METROLOGIA
Dr inż. Eligiusz PAWAOWSKI
Politechnika Lubelska
Wydział Elektrotechniki i Informatyki
Prezentacja do wykładu dla EINS
Zjazd 5, wykład nr 9, 10
Prawo autorskie
Niniejsze materiały podlegają ochronie zgodnie z Ustawą o prawie autorskim i
prawach pokrewnych (Dz.U. 1994 nr 24 poz. 83 z pózniejszymi zmianami).
Materiał te udostępniam do celów dydaktycznych jako materiały pomocnicze
do wykładu z przedmiotu Metrologia prowadzonego dla studentów Wydziału
Elektrotechniki i Informatyki Politechniki Lubelskiej. Mogą z nich również
korzystać inne osoby zainteresowane metrologią. Do tego celu materiały te
można bez ograniczeń przeglądać, drukować i kopiować wyłącznie w całości.
Wykorzystywanie tych materiałów bez zgody autora w inny sposób i do innych
celów niż te, do których zostały udostępnione, jest zabronione.
W szczególności niedopuszczalne jest: usuwanie nazwiska autora, edytowanie
treści, kopiowanie fragmentów i wykorzystywanie w całości lub w części do
własnych publikacji.
Eligiusz Pawłowski
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
2
METROLOGIA EINS
Uwagi dydaktyczne
Niniejsza prezentacja stanowi tylko i wyłącznie materiały pomocnicze do
wykładu z przedmiotu Metrologia prowadzonego dla studentów Wydziału
Elektrotechniki i Informatyki Politechniki Lubelskiej. Udostępnienie studentom
tej prezentacji nie zwalnia ich z konieczności sporządzania własnych notatek z
wykładów ani też nie zastępuje samodzielnego studiowania obowiązujących
podręczników.
Tym samym zawartość niniejszej prezentacji w szczególności nie może być
traktowana jako zakres materiału obowiązujący na egzaminie.
Na egzaminie obowiązujący jest zakres materiału faktycznie wyłożony
podczas wykładu oraz zawarty w odpowiadających mu fragmentach
podręczników podanych w wykazie literatury do wykładu.
Eligiusz Pawłowski
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
3
METROLOGIA EINS
Tematyka wykładu
Wzorce miar i etalony
Porównywanie wzorców
Wzorce państwowe utrzymywane w GUM
Budowa i właściwości wybranych wzorców wielkości elektrycznych
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
4
METROLOGIA EINS
Wzorce, etalony, metrologia prawna - literatura
1. Dudziewicz J.: Etalony i precyzyjne pomiary wielkości
elektrycznych, WKiA, Warszawa 1982.
2. Kartaschoff P.: Częstotliwość i czas, WKiA, Warszawa 1985.
3. Międzynarodowy słownik metrologii. Pojęcia podstawowe i
ogólne oraz terminy z nimi związane, Przewodnik PKN-ISO/IEC
Guide 99, PKN, Warszawa 2010.
4. Międzynarodowy słownik podstawowych i ogólnych terminów
metrologii, GUM, Warszawa 1996.
5. PN-71/N-02050. Metrologia. Nazwy i określenia
6. Prawo o miarach, ustawa z dnia 11 maja 2001 r., tekst jednolity
Dz.U. 2004 nr 243 poz. 2441.
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
5
METROLOGIA EINS
Rodzaje narzędzi pomiarowych - przypomnienie [5]
Narzędzia pomiarowe środki techniczne przeznaczone
do wykonywania pomiarów:
1.Wzorce miar odtwarzające jedną lub kilka znanych
(wzorcowych) wartości danej wielkości,
2.Przyrządy pomiarowe przetwarzające wartości
wielkości mierzonej na wskazanie lub równoważną
informację ,
3.Przetworniki pomiarowe przetwarzające zgodnie z
określonym prawem wartości wielkości wejściowej na
wartości wielkości wyjściowej.
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
6
METROLOGIA EINS
Klasyfikacja narzędzi pomiarowych [1]
Kryterium
1. Spełniana funkcja
podziału
Narzędzia
Narzędzia
kontrolne
użytkowe
Wzorzec jednostki Wzorzec użytkowy,
miary, stosowany do wzorzec stosowany
kalibracji, etalon w pomiarach
Przyrząd pomiarowy
Przyrząd pomiarowy
wzorcowy, stosowany
użytkowy, stosowany
do kalibracji
w pomiarach
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
7
METROLOGIA EINS
miar
Wzorce
Przyrz
ą
dy
2. Rodzaj narz
ę
dzia
pomiarowe
Zastosowanie wzorców - wzorcowanie (kalibracja)
Wzorcowanie (kalibracja, ang. calibration) zbiór operacji
ustalających (w określonych warunkach) relację pomiędzy
wartościami wielkości mierzonej wskazanymi przez przyrząd
pomiarowy (lub układ pomiarowy albo wartościami realizowanymi
przez wzorzec miary), a odpowiednimi wartościami wielkości
realizowanymi przez wzorce jednostki miary.
