1.Omówid strukturę przyrządu pomiarowego.
2. Wymienid i zdefiniowad błędy pomiaru.
3. Podad definicję metrologii.
4. Czym jest pomiar?
5. Opisad układy jednostek miar, które znamy
6. Co to są etalony i ich hierarchia.
7. Odpowiedzi czasowe (człony inercyjne)
1. Sygnał jest to wielkośd fizyczna, której wartośd lub czasowa zmiennośd przenosi informację,
czyli sygnał jest nośnikiem informacji lub inaczej, zawiera informację. Są transmitowane przez
maszyny informacyjne dzięki przepływowi energii lub masy. Mogą mied postad zmian
parametrów promieniowania świetlnego, ciśnienia płynu, ruchu mechanicznego i energii
elektrycznej. Większośd z nich ma charakter procesu ciągłego. Ciągły zapis sygnału w czasie
nazywa się przebiegiem czasowym. Wyróżnia się sygnały o przebiegu:
- stałym w czasie, gdzie cechą niosącą informację jest poziom sygnału
- sinusoidalnym w czasie, gdzie cechą niosącą informację są amplituda, częstotliwośd i i faza
sygnału
- impulsowym, gdzie cechą niosącą informację są amplituda, częstotliwośd,faza i wypełnienie
impulsów
Gdy sygnał nie niesie informacji użytecznej, jest szumem. Jest zjawiskiem niepożądanym.
Element transmitujący sygnał to masowy lub energetyczny to przyrząd. Gdy służy transmitowaniu
informacji o świecie, jest przyrządem pomiarowym. Jego zadaniem jest przetworzenie cech świata
fizycznego na informację w postaci optymalnie przystosowanej do właściwości i możliwości
odbiornika.
Sygnał pomiarowy składa się z :
- nośnika
- parametru informacji
Ze względu na koszty, zamiast badania realnie istniejących obiektów, bada się modele. Są one dużo
prostsze i łatwiejsze do analizy. Wyróżniamy:
- lingwistyczne, werbalne (opisy słowne)
- graficzne (rysunki)
- matematyczne (wzory)
- fizyczne (stendy i stanowiska badawcze)
Ze względu na dostępnośd informacji o badanym obiekcie dla układu wyróżnia się:
- informacje rzeczywiście dostępne (tylko niektóre są dostępne pomiarowo)
- informacje rzeczywiście niedostępne (zjawiska zasługujące na mierzenie, nie można ich mierzyd z
przyczyn technicznych lub moralnych)
- informacje nierzeczywiste niedostępne
Problemy pomiarowe:
- brak zależności między rejestrowanym przejawem badanej właściwości obiektu a sygnałem
pomiarowym
- niestabilnośd wzorca jednostki miary stosowanego do oceny badanej właściwości obiektu
(jebnąd schemata)
Celem pomiaru jest odwzorowanie właściwości fizycznych za pomocą liczb. Czasami jest to cel
ostateczny, czasem jest to źródło informacji wykorzystywane do ciągłego sterowania procesem
realizowanym przez badany obiekt.
Układ pomiarowy ma na wejściu czujnik, czyli urządzenie przetwarzające przejawy badanej
właściwości w odpowiedni, równoważony sygnał. Czujnik zamienia strumieo energii lub masy z
badanego obiektu na strumieo energii lub masy sygnału. Strumieo może byd czerpany stykowo lub
bezstykowo.
Funkcją czujnika jest wydobycie informacji z badanego obiektu i jej odfiltrowanie, polegające na
wydzieleniu informacji pożądanej o badanej właściwości spośród całej informacji o badanym
obiekcie. Kolejną funkcją jest zakodowanie informacji w sygnale, który przeniesie ją dalej, do
kolejnych elementów układu pomiarowego.
Elementy takie jak filtry, wzmacniacze, korelatory, wyświetlacze, pamięci stałe, wskaźniki, lampki,
montuje się pod kątem użyteczności sygnału dla operatora.
Przetworniki – elementy wykorzystujące określone zjawisko fizyczne, przetwarza energię badanego
zjawiska w energię wyjściową. Wyróżnia się przetworniki energii oraz przetworniki informacji,
danych lub sygnałów. Każdy przetwornik ma jedno wejście i wyjście.
Mogą byd:
- analogowe
- analogowo-cyfrowe
- cyfrowo- analogowe
- cyfrowe
Przetwornik zaprojektowany jako przetwornik pomiarowy nazywa się czujnikiem. To na ogół proste
urządzenie, którego stan zależy od pewnego czynnika (wielkości wejściowej). Największe
zastosowanie mają czujniki w których wielkości wyjściowe są typu elektrycznego – są elementami
obwodu elektrycznego. Dzieli się je na:
- mechanoelektryczne
- fotoelektryczne
- termoelektryczne
- chemoelektryczne
2. Błędy pomiarowe:
- bezwzględny (różnica między wartością zmierzoną a wartością prawdziwą)
- względny (stosunek błędu bezwzględnego do wartości zmierzonej)
- systematyczne (które przy wielu pomiarach tej samej wartości określonej wielkości, wykonywanych
w tych samych warunkach, są stałe)
- przypadkowe (zmieniają się w sposób losowy)
- nadmierne (wynikające z nieprawidłowego przeprowadzania pomiarów)
- błędy powodowane przez przyrządy pomiarowe, np. skooczona rezystancja wewnętrzna
woltomierzy, nieliniowośd wskazao przyrządów pomiarowych lub niedoskonałośd
ich wzorcowania,
- błędy powodowane przez metody pomiarowe,
- błędy powodowane przez mierzącego, np. brak doświadczenia, zmęczenie, skłonności,
nawyki,
- błędy powodowane przez obliczenia to błędy przy niewłaściwym zaokrągleniu, niewłaściwe
metody wyrównywania błędów,
- błędy powodowane przez wpływ otoczenia na mierzącego, na przyrządy i na mierzoną
wielkośd. Czynnikami wywołującymi te błędy to warunki atmosferyczne
- błędy tablicowe. Są to błędy związane z przyjęciem niewłaściwej wartości stałej tablicowej.
- błąd systematyczny temperaturowy
- błąd systematyczny odkształceo sprężystych (pochodzące od nacisków pomiarowych)
- błąd nastawienia optycznego (błąd obserwacji)
- błąd odczytania (niewłaściwy sposób odczytania wyniku)
- błąd paralaktyczny
- błąd koincydencji
- błąd środkowego położenia kreski wzorca
- błąd graniczny pojedynczego pomiaru
- błąd graniczny średniej arytmetycznej
3. Definicja metrologii:
Nazwa metrologii pochodzi z języka greckiego od słów miara i nauka. We współczesnym ujęciu
metrologię można określid jako naukę o zabezpieczaniu środkami technicznymi i organizacyjnymi
poprawności pomiarów we wszystkich dziedzinach nauki, techniki i gospodarki. Metrologia ma
szeroki zakres, obejmuje metrologię ogólną, teoretyczną i prawną, a także wielkości metrologii
stosowanych, jak metrologię długości, ciśnienia, czasu, oraz takie, które są stosowane w określonych
dziedzinach jak: techniczna, włókiennicza, medyczna. (W. Jakubiec, J. Malinowski - „Metrologia
wielkości geometrycznych”, Wydawnictwo Naukowo Techniczne).
Metrologia – nauka dotycząca sposobów dokonywania pomiarów oraz zasad interpretacji
uzyskanych wyników. Można wyróżnid następujące rodzaje metrologii:
ogólną
stosowaną
teoretyczną
normatywną (dotyczącą uregulowao prawnych)
Podstawą metrologii są jednostki miar. Jednostki grupowane są w układy. Obecnie najpowszechniej
używanym standardem jest układ SI. Częśd metrologii dotycząca praktycznego uzyskiwania wyników
pomiarów to miernictwo. Dlatego w zakres metrologii wchodzi również kwestia narzędzi służących do
pomiaru, czyli narzędzi pomiarowych. Interpretacja uzyskanych wyników, głównie pod względem ich
dokładności i poprawności, oparta jest o rachunek błędów. (Wikipedia)
Metrologia, miernictwo, nauka o pomiarach. Obejmuje wszystkie teoretyczne i praktyczne problemy
związane z pomiarami, niezależnie od rodzaju wielkości mierzonej i dokładności pomiarów. Rozróżnia
się metrologię:
- metrologia ogólna, obejmuje zagadnienia pomiarów wspólne dla wszystkich zastosowao (np. układy
jednostek miar, właściwości narzędzi pomiarowych),
- metrologia stosowana, odnosi się do określonego rodzaju wielkości mierzonej lub obejmującą
pomiary w określonych dziedzinach (np. metrologia warsztatowa, metrologia elektryczna),
- metrologia prawna, zajmuje się zagadnieniami odnoszącymi się do jednostek miar, metod
pomiarów i narzędzi pomiarowych z punktu widzenia urzędowo ustalonych wymagao technicznych i
prawnych,
- metrologia teoretyczna, zajmuje się teoretycznymi zagadnieniami pomiarów (np. błędami
pomiarów) oraz technikami pomiarów. (Encyklopedia http://portalwiedzy.onet.pl)
4. Definicja pomiaru
Pomiar-jest to ilościowe wyznaczanie na drodze eksperymentu jakiejś cechy zjawiska, ciała lub
procesu. Celem pomiaru jest odwzorowanie właściwości fizycznych za pomocą liczb. Czasami jest to
cel ostateczny, czasem jest to źródło informacji wykorzystywane do ciągłego sterowania procesem
realizowanym przez badany obiekt. (W. Jakubiec, J. Malinowski – „Metrologia wielkości
geometrycznych, Wydawnictwo Naukowo- Techniczne)
Pomiar – według współczesnej fizyki proces oddziaływania przyrządu pomiarowego z badanym
obiektem, zachodzący w czasie i przestrzeni, którego wynikiem jest uzyskanie informacji o
własnościach obiektu.Pomiar jest to zespół czynności wykonywanych w celu ustalenia miary
określonej wielkości fizycznej lub umownej, jako iloczynu jednostki miary oraz liczby określającej
wartośd liczbową tej wielkości, inaczej mówiąc porównywanie wartości danej wielkości z jednostką
miary tej wielkości
.
(Wikipedia)
Pomiar - Zbiór operacji majacych na celu wyznaczenie wartosci wielkosci”.( Miedzynarodowy słownik
podstawowych i ogólnych terminów metrologii – GUM 1996)
Pomiar - Pomiarem nazywamy operacje przyporządkowania wielkości fizycznej wartości liczbowej,
wyrażajacej wynik porównania mierzonej wielkości z jej jednostka. (A.Strzałkowski, A. Sliżynski
Matematyczne metody opracowywania wyników pomiarów PWN)
Pomiarem nazywamy czynnosci, po których wykonaniu możemy stwierdzic, że w chwili
pomiaru dokonanego w okreslonych warunkach, przy zastosowaniu takich to srodków i
wykonaniu takich czynnosci wielkosc mierzona miała wartosc a < x < b”. (J. Piotrowski Podstawy
miernictwa P.Sl. 1997)
5. Opisad układy jednostek miar, które znamy
Powstanie układów jednostek miar zwykle poprzedzone jest ustaleniem wzorców (etalonów)
jednostek miał różnych wielkości fizycznych. Najbardziej znane to:
- CGS (centymetr, gram, sekunda)
- MKS – metryczny (metr, kilogram, sekunda)
- MKSA – (metr, kilogram, sekunda, amper)
- MkGS – techniczny, ciężarowy (metr, kilogram-siła, sekunda)
- MTS (metr, tona, sekunda)
- anglosaski masowy
- anglosaski ciężarowy
- SI
Układy, w których jednostką długości jest:
- metr, nazywami metrycznymi
- masa, nazywamy masowymi
- ciężar, nazywamy ciężarowymi
Pierwotnie jednostki miał były określone jako wielkości naturalne. Przykładowo: Karol Wielki
ustanowił „stopę królewską” równą długości jego stopy, cal – to długośd szerokości kciuka, łokied –
długośd przedramienia dorosłego mężczyzny. Z czasem stało się to dużym problemem, mając na
uwadze, że w Europie powstawały dziesiątki definicji łokcia, funtów, stóp itp, podczas gdy był to czas
rewolucji technicznej, związany m.in. z wykorzystaniem maszyny parowej. W 1790 r. rząd Republiki
Francuskiej zlecił Francuskiej Akademii Nauk opracowanie jednolitego systemu miar i wag. Takim
sposobem powstał system jednostek miar oparty na systemie metr, gram, sekunda.
- metr – 1/10000000 dwiartki południka ziemskigo, wzorcem była platynowa sztaba
- gram – masa 1cm3 czystej wody w temp. 4stopni C
- sekunda – 1 /86400 średniej doby słonecznej
Układ CGS – 1832 r., opracowany przez Gaussa jako układ milimetr, miligram, sekunda. Na I
Międzynarodowym Kongresie Elektryków w 1881 roku ustanowiono układy CGS ES (elektrostatyczny
układ CGS) i CGS EM (elektromagnetyczny układ CGS)
Układ MKS – układ metr, kilogram, przyjęty w 1791 roku, w 1795 dodano sekundę. W drugiej połowie
XIX wieku stał się układem międzynarodowym. Jego dalsze rozwinięcie to układ MKSA (po dodaniu
ampera jako jednostki prądu elektrycznego)
Układ MkGS – układ metr, kilogram-siła, sekunda. Rzadko używany ze względu na kłopotliwośd
przeliczania inertu (technicznej jednostki masy) na kg (jednostkę masy w układach MKS i SI)
Układ SI – powstał przez rozszerzenie układu MKSA o kelwin, kandelę i mol. Układ SI tworzą:
1) jednostki podstawowe, czyli:
- metr (m)
- kilogram (kg)
- sekunda (s)
- amper (A)
- temperatura termodynamiczna – kelwin (K)
- światłośd – kandela (cd)
- ilośd materii – mol (mol)
2) jednostki pochodne (wyrażone przez iloczyny i ilorazy jednostek podstawowych i pochodnych
o własnych nazwach, np. Wat (W) i dioptria.
