4. loeng - taltechisc.ttu.ee/materials/martin/mht0110/m_12_l4.pdf4. loeng 1. mõõtetehnika...

28
ISS0050 Mõõtmine. Loengumärkmed L4.1 4. Loeng 1. Mõõtetehnika põhimõisted ......................(jätkub) Kuidas hinnata ja esitada mõõtetulemust viga, hälve, mõõtemääramatus, mõõtetulemus Juhuslikud vead juhuslik suurus, hinnangud Mõõtetäpsuse piirid on olemas põhimõtteline piir, täpsemalt mõõta ei õnnestu [1] Mõõtmise alused. 2.1-2.3, 3.1-3.4 või [2] Mõõtetulemuste usaldatavus. 1.1-1.8, 2.1-2.4

Upload: others

Post on 27-Jan-2021

1 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

  • ISS0050 Mõõtmine. Loengumärkmed L4.1

    4. Loeng

    1. Mõõtetehnika põhimõisted

    ......................(jätkub)

    Kuidas hinnata ja esitada mõõtetulemust viga, hälve, mõõtemääramatus, mõõtetulemus

    Juhuslikud vead juhuslik suurus, hinnangud

    Mõõtetäpsuse piirid on olemas põhimõtteline piir, täpsemalt mõõta ei õnnestu

    [1] Mõõtmise alused. 2.1-2.3, 3.1-3.4 või

    [2] Mõõtetulemuste usaldatavus. 1.1-1.8, 2.1-2.4

  • ISS0050 Mõõtmine. Loengumärkmed L4.2

    Mõõtmine /measurement/и мерение/

    mõõteseade

    võrdlust teostav füüsikaline seade

    mõõtesuurus /measurand/измеряемая в./

    mõõtmise objektiks olev suurus,

    on füüsilise objekti omadus

    mõjur /influence/влияющая в./

    ei ole mõõtesuurus kuid mõjutab mõõtetulemust

    (temperatuur, õhurõhk, ...)

    mõõtetulemus / /реультат/

    mõõtmise teel saadud mõõtesuuruse hinnang

    mõõteprintsiip

    mõõtmise aluseks olev füüsikaline effekt

    mõõteprotseduur

    toimingute jada, juhendmaterjal, algoritm

    mõõtemeetod

    võrdluse aluseks olev füüsikaline nähtus

    katsetaja, operaator

    koostab, juhib, haldab, loeb

    etalon mõõtesuuruse ühiku füüsiline realisatsioon

    mõõteseade mõõteseade

    mõõtetulemus mõõtesuurus

    mõjur

    -mõõteprintsiip -mõõtemeetod -mõõteprotseduur

  • ISS0050 Mõõtmine. Loengumärkmed L4.3

    Üldised märkused mõõtmise kohta:

    objektiivsus, mõõtmine ei sõltu vaatlejast

    -kes mõõdab (isik)

    -kuskohas mõõdetakse (koht)

    -kuidas mõõdetakse (seadmed)

    -millal mõõdetakse (aeg)

    mõõtmisel on eesmärk mis mää’rab täpsuse

    objekti mudel (lisainfo)

    -aprioorne info

    -täpsustused, lisamõõtmised

    -erinevad objekti mudelid

    mudel võimaldab interpreteerida tulemusi

    mõõtmine on protsess

    koosneb etappidest: ettevalmistus

    mõõtmine

    tulemuste töötlus

    mõju objektile

    viiakse kokku objekt ja mõõtevahend,

    mõõtevahend koormab objekti

  • ISS0050 Mõõtmine. Loengumärkmed L4.4

    mõõtmisel: küsime midagi (mida ei tea) ja

    saame vastuse (mõõtetulemuse)

    suuruse väärtus /value/значение/

    suuruse koguse väljendus tema ühikutes

    [arv] + [ühik]

    4,3 m; 81 kg

    arvväärtus on esitatav numbrite jadana

    -mõõtetulemused on ratsionaalarvud (n/m)

    lõpliku pikkusega kümnend/kahendarvud

    -irratsionaalarvud (tähistusega: π, √2) ei saa olla tulemuseks

    väärtusi saadakse: (1) omistamisega -> /primaaretalon/

    (2) mõõtmisega -mõõtetulemus

    arvväärtus

    M = c Mo

    kogus, väärtus

    ühik

    0 1 Xc1 Xc2 X

    a

    b c

    arvväärtus

    ühiste omadustega objektid

    1

    ühik

    (empiiriline maailm)

    (abstraktne maailm)

  • ISS0050 Mõõtmine. Loengumärkmed L4.5

    Miks mõõtetulemus ≠ mõõtesuurusega ?

    on mõõtesuuruse ~ hinnang

    mõõtetulemus on mittetäielik info mõõtesuuruse kohta, sest

    mõõteseade ei ole täiuslik, komponendid hajuvad,

    etaloni väärtus on ligikaudne

    mõõtesuurus ei ole täpselt määratud (resistor: R, C,)

    mõõteseade koormab mõõtesuurust

    mõjuvad häired ja mürad (keskkond, temperatuur, ..)

    mõõtemeetod on ligikaudne

    student ei ole läbinud ainet ISS0050 „Mõõtmine“

    kõik mõõtmised on ebatäpsed, seda ebatäpsust saab hinnata

  • ISS0050 Mõõtmine. Loengumärkmed L4.6

    1.3 Mõõtetulemuse hindamine

    mõisted: „mõõteviga, mõõtehälve, mõõtemääramatus“

    (1) subjektiivselt

    „head andmed“ –mida ootasime,

    -on kooskõlas meie ettekujutusega ...

    „halvad andmed“ -mitteootuspärased

    -ei ole kooskõlas ettekujutusega ...

    ekse outlier выбросы

    andmepunkt, mis ei sobi

    teiste andmetega >8σ

    põhjus: aparatuur, inimene, häire, mudel, ...

    (2) ajalooliselt esimesena kasutati mõistet viga

    -----iseloomustab lähedust tõelisele väärtusele

    mõõteviga = mõõtetulemus - tõeline väärtus

    = Xm – Xt /error/погрешность/ viga (e. absoluutne viga) on märgiga ja ühikuga suurus:

    +3cm, -0,001 mV, +5 C, ...

    midagi ei ole valesti vea korral ≠ ошибка

    tõeline väärtus Xt on teadmata (selle leidmine on

    mõõtmise eesmärgiks), on teoreetiline mõiste, selle

    määramine ei ole põhimõtteliselt teostatav

    „tõeline väärtus“ (e. mõõtesuuruse täpne väärtus) on olemas,

    kuid seda on ebamugav kasutada

  • ISS0050 Mõõtmine. Loengumärkmed L4.7

    (3) hälve --lähedus väärtusele mida saab arvutada või mõõta

    mõõtehälve = mõõtetulemus - tugiväärtus

    = Xm - Xt

    Hälbe saab määrata kui tugiväärtuseks valida

    mõõtmiste keskväärtus, siis saame juhusliku hälbe

    teise (täpsema) mõõtevahendiga leitud hinnang

    (nn. leppeväärtus),

    --Mõõtehälbe saab katseliselt määrata („kalibreerimine“).

    Kui eeldada et =const (sellel seadmel, antud

    mõõtepiirkonnas), siis saab hälvet hiljem kasutada teistes

    mõõtmistes parand correction C

    Xt = Xm +(- )= Xm + C, [näide: parand]

    --Mõõtesuurusel võib anda palju väärtusi (mõõtesuuruse

    hinnangud), mõõtetulemus (näit e. mõõdis) on üks nendest. U=9,00 V; kas U=9,007 V on mõõteuuruse hinnanguks?

    Mõõteriista maksimaalset lubatud hälvet/viga kirjeldab

    piirviga accuracy max|Δ| < Δp

    e. „lubatud viga, riistaviga, näiduhälve“

    Mõõtesuuruse väärtust Xt kirjeldatakse:

    -kahe võrratusega: Xm-Δp ≤ Xt ja Xt ≤ Xm+Δp (P=1)

    -punktina intervallis X = Xm ± Δp

    mõõtesuuruse graafiline esitus mõõtetulemuse ja piirveana

    error bar Exceli diagrammis

    Xm Xm+Δp Xm-Δp

  • ISS0050 Mõõtmine. Loengumärkmed L4.8

    suhthälve , suhteline viga mille suhtes?

    X =1%

    =1 cm; X=1 km --> =0,001%

    Xp

  • ISS0050 Mõõtmine. Loengumärkmed L4.9

    Kuidas veel hinnata mõõtetulemust ?

    (4) mõõtemääramatus /uncertainty/неопределенность/

    Hinnatakse mõõtetulemuse mitteteadmist

    hindamise aluseks on kogu teadaolev info,

    kõik mitteteadaolevad mõjud põhjustavad mõõtetulemuse

    hajumise, mis omistatakse mõõdetavale suurusele

    On vaja et mõõtemääramatus :

    oleks kasutatav kõikidel mõõtmistel

    võimaldaks komponentide andmetest arvutada

    summaarse

    on esitatav usaldusvahemikuna U(X) teadaoleva

    usaldustõenäosusega P

    Mõõtemääramatus

    kirjeldab kõiki väärtusi mida võib omistada mõõdetavale

    suurusele

    on hinnang olemasoleva info alusel, kuid see hinnang võib ka

    muutuda kui saame mõõtmisest lisainformatsiooni.

    on mõõtetulemuse omadus, ei ole mõõtevahendi omadus!

    Mõõtemääramatus kui hinnang on esitatav

    -standardhälbe kujul u(X) „standardmääramatus“

    -intervallhinnang U(X) „laiendmääramatus“

    (usaldusvahemik ja -tõenäosus)

    X

    Xm U(X)

  • ISS0050 Mõõtmine. Loengumärkmed L4.10

    Mõõtetulemus (näiteks: 14,50 V ± 0,5 V) koosneb

    mõõtesuuruse arvväärtustest ja ühikust ning

    mõõtemääramatuse arvväärtustest ja ühikust

    arvväärtus on lõpliku pikkusega kümnendarv

    ei esine selliseid arve nagu: π, √2 !

    arvväärtuse viimane kümnendkoht on noorem järk

    arvu olulised e. tähenduslikud e. kehtivad numbrikohad

    0,01430 4 numbrikohta significant digit

    0,0025 2 numbrikohta

    45,2 3 numbrikohta sisaldab olulist infot

    12000 3 numbrikohta

    oluline numbrikoht algab esimese mittenullise numbriga

    -mõõteseadme poolt väljastatav väärtus on oluline

    -arvutustulemus 10/3=3,333333333 ?

    Kuidas esita arvväärtuses ainult olulised numbrikohad

    1. kujus x.xx...x∙10-y scientific

    123400 m = 1,234∙105 m, raske lugeda ja aru saada, või

    2. kasuta kord- ja osaühikuid (x1000)

    123400 m = 123,4 km, 1,34∙10-2 V = 13,4 mV

    1,007∙108 Hz = 100,7 MHz

  • ISS0050 Mõõtmine. Loengumärkmed L4.11

    Loetlemise tulemus on täisarv, mis esitatakse täpselt.

    Kui tulemused saadakse läbi arvutuste, arvutuste täpsus

    sõltub arvutist, ei ole mõttekas arvutada väga täpselt.

    Ümardamine rounding on arvu esitamine väiksema arvu

    oluliste numbrikohtadega. Kui eemaldatavas kümnendkohas

    on numbrid 5, 6, 7, 8, 9 siis eelnevale kohale liidetakse +1.

    Arvu muutus ümardamisel ei ületa ±½ viimast kohta.

    /Tehted oluliste numbrikohtadga arvudega: korrutis, .../

    45,2 ± ½·0,1 = (45,15 ... 45,25)=45,2

    arvväärtus esindab kõiki neid arve milliste ümardamisel

    saadakse antud arv: arv ±½· noorem järk

    esitatud tulemust mõistetakse nii

    U=3 V U= (2,5 ... 3,5) V

    U=3,00 V U= (2,995 ... 3,005) V

    U=3,000000 V ..........

    kümnendarvud ##.# 45,1

    pidev arvtelg

    45,2 45,3 45,0

  • ISS0050 Mõõtmine. Loengumärkmed L4.12

    Kui täpselt tuleb esitada mõõtetulemus?