Wzorcowanie pozwala na wyznaczenie błędów systematycznych
przyrządu pomiarowego lub poprawek dla jego wskazań.
Wynik wzorcowania może być potwierdzony odpowiednim
dokumentem: świadectwem wzorcowania lub protokółem
wzorcowania.
Wzorcowania nie należy mylić ze skalowaniem i adjustacją.
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
8
METROLOGIA EINS
Skalowanie i adjustacja przyrządu pomiarowego
Skalowanie przyrządu pomiarowego (ang. gauging) [`gejdłjN]
ustalenie położenia wskazów (wszystkich lub tylko głównych) na
podziałce przyrządu pomiarowego.
Adjustacja przyrządu pomiarowego (ang. adjustment)
[Y`dłŚstment] czynności mające na celu doprowadzenie przyrządu
pomiarowego do stanu działania odpowiadającego jego
przeznaczeniu.
Jeśli adjustację przeprowadza się jedynie za pomocą środków
przeznaczonych do dyspozycji użytkownika, to jest to regulacja
przyrządu pomiarowego.
Przykładem adjustacji jest zerowanie przyrządu pomiarowego.
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
9
METROLOGIA EINS
Wzorcowanie - skalowanie - adjustacja
Przyrząd
1.Skalowanie
pomiarowy
Wskazy
Wzorzec
3.Adjustacja
podziałki
2.Wzorcowanie
Tabela
Świadectwo
poprawek
wzorcowania
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
10
METROLOGIA EINS
Spójność pomiarowa
Spójność pomiarowa (ang. traceability) właściwość wyniku
pomiaru lub wzorca jednostki miary polegająca na tym, że można je
powiązać z określonymi odniesieniami, na ogół z wzorcami
państwowymi, za pośrednictwem nieprzerwanego łańcucha
porównań, z których wszystkie mają określone niepewności.
Nieprzerwany łańcuch porównań nazywa się łańcuchem powiązań
( łańcuch spójności pomiarowej ang. traceability chain).
Każde porównanie w łańcuchu powiązań wnosi swój udział do
niepewności pomiaru.
Używa się również przymiotnika spójny w odniesieniu do
wyniku pomiaru lub wzorca, które wykazują spójność pomiarową.
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
11
METROLOGIA EINS
Wzorzec jednostki miary, etalon [4]
Wzorzec jednostki miary, etalon (ang. standard) wzorzec miary
(przyrząd pomiarowy, materiał odniesienia lub układ pomiarowy)
przeznaczony do zdefiniowania, zrealizowania, zachowania lub
odtwarzania jednostki miary albo jednej lub wielu wartości pewnej
wielkości i służący jako odniesienie.
Uwagi:
1.Etalon może być używany tylko jako odniesienie dla innych
wzorców, nie może być bezpośrednio używany w pomiarach.
2.Dla polepszenia właściwości użytkowych stosowane są wzorce
grupowe, składające się z wielu niezależnych wzorców.
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
12
METROLOGIA EINS
Materiał odniesienia
Materiał odniesienia (ang. reference material) materiał lub
substancja, których jedna lub więcej wartości ich właściwości są
dostatecznie jednorodne i na tyle dobrze określone, aby mogły być
stosowane do wzorcowania przyrządu, do oceny metody
pomiarowej lub do przypisania wartości właściwościom innych
materiałów.
Uwagi:
1.Materiał odniesienia może być ciałem czystym lub mieszaniną i
występować pod postacią gazu, cieczy lub ciała stałego
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
13
METROLOGIA EINS
Hierarchia wzorców
Podział wzorców ze względu na zajmowane miejsce w hierarchii:
-Wzorzec (etalon) podstawowy
-Wzorzec (etalon) wtórny
-Wzorzec (etalon) świadek
-Wzorzec (etalon) pośredniczący
-Wzorzec (etalon) odniesienia
-Wzorzec (etalon) roboczy (kontrolny)
-Wzorzec użytkowy
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
14
METROLOGIA EINS
Wzorzec podstawowy jednostki miary
Wzorzec podstawowy (pierwotny) jednostki miary (etalon
podstawowy, pierwotny) (ang. primary standard) wzorzec
jednostki miary, który jest ustalony lub powszechnie uznany jako
charakteryzujący się najwyższą jakością metrologiczną i którego
wartość jest przyjęta bez odniesienia do innych wzorców miary tej
samej wielkości.
Uwagi:
1.Wzorzec podstawowy często jest realizowany jako wzorzec
grupowy.
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
15
METROLOGIA EINS
Wzorzec wtórny jednostki miary
Wzorzec wtórny jednostki miary (etalon wtórny) (ang.
secondary standard) wzorzec jednostki miary, którego wartość
jest utworzona przez porównanie z wzorcem pierwotnym jednostki
miary tej samej wielkości.
