1/35
Przydatne informacje dr inż. Adam Idźkowski Politechnika Białostocka, Wydział Elektryczny, Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Metrologii ul. Wiejska 45D, 15-351 Białystok WE-260, WE-208 e-mail: a.idzkowski@pb.edu.pl http://we.pb.edu.pl/~ketim/ketim-md/ konsultacje: środa 14.00-16.00 czwartek 9.00-10.00 materiały do wykładu 2/35
Zaliczenie ćwiczeń laboratoryjnych: wykonanie wszystkich ćwiczeń laboratoryjnych wymienionych w programie szczegółowym, uzyskanie pozytywnej oceny sprawozdań z wykonanych ćwiczeń (ocena ZAL-, ZAL, ZAL+), zaliczenie 2 sprawdzianów praktycznych (ocena w skali od 2 do 5), warunkiem dopuszczenia studenta do sprawdzianu jest oddanie wszystkich sprawozdań z wykonanej serii ćwiczeń, uzyskanie pozytywnej oceny ze sprawozdania z ćw. M01 (ocena w skali od 2 do 5). Ocena końcowa z ćwiczeń laboratoryjnych : Ocena końcowa= (ocena z 1 sprawdzianu) x 0,5 + (ocena z 2 sprawdzianu) x 0,5 Prowadzący zajęcia może podnieść ocenę końcową tym studentom, którzy wyróżniali się aktywnością podczas zajęć lub wykonywali w sposób bardzo dobry sprawozdania z ćwiczeń, może ją też obniżyć biorąc pod uwagę podane na pierwszych zajęciach kryteria. 3/35
Tematyka ćwiczeń laboratoryjnych M-00 - Zajęcia organizacyjne. Graficzna prezentacja wyników pomiarów M-01 - Ocena niepewności pomiaru M-02 - Błędy wskazań przyrządów analogowych i cyfrowych M-03 - Zasilacz stabilizowany M-04B - Pomocniczy sprzęt pomiarowy M-05 - Pomiar rezystancji metodą techniczną M-07 - Oddziaływanie przyrządu pomiarowego na wynik pomiaru M-08 - Mostek Wheatstone a M-10 - Pomiar mocy watomierzem w obwodzie jednofazowym M-12 - Pomiary indukcyjności i pojemności M-14 - Multimetr cyfrowy M-16 - Oscyloskop cyfrowy 4/35
Zaliczenie wykładu Pisemne. Należy odpowiedzieć na 5 pytań ocenianych w skali: 1 pytanie 0-1 pkt, 2 pytanie 0-2 pkt, 3 pytanie 0-3 pkt, 4 pytanie 0-4 pkt, 5 pytanie 0-5 pkt. Ocena wynika z uzyskanej liczby punktów: 8,0 9,0 pkt. 3,0 9,5 10,5 pkt. 3,5 11,0 13,0 pkt. 4,0 13,5 14,0 pkt. 4,5 14,5 15,0 pkt. 5,0 Podczas zaliczenia studenci mogą korzystać z notatek i kalkulatorów. Zestaw pytań zostanie podany do wiadomości studentów 1 miesiąc przed ustalonym terminem zaliczenia. 5/35
Sylwetka absolwenta studiów I stopnia Elektronika i Telekomunikacja http://www.bip.nauka.gov.pl/_gallery/23/40/2340/23_elektronika_i_telekomunikacja.pdf Standardy kształcenia dla poszczególnych kierunków studiów: (załącznik nr 23) elektronika i telekomunikacja Absolwent studiów pierwszego stopnia kierunku Elektronika i Telekomunikacja posiada wymagany zasób wiedzy z dyscyplin podstawowych ( ). Zna również język angielski na poziomie B2. Wiedza ta jest uzupełniona wiadomościami specjalistycznymi z zakresu ( ) techniki analogowej, cyfrowej i mikroprocesorowej, przetwarzania sygnałów, metrologii ( ). 6/35
Standardy kształcenia dla kierunku studiów I stopnia: Elektronika i Telekomunikacja Kształcenie w zakresie metrologii Treści kształcenia: Podstawowe pojęcia metrologii. Jednostki i układy miar. Wzorce wielkości elektrycznych i czasu. Bezpośrednie i pośrednie metody pomiarowe. Systematyczne i losowe błędy pomiarowe. Obliczanie niepewności pomiaru. Bloki elektronicznych mierników analogowych. Oscyloskop. Przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe. 7/35