    kui mõõteseade näitab mõõtesuuruse arvväärtust siis

    kirjuta (salvesta) see näit, ära ümarda tulemusi

    jooksvalt, ära lisa näidule nulle ! 3,12 V ≠ 3,120 V

    mõõtemääramatusel kui hinnangul on omakorda

    mõõtemääramatus, ei ole määratud mis see on ja kuidas

    kasutada

    mõõtemääramatust ei ole vaja teada täpselt,

    --esitataksekahe tähendusliku numbrikohaga:

    väärtustega 10 ...99 (1% ...5%), ± 0,042 V --kuid võib esitada ka ühe numbrikohaga kui esimene

    number on >2, väärtustega 3...9 (täpsusega 5% ...15%)

    ± 0,04 V esita mõõtesuurus ja mõõtemääramatus sama

    kümnendkohtade arvuga, vajadusel ümarda

    mõõtesuuruse (või mõõtemääramatuse) arvväärtust

    14,85 V ± 0,15 V

    VALE ESITUS 1,1±0,1; 1,1±0,10; 1,104±0,104; ...

    X u(X)

  • ISS0050 Mõõtmine. Loengumärkmed L4.13

    Kui suuruse Xt väärtusele on mitmeid hinnanguid siis

    tulemused võivad olla kooskõlas või vasturääkivad

    Näide1: suurust mõõdetakse kahe mõõtevahendiga MV1, MV2

    tulemuseks on 4 arvu: mõõteväärtused Xm1, Xm2 ja

    veapiirid Δ1, Δ2; ehk 2 intervalli X1, X2

    Kas mõõtetulemused sobivad omavahel?

    a)

    hinnangutes on ühisosa, intervallid lõikuvad ,

    ehk |Xm1-Xm2|‹ Δ1+Δ2

    tulemused on omavahel kooskõlas

    b)

    puudub ühisosa , mingi eeldus ( ) on vale

    tulemused ei ole omavahel kooskõlas põhjused:

    -üks mõõteriist ei ole töökorras

    -ei mõõdeta sama suurust

    -mõõtmistingimused erinevad

    .....

    X1

    X2

    X1

    X2

    MV1

    MV2

    Xm1 ±Δ1

    Xm2 ±Δ2

    Xt

  • ISS0050 Mõõtmine. Loengumärkmed L4.14

    Näide2: mõõdetakse teadaoleva väärtusega suurust

    nimiväärtus e. nominaalväärtus

    resistor R=10 kΩ ±5% kaalupomm m=1 kg ±10 mg

    Kas mõõdetud suurus Xi vastab nimiväärtusele?

    Millistel mõõtetulemustel (Xmi, Δi) võib järeldada et

    -mõõdetud väärtus vastab nimiväärtusele (Xn, Δn)

    -mõõdetud väärtus ei vasta nimiväärtusele

    Mõned mõõtmised ei anna vastust sellele küsimusele.

    Nende hinnangute aluseks on võrratused tõenäosusega P=1.

    Täpsemad tulemused saame kui arvestame vigade juhuslikku

    iseloomu ja jaotust piirvea intervallis ±Δp

    MV

    Xn ±Δn nimiväärtus Xn + tolerants

    X = Xm ±Δ

    Xt

    Xnimi = Xn ±Δ

    X1 = Xm1 ±Δ1

    X2 = Xm2 ±Δ2

    X3 = Xm3 ±Δ3

  • ISS0050 Mõõtmine. Loengumärkmed L4.15

    vahepala ----------------------------------

    mõõtevigade liigitus ülevaade terminitest mõistel viga

    (1) tekkepõhjuste järgi

    --subjektiivsed vead eksperimentaatori vead: vale lugem, hooletus,

    --objektiivsed vead instrumentaalne viga –mõõtevahendi (seadme) viga mõõtemeetodi viga –on seotud mõõtmiste läbiviimisega mõõdetakse teist lähedast suurust,

    ADM viga diskreetsusest

    (2) esinemise seaduspärasuse järgi

    --süstemaatilised vead jäävad mõõtmise ajal konstantseks või muutuvad

    teadaoleva seaduspärasuse järgi

    kellaajast (temperatuurist) sõltuv viga

    avastatakse kalibreerimisel

    mõõtetulemust saab korrigeerida

    --juhuvead korduvatel mõõtmistel on tulemus mitteennustatav

  • ISS0050 Mõõtmine. Loengumärkmed L4.16

    (3) mõõtmistingimuste järgi

    --põhiviga -viga normaaltingimustel temperatuur: 20 C 5 C, toitepinge: 220V 5%

    --lisaviga veakomponent mis lisandub põhiveale kui tingimused väljuvad normaaltingimustest

    0,05%/ C

    (4) muutumise järgi

    --staatilised vead, viga muutumatu signaali mõõtmisel --dünaamilised vead, dX/dt 0

    (5) vea tekke koha järgi

    anduri viga, muundamise viga, ülekande viga, ...

    vahepala lõpp -------------------------------

    Mõõtevahend Mõõdetav

    suurus

    Mõõtetulemu

    s

    Mõjurid

    mõjur

    töötingimused

    normaaltingimused

    t

    Xm Xt

    X

  • ISS0050 Mõõtmine. Loengumärkmed L4.17

    Xt

    X

    X

    t

    X

    kui sama suuruse X korduvatel mõõtmistel

    sama mõõtevahendiga, või

    sama tüüpi kuid erineva mõõtevahendiga

    saame erinevad mõõtetulemused: Xm1, Xm2, Xm3, ...

    siis mõõtetulemus Xm on juhuslik suurus

    Mõõtetulemustest Xmi (i=1, 2, ...) mitte ükski üksik

    mõõtetulemus ei ole rohkem esinduslik kui mingi teine

    ei tohi valida suvaliselt nn. „parimaid“

    kõik sisaldavad sama informatsiooni

    ei ole teada et üks on lähedasem „tõelisele“ väärtusele

    kaks probleemi: erinevus tegelikust ja tulemuste hajumine

    Täpsus –mõõtetulemuse lähedus tõelisele väärtusele,

    Korratavus – mõõtetulemuse hajumise kirjeldus.

    Korratavus /precision/

    < (väike) > (suur)

    Täp

    sus

    /acc

    urac

    y/

    > (s

    uur)

    < (v

    äike

    )

    Xt

    X

    X

    t

    X

  • ISS0050 Mõõtmine. Loengumärkmed L4.18

    S=1 x

    f(x)

    Juhuslikud suurused mõisted:

    sündmus событие

    realiseerub või mitte: 0,1

    sündmuse tõenäosus P вероятность

    sündmuste kordumiste arvu Ns suhe katsete arvuga

    N

    NsP lim

    N

    P=0 –võimatu sündmus

    P=1 –kindlalt toimuv sündmus

    juhuslik suurus случ. величина

    mitteennustatava väärtusega suurus

    /ühemõõtmeline, reaalarvuline/

    jaotusfunktsioon F(x)=P( x) ф. распределения

    jaotustihedus )x(Fdx

    d)x(f

    ф.плотности вероят.

    -ühtlane jaot.

    -normaaljaot.

    piirteoreem: mitme juhusliku suuruse summa (keskmine)

    ligineb normaaljaotusele

    valim x1, x2, x3, x4, ... , xn sample выборка

    F(x)

    x 0

    1

  • ISS0050 Mõõtmine. Loengumärkmed L4.19

    hinnangud: punkthinnangud, intervallhinnangud

    o punkthinnangud -arvud

    aritmeetiline keskmine („keskväärtus“) среднее ариф. n

    ixn

    xkx1

    1 (parim hinnang!)

    valimi hajumist iseloomustab valimi:

    dispersioon n

    i xxn

    D1

    2

    1

    1 variance дисперсия

    ruutkeskmine hälve e. standardhälve D (arvuta Exeli funktsioonidega COUNT, AVERAGE, STDEV, VAR, ...)

    o intervallhinnangud -tõenäosuse P ja intervalli x seos

    довер.интервал

    usaldustõenäosus P(x1

  • ISS0050 Mõõtmine. Loengumärkmed L4.20

    Millised on kasutatavad tõenäosuse P väärtused?