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
16
METROLOGIA EINS
Wzorzec świadek jednostki miary
Wzorzec świadek wzorzec przeznaczony do kontroli stałości
wzorca podstawowego lub do zastąpienia go w przypadku
uszkodzenia. Właściwości wzorca świadka nie są gorsze niż
właściwości wzorca podstawowego. Wzorca świadka nigdy nie
używa się do innych celów, nawet do sprawdzania innych wzorców.
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
17
METROLOGIA EINS
Wzorzec odniesienia jednostki miary
Wzorzec odniesienia jednostki miary (etalon odniesienia) (ang.
reference standard) wzorzec jednostki miary o najwyższej
zazwyczaj jakości metrologicznej dostępny w danym miejscu lub
danej organizacji, który stanowi odniesienie dla wykonywanych tam
pomiarów.
Uwagi:
1.Wzorzec odniesienia służy do wzorcowania wzorców roboczych.
2.W niektórych dziedzinach używa się pojęcia kalibrator .
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
18
METROLOGIA EINS
Wzorzec roboczy jednostki miary
Wzorzec roboczy jednostki miary (etalon roboczy) (ang. working
standard) wzorzec jednostki miary używany zwykle do
wzorcowania lub sprawdzania wzorców miar użytkowych,
przyrządów pomiarowych lub materiałów odniesienia.
Uwagi:
1.Wzorcowanie wzorca roboczego przeprowadza się zwykle przy
użyciu wzorca odniesienia jednostki miary.
2.Wzorzec roboczy jednostki miary może być okresowo stosowany
w celu upewnienia się, że pomiary są przeprowadzane poprawnie,
wtedy jest nazywany wzorcem kontrolnym jednostki miary.
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
19
METROLOGIA EINS
Wzorzec pośredniczący
Wzorzec pośredniczący jednostki miary (ang. transfer standard)
wzorzec miary stosowany jako pośrednik do porównywania
innych wzorców jednostki miary. Często posiada specjalną
konstrukcję umożliwiającą transport z jednego miejsca na drugie,
wtedy może być wykorzystywany jako wzorzec przenośny (ang.
travelling standard)
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
20
METROLOGIA EINS
Własność wzorców
Podział wzorców ze względu na właściciela:
-Wzorzec (etalon) międzynarodowy
-Wzorzec (etalon) państwowy
-Wzorzec (etalon) organizacji metrologicznej
-Wzorzec (etalon) końcowego użytkownika
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
21
METROLOGIA EINS
Wzorzec międzynarodowy jednostki miary
Wzorzec międzynarodowy jednostki miary (etalon
międzynarodowy) (ang. international standard) wzorzec
jednostki miary uznany umową międzynarodową za podstawę do
przypisywania wartości innym wzorcom jednostki miary danej
wielkości i przeznaczony do stosowania w skali światowej.
Wzorce międzynarodowe znajdują się pod kontrolą BIPM (fran.
Bureau International des Poids et Mesures) Międzynarodowe
Biuro Wag i Miar z siedzibą w Sevres pod Paryżem
http://www.bipm.org/
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
22
METROLOGIA EINS
Wzorzec państwowy jednostki miary
Wzorzec państwowy jednostki miary (etalon państwowy) (ang.
national standard) wzorzec jednostki miary uznany urzędowo w
danym kraju za podstawę do przypisywania wartości innym
wzorcom jednostki miary danej wielkości
W Polsce wzorce państwowe znajdują się pod opieką GUM
Głównego Urzędu Miar z siedzibą w Warszawie.
http://www.gum.gov.pl
Decyzję w zakresie uznania państwowego wzorca jednostki miary
wydaje Prezes GUM.
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
23
METROLOGIA EINS
Aańcuch spójności pomiarowej
Etalon
Etalon podstawowy
Etalon świadek
międzynarodowy
Etalon pośredniczący BIPM
Etalon wtórny
Etalon
państwowy
GUM
Etalon odniesienia
Etalony w
laboratoriach
Etalon kontrolny Etalon roboczy
organizacji
Aparatura
Przyrząd pomiarowy
Wzorzec użytkowy
końcowego
użytkownika
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
24
METROLOGIA EINS
Piramida wzorców
Na szczycie piramidy jest
jeden etalon (może być
Poziom
grupowy)
Etalon
międzynarodowy
podstawowy
Etalon
Etalon
Poziom
pośredniczący
świadek
państwowy
Etalon wtórny
Etalon odniesienia
Poziom
organizacji
Etalon kontrolny
Etalon roboczy
Poziom
Przyrządy pomiarowe
Wzorce użytkowe
użytkownika
Podstawa piramidy jest bardzo szeroka
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
25
METROLOGIA EINS
Obwieszczenie Prezesa GUM
Żródło: Sejm RP,
http://isip.sejm.gov.pl/
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
26
METROLOGIA EINS
Wymagania stawiane wzorcom
Wzorce jednostek miar powinny spełniać wymagania:
- niezmienność w czasie,
- duża dokładność,
- łatwa odtwarzalność,
- łatwa porównywalność,
- łatwość stosowania.