2) jednostki dodatkowe:
- kąta płaskiego –radian (rad)
- kąta bryłowego – steradian (sr)
Oficjalnie powyższy układ został przyjęty w 1960 r. w Polsce od 1966 r. Oficjalnie został
przyjęty przez znaczną większośd krajów z wyjątkiem USA, Birmy i Liberii.
W 1971 r. do układu dorzucono mol, a w 1995 jednostki uzupełniające, czyli radian i
steradian.
6. Co to są etalony i ich hierarchia.
Etalon (wzorzec jednostki miary) – fizyczny obiekt lub charakterystyka pewnej aparatury fizycznej
reprezentującej koncepcję jednostkim wybrane do ilościowego wyrażenia miary danej cechy
mierzalnej. Występują etalony:
- pierwotne (podstawowe)
- wtórne (świadki) powstałe przez porównanie z etalonem pierwotnym.
Przykład etalonu pierwotnego – stop platyny i irydu, będący wzorcem kreskowym jednego metra,
przechowywany w Sevres (jeden egzemplarz na świecie)
Każdy etalon jest dziełem człowieka i wszelkie wartości są przyjmowane raczej umownie, gdyż nikt
nie zmierzył południka od równika do bieguna i nikt nie podzielił go na dziesięd milionów równych
odcinków.
Polska przystąpiła do Konwencji Metrycznej w 1925 roku (6 lat po odzyskaniu niepodległości).
Jednostką administracji paostwowej odpowiedzialną w Polsce za etalony krajowe jest Prezes
Głównego Urzędu Miar.
Rozwój definicji jednostek miar i ich etalonów fizycznych stanowił długi i skomplikowany proces.
Dopiero wprowadzenie spójnego układu jednostek miar i ich etalonów pierwotnych zunifikowało
miary i etalony na prawie całym świecie. Ich rozwój stanowi obecnie specjalistyczną dziedzinę
metrologii, której istota polega na postępie, utrzymywaniu i stosowaniu aparatury realizującej
fizyczne odtwarzanie miar. Etalony są kosztowne w utrzymaniu, czego przykładem jest wzorzec
sekundy, tzw. Zegar atomowy.
Etalon międzynarodowy – etalon uznawany umową międzynarodową za podstawę do ustalenia
wszystkich innych etalonów danej wielkości, jest on jedyny na świecie, może istnied możliwośd jego
odtworzenia dowolną ilośd razy w odpowiednio przygotowanym laboratorium.
Etalon paostwowy – etalon uznawany urzędowo w danym paostwie za podstawę do ustalenia
wszystkich innych etalonów w tym kraju
Etalon wtórny – etalon, którego wartośd jest ustalona przez porównanie z etalonem
międzynarodowym lub paostwowym. Nie jest on gorszy, ale dodatkowy.
W 1999 roku podpisano międzynarodowe porozumienie o wzajemnym uznawaniu paostwowych
wzorców miar oraz świadectw wzorcowania i pomiarów wydawanych przez krajowe instytucje
metrologiczne.
Przykładowe obowiązujące etalony:
- 1 metr: 1/3392231,4*10 długości falo promieniowania emitowanej przez laser helowo-neonowy
stabilizowany jodem nastrojony na linię P(7) w paśmie v3 cząsteczkami metanu
- 1 kg – odważnik ze stopu platyny i irydu o masie równej masie z definicji
- 1 sekunda – częstotliwośd niewymuszonego zewnętrznymi polami przejścia pomiędzy poziomami
struktury nadsubtelnej F=4, M=0 i F=3, M=0
Użytkowe etalony częstotliwości to wzorce kwarcowe wykorzystujące stabilizowane rezonatory
kwarcowe wykorzystujące zjawisko piezoelektryczne. W Polsce częstotliwośd wzorcową 225 kHz
emituje Radiostacja Warszawa 1
Użytkowy etalon światłości w Polsce jest 5 fotometrycznych lamp żarowych firmy Toshiba typu T64 o
wartości nominalnej napięcia elektrycznego 100V i mocy 200W
Wzorzec Wolta wykorzystuje zjawisko Josephsona. Wzorzec napięcia to kalibrator napięcia stałego,
wykorzystujący charakterystyki prądowo – napięciowe elementów półprzewodnikowych. Wzorce
Oma dla rezystancji wykorzystuje kwantowy efekt Halla, występujący w płytkach
półprzewodnikowych ochłodzonych do temperatury ½ K zasilanych prądem stałym. Użytkowymi
etalonami rezystancji są bardzo starannie wykonane rezystory normalne (dla pojedynczych wartości
rezystancji). Są wykonane ze specjalnych stopów np.:
-manganin
- konstantan
- nikrothal
- evanohm