Wykład 4.

Wynik pomiaru -

Przedział wartości opatrzony jednostką miary, w którym z dużym prawdopodobieństwem znajduje się rzeczywista wartość wielkości mierzonej.

JEDNOSTKA MIARY - wartość określonej wielkości przyjęta umownie za wartość jednostkową.

Metrologia (nauka o miarach ) musi rozwiązać problemy:

• zgodności miar,

• ustalenia wartości jednostek miar,

• przechowywania wartości wielkości- PROBLEM WZORCÓW MIAR WIELKOŚCI.

• i przekazywania wartości wielkości.

Wzorce miar wielkości - narzędzia pomiarowe służące do odtwarzania ze znaną dokładnością jednostki miary wielkości lub określonej wartości tej wielkości.

ROZWÓJ JEDNOSTEK MIAR

Z pojawieniem się potrzeby pomiaru pojawiła się potrzeba wzorców.

Pierwsze jednostki i ich wzorce - wzorce antropometryczne ( z greki antropos - człowiek, metro - miara) odwołujące się budowy ciała ludzkiego lub wielkości występujących w najbliższym otoczeniu człowieka.

W Egipcie miarą długości łokieć faraona; w Polsce długość mierzono palcem (calem), łokciem ,stopą sążniem (długość rozłożonych ramion)-miary różne w różnych częściach kraju, pierwsze próby ujednolicenia już za króla Jagiełly.

Dostrzegano niestałość tak zdefiniowanych jednostek- w Niemczech w Xvi wieku definicja stopy jako średniej z długości stóp 16 kolejnych mężczyzn wychodzących z kościoła.

W XVIII wieku w Europie około 100” łokci”- pojawia się potrzeba jednolitości miar.

Francja przystąpiła do gruntownej reformy miar - nowe wzorce miar na zjawiskach astronomicznych.

Sekunda część średniej doby słonecznej.

Pierwsza definicja metra z pomiarów części południka (przechodzącego przez Paryż). Pomiary 6lat, nie zgodziły się Stany i Wielka Brytania.

Etapy kształtowania się metra

Data	Definicja, wyjaśnienia dotyczące wzorca	Nie- dokła- dność	Akt, w którym ogłoszono definicję i zakres obowiązywania
7.IV.1795	Metr jest długością równą jednej dziesięciomilionowej części łuku południka ziemskiego, zawartego między biegunem północnym i równikiem	10^-4	Ustawa z dnia 7.IV.1795 Francja
10.X.1799	Długość wzorca końcowego tzw „archiwalnego”, wykonanego z platyny w postaci listwy o przekroju prostokątnym. (Wzorzec ten okazał się krótszy o około 0,23mmm od długości opartej o definicję z 1795 roku).	10^-5	Ustawa z dnia 10.X.1799 Francja
26.IX.1889	Długość wzorca kreskowego przechowywanego w Międzynarodowym Biurze Miar w Sevres wykonanego ze stopu platyno-irydowego w postaci belki o przekroju zbliżonym do litery X, oznaczonego grecką literą M oraz znakami A6 i B6 przy kreskach ograniczających długość 1m.	10^-6	Uchwała I Generalnej Konferencji Miar. Zasięg międzynarodowy
1927	Sprecyzowanie warunków ciśnienia i położenia wzorca w czasie pomiarów.	10^-7	Uchwała VII Generalnej Konferencji Miar. Zasięg międzynarodowy
X. 1960	Metr jest to długość równa 1 650 763,73 długości fali w próżni odpowiadająca przejściu między poziomami 2p10 a 5d5 atomu ^86K (kryptonu 86).	10^-8	Uchwała XI Generalnej Konferencji Miar. Zasięg międzynarodowy
1983	Metr jest to odległość , jaką przebywa światło w próżni w czasie 1/299792458 s	5*10^-11	Uchwała XVI Generalnej Konferencji Miar

Aktualnie definicje jednostek coraz częściej bazują na zjawiskach zachodzących na poziomie atomów.

Definicja sekundy

Sekunda to czas trwania 9192631770 okresów promieniowania elektromagnetycznego podczas przejścia elektronu między jednoznacznie określonymi poziomami energetycznymi atomu cezu 133.

wzorce- zegary atomowe - względna niepewność 10^-14

Etalon czasu najdokładniej określony.

Podwójne znaczenie czasu :

• czas trwania,

• skala czasu (potrzeba międzynarodowej rachuby czasu ; początek atomowej skali czasu ustalono na 1.01.1958

SŁUŻBY POMIAROWE

Międzynarodowe Biuro Miar (siedziba w Sever pod Paryżem)

Odpowiedzialne za:

• budowę etalonów.,

• porównanie etalonów,

• określenie stałych fizycznych,

• koordynowanie prac nad nowymi wzorcami itp.

Międzynarodowe Biuro Czasu

ETALON - wzorzec przeznaczony do określania, zachowania lub odtworzenia jednostki miary (jej wielokrotności lub podwielokrotności) W CELU PRZEKAZANIA jej przez porównanie (komparację) innym narzędziom pomiarowym.

Służby krajowe:

• Polska - GUM (Główny Urząd Miar)

• USA - NBS (National Bureu of Standarts)

• Anglia - NPL (National Physical Laboratory)

• RFN - PTB ( Physkalisch Technische

Bundesanstalt).

Informacje o Głównym Urzędzie Miar ( ze strony internetowej)

Miary, na równi z alfabetem, są podstawą każdej kultury.

Z. E. Rauszer pierwszy dyrektor Głównego Urzędu Miar od 1919 do 1949 r.

Urząd Miar stwarza w koło obrotu gospodarczego to "czyste powietrze", którego nie czujemy, bo nim ciągle oddychamy, ale gdybyśmy je stracili - odczulibyśmy, jakiem jest błogosławieństwem.

A. Wierzbicki poseł na Sejm RP w 1926 r.

Historia

Dzień 8 lutego 1919 roku to ważna data w historii polskiej administracji miar. Został wówczas podpisany przez Naczelnika Państwa Józefa Piłsudskiego Dekret o miarach, jeden z pierwszych aktów prawnych odrodzonej Rzeczypospolitej.

W dniu 1 kwietnia 1919 roku powołano Główny Urząd Miar (GUM) jako kontynuatora zorganizowanego w 1916 r. Urzędu Miar miasta Warszawy. Ujednolicenie systemu miar było pilnym i trudnym zadaniem, gdyż każda z trzech części Polski podlegająca poprzednio innemu zaborcy miała swój własny system miar.

Równocześnie z powstaniem Głównego Urzędu Miar powstawały okręgowe i obwodowe urzędy miar, które obecnie tworzą państwową administrację miar.

Siedzibą GUM jest od 1922 r. do dnia dzisiejszego zabytkowy budynek w Warszawie przy ulicy Elektoralnej 2.

Administracja miar po II wojnie światowej przechodziła szereg zmian organizacyjnych i działalność w dziedzinie metrologii była łączona z działalnością w dziedzinie normalizacji i kontroli jakości. Konsekwencją tego były kolejne przekształcenia Głównego Urzędu Miar w inne instytucje administracji państwowej.

Ustawa z dnia 3 kwietnia 1993 roku o utworzeniu Głównego Urzędu Miar przywróciła Urzędowi historyczną, pierwszą nazwę oraz zakres kompetencji. Stało się to 1 stycznia 1994 roku, w 75-lecie działalności naszej instytucji.

Zadania Głównego Urzędu Miar

W zakresie kompetencji Głównego Urzędu Miar znajduj± się zagadnienia związane z metrologią naukową, prawną i przemysłową. Istnieje ścisła współpraca w tych trzech dziedzinach, co ułatwia koordynację wykonywania zadań powierzonych administracji miar.

Podstawowym zadaniem Głównego Urzędu Miar jest zapewnienie wzajemnej zgodności i określonej dokładności wyników pomiarów przeprowadzanych w Polsce oraz ich zgodności z międzynarodowym systemem miar. Wymagana dokładność wynika ze współczesnych oczekiwań nauki, techniki i handlu oraz ochrony zdrowia i środowiska naturalnego.

Główny Urząd Miar jest również odpowiedzialny za sprawdzanie i cechowanie wyrobów z metali szlachetnych wprowadzanych do obrotu handlowego na terytorium Polski.

