Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Katedr Miernictwo Elektroniczne Charakterystyka przedmiotu wykładowca wykład 15 godzin (3.0 1.04) 5.04 wykład się nie odbędzie laboratorium dr hab. inż. Łukasz Śliwczyński Katedra Elektroniki sliwczyn@agh.edu.pl C3 515 dr hab. inż. Łukasz Śliwczyński e-mail: sliwczyn@agh.edu.pl proszę starostę o mail kontaktowy tutuł Miernictwo elektroniczne tel. (617) 7-40 C3 515, konsultacje: zostaną ustalone niebawem 15 godzin (14.04 13.06); laboratorium wprowadzające 07-11.03, gr. 03.03 termin odróbczy: do ustalenia z prowadzącym laboratorium (Witold Skowroński, Łukasz Buczek, Łukasz Śliwczyński) strona internetowa: http://galaxy.uci.agh.edu.pl/~lab515/dzienne/miernictwo/wyklad.html 1
Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Katedr Zasady uzyskania zaliczenia aby otrzymać pozytywną ocenę z przedmiotu należy zaliczyć laboratorium oraz zdać test z wykładu (ok. 0 min) (propozycja 19.04 lub 07.06) ocena końcowa jest obliczana jako średnia ważona: OK = 0.7*O Lab + 0.3*O Test (OK > 50% aby otrzymać zaliczenie) Zaliczenie laboratorium otrzymuje się na podstawie zaliczenia wszystkich ćwiczeń laboratoryjnych. Brak przygotowania do zajęć będzie skutkować niedopuszczeniem do odrabiania ćwiczenia. Ocena z laboratorium jest obliczana jako średnia ważona: O Lab = 0.7*O Opracowanie + 0.3*O Przygotowanie Aktywność na zajęciach może być wykorzystana przez prowadzącego do podniesienia oceny z laboratorium. Czego chcemy się nauczyć? teoretyczna jednostki miar systemy jednostek skale pomiarowe analiza niepewności BIPM Bureau international des poids et mesures NMI National Metrology Institution GUM Główny Urzad Miar metrologia prawna jednolitość i legalność narzędzi pomiarowych przepisy prawne (ustawy) normy warunki techniczne pomiar porównanie wzorzec ISO International Organization for Standarization IEC International Electrotechnical Commission PKN Polski Komitet Normalizacyjny stosowana budowa i wykorzystanie przyrządów pomiarowych pomiary wielkości w różnych obszarach działalności ludzkiej miernictwo elektroniczne - pomiary wielkości elektrycznych - pomiary wielkości nieelektrycznych metodami elektronicznymi - elektroniczne przyrządy pomiarowe
Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Katedr Program wykładu 1) wprowadzenie (ten wykład): pomiar, jednostki, wzorce ) sygnały i ich parametry; pomiary podstawowych wielkości 3) pomiar wielkości nieelektrycznych: siła, masa, ciśnienie 4) błędy i niepewność pomiaru początek laboratorium 5) pomiary i przyrządy cyfrowe 6) oscyloskop i pomiary oscyloskopowe 7) pomiar impedancji: metody pośrednie (techniczne) i mostkowe Do czego jest potrzebny pomiar? pomiar: proces ustalenia na podstawie eksperymentu wartości wielkości, która może w rozsądny sposób przypisana do procesu, zjawiska lub przedmiotu International vocabulary of metrology Basic and general concepts and associated terms (VIM) analiza: - weryfikacja teorii - konstruowanie modeli empirycznych - określenie parametrów urządzeń, elementów uwagi: monitorowanie: - określenie wartości wielkości, np.: temperatury, napięcia, mocy... - konstruowanie/ uruchamianie aparatury sterowanie: - określenie wartości wielkości, w celu użycia jej w układzie sterowania (w pętli zamkniętej lub otwartej) - pomiar porównanie z wzorcem i określenie wzajemnych relacji - porównanie bezpośrednie lub pośrednie - zakładamy, że porównanie jest powtarzalne i odtwarzalne - wykorzystujemy odpowiedni sprzęt i procedury pomiarowe - wiemy, jak ich używać - zapewnione są odpowiednie warunki pomiaru - mamy świadomość, że pomimo starań każdy pomiar jest obarczony niepewnością - wiemy, jak interpretować wynik pomiaru 3
