Warto przeczytać

Przypomnijmy:

Ta definicja wymaga natychmiastowego doprecyzowania. Jak rozumieć „zauważalną reakcję”? Przez kogo lub co, i w jaki sposób reakcja ta ma być zauważona? Odpowiedź na to pytanie zależy od typu przyrządu pomiarowego.

Jeśli reakcją na zmianę wielkości mierzonej jest zauważalna zmiana jakiejś innej wielkości, którą tu umownie nazwiemy „wskaźnikiem”, to taki przyrząd pomiarowy nazwiemy analogowymmiernik analogowyanalogowym. „Wskaźnikiem” może być położenie wskazówki szybkościomierza w samochodzie, wysokość słupka cieczy w termometrze, wychylenie wskazówki woltomierza lub amperomierza, ale może to być też zmiana wysokości tonu względem wysokości dźwięku kamertonu przy strojeniu instrumentów muzycznych.

W wielu przypadkach jednak tak duża rozdzielczość jest nieosiągalna i trzeba za rozdzielczość przyjąć większą wartość, nawet wartość całej działki lub kilku działek elementarnych. Zobaczysz to na konkretnych przykładach. Zobaczysz też, że można poprawić zdolność rozdzielczą przyrządu pomiarowego. Poznasz ciekawe rozwiązania, które to umożliwiają.

Rozdzielczość jest cechą miernika, ale w określonych warunkach. Warunki te podaje się w specyfikacji miernika. Dotyczą one zwykle zakresu temperatury i wilgotności, ale także sposobu ustawienia miernika i rodzaju podłoża. Określa się także przedział czasu, kiedy miernik będzie zachowywał swe parametry ustawione fabrycznie. Po tym czasie wymagane jest sprawdzenie i ewentualnie kalibracja miernika.

Istotny jest też sposób wykonywania pomiarów, a więc także ważna jest rola osoby prowadzącej pomiary. Klasycznym przykładem jest tzw. błąd paralaksy wynikający z patrzenia ukośnie na tarczę miernika przy odczytywaniu wskazywanej wartości (Rys. 1.). Zauważmy też, że rozdzielczość związana jest z wielkością działki elementarnej, która zwykle jest taka sama w całym zakresie pomiarowym. Taka sama rozdzielczość odczytu na początku i przy końcu skali miernika oznacza jednak zupełnie inną wartość niepewności względnej związanej z odczytem, która równa jest stosunkowi niepewności odczytu do odczytanej wartości. Na początku skali, kiedy odczytywane wartości są małe, niepewność względna odczytu może być bardzo duża. Dlatego wykonujący pomiar powinien tak dobierać zakres pomiaru, aby wskazówka przy odczycie znajdowała się w końcowej części skali miernika.

RVTdabqJzrkTn

Rys. 1. Na ilustracji widoczny jest analogowy cyferblat pewnego przyrządu pomiarowego. Widoczne są trzy półokrągłe skale z noniuszami. Górny czarny noniusz posiada zgrubną jednostkę oznaczoną równą dwadzieścia, która podzielona jest na dziesięć równych odcinków. Środkowy czarny noniusz posiada zgrubną jednostkę równą pięć, która jest podzielona na dziesięć jednakowych odcinków. Dolny, zielony noniusz posiada skalę logarytmiczną. Pomiędzy dwoma górnymi, czarnymi skalami znajduje się zwierciadło w którym widać odbicie strzałki licznika służącej do odczytu wartości. Odczytu powinno dokonywać się w taki sposób aby wskaźnik w postaci strzałki i jego odbicie znajdowały się w jednej linii. Zapobiega to popełnieniu tak zwanego błędu paralaksy. Błąd paralaksy spowodowany jest tym, że obserwator patrzy odczytuje wartość pod pewnym kątem a więc nie widzi dokładnie wyniku ale rzut strzałki na noniusz. Błąd paralaksy istniej tylko w miernikach analogowych.

Jeśli reakcją na zmianę wielkości mierzonej jest zmiana wartości liczbowej na wyświetlaczu urządzenia pomiarowego, to taki przyrząd nazywamy cyfrowymmiernik cyfrowycyfrowym.

W przypadku mierników wielozakresowych tak określona rozdzielczość jest różna dla różnych zakresów. Zmiany wielkości mierzonej o wartość mniejszą od najmniejszej jednostki są dla przyrządu cyfrowego niezauważalne - są mniejsze niż zdolność rozdzielcza.

Należy też mieć na uwadze, że:

Zwykle przyrządy pomiarowe są tak konstruowane, że ich rozdzielczość stanowi tylko niewielką część końcowej wartości niepewności pomiarowejniepewność pomiarowaniepewności pomiarowej. Dlatego wprowadza się pojęcie klasy dokładnościklasa przyrządu pomiarowegoklasy dokładności urządzenia pomiarowego, która uwzględnia specyfikę konstrukcji danego miernika, a nie tylko sposób wskazywania wartości zmierzonej. Jeśli jednak nie znasz klasy miernika, szacując niepewność pomiaru musisz wziąć pod uwagę omawianą tu rozdzielczość.

A teraz omówimy kilka przykładów różnych urządzeń pomiarowych, zwracając uwagę na ich rozdzielczość.

Taśma miernicza

Ten przyrząd pomiarowy jest chyba w każdym domu. Jego rozdzielczość określa najmniejsza działka skali i jest to 1 mm.

R1FiPqmf4JS4h

Rys. 2. Zdjęcie poglądowe przedstawia przyłożoną taśmę mierniczą do drewnianej deski.

Fotografia pokazana na Rys. 2. sugeruje jednak, że w wielu sytuacjach dokładność pomiaru i ostatecznie jego niepewność wynika przede wszystkim z własności obiektu mierzonego. Na zamieszczonej fotografii mierzona jest długość deski, której powierzchnia (i zapewne również jej brzegi) jest nierówna.

Suwmiarka

Jest to uniwersalny przyrząd pomiarowy wykorzystywany do mierzenia rozmiarów: zewnętrznych, wewnętrznych i głębokości różnych przedmiotów. Rozdzielczość skali głównej suwmiarki zwykle jest podana w milimetrach (Rys. 3.).

RJFEB5BnMoHpu

Rys. 3. Zdjęcie poglądowe przedstawia leżącą suwmiarkę z mierzonym małym okrągłym przedmiotem.

Sposób odczytu mierzonych rozmiarów umożliwia jednak zwiększenie rozdzielczości pomiaru. W tym celu stosuje się: noniusz, czujnik ze wskazówką zegarową albo odczyt elektroniczny.

Noniusz to dodatkowa podziałka zwiększająca rozdzielczość suwmiarki. Rozdzielczość noniusza równa jest wartości najmniejszej działki na głównej skali suwmiarki podzielonej przez liczbę działek na skali noniusza. Ilustruje to Rys. 4.

ReK7MkWcODtwo

Rys. 4. Na trójwymiarowej ilustracji widać schemat suwmiarki której szczeