background image

Miernictwo Elektroniczne 

Wykład 3. - 09.03.2006 

 

 

1.  Jednostki i układy miar oraz wzorce. 

•  Interpretacja wyniku pomiaru. 

o  Pomiar polega na przyporządkowaniu wartości liczbowych spostrzeganym 

właściwościom badanych obiektów. 

o  Liczba przyporządkowana mierzonej własności obiektu może być 

interpretowana jako stosunek wartości tej właściwości do wartości 
jednostkowej. 

o  Jednostki naturalne i ich wzorce: 

1.  czas (doba, miesiąc), 
2.  długość (cal, stopa), 
3.  objętość (garść, garniec), 
4.  powierzchnia (morga – obszar zaorany parą wołów w ciągu dnia). 
 
Są mało dokładne i niezbyt obiektywne. 

o  Próby obiektywizacji jednostek. 

1.  średnie łokieć i stopa (np. pierwszych 6 osób wychodzących z kościoła; 

1575 rok), 

2.  miara dziesiętna z wyznaczonych wymiarów Ziemi (1670 rok). 
 
 

2.  Układy miar. 

Układ jednostek miar to uporządkowany zbiór jednostek utworzony na podstawie umownie 
przyjętych wielkości podstawowych i przypisanych im jednostek miar oraz ustalonych równań 
definicyjnych służących do zdefiniowania jednostek pochodnych. 
 
Wielkości podstawowe – wybrane, niedefiniowalne, wzajemnie niezależne wielkości 
fizyczne. 
 
Wielkości pochodne – wszystkie inne wielkości zdefiniowane za pomocą wielkości 
podstawowych. 
 
Wzór definicyjny: 

Q = kA

α

B

β

C

γ

 

gdzie: Q – wielkość pochodna, 
          A,B,C – wielkości podstawowe, 
          k – stały współczynnik liczbowy, 

background image

          α, β, γ – współczynniki wymierne. 
 

•  Metryczny system miar (Paryż, 1795 rok): 

o  metr – dziesięciomilionowa część  ćwiartki południka przechodzącego przez 

Paryż, 

o  gram – masa 1 cm

3

 wody w temp. 4°C, 

o  sekunda – 1/86400 średniej doby słonecznej, 

o  pozostałe jednostki – pochodne trzech jednostek podstawowych, 

o  wielokrotności i podwielokrotności dziesiętne (np. centy-, kilo- …). 

•  Międzynarodowe Biuro Miar i Wag w Sevres pod Paryżem (1872 rok). 
•  Układ Gaussa (CGS, 1-sza połowa XIX w.): 

o  pierwotnie dowolne jednostki wielkości elektrycznych elektrycznych 

magnetycznych, 

o  wykorzystanie praw mechanicznego oddziaływania wielkości elektrycznych i 

magnetycznych. 

•  Powiązanie wielkości elektrycznych i magnetycznych (oraz ich układów) przez 

równania Maxwella – jednostki czterech wielkości jako podstawa (metr, kilogram, 
sekunda, amper). 

•  „Międzynarodowy” układ SI (7 jednostek podstawowych i 2 pochodne): metr, 

kilogram, sekunda, amper, kalwin, kandela, mol, (radian, steradian). 

 
 

3.  Stałe fizyczne. 

•  Jednostki podstawowe i pochodne definiowane są obecnie na podstawie zjawisk 

naturalnych i uwzględniają pewne stałe współczynniki zwane stałymi fizycznymi. 

•  Jak najdokładniejsze określenie wartości stałych fizycznych jest jednym z zadań 

metrologii. 

•  Ograniczona dokładność wyznaczenia tych stałych wpływa na dokładność jednostki i 

pomiarów ogólnie. 

•  Określenie prędkości  światła w próżni na dokładnie 299 792 458 m/s (1983 rok) 

wpłynęło na zmianę definicji niektórych jednostek. 

 
 

4.  Wzorce. 

•  Wzorzec jednostki miary to narzędzie pomiarowe przeznaczone do: 

o  zrealizowania, 

o  odtwarzania, 

o  przechowywania 
jednostki miary danej wielkości fizycznej. 