Wynik pomiaru Q = Q [Q] Q wartość wielkości (ang. quantity value) Q - wartość liczbowa (ang. numerical value) [Q] jednostka wielkości (ang. unit) Międzynarodowy układ jednostek miar SI (1960) jednostki podstawowe wielkość długość masa czas natężenie prądu temperatura ilość substancji światłość jednostki pochodne symbol l, h, r, x m t I, i T n I v jednostka metr kilogram sekunda amper kelwin mol kandela α χ γ Q ka B C np.: N kg m s Jednostki pochodne symbol AGH Katedra Elektronik i AGH Katedra Elektroniki AGH Katedra Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Katedr m kg s A K mol cd źródło: http://physics.nist.gov/cuu/units/sidiagram.html 4
Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Katedr Wzorce jednostek miar (etalony) realizacja definicji wielkości, posiadająca określoną wartość wraz z określoną niepewnością (VIM) metrologia naukowa precyzja dokładność metrologia prawna czas: wzorzec międzynarodowy BIPM narodowy wzorzec pierwotny NMI (np. GUM) wzorce wtórne NMI wzorce robocze NMI wzorzec pierwotny (ang. primary measurement standard) wzorzec ustalony bez odwoływania się do innych wzorców tej samej kategorii wzorzec wtórny (ang. secondary measurement standard) wzorzec ustalony przez kalibrację względem wzorca pierwotnego wzorzec roboczy (ang. working measurement standard) wzorzec ustalony przez kalibrację względem wzorca pierwotnego, używany do kalibracji aparatury Jednostki definicje, realizacja, niepewność 1 sekunda [s] jest to czas trwania 9 19 631 770 okresów promieniowania odpowiadających przejściu pomiędzy dwoma stanami nadsubtelnymi poziomu podstawowego atomu cezu Cs 133 wzorzec cezowy 5071A (Symmetricom, dawniej HP) niepewność 5x10-13 - 1x10-1 zegary cezowe w PTB Physikalish-Technische Bundesanstalt Brunszwik, Niemcy niepewność 1.x10-14 1x10-9 s/doba 1 s/.7x10 6 lat fontanna cezowa 1x10-15 5
Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Katedr Jednostki definicje, realizacja, niepewność natężenie prądu elektrycznego: 1 amper [A] jest to natężenie prądu, który płynąc w dwóch równoległych przewodach... odległych o 1 metr powoduje ich przyciąganie się siłą 10-7 N na każdy metr długości (techniczna realizacja niemożliwa...) waga prądowa Rayleigha I W F 1 niepewność 6ppm 6x10-6 realizacja oparta o prawo Ohma 1ppm 1x10-6 E W I W R W I U W R W m F F K I 1 W ; I W F F 1 F m g m g Jednostki definicje, realizacja, niepewność różnica potencjałów (napięcie): 1 wolt [V] jest to różnica potencjałów pomiędzy dwoma punktami przewodnika, gdy płynący przez niego prąd o natężeniu 1 A wydziela w nim moc równą 1 W. (1948) wykorzystanie (odwrotnego) efektu Josephsona (lata 90 XX w) promieniowanie mikrofalowe f m T=4.K I j matryca ~819-6963 złącz Josephsona U j napięcia z zakresu 10 +10V, niepewność ~10-10 h n fm U j n fm e K K 483597.9 GHz/V j f 9.9546537 GHz U 0V... m j I j K f m K j U j 6
Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Katedr Jednostki definicje, realizacja, niepewność rezystancja: 1 om [] jest to rezystancja pomiędzy dwoma punktami przewodnika przez który płynie prąd 1A, wywołując spadek napięcia równy 1V realizacja wykorzystująca kwantowy efekt Halla I B niepewność ~10-9 rezystory wzorcowe 4-ro zaciskowe (Kelvina) zaciski napięciowe U X U H R W T~1K AlGaAs/GaAs heterozłącze zaciski prądowe gaz elektronowy -D UH RK R I n h RK e 581.807 stała von Klitzinga R H [] źródło: LNE-SYRTE 16000 1600 R H=R K/ 14000 1000 10000 T=1.3K; I=10A 8000 6000 1400 100 1000 800 600 R X~0 4000 000 0 400 00 0 0 4 6 8 10 1 B [T] zakres wartości: 1 0M niepewność ~1 0 ppm stabilność 10 ppm/rok Jednostki definicje, realizacja, niepewność pojemność elektryczna: 1 farad [F] jest to pojemność kondensatora na którego okładkach powstaje napięcie 1V po naładowaniu go ładunkiem 1C. kondensator liczalny Thompsona-Lamparda C 1 C 0 C1 C C 0 ln.818376 pf/m niepewność ~0.0 ppm robocze wzorce pojemności <10pF - dielektryk powietrzny <1F - mika >1F - siarczek polipropylenu niepewność 0.0 % źródło: IET-LABS źródło: PTB R X [] 7
Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Katedr Czym się różni wzorzec pojemności od kondensatora? Primary Standard Capacitor, typ 1404, IET _LAB INC. Jednostki spoza układu SI jednostki do wyrażania stosunków neper [Np] q1 P1 L ln Np log B q P L db bel [B], decybel [db] P1 L 10 log db P L L e Np LNp 10 loge 4. LNp 10 log 34 logarytmiczne jednostki mocy - dbm P -10 P dbm 10 log 1 mw 0.1 X1 0 log X inne jednostki logarytmiczne (używane w akustyce) dbv napięcie względem 1 V dbu napięcie względem 0.7746 V db w przypadku mocy dla innych wielkości np. I, U, R itp. L db 10 ln10 LNp ln10 LdB 0. 3 LdB 10 0 1 3 10 10 0 100 dbm mw 8
Elektroniki Elektroniki Elektroniki Kate- Uwagi o dbm-ach impedancja źródła/obciążenia S R S P N R L zamiana na napięcie/prąd P dbm 10 dbm PM Usk 1[mW] RL 10 RL[kΩ] 10 R L = 50 : 0 dbm U sk = 3,6 mv R L = 600 : 0 dbm U sk = 774,6 mv dodawanie dbm-ów UWAGA! jeśli R S R L P M P N ; P M =P N + K 4RS RL korekcja: K 10 log [db] R S RL R S = 50 ; R L = 600-5.47 db R S = 600 ; R L = 50-5.47 db PdBm 10 wynik będzie w ogólności zależał od rodzaju sygnałów i ich relacji fazowych Dokładność, precyzja dra Elektroniki Katedr dokładny precyzyjny precyzyjny i dokładny dokładność (ang. measurement accuracy) stopień zgodności pomiędzy wartością mierzoną a wartością prawdziwą precyzja (ang. measurement precission) stopień zgodności pomiędzy wynikami uzyskanymi przy wielokrotnym pomiarze tej samej wielkości prawdziwość (ang. measurement trueness) stopień zgodności pomiędzy średnią z wyników wielu pomiarów tej samej wielkości oraz wartością prawdziwą 9
Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Katedr Wartość wielkości, wynik pomiaru Q = Q [Q]??? Q Q wartość wielkości (ang. quantity value) Q - wartość liczbowa (ang. numerical value) [Q] jednostka wielkości (ang. unit)??? Q niepewność pomiaru (ang. uncertainty): przedział wokół wartości zmierzonej, w którym ze znaczącym prawdopodobieństwem (np.95%) znajduje się wartość prawdziwa mierzonej wielkości U x U x p Pr = 0.95 przedział ufności Zapis wyników pomiarów przedrostki SI Im??? Q Pr{x p (-U+x,x+U)} = 0.95 Pr{x p (-U+x,x+U)} = 0.05 wynik pomiaru zapisujemy: x U wartość nazwa symbol wartość nazwa symbol 10 1 deka da 10-1 decy d 10 hekto h 10 - centy c 10 3 kilo k 10-3 mili m 10 6 mega M 10-6 mikro 10 9 giga G 10-9 nano n 10 1 tera T 10-1 piko p 10 15 peta P 10-15 femto f 10 18 exa E 10-18 atto a 10 1 zeta Z 10-1 zepto z 10 4 jota Y 10-4 jokto y notacja wykładnicza (naukowa) x = M10 E ; M[1,10); EC np.: czy 10 k = 10 000??? 1% U = 100 1.00 10 4 cyfry znaczące Zapis R = 10 k sugeruje 9 k < R < 11 k, czyli niepewność 10%. Re 10
Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Katedr Metody pomiarowe (VIM), wynik pomiaru bezpośrednia (ang. direct) wartość wielkości mierzonej uzyskujemy bez konieczności dokonywania obliczeń, np.: pomiar napięcia woltomierzem; pośrednia (ang. indirect) wartość wielkości uzyskujemy mierząc bezpośrednio inne wielkości, od których w znany sposób zależy wielkość poszukiwana i wykonując odpowiednie obliczenia, np.: pomiar rezystancji metodą techniczną lub wyznaczanie obwodu koła na podstawie pomiaru jego średnicy; A = d... x ddd rrrr... rrrr... +rrrr... zzzzzz... Podsumowanie Postępowanie uproszczone: dodawanie/odejmowanie: zachowujemy w wyniku tyle cyfr po przecinku dziesiętnym, ile ma najmniej dokładny składnik mnożenie/dzielenie zachowujemy tyle cyfr znaczących, ile jest w najmniej dokładnym czynniku potęgowanie/pierwiastkowanie zachowujemy tyle cyfr znaczących, ile jest w liczbie poddawanej operacji Zagadnienie to będzie omówione dokładniej podczas wykładu traktującego o wyznaczaniu niepewności pomiarów - pomiar porównanie z wzorcem i określenie wzajemnych relacji - porównanie bezpośrednie lub pośrednie - zakładamy, że porównanie jest powtarzalne i odtwarzalne - wykorzystujemy odpowiedni sprzęt i procedury pomiarowe - wiemy, jak ich używać - zapewnione są odpowiednie warunki pomiaru - mamy świadomość, że pomimo starań każdy pomiar jest obarczony niepewnością - wiemy, jak interpretować wynik pomiaru błędy grube uszkodzone przyrządy (kable) pomiary multimetrem źle nastawionym ampery, omy itp... multimetry bateryjne 11
Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Katedr Literatura/materiały źródłowe Literatura w języku polskim S. Tumański: Technika Pomiarowa, WNT, 013 A. Zięba: Analiza danych w naukach ścisłych i technice, PWN, 013 J. Dusza, G. Gortat, A. Leśniewski: Podstawy miernictwa, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 007 A. Kamieniecki: Współczesny oscyloskop, btc, 009 A. Zatorski, R. Sroka: Podstawy Metrologii Elektrycznej, Wydawnictwa AGH, 011 J. Arendarski: Niepweność pomiarów, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 003 Literatura w języku angielskim S. Tumański: Principles of Electrical Measurements, Taylor & Francis, 005 R.A. Witte (Agilent Technologies): Electronic Test Instruments: Analog and Digital Measurements, Prentice Hall, 00 SI Units Brochure: http://www.bipm.org/utils/common/pdf/si_brochure_8_en.pdf The NIST Reference on Constants, Units and Uncertainty http://physics.nist.gov/cuu/units/index.html International Vocabulary of Metrology (VIM): http://www.bipm.org/utils/common/documents/jcgm/jcgm_00_01.pdf R.A. Witte (Agilent Technologies): Spectrum & Network Measurements, Prentice Hall, 1993 A.K. Ghosh: Introduction to Measurements and Instrumentation, PHI Learning, 01 R.B.Northrop: Introduction to Instrumentation and Measurements, Taylor & Francis, 005 1