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
27
METROLOGIA EINS
Parametry wzorca miar
Do parametrów wzorca należą:
- nominalna wartość miary wzorca,
- niedokładność miary wzorca,
- okres zachowania niedokładności miary wzorca,
- warunki, w których miara i niedokładności są zachowane.
Uwagi:
1.Dla wzorca określa się niezależnie warunki użytkowania i warunki
przechowywania.
2.Wszystkie parametry wzorca podawane są na tabliczce
znamionowej lub w jego metryce.
3.Zachowanie parametrów wzorca w okresie jego użytkowania
wymaga odpowiedniego utrzymania wzorca.
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
28
METROLOGIA EINS
Utrzymanie wzorca jednostki miary
Utrzymanie wzorca jednostki miary (konserwacja) zbiór
operacji niezbędnych do utrzymania charakterystyk
metrologicznych wzorca w ustalonych granicach.
Utrzymanie wzorca zazwyczaj obejmuje: okresową weryfikację lub
wzorcowanie, przechowywanie w odpowiednich warunkach i
przestrzeganie środków ostrożności w użytkowaniu.
Weryfikacja jest to zapewnienie obiektywnego dowodu, że dany
przedmiot spełnia określone wymagania.
Uwagi:
1.Weryfikacja jest pojęciem szerszym od wzorcowania.
2.Wzorcowanie może być jednym z elementów weryfikacji.
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
29
METROLOGIA EINS
Wzorce miar wielkości elektrycznych
Do najczęściej wykorzystywanych wzorców miar wielkości
elektrycznych należą wzorce:
- siły elektromotorycznej (napięcia),
- prądu,
- rezystancji,
- pojemności,
- indukcyjności własnej i wzajemnej,
- częstotliwości.
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
30
METROLOGIA EINS
Państwowe wzorce miar wielkości elektrycznych w GUM
BIPM - Bureau International des Poids et Mesures, Sevres, Paris, France.
BIPM (Międzynarodowe Biuro Wag i Miar) jest instytucją międzynarodową
z siedzibą we Francji, w Sevres pod Paryżem.
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
31
METROLOGIA EINS
Państwowe wzorce miar wielkości elektrycznych w GUM, c.d.
PTB - Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, Braunschweig und Berlin, Deutschland.
PTB jest niemieckim urzędem państwowym spełniającym funkcję analogiczną
do polskiego GUM (Głównego Urzędu Miar).
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
32
METROLOGIA EINS
Państwowe wzorce miar wielkości elektrycznych w GUM, c.d.
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
33
METROLOGIA EINS
Inne wzorce miar utrzymywane w GUM
Państwowy wzorzec (wtórny) jednostki miary masy
utrzymywany w GUM o wartości nominalnej
mnom= 1kg+227.10-9kgą 2,3.10-9kg
Żródło: Główny Urząd Miar, http://www.gum.gov.pl
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
34
METROLOGIA EINS
Wzorce napięcia
Współcześnie jako wzorce napięcia wykorzystywane są :
- Złącze Josephsona, wykorzystywane obecnie jako wzorce
pierwotne jednostki miary (etalony) napięcia,
- Ogniwo Westona, wykorzystywane obecnie jako wzorce
(etalony) odniesienia i wzorce niższych rzędów, do niedawna
wykorzystywane jako etalony pierwotne,
- Dioda Zenera, wykorzystywane głównie jako wzorce
robocze.
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
35
METROLOGIA EINS
Złącze Josephsona (1962) efekt stałoprądowy
Złącze Josephsona składa się z dwóch nadprzewodników
rozdzielonych cienką warstwą dielektryka (l-2) nm.
W temperaturze ciekłego helu 4,2K przez warstwę dielektryczną może
przepływać prąd (tzw. prąd tunelowy), będący sumą prądu
pojedynczych elektronów i elektronów związanych w pary.
Stałoprądowy efekt Josephsona polega na tym, że przez złącze może
przepływać prąd stały o wartości mniejszej od pewnej wartości
krytycznej Ik nie wywołując spadku napięcia na złączu.
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
36
METROLOGIA EINS
Złącze Josephsona (1962) efekt zmiennoprądowy
Zmiennoprądowy wewnętrzny efekt Josephsona występuje w
przypadku umieszczenia złącza spolaryzowanego prądem stałym o
wartości większej od wartości krytycznej w słabym (1mT) stałym
polu magnetycznym. Wówczas przez złącze, oprócz prądu stałego,
płynie również prąd przemienny o częstotliwości zależnej od napięcia
U polaryzującego złącze zgodnie z zależnością:
2e
f = U
h
w której: e - ładunek elektronu,
h - stała Plancka
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
37
METROLOGIA EINS
Złącze Josephsona (1962) wykorzystywane zjawisko
Schodkowa charakterystyka
prądowo-napięciowa przy
zewnętrznym polu o
częstotliwości fs
2e
n " f = Un
s
h
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
38
METROLOGIA EINS
Złącze Josephsona właściwości fizyczne
Charakterystyka I = f (U) złącza ma przebieg schodkowy. Skok
występuje przy napięciu Un (n numer kolejny schodka):
2e
n " f = Un
s
h
Mierząc fs (z błędem na poziomie 10-10) można bardzo dokładnie
wyznaczyć napięcie schodkowe Un. Możliwe jest więc
wykorzystanie złącza Josephsona do odtwarzania jednostki
napięcia. Problemem jest tylko dokładne ustalenie wartości e i h.
Wartość stałej Josephsona została ustalona przez BIPM w 1990 r.
2e = 483 597,9 GHz / V
=
=
=
h
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
39
METROLOGIA EINS
Koniec wykładu !!! Koniec wykładu !!! Koniec wykładu !!! Koniec wykładu !!! Koniec wykładu !!! Koniec wykładu !!!
Złącze Josephsona budowa wzorca
Napięcie na pojedynczym złączu jest poniżej 1mV. Dla
częstotliwości 10GHz schodek napięcia ma ok. 20V.
W praktyce stosuje się połączone szeregowo złącza (nawet do
20000 złączy), co pozawala otrzymać napięcie 10V. Niedokładność
takiego wzorca jest na poziomie 10-7.
W GUM pracuje wzorzec na złączu Josephsona firmy RMC (USA).
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
40
METROLOGIA EINS
Koniec wykładu !!! Koniec wykładu !!! Koniec wykładu !!! Koniec wykładu !!! Koniec wykładu !!! Koniec wykładu !!!
Ogniwo Westona nasycone budowa (1893 US Patent)
Pojemnik szklany w kształcie
litery H zabezpiecza przed
wymieszaniem się składników
Pasta z mieszaniny siarczanu
kadmu i siarczany rtęci
stanowi depolaryzator
elektrody dodatniej
Elektrolitem jest nasycony
roztwór siarczanu kadmu
Dzięki kryształom
siarczanu kadmu
roztwór jest nasycony
w każdej temperaturze
Elektrodę dodatnią
Elektrodę ujemną stanowi
stanowi rtęć Hg
amalgamat kadmu Cd-Hg
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
41
METROLOGIA EINS
Ogniwo Westona 494,827 US Patent, 4 april 1893
Żródło:United States Patent and Trademark Office,
http://www.uspto.gov/
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
42
METROLOGIA EINS
Ogniwo Westona nasycone - właściwości
1.Wartość siły elektromotorycznej w temperaturze równej+20C
wynosi od 1,018540V do 1.018730V (zależnie od jakości użytych
materiałów), klasa dokładności od 0,01 do 0,0002 (2ppm/rok).
2.Wartość siły elektromotorycznej ogniwa nasyconego jest zależna od
temperatury. W obudowie powinno znajdować się gniazdo na
termometr umożliwiający pomiar temperatury ogniwa.
3.Ogniwa nasycone są bardzo wrażliwe na wstrząsy.
4.Ogniwa nasycone mają dużą rezystancję wewnętrzną rzędu 1k&! i
niewielką obciążalność prądową poniżej 1A. (obciążenie rezystancją
powyżej 1M&!). Pobór prądu powyżej 100A trwale uszkadza zródło
(obciążenie rezystancją poniżej 9k&!).
5.Odporniejsze mechanicznie i elektrycznie są ogniwa nienasycone,
posiadają one jednak gorsze parametry metrologiczne.
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
43
METROLOGIA EINS
Dioda Zenera charakterystyka I-U
Charakterystyka w kierunku
zaporowym, początkowo
analogiczna jak dla zwykłej
Charakterystyka w kierunku
diody prostowniczej (bardzo
przewodzenia, analogiczna
duża rezystancja dynamiczna
jak dla zwykłej diody
Rd)
prostowniczej
"U
Stromy fragment
z
Rd =
charakterystyki w
"Iz
kierunku zaporowym,
wykorzystywany do
stabilizowania napięć
(bardzo mała rezystancja
dynamiczna Rd)
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
44
METROLOGIA EINS
Dioda Zenera budowa wzorca prostego
Rezystor
Filtr
ustalający prąd
dolnoprzepustowy
diody Zenera
RC
Dioda Zenera
Diody
prostownicze
Zasilacz
niestabilizowany
Dwa stopnie stabilizacji
zwiększają stabilność napięcia
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
45
METROLOGIA EINS
Dioda Zenera budowa wzorca ze wzmacniaczem
Rezystory ujemnego
sprzężenia zwrotnego
R2 + R3
Uwy = U
z
Dodatnie sprzężenie zwrotne
R2
początkowo jest duże (duża
wartość początkowa Rd), a
potem maleje (małą wartość
Rezystor dodatniego
Rd w obszarze stabilizacji)
sprzężenia zwrotnego
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
46
METROLOGIA EINS
AD588 scalone zródła napięcia wzorcowego
R1 + R2
Uwy = U = 10V
z
R2
Bufory
wyjściowe
Rezystory ujemnego
sprzężenia zwrotnego
Sztuczna masa
(aktywna)
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
47
METROLOGIA EINS
Wzorce prądu
Współcześnie jako wzorce prądu wykorzystywane są :
- Wagi prądowe, wykorzystywane obecnie jako wzorce
pierwotne jednostki miary (etalony) prądu,
- Kalibratory prądu, wykorzystywane obecnie jako wzorce
(etalony) odniesienia i wzorce niższych rzędów.
Waga prądowa realizuje wzorzec ampera na podstawie
definicji ampera zawartej w rozporządzeniu W sprawie
legalnych jednostek miar , ale nie w dosłowny sposób.
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
48
METROLOGIA EINS
Żródło: Sejm RP,
Wzorce prądu definicja ampera
http://isip.sejm.gov.pl/
Bardzo trudne do
bezpośrednie
praktycznej realizacji
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
49
METROLOGIA EINS
Wzorce prądu waga prądowa Rayleigha
F1 = F2 Stan równowagi wagi
Praktyczna realizacja
oznacza równość sił F1= F2
dwóch równoległych
nieskończenie długich ...
k stała wynikająca z
konstrukcji cewek
F1
k =
2
I
2
F2 = m" g
F1 = k " I
F1 = F2
m masa odważników
g przyspieszenie ziemskie
Niepewność odtworzenia
mg
jednostki prądu na
I =
k
poziomie 6 ppm
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
50
METROLOGIA EINS
Wzorce prądu wnioski
1.Niepewność odtworzenia jednostki prądu za pomocą wagi
prądowej Rayleigha na poziomie 6 ppm należy uznać za
niewielką.
2.Waga prądowa jest dość złożoną i zawodną konstrukcją
elektromechaniczną. Z tych względów jest rzadko stosowana.
3.W praktyce jednostkę prądu odtwarza się metodą pośrednią
z jednostki napięcia (złącze Josephsona, niepewność 0,002
ppm) i jednostki rezystancji (rezystory wzorcowe 1 om,
niepewność 1 ppm).
4.W zastosowaniach nie wymagających tak wysokich
dokładności wykorzystuje się kalibratory prądu.
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
51
METROLOGIA EINS
Wzorce prądu kalibrator prądu
Separator
Wzmacniacz
Przetwornik
Komparator
Blok nastawy Regulator
Obciążenie
galwaniczny
mocy
C/A
prądu
Bocznik rezystor
wzorcowy
Niepewność odtworzenia
nastawionej wartości prądu jest na
poziomie rzędu 10 50 ppm
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
52
METROLOGIA EINS
Wzorce rezystancji
Współcześnie jako wzorce rezystancji wykorzystywane są :
- kwatowy efekt Halla, wykorzystywane obecnie jako
wzorce pierwotne jednostki miary (etalony) rezystancji,
- Rezystory wzorcowe, wykorzystywane obecnie jako
wzorce (etalony) odniesienia i wzorce niższych rzędów, do
niedawna wykorzystywane jako etalony pierwotne,
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
53
METROLOGIA EINS
Wzorce rezystancji - kwantowy efekt Halla (Nobel 1985)
Kwantowe schodki
na charakterystyce
U
H
RH =
I
J
Bardzo duże
1 2 K
wartości indukcji
Niepewność odtworzenia wartości
h KK
RH (n)= =
rezystancji jest na poziomie rzędu
2e2n n
0,01 ppm
h
KK = = 25812,807&!
Stała Klitzinga
2e2
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
54
METROLOGIA EINS
Wzorce rezystancji oporniki wzorcowe
Wzorcami rezystancji są bardzo starannie wykonane i dokładnie
wzorcowane oporniki z drutów i taśm rezystancyjnych. Materiał
oporowy z którego wykonuje się wzorce powinien się
charakteryzować poniższymi właściwościami:
" duża rezystywność;
" mały współczynnik temperaturowy,
" mała siła termoelektryczna w styku z miedzią,
" stałość oporu w czasie,
" duża wytrzymałość mechaniczna i cieplna.
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
55
METROLOGIA EINS
Wzorce rezystancji drut oporowy
Materiałami spełniającymi te wymagania są stopy miedzi, manganu i
niklu, znane pod nazwami handlowymi manganin i nikrothal.
Ich parametry elektryczne są następujące:
manganin nikrothal
" współczynnik temperaturowy d" 2"10 5 K 1 d" 1"10 5 K 1
rezystancji
" rezystywność ok.43"10-8&!m ok.133"10-8&!m
" napięcie termoelektryczne ok. 1V/K ok.2V/K
w/m miedzi
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
56
METROLOGIA EINS
Wzorce rezystancji - schemat zastępczy
Z1 = R + jL
1
Z =
Stała czasowa
2
jC
rezystora istotna dla
napięć zmiennych
Z = Z1 || Z
2
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
57
METROLOGIA EINS
Wzorce rezystancji stała czasowa
Stała czasowa rezystora wprowadza przesunięcie fazowe dla
przebiegów przemiennych oraz zniekształca sygnały impulsowe,
dlatego powinna być jak najmniejsza.
Poprzez odpowiednią konstrukcję należy zapewnić
małą indukcyjność L oraz małą pojemność C
L
= - RC
R
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
58
METROLOGIA EINS
Wzorce rezystancji szczegóły konstrukcyjne
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
59
METROLOGIA EINS
Wzorce rezystancji 2 i 4 zaciskowe
Zaciski napięciowe są
zwykle mniejsze
U
Zaciski prądowe są
zwykle większe
I
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
60
METROLOGIA EINS
Wzorzec rezystancji laboratoryjny 4 zaciskowy
Zaciski prądowe (1,2)
są zwykle większe
I
U
Zaciski napięciowe (3, 4)
są zwykle mniejsze
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
61
METROLOGIA EINS
Wzorce rezystancji przemysłowe 4 zaciskowe (boczniki)
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
62
METROLOGIA EINS
Wzorce rezystancji nastawne rezystory dekadowe
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
63
METROLOGIA EINS
Wzorce pojemności
Współcześnie jako wzorce pojemności wykorzystywane są :
- kondensatory liczalne, konstrukcji Thompsona-Lamparda
wykorzystywane obecnie jako wzorce pierwotne jednostki
miary (etalony) pojemności,
- kondensatory płaskie, z dielektrykiem powietrznym lub
stałym (kwarc, tworzywa sztuczne) wykorzystywane obecnie
jako wzorce niższych rzędów
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
64
METROLOGIA EINS
Wzorce pojemności liczalny wzorzec Thompsona-Lamparda
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
65
METROLOGIA EINS
Wzorce pojemności schemat zastępczy
Tangens kąta
W idealnym
stratności jest miarą
kondensatorze kąt
jakości rzeczywistego
jest równy zero
kondensatora
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
66
METROLOGIA EINS
Wzorce pojemności - ekranowanie
Pojemności względem
Pojemności względem
ekranu są znane i
ziemi są nieokreślone,
stabilne w czasie
zależne od warunków,
są więc zmienne !!!
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
67
METROLOGIA EINS
Wzorce pojemności łączenie ekranu
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
68
METROLOGIA EINS
Wzorce indukcyjności
Współcześnie jako wzorce indukcyjność wykorzystywane są :
- cewki indukcyjności własnej,
- cewki indukcyjności wzajemnej.
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
69
METROLOGIA EINS
Wzorce indukcyjności wzorzec liczalny
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
70
METROLOGIA EINS
Wzorce indukcyjności schemat zastępczy
L Rs
Cr
Schemat zastępczy wzorca indukcyjności
L - indukcyjność dławika dla małych częstotliwości,
-
-
-
Rs - rezystancja szeregowa, Cr - pojemność równoległa,
- -
- -
- -
Wzorce indukcyjności własnej budowane są od wartości
10
H do 10 H.
Błąd wzorca <" 5 ppm (5 "
<" "10-4 %).
<" "
<" "
Wzorce użytkowe - błąd <" 0,02 %.
<"
<"
<"
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
71
METROLOGIA EINS
Wzorce indukcyjności dobroć
a)
b)
2
ip RS
i
L Rs
Q S
W praktyce schemat zastępczy cewki upraszcza się do
schematu szeregowego
L
Q =
=
=
=
Dobroć cewki
R
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
72
METROLOGIA EINS
Wzorce indukcyjności własnej i wzajemnej - budowa
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
73
METROLOGIA EINS
Wzorce indukcyjności własnej dekadowe
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
74
METROLOGIA EINS
Wzorce częstotliwości
Współcześnie jako wzorce częstotliwości wykorzystywane są :
- Fontanna cezowa, wykorzystywana obecnie jako wzorce
pierwotne jednostki miary (etalony) czasu i częstotliwości,
- Cezowe zegary atomowe, wykorzystywane obecnie jako
wzorce (etalony) odniesienia i wzorce niższych rzędów, do
niedawna wykorzystywane jako etalony pierwotne,
- Generatory kwarcowe, wykorzystywane głównie jako
wzorce robocze,
- Radiowe sygnały częstotliwości wzorcowych, KCzW
225kHz (1program PR), DCF 77,5kHz, sygnał pps systemu
GPS, (pulse per second) wykorzystywane do synchronizacji
generatorów kwarcowych wzorców roboczych.
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
75
METROLOGIA EINS
Wzorce częstotliwości uzyskiwane dokładności
NIST - National Institute of Standards and Technology
Żródło: NIST Time and Frequency Division, http://www.nist.gov/pml/div688/
NIST jest amerykańską agencją federalną spełniająca funkcję
analogiczną do polskiego GUM (Głównego Urzędu Miar).
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
76
METROLOGIA EINS
Wzorce częstotliwości cezowy zegar atomowy
Niepewność odtworzenia
wartości czasu i
częstotliwości w GUM
wynosi
1,3.10-14 czyli 1,3.10-8 ppm
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
77
METROLOGIA EINS
Wzorce częstotliwości cezowy zegar atomowy GUM
Żródło: Główny Urząd Miar, http://www.gum.gov.pl
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
78
METROLOGIA EINS
Wzorce częstotliwości fontanna cezowa
Niepewność odtworzenia
wartości czasu i
częstotliwości w NPL wynosi
2,3.10-16 czyli 2,3.10-10 ppm
Jest to najdokładniejszy
obecnie wzorzec na świecie!
NPL - National Physical
Laboratory near London,
UK
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
79
METROLOGIA EINS
Wzorce częstotliwości poglądowe przedstawienie dokładności
Błąd 1 sekundy w danym przedziale czasu
Przedział czasu Liczba sekund Uwagi
% ppm
-
minuta 60 1,666666667 16666,66667 0,016666667 ! miernik do pomiarów technicznych klasy 2
! najdokładniejsza znormalizowana klasa
34 minuty 2 040 0,049019608 490,1960784 0,000490196
przyrządów pomiarowych: 0,05
godzina 3 600 0,027777778 277,7777778 0,000277778
! zegarek mechaniczny: ą10 sekund/dobę
2,5 godziny 9 000 0,011111111 111,1111111 0,000111111
doba 86 400 0,001157407 11,57407407 1,15741E-05
! zegarek elektroniczny: ą10 sekund/miesiąc
3 dni 259 200 0,000385802 3,858024691 3,85802E-06
miesiąc 2 635 200 3,79478E-05 0,379477838 3,79478E-07
rok 31 622 400 3,16232E-06 0,031623153 3,16232E-08
10 lat 316 224 000 3,16232E-07 0,003162315 3,16232E-09 ! dobrej klasy laboratoryjny częstościomierz
cyfrowy (np. typu PFL)
100 lat 3 162 240 000 3,16232E-08 0,000316232 3,16232E-10
1000 lat 31 622 400 000 3,16232E-09 3,16232E-05 3,16232E-11
10 tyś. lat 316 224 000 000 3,16232E-10 3,16232E-06 3,16232E-12
100 tyś. lat 3 162 240 000 000 3,16232E-11 3,16232E-07 3,16232E-13
1 mln lat 31 622 400 000 000 3,16232E-12 3,16232E-08 3,16232E-14
3 mln lat 94 867 200 000 000 1,05411E-12 1,05411E-08 1,05411E-14 ! wzorzec GUM: ą1 sekunda/3 mln lat,
zegarek DCF77
10 mln lat 316 224 000 000 000 3,16232E-13 3,16232E-09 3,16232E-15
100 mln lat 3 162 240 000 000 000 3,16232E-14 3,16232E-10 3,16232E-16
138 mln lat 4 363 891 200 000 000 2,29153E-14 2,29153E-10 2,29153E-16
! wzorzec NPL: ą1 sekunda/138 mln lat
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
80
METROLOGIA EINS
Podsumowanie
1.Rozróżniamy wzorce jednostki miary zwane etalonami i wzorce robocze
2.Etalony są to wzorce wykorzystywane wyłącznie do porównań z innymi
wzorcami, nie wykorzystuje się ich w pomiarach
3.Wszystkie wzorce są ze sobą powiązane łańcuchem spójności pomiarowej
tworząc piramidę wzorów, na szczycie której znajduje się etalon pierwotny
4.Wzorce służą do wzorcowania
5.Spośród wielkości elektrycznych najczęściej wykorzystywane są wzorce:
napięcia, prądu, rezystancji, pojemności, indukcyjności oraz czasu i
częstotliwości
6.Do najdokładniejszych obecnie stosowanych wzorców należą wzorce czasu i
częstotliwości (fontanny cezowe) o niepewności odtwarzania wartości
wzorcowej 2,3.10-16 (2,3.10-10 ppm) czyli 1 sekunda na 138 mln lat
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
81
METROLOGIA EINS
DZIKUJ ZA UWAG
Eligiusz Pawłowski
Zjazd 5, wykład 9, 10
82
METROLOGIA EINS
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
E Pawlowski wyklad ME EINS 2012 w05 06E Pawlowski wyklad ME EINS 2012 w07 08E Pawlowski wyklad ME EINS 2012 w03 04E Pawlowski wyklad ME EINS 2012 w01 02E Pawlowski wyklad ME EINS 2012 w13 14E Pawlowski wyklad ME EINS 2012 w11 12E Pawlowski wyklad ME EINS 2013 w15E Pawlowski wyklad ME EINS 2013 w16E Pawlowski wyklad ME EINS 2013 w17E Pawlowski wyklad ME EZ 2010 w03 04E Pawlowski wyklad ME EZ 2010 w01 02Wykład z 29 lutego 2012 r Przedmiot nauki o policjiGeo fiz wykład 12 12 2012Wyklad BIOL ESTYMACJA 2012Wyklady NA TRD (9 )2012 FKPC Wykład (7) 13 11 2012KPC Wykład (6) 06 11 2012więcej podobnych podstron