Szczegółowe zadania Głównego Urzędu Miar to:

• ustanawianie i utrzymywanie państwowych wzorców jednostek miar i ich odniesienia do wzorców międzynarodowych,

• opracowywanie i realizacja hierarchicznych układów sprawdzań przyrządów pomiarowych stosowanych w Polsce w odniesieniu do wzorców państwowych, zgodnie z układami hierarchicznymi,

• prowadzenie prac badawczych w dziedzinie metrologii i współpraca w tej dziedzinie z innymi instytucjami w Polsce i za granicą,

• określanie nazw, definicji i oznaczeń legalnych jednostek miar,

• opracowywanie projektów aktów prawnych dotyczących kontroli metrologicznej przyrządów pomiarowych, tj. zatwierdzenia typu, legalizacji i uwierzytelnienia, a także dokumentów dotyczących probiernictwa,

• badanie i zatwierdzanie typu przyrządów pomiarowych oraz prowadzenie rejestru zatwierdzonych typów przyrządów pomiarowych,

• legalizacja i wzorcowanie przyrządów pomiarowych o najwyższej dokładności, ekstremalnych zakresach pomiarowych i nietypowej konstrukcji,

• opracowywanie przepisów metrologicznych opisujących wymagania techniczne i warunki stosowania przyrządów pomiarowych oraz metody ich badania,

• szkolenie zawodowe pracowników administracji miar i przedstawicieli przemysłu,

• nadzór nad przestrzeganiem przepisów prawa o miarach i prawa probierczego,

• upowszechnianie informacji z dziedziny metrologii i probiernictwa, w tym wydawanie biuletynu "Metrologia i Probiernictwo", prowadzenie biblioteki oraz historycznych (muzealnych) zbiorów metrologicznych i probierczych,

• współpraca z międzynarodowymi i regionalnymi organizacjami metrologicznymi oraz z instytucjami metrologicznymi za granicą.

 Międzynarodowa współpraca w dziedzinie metrologii

Główny Urząd Miar bierze aktywny udział w międzynarodowej współpracy w dziedzinie metrologii i probiernictwa.

W 1925 roku Rzeczpospolita Polska podpisała Konwencję Metryczną i jest w niej reprezentowana przez Główny Urząd Miar, który współpracuje z Międzynarodowym Biurem Miar (BIPM) i komitetami doradczymi (CC) ustanowionymi przez Międzynarodowy Komitet Miar (CIPM). GUM jest członkiem Komitetu Doradczego Promieniowania Jonizującego (CCRI) oraz Komitetu Doradczego Masy (CCM), posiada status obserwatora w Komitecie Doradczym Liczności Materii (CCQM) oraz Komitecie Doradczym Akustyki, Ultradźwięków i Drgań (CCAUV), uczestniczył w pracach zmierzających do powołania Komitetu Pomiaru Przepływu.

GUM uczestniczy w pracach następujących grup roboczych:

• do spraw wzorców masy przy Komitecie Doradczym Masy,

• do spraw pomiarów twardo¶ci przy Komitecie Doradczym Masy,

• do spraw pomiarów PPH przy Komitecie Doradczym Liczności Materii,

• mieszanin gazowych przy Komitecie Doradczym Liczności Materii,

• nanometrologii.

W 1955 r. Polska podpisała konwencję ustanawiająca Międzynarodową Organizację Metrologii Prawnej (OIML) i jest tam reprezentowana przez GUM. Prezes GUM jest członkiem Międzynarodowego Komitetu Metrologii Prawnej (CIML). Główny Urząd Miar prowadzi sekretariat Komitetu Technicznego 1-Terminologia, który pracuje nad uaktualnieniem Międzynarodowego słownika metrologii prawnej. Polska jest czynnym członkiem trzynastu komitetów technicznych i trzydziestu podkomitetów technicznych OIML. W 1996 r. Polska przystąpiła do Systemu Certyfikacji OIML.

W 1996 r. Główny Urząd Miar został członkiem stowarzyszonym Europejskiej Współpracy w Dziedzinie Wzorców Miar (EUROMET), zaś pełne członkostwo tej organizacji uzyskał w 1998 r. GUM ma swoich korespondentów we wszystkich jedenastu obszarach współpracy koordynowanych przez EUROMET i bierze udział w realizacji tematów EUROMET.

Od 1995 r. GUM jest członkiem stowarzyszonym Europejskiej Współpracy w Dziedzinie Metrologii Prawnej (WELMEC) i uczestniczy w pracach następujących grup roboczych:

• WG 2 - dyrektywa o wagach nieautomatycznych,

• WG 6 - towary paczkowane,

• WG 7 - oprogramowanie przyrządów pomiarowych,

• WG 8 - dyrektywa o przyrządach pomiarowych (MID)

• WG 10 - systemy pomiarowe dla cieczy innych niż woda.