    P=0,5 -sõjaväes,

    (pooled mürsud mööda, pooled pihta)

    P=0,9; 0,95 -tehnikas mõõtmistel

    P=0,997 -olulistel ja ohtlikel juhtudel

    Tõenäosus (P) ja intervall (X k ) normaaljaotusel:

    k -kattetegur

    -teistel jaotustel see ei kehti !

    aga teised jaotused?

    on üks eriline intervall Xk 1,6 , mille P 0,9 mitmetel

    jaotusseadustel (normaal, ühtlane, kolmnurk, eksp., ..)

    intervall tõenäosus

    Xk 0,67 P=0,5

    Xk 1 P=0,68

    Xk 2 P=0,95

    Xk 3 P=0,997 Xk P=1

    x

    f(x)

    Xk k

  • ISS0050 Mõõtmine. Loengumärkmed L4.21

    Maks. rajad a ja standardhälve on seotud järgmiselt

    Kui ei tea ka jaotusseadust, kuidas hinnata tõenäosusi

    olgu valim: x1, x2, x3, x4, ... , xn

    -korrastame kasvavas järjekorras

    intervallid on võrdtõenäosuslikud, loeme intervalle

    Tõenäosus et mõõtetulemus on vahemikus Xmin – Xmax

    1

    1

    n

    nP

    jaotusseadus: standardhälve

    ühtlane

    3/a

    kolmnurk

    6/a

    trapets

    622 /ba

    +a -a

    +a -a

    +a -a +b -b

    ..... Xmi

    n

    Xmax X

    n+1 intervalli

    n -punkti

    1 n 2 - +

  • ISS0050 Mõõtmine. Loengumärkmed L4.22

    Juhuslike vigade põhjusteks on kontrollimatud väikesed

    muutused

    mõõdetavas suuruses

    mõõteseadmes

    keskkonnas

    Parim hinnang juhuslikule suurusele on keskväärtus,

    enamus meie mõõtetulemustest hajub normaaljaotusega,

    korduvatel mõõtmistel arvutatud normaaljaotuse

    keskväärtus Xk on (Studenti jaotusega) juhuslik suurus

    kui n 10 siis keskväärtuse hajumine on kirjeldatav ~

    normaaljaotusega mille dispersioon ja standardhälve

    on arvutatavad valimi dispersioonist ja

    standardhälvest: D(Xk)=D(X)/n , n/k

    ning usaldusvahemik /e. laiendmääramatus U(Xk) /

    tõenäosuse P=0,95 korral on Xk±2·σk kui n‹ 10 siis keskväärtuse hajumine on kirjeldatav

    Studenti teguriga tν,β ning usaldusvahemik

    tõenäosuse P=β korral on Xk±tν,β·σk

    10 mõõtmise keskväärtus hajub 3x vähem,

    100 mõõtmise keskväärtus hajub 10x vähem,

    juhuslike vigade avastamiseks ja elimineerimiseks: -hoia tingimused samad, mõõda korduvalt-

    saab tõsta mõõtetäpsust kuid koondub halvasti.

    ettevaatust triivi korral, triiv muudab keskväärtust (korrelatsioon, mõõtetulemused ei ole sõltumatud)

  • ISS0050 Mõõtmine. Loengumärkmed L4.23

    Süstemaatilised vead

    Viga mis jääb mõõtmise kordamisel muutumatuks

    -ei vähene keskmistamisega, kuid

    -saab: avastada, hinnata, vältida (raske!)

    Liigid:

    1. Tuntud päritoluga , kontrollitava suurusega viga

    temperatuur, deformatsioon, maakera kumerus, arvutuste

    ligikaudsus, ...

    saab arvestada parandustena

    2. Tuntud päritoluga, tundmatu suurusega viga

    mõõteriista viga (instrumentaalne viga)

    on teada piirveana

    3. Tundmatud vead

    mudeli viga

    Süstemaatilise vea vähendamine:

    -täpsemad mõõtevahendid

    -mitu erinevat mõõtevahendit

    -asendusmeetod (kordamine erinevas olukorras)

    -paranduste arvutus (lisainfo)

    süstemaatiliste vigade avastamiseks ja elimineerimiseks: -muuda tingimusi, mõõda korduvalt-

    (erinevad meetodid ja protseduurid)

  • ISS0050 Mõõtmine. Loengumärkmed L4.24

    1.4 Mõõtmistäpsuse piirid täpsust piiravad:

    1) aine diskreetne iseloom

    -aatomid 10-10 m

    -laeng (elektronid) e=1,6 10-19 C

    2) kvanteffektid (muutused portsukaupa)

    -energia E=h , h=6,62 10-34 J/Hz

    -magnetvoo kvant =2,06 10-15 Wb

    3) termodünaamiline müra

    osakeste soojusliikumine

    __________ XIX saj.: “mõõtmistäpsuse põhimõtteline piir puudub”

    mõõtmistäpsuse määrab:

    -seadme ehitus,

    -eksperimentaatori oskused

    XXsaj. alguse

    täppismõõteriist:

    galvanomeeter

    pool magnetväljas

    Me=Mm = , jäikus

    (1925 –piir käes?)

  • ISS0050 Mõõtmine. Loengumärkmed L4.25

    on põhimõtteline piir: aatomite soojusliikumine

    1827.a. Robert Brown -botaanik

    1900 .a. A.Einstein

    termodünaamika: energia ühe vabadusastme kohta on kT/2,

    k=1,38 10-23 J/K Boltzmann

    Galvanomeetril on potets. ja kineetiline energia

    Wp Wk =kT/2

    20J

    TkTk -keskmine kõrvalekalle müra tõttu

    Ühekordsel mõõtmisel mõõteviga ei saa olla väiksem kui

    müraga määratud nivoo .

    Mida teha?

    Vähendada temperatuuri

    T=300 K --> T=4 K ehk 100x

    signaal väheneb 10x ( T ),

    raskerti realiseeritav

    suurendada jäikust

    muutub ka signaal

    suurendada mõõteaega, teha korduvaid mõõtmisi

  • ISS0050 Mõõtmine. Loengumärkmed L4.26

    meie signaalid on elektrilised

    Termomürad elektriahelates

    vabade elektronide kaootiline liikumine thermal noise

    1928 Johnson, Nyquist

    P=4kT f -resistori müravõimsus (“valge müra”)

    Toatemperatuuril kehtib sagedusteni f< 600 GHz

    P =i2 R =u2/R

    Iga kadudega keskkond (R≠0, T>0) genereerib kiirgust

    mis on võrdeline T-ga ja ei sõltu keskkonnast (R)

    -mõõteriista ülekantav võimsus (kui R’=R’’) on P’=kT f

    fT

    'P -228,6 dBW/(Hz K)

    toatemperatuuril 20 C = 293 K on müra:

    P’/ f= 4 10-21 W/Hz = -174 dBm/Hz (sat-tv, mobiiltelefonid)

    omavahel on seotud allika temperatuur T ja müra võimsus P

    Energia W = 4 10-21 f t

    R u(t)

    resistor

    R’

    R’’

    mõõteriist P’

    P’’

  • ISS0050 Mõõtmine. Loengumärkmed L4.27

    omavahel on seotud ajaintervall t ja signaali spekter f

    Järgmine mõõtmine on eelmisest sõltumatu.

    f t=const =(0,35 - 8)

    Energeetiline tundlikkuse lävi Wo=3,5 10-20 J (+20 C )

    Kui mõõtevahendile antakse sisendisse sellise energia, siis

    signaal sellest on võrdne signaaliga mürast (100% viga).

    See on põhimõtteline piir (ühekordsel mõõtmisel).

    Reaalne mõõtevahend on alati halvem.

    Näide. Voltmeeter pingele U=10 mV, täpsusega 0,01%,

    sisetakistusega 10M , ajaga 10 ms. Kas see on võimalik?

    Näide. Kas on võimalik eraldusvõime 1 nV ribas 1 MHz?

    Analoogne probleem on infoülekande korral

    Infot on võimalik eraldada mürast kui ühe biti

    ülekandeks vajalik energia on > kui 0.7 kT

    -teoreetiline piir, raske saavutada

    spekter

    f t

    t f

    ajavallas sagedusvallas

  • ISS0050 Mõõtmine. Loengumärkmed L4.28

    4. Loeng KOKKUVÕTE

    mõõtmistulemuse hinnangud: viga, hälve,

    mõõtemääramatus

    mõõtmistulemuse esitamine: mõõtesuurus ja

    mõõtemääramatus koos ühikuga

    juhusliku suuruse hinnangud

    mõõtetäpsuse piirid

    Järgmine loeng L5 käsitleme mõõtevahendeid

    loe läbi loeng L5 http://www.dcc.ttu.ee/Automaatika ...

    http://www.dcc.ttu.ee/Automaatika