•  Rodzaje wzorców: 

o  stałe i regularne, 

background image

o  aktywne (źródła wielkości) i pasywne (zasilane), 

o  naturalne (czasu i temp.) i sztuczne (masy, natężenia prądu, światłości). 

•  Wymagania wobec wzorców: 

o  duża dokładność, 

o  niezmienność wartości w czasie, 

o  mała zależność od zewnętrznych wielkości wpływających, 

o  łatwość odtwarzania i stosowania (porównywanie z innymi wzorcami). 

•  Podstawowe parametry wzorca: 

o  warunki pracy, w których zachowuje on swe parametry, 

o  przedział czasu stosowalności, 

o  wartość nominalna (W

n

) i dokładność (∆W): 

W

0

 = Wn ± ∆W 

 

W

– wartość prawdziwa 

 
 

5.  Hierarchia wzorców: 

•  Wzorzec pierwotny (etalon): 

o  przeznaczony do przekazywania jednostki miary innym wzorcom, 

o  powody wyboru etalonu: 

ƒ

  własności metrologiczne (największa dokładność), 

ƒ

  przyczyny historyczne, 

ƒ

  instytucja przechowująca. 

•  Wzorzec wtórny: 

Cechuje go dodatkowo niedokładność wynikająca z porównania ze wzorcem 
pierwotnym. 

•  Krajowe wzorce pierwotne i wtórne: 

o  wzorzec podstawowy – najczęściej grupowy, wzorcem jest wartość uśredniona, 

o  wzorzec świadek – do kontroli wzorca podstawowego, normalnie nieużywany, 

o  wzorzec odniesienia – przez porównywanie ze wzorcem podstawowym do 

wytworzenia wzorców kontrolnych, 

o  wzorzec kontrolny – do kontroli wzorców laboratoryjnych. 
 
 

6.  Wzorce wielkości elektrycznych i czasu. 
 

Wzorzec ampera 

1 A to natężenie prądu elektrycznego niezmiennego w czasie, który płynąc w dwóch 
równoległych, prostoliniowych, nieskończenie długich przewodach o znikomo małym 
przekroju kołowym, umieszczonych w próżni w odległości 1 m od siebie, spowodowałby 
wzajemne oddziaływanie przewodów na siebie z siłą równą 2·10 

-7

 N na każdy metr 

długości przewodu. 

background image

Wyznacza się go za pomocą wagi prądowej: 

 

F

1

 = mg, F

2

 = cI

2

 

 

W stanie równowagi obie siły są równe: mg = cI

2

 

Zatem po przekształceniu mamy: 

 

 
Wzorce użytkowe: 

•  odtwarzanie pośrednie za pomocą wzorców napięcia i rezystancji: I = U/R, 
•  kalibrator prądu. 

 
 

Wzorzec napięcia 

•  Niepowodzenie w utworzeniu wzorca napięcia na podstawie jego definicji (prawo 

Ohma). 

•  Odkrycie naturalnego zjawiska napięciowego prawie nie podlegającego wpływom 

otoczenia -> złącze Josephsona: 

 

 
Napięcie pojedynczego złącza ~1mV; zestaw złącz: ~20000mV. Dokładność: 10

-10

 
Wzorce użytkowe: 

•  wzorce napięcia z diodami Zenera (dokładność: 10

-5

), 

•  ogniwo normalne Westona. 

 
 

background image

Wzorce częstotliwości i czasu 

•  Określona częstotliwość fali elektromagnetycznej związanej z przejściem elektronu 

między dwoma poziomami energetycznymi w atomie: 

E

2

 – E

1

 = hf 

•  Wzorzec częstotliwości – układ fizyczny wytwarzający przebieg okresowy o 

określonej częstotliwości nominalnej: 

o  wzorce atomowe (cezowy wzorzec częstotliwości), 

o  generatory kwarcowe, 

•  Częstotliwość wzorcowa rozpowszechniana jest drogą radiową, 
 
•  Wzorzec czasu – układ fizyczny wytwarzający sygnał wyznaczający przedział czasu o 

znanej wartości nominalnej; wykorzystuje wzorzec częstotliwości.