GUM był współzałożycielem COOMET, utworzonej w 1991 r. organizacji zrzeszającej instytucje metrologiczne krajów Europy ¦środkowej i Wschodniej i do 30 czerwca 2000 roku był jej członkiem.

W dziedzinie metrologii GUM współpracuje również z innymi organizacjami międzynarodowymi i regionalnymi, jak Europejska Współpraca w Dziedzinie Akredytacji Laboratoriów (EA), Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna (ISO), Komitet Materiałów Odniesienia ISO (ISO/REMCO), Międzynarodowa Komisja Oświetleniowa (CIE), Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna (IEC).

HIERARCHIA WZORCÓW- PROCEDURA PRZEKAZANIA MIAR

ETALON międzynarodowy ; Etalon państwowy

ETALON świadek

WZORCE ODNIESIENIA

WZORCE KONTROLNE

WZORCE UŻYTKOWE - biorą udział bezpośrednio w procesie pomiarowym

Dokładność wzorca najczęściej określona KLASĄ

Klasa najczęściej niepewność graniczna (błąd graniczny) wyrażona w %

p- poprawka p= X_p - X_N

X_p - wartość poprawna- bliska wartości rzeczywistej

X_N - wartość nominalna (znamionowa)

ΔΧ - niepewność przekazania wartości

s - stabilność wzorca w ciągu roku

Klasa definiowana w warunkach odniesienia

Tak np. definiowana klasa opornika (rezystora) wzorcowego.

R_N - 100Ω, kl 0.05 ⇒100Ω±0,05%⇒100Ω±0,05Ω

R∈<99.95Ω,100.05Ω>

POMIAR METODĄ BEZPOŚREDNIEGO PORÓWNANIA Z WZORCEM

Warunkiem wyznaczenia wartości badanej wielkości jest zdefiniowanie jednostki miary tej wielkości.

Porównanie z wzorcem elementem każdego pomiaru (często niedostrzegalnym wprost).

Ze względu na sposób porównania z wzorcem rozróżniamy metody :

• bezpośredniego porównania z wzorcem,

• pośredniego porównania z wzorcem.

(metoda -greckie methodos = badanie;

• w nauce sposób badania rzeczy i zjawisk, ogół reguł stosowany przy badaniu rzeczywistości,

• powszechnie świadomie i konsekwentnie stosowany sposób dla osiągnięcia określonego celu.)

POMIAR METODĄ BEZPOŚREDNIEGO PORÓWNANIA Z WZORCEM ( wzorzec Ww i wielkość mierzona Wx jednorodne)

Porównanie - określenie relacji między szukaną wartością wielkości mierzonej Wx, a wartością wzorca Ww.

Wx < Ww

Wx = Ww

Wx > Ww

Istotna relacja równości, aby ją stwierdzić trzeba dysponować wzorcem i układem porównania - komparatorem.

Komparacja- łacińskie comparatio - porównanie , przyrównanie

Przykłady:

• pomiar długości z użyciem wzorca długości (linijki, suwmiarki, śruby mikrometrycznej, taśmy mierniczej),

• pomiar odcinka czasu,

• ważenie na wadze równoramiennej.

• pomiar napięcia metodą kompensacyjną.

Pomiar długości - WZORZEC długości - wyskalowana linijka

Układ porównania- przyłożenie miary wzorca do badanego obiektu, obserwator stwierdza stan zrównania lx=lw.

Co będzie decydowało o niepewności wyniku?

Δlx=Δlw+Δlzrównania

Δlw- błąd wzorca

Δlzrównania = Δlrozdzielczości wzorca lub Δl czułości -rozdzielczości komparacji

POMIAR ODCINKA CZASU Tx

Zajmować się będziemy tylko odcinkami czasu zdefiniowanymi przez czas trwania sygnału elektrycznego.

Sygnał wzorcowy uzyskujemy z generatora wzorcowego; do pomiaru niezbędny także układ porównania trwania sygnałów elektrycznych Tx i Tw.

Na ogół żądamy, aby sygnały elektryczne, których czas trwania chcemy porównywać, miały formę prostokątnych impulsów elektrycznych, wysokiemu potencjałowi przypisuje się 1; niskiemu, 0. ( tzw. sygnał zero-jedynkowy)

Sygnały 0,1 można porównywać za pomocą układów logicznych.