Standardy kształcenia dla kierunku studiów I stopnia: Elektronika i Telekomunikacja Treści kształcenia c.d.: Bloki cyfrowych przyrządów pomiarowych. Metody pomiaru prądu i napięcia stałego oraz przemiennego. Pomiar mocy. Pomiary czasu, częstotliwości i fazy. Metody pomiaru rezystancji i impedancji. Multimetry i oscyloskopy cyfrowe. Systemy pomiarowe i interfejsy. Podstawy obróbki danych pomiarowych. 8/35
Standardy kształcenia dla kierunku studiów I stopnia: Elektronika i Telekomunikacja Kształcenie w zakresie metrologii. Efekty kształcenia-umiejętności i kompetencje w zakresie: planowania i wykonywania pomiarów (stosowania właściwych metod do pomiaru podstawowych wielkości elektrycznych), analizowania wyników oraz przygotowanie sprawozdań z przeprowadzonych badań. 9/35
Program wykładu (ogólny) 1. Podstawowe pojęcia metrologii. Jednostki i układy miar. 2. Wzorce wielkości elektrycznych i czasu. Hierarchia wzorców. Spójność pomiarów. 3. Obliczanie niepewności pomiaru bezpośredniego i pośredniego. Zapis wyniku pomiaru. 4. Multimetry i oscyloskopy cyfrowe. 5. Metody pomiaru prądu i napięcia stałego oraz przemiennego. 6. Pomiar mocy. Pomiary czasu, częstotliwości i fazy. Metody pomiaru rezystancji i impedancji. 7. Podstawy obróbki danych pomiarowych. 8. Zaliczenie. 10/35
Literatura Chwaleba A. i inni, Metrologia elektryczna, WNT Warszawa 2014 Tumański S., Technika pomiarowa, WNT, Warszawa 2007 Czajewski J., Podstawy metrologii elektrycznej, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2004 Derlecki S., Metrologia elektryczna i elektroniczna, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź 2005 Skubis T., Podstawy metrologicznej interpretacji wyników pomiarów. Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice 2004 Rydzewski J., Pomiary oscyloskopowe, WNT, Warszawa 2007 Kester W., Przetworniki A/C i C/A : teoria i praktyka, BTC, Legionowo 2012 Ratyńska J., Laboratorium techniki pomiarowej, Wydawnictwo Politechniki Radomskiej, Radom 2009 Zasoby internetowe (np. witryny producentów sprzętu pomiarowego, itp.) 11/35
Podstawowe pojęcia metrologii Jednostki miar Wykład nr 1 12/35
Metrologia Metrologia jest nauką o mierzeniu Od greckiego: mètron miara lògos słowo, nauka Odwzorowywanie cech ciał i zjawisk liczbami jest centralnym zagadnieniem metrologii Metrologia obejmuje swoim zasięgiem: opis systemów miar i jakości oraz sposoby określania wzorców, gromadzenie wiedzy o pomiarach, wyznaczanie standardów wykonywania pomiarów. 13/35
Metrologia-podział Metrologia ogólna zajmuje wszystkimi zagadnieniami związanymi z pomiarami, dotyczącymi ich różnych zastosowań niezależnie od wielkości mierzonych np.: układami jednostek miar, właściwościami metrologicznymi narzędzi pomiarowych, opracowywaniem wzorców, szacowaniem błędów pomiarów. Metrologia stosowana związana jest z określonym rodzajem wielkości mierzonej lub zajmująca się pomiarami w określonych dziedzinach nauki i techniki np.: metrologia przemysłowa, metrologia warsztatowa, metrologia medyczna, metrologia geodezyjna, metrologia sportowa, metrologia elektryczna, metrologia lotnicza, metrologia elektryczna wielkości nieelektrycznych. 14/35
