prorail is het aantal mogelijkheden om metingen aan en rond het spoor te doen de laatste decennia sterk toegenomen. Van oudsher werden geografische data alleen met traditioneel landmeten ingewonnen. Tegenwoordig maakt ProRail gebruik van sensoren in het spoor (voor het meten van passages, vervorming, stroomgebruik), van meettreinen, van meetapparatuur gekoppeld aan reizigerstreinen, van drones, helikopters en ook van satellieten van onder andere het Copernicus-programma van ESA. Er loopt onderzoek om kleine meetwagons in te zetten, die in de dienstregeling mee kunnen liften en zelfstandig over het spoor rijden. Deze verandering in meetmiddelen maakt het mogelijk om de meetfrequentie te verhogen (Geo-Info, 2021, nr 4).
SuperGPS
GPS, het Global Positioning System, geeft een plaatsbepalingsnauwkeurigheid van één tot enkele meters. Satellietnavigatiesystemen zoals het Amerikaanse GPS en het Europese Galileo kennen beperkingen en kwetsbaarheden: de ontvangen radiosignalen zijn zwak, en de plaatsbepaling wordt onnauwkeurig wanneer de radiosignalen door gebouwen worden gereflecteerd of geblokkeerd.
SuperGPS, ontwikkeld door VSL, Vrije Universiteit en TU Delft, geeft een plaatsbepalingsnauwkeurigheid van tien centimeter. Het werkt met een atoomklok en radiosignalen van grote bandbreedte die minder reflecteren. De techniek is beproefd in een speciaal ontwikkeld mobiel netwerk. De SuperGPS-technologie kan van belang zijn voor toepassingen zoals automatisch rijdende voertuigen, quantumcommunicatie, duurzame energieopwekking en de volgende generatie mobiele netwerken.
Enorme ontwikkeling
De meettechniek heeft een enorme ontwikkeling doorgemaakt. Metingen worden gedaan in onder andere parts per trillion en in femtogrammen. Elke keer als een nieuwe, nog nauwkeuriger generatie meetinstrumenten beschikbaar komt, passen de normen die de overheid stelt zich daarbij aan. De huidige milieunormen zijn veel strenger dan die van enkele decennia geleden.