Układ tzw BRAMKI LOGICZNEJ realizuje iloczyn sygnałów wejściowych

wej1 wej2 wyjście

0 0 0

1 0 0

0 1 0

1 1 1

Jak wykorzystać w pomiarze odcinka czasu

wej1 Tx

wyjście - zliczenie liczby impulsów na wejściu 2

wej2 Tw

Ile impulsów pojawi się na wyjściu bramki jeśli w czasie trwania Tx=1 na wejściu 1 N-krotnie pojawi się i zniknie impuls Tw=1 na wej 2 ?

Bramka pozwala na stwierdzenie, że:

Tx=N*Tw

Jaka niepewność tak wyznaczonej wartości Tx ?

ΔTx = ΔN*Tw + N*ΔTw

Δ N=? Δ Tw=?

Δ N- błąd zrównania Δ N= ± 1

δT= δN+δTw

δN = 1/N

POMIAR OKRESU I CZĘSTOTLIWOŚCI SYGNAŁÓW ELEKTRYCZNYCH

Sygnał elektryczny X(t), zmienny w czasie t, nazywamy okresowym , jeśli istnieje wartość T taka, że spełnione jest równanie X(t)=X(t+T) dla dowolnej wartości t.

Najmniejsza wartość T spełniająca ten warunek nazywa się OKRESEM, a jej odwrotność CZĘSTOTLIWOŚCIĄ.

okres
częstotliwość

Przykład sygnału okresowego ;
sygnał sinusoidalny U(t) =Um*sinωt; ω-pulsacja; ω=2πf

Schemat blokowy okresomierza

Aby móc zmierzyć okres sygnału należy utworzyć z sygnału okresowego sygnał prostokątny (zero-jedynkowy) - potrzebny układ formujący

Co będzie decydowało o niepewności uzyskanego wyniku?

Tx=N*Tw

ΔTx=ΔN Tw +N*ΔTw

Czy czas otwarcia bramki odpowiada dokładnie wartości Tx ?

Wpływ parametrów układu formującego.

Jaki charakter ma błąd Δt układu formującgo ?

Jaki charakter mają błądy ΔN,ΔTw ?

Która składowa błędu rośnie jeśli mierzymy sygnał o coraz większej częstotliwości?

Jak zmierzyć metodą porównania odcinków czasu częstotliwość?

Schemat blokowy częstościomierza.

Czy układ formujący impuls prostokątny (former) będzie wpływał na dokładność pomiaru częstotliwości.

Inny przykład bezpośredniego porównania z wzorcem - Ważenie na wadze równoramiennej

Potrzebne wzorce „ciężaru” -masy i układ pozwalający na obiektywne stwierdzenie równości

m_x = m_w

Δm_x = Δm_w +Δm_zrów

Δm_zrów = Δm_{rozdzielczości wzorca} lub Δm_{czułości wagi} +Δm_dodatk

Rozdzielczość wzorca - Δm_{rozdzielczości wzorca} na najmniejsza wartość „m”, o którą można zmienić wartość wzorca ,

Czułość wagi - Δm_{czułości wagi} najmniejsza zmiana wartości „m”, na którą zareaguje wskazówka

Δm_dodatk=?

Założenie symetrii wagi- równowaga momentów sił ciężkości.

(metoda przestawienia, podstawienia,)

METODA PRZESTAWIENIA ( zamieniamy miejscami wzorzec i wielkość mierzoną)

- jakie źródło błędu można zaobserwować i wyeliminować?

METODA PODSTAWIENIA (w miejsce wielkości mierzonej podstawiamy wzorzec, regulując jego wartość do momentu uzyskania tego samego efektu) - jakie źródło błędu można wyeliminować?

KOMPENSACYJNA METODA POMIARU NAPIĘCIA

(kompensacja z łaciny „compensio” - równoważenie jakiegoś działania innym znoszącym je)

U_x = U_w

ΔU_x = ΔU_w +ΔU_zrów+ΔU_dodat

ΔU_zrów =ΔU_{rozdzielczości wzorca} lub ΔU_{czułośći układu porównania}

Metoda kompensacyjna należy do metod „zerowych” ( różnica między Ux i Uw wynosi zero- wskaźnik zera -Detektor zera z łaciny detector - odkrywca- musi reagować na małe zmiany, nie ważna jego dokładność)

METODA POŚREDNIEGO PORÓWNANIA Z WZORCEM.

Konieczność stosowania w układach pomiarowych przetworników wynikająca z ograniczonego zbioru „wygodnych wzorców” .

Należy przetworzyć wartość wielkości mierzonej na wielkość , której wzorcem dysponujemy.

wykład 4/IF 16

---