Metrologia-podział Metrologia teoretyczna odnosi się do opracowywania, analizy i rozważań teoretycznych zagadnień związanych z pomiarami. Przykładami zainteresowań metrologii teoretycznej są np.: jednostki miar, techniki dokonywania pomiarów, ogólna teoria pomiaru, opracowywanie wyników pomiarów. Metrologia prawna zajmuje się wszelakimi aspektami mającymi związek z usankcjonowaniem prawnym technik pomiarowych. Dotyczy to zarówno zapewnienia jednolitości jednostek miar, metod pomiarów, jak również należytej dokładności doboru narzędzi pomiarowych z punktu widzenia urzędowo ustalonych wymagań technicznych i prawnych. 15/35
Podstawowe pojęcia metrologii - pomiar Pomiar - jest to doświadczenie fizyczne, w wyniku którego mierzonej wielkości zostaje przypisana liczba i jednostka miary. lub też: Pomiar - jest to doświadczenie fizyczne, w wyniku którego mierzona cecha zostaje odwzorowana liczbą. 16/35
Podstawowe pojęcia metrologii - wielkość mierzalna Wielkość mierzalna - każda cecha ciała lub zjawiska, której w wyniku pomiaru możemy przypisać liczbę wraz z odpowiednią jednostką miary. Przykłady wielkości mierzalnych długość masa czas natężenie prądu elektrycznego napięcie elektryczne natężenie pola magnetycznego indukcja magnetyczna indukcyjność własna indukcyjność wzajemna przenikalność magnetyczna Przykłady wielkości niemierzalnych piękno zazdrość chciwość nienawiść asertywność dobroć poczucie humoru 17/35
Podstawowe pojęcia metrologii - wielkość mierzalna Do wielkości mierzalnych zaliczamy także pewne pojęcia umowne: bit, Bajt jednostka informacji, cos φ współczynnik mocy, η sprawność, W wskaźnik przekroju, BMI (body mass index) - wskaźnik masy ciała. 18/35
Podstawowe pojęcia metrologii - wielkość mierzalna Nazwa wielkości długość masa czas Natężenie prądu elektrycznego rezystancja pojemność elektryczna natężenie pola elektrycznego natężenie pola magnetycznego indukcja magnetyczna indukcyjność własna współczynnik mocy sprawność jednostka informacji Symbol literowy wielkości l m t i R C E H B L cosφ η bit Wielkościom mierzalnym nadaje się nazwy i oznacza symbolami literowymi 19/35
Podstawowe pojęcia metrologii inne wielkości i wartości Wielkością określoną nazywany wielkość związaną z przedmiotem lub zjawiskiem np.: napięcie źródła zasilania, masa odważnika, temperatura konkretnego przedmiotu, długość ołówka Wielkością mierzoną (mezurandem) określamy taką wielkość, którą w danej chwili poddajemy pomiarom, czyli określaniu jej wartości. Mezurandem jest więc cecha danego obiektu dającą się zmierzyć. Spotykane jest również polskie określenie: uogólniona wielkość mierzona (UWM) Wato podkreślić, iż w procesie pomiaru nie da się wyznaczyć wartości prawdziwej. Pomiar zawsze będzie wykonany z błędem. Wykonuje się go z pewnym przybliżeniem, bądź oszacowaniem - poprzez wyznaczenie estymaty wartości wielkości mierzonej. 20/35
Podstawowe pojęcia metrologii wartość wielkości Wartością wielkości definiujemy jako iloczyn liczby i jednostki miary np. 23 V, 4 A, 7 Ω, 45,6 kg, 89 m. Sama liczba nazywana wartością liczbową lub miarą wielkości nie jest wystarczająca do określenia wartości wielkości mierzonej, ponieważ taka sama wartość może być określona jako iloczyn różnych liczb i jednostek. Przykłady: Prąd stały płynący w danej gałęzi obwodu wynosi: I 1 = 23 A = 23000 ma = 0,023 ka Wartość rezystancji drutu oporowego wynosi: R dr = 450 Ω = 0,45 kω = 450 000 mω 21/35
Podstawowe pojęcia metrologii inne wielkości i wartości Jednostka miary jest to mierzalna cecha zawarta (ucieleśniona) w danym przedmiocie lub zjawisku, której w wyniku umowy przypisano liczbę jeden, nadano symbol literowy oraz nazwę słowną. Jednostkę podaje się z przyjętymi oznaczeniami np.: jeden volt jednostka napięcia elektrycznego, oznaczana jako V, jeden amper jednostka natężenia prądu elektrycznego, oznaczana jako A, jeden metr jednostka miary długości, oznaczana jako m. Przykład: Zapisując wynik pomiaru jako: m = 40 kg mówimy o tym, że jednostka miary masy jest 40-krotnie większa od masy pojedynczego kilograma, który jest przyjęty jako jednostka miary masy. Warto zwrócić uwagę na to, że jednostka miary jest przede wszystkim elementarnym narzędziem pomiarowym, a nie pojęciem abstrakcyjnym. 22/35
Podstawowe pojęcia metrologii wielkości podstawowe i pochodne Wielkości podstawowe są to takie wielkości mierzalne, które nie mają swoich równań definicyjnych. Wielkości pochodne są to wszystkie pozostałe wielkości mierzalne, które mają swoje równania definicyjne. 23/35
Podstawowe pojęcia metrologii wielkości podstawowe i pochodne Pożądane jest, aby każda wielkość mierzalna miała swoją definicję wyrażoną odpowiednim równaniem matematycznym. Wynikają z tego bowiem następujące korzyści: równanie takie ustala związek danej wielkości z innymi wielkościami, co ma kapitalne znaczenie dla badania powiązań między różnymi cechami badanych zjawisk. stanowi przepis na jej mierzenie. Na przykład, znane powszechnie prawo Ohma, zawiera następujący przepis: Aby dostać rezystancję interesującego cię ciała, weź napięcie przykładane do jego końców i podziel je przez natężenie prądu wywołane tym napięciem. 24/35
Podstawowe pojęcia metrologii wielkości podstawowe i pochodne Niestety, nie wszystkie wielkości fizyczne mogą mieć swoje równania definicyjne! W nauce występuje R niezależnych równań (wzorów), takich na przykład jak wzór wyrażający drugą zasadę dynamiki Newtona, prawa Kirchhoffa, Coulomba, itp. Niezależnych, to znaczy takich, z których żadne nie powstało przez przekształcenie innego. W równaniach tych występuje W wielkości mierzalnych, przy czym ich liczba jest większa niż liczba równań (W > R). Jeżeli więc przyjąć wielkości mierzalne jako niewiadome we wspomnianych równaniach, to układ tych ostatnich okaże się nierozwiązywalny (liczba niewiadomych jest większa od liczby równań). 25/35
Podstawowe pojęcia metrologii wielkości podstawowe i pochodne Powstałą trudność pokonuje się, przyjmując nadwyżkę niewiadomych (wielkości mierzalnych) jako parametry. Minimalna liczba P-tych parametrów musi być oczywiście równa różnicy między liczbą wielkości mierzalnych i liczbą równań. P = W R Liczba P jest dla poszczególnych dziedzin nauki różna, np. mechanika potrzebuje ich tylko trzy: masa (m), długość (l), czas (t). 26/35
Podstawowe pojęcia metrologii wielkości podstawowe i pochodne Dziedzina elektrotechniki potrzebuje natomiast czterech wielkości podstawowych, są to: masa (m), długość (l), czas (t), natężenie prądu elektrycznego (i). Przykład: W celu określenia rezystancji za pomocą jednostek podstawowych posłużono się następującym zapisem: 1V 1 1A 1 1m Określanie jednostek reguluje norma: ISO 31 (Quantities and units) PN-EN 800000 (Wielkości i jednostki) oraz: Legalne jednostki miar Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 30 listopada 2006 roku (Dz. U. 8.12.2006r) 27/35 2 kg s 3 A 2
Międzynarodowy układ jednostek miar SI Międzynarodowy Układ Jednostek Miar w skrócie Układ SI został przyjęty na XI Generalnej Konferencji Miar w 1960 roku. Jest to układ jednostek miar oparty na siedmiu jednostkach podstawowych. W Polsce obowiązuje od 23 czerwca 1966 roku na mocy Rozporządzenia Rady Ministrów w sprawie legalnych jednostek miar, ogłoszonego w Dzienniku Ustaw PRL Nr 25/66. 28/35
Międzynarodowy układ jednostek miar SI L.p. Nazwa wielkości Symbol Nazwa Symbol podstawowej wielkości jednostki jednostki 1 długość l metr m 2 masa m kilogram kg 3 czas t sekunda s 4 natężenie prądu elektrycznego i amper A 5 temperatura termodynamiczna T kelwin K 6 światłość j kandela cd 7 ilość materii n mol mol 29/35
Międzynarodowy układ jednostek miar SI Na XX Generalnej Konferencji Miar w 1995 r. została podjęta rezolucja H włączająca radian i steradian do zbioru jednostek pochodnych. Radian jest jednostką uzupełniającą układu SI oznaczającą miarę kąta płaskiego. Jest to kąt płaski równy kątowi między dwoma promieniami koła, wycinającymi z okręgu tego koła łuk o długości równej promieniowi. Steradian jest jednostką uzupełniającą układu SI określającą wartość kąta bryłowego. Jest to kąt bryłowy o wierzchołku w środku kuli, wycinający z powierzchni tej kuli pole równe kwadratowi jej promienia. 30/35
Określenia jednostek podstawowych Układu SI METR jest długością równą 1 650 763,73 długości fali promieniowania w próżni odpowiadającego przejściu między poziomami 2p 10 a 5d 5 atomu kryptonu 86. KILOGRAM jest masą międzynarodowego wzorca tej jednostki przechowywanego w Międzynarodowym Biurze Miar w Sevres pod Paryżem. 31/35
Określenia jednostek podstawowych Układu SI SEKUNDA jest czasem trwania 9 192 631 770 okresów promieniowania odpowiadającego przejściu między dwoma nadsubtelnymi poziomami stanu podstawowego atomu cezu 133. (od roku 1968) AMPER jest natężeniem prądu elektrycznego nie zmieniającego się, który płynąc w dwóch równoległych przewodach prostoliniowych nieskończenie długich o przekroju okrągłym, znikomo małym, umieszczonych w próżni - wywoływałby między tymi przewodami siłę równą 2 10-7 N na każdy metr długości przewodu. 32/35
Określenia jednostek podstawowych Układu SI KELWIN Temperatura 0 K jest równa temperaturze -273,15 C jest 1/273,16 częścią temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody. KANDELA jest światłością, którą ma w kierunku prostopadłym pole 1/600 000 m 2 powierzchni ciała doskonale czarnego, promieniującego w temperaturze krzepnięcia platyny pod ciśnieniem 101325 N/m 2 (czyli dawnej 1 atmosfery fizycznej). MOL Atmosfera techniczna (at) pozaukładowa jednostka miary ciśnienia powszechnie używana w technice. Odpowiada ciężarowi jednego kilogramasiły rozkładającemu się na jednym cm² lub naciskowi 10 metrów słupa wody. 1 at = 1 kg / cm² = 0,9678415 atm = 735,559 Tr = 98066,5 Pa = 0,980665 bar jest ilością substancji układu zawierającego liczbę cząsteczek lub cząstek równą liczbie atomów zawartych w masie 0,012 kg (dokładnie) czystego nuklidu węgla. (od roku 1971) 33/35
Przedrostki do tworzenia nazw słownych jednostek wtórnych Krotność Przedrostek Symbol Krotność Przedrostek Symbol 10 24 jotta Y 1 10-1 decy d 10 21 zetta Z 2 10-2 centy c 10 18 eksa E 3 10-3 mili m 10 15 peta P 4 10-6 mikro 10 12 tera T 5 10-9 nano n 10 9 giga G 6 10-12 piko p 10 6 mega M 7 10-15 femto f 10 3 kilo k 8 10-18 atto a 10 2 hekto h 9 10-21 zepto z 10 1 deka da 10 10-24 jokto y 34/35
Dziękuję za uwagę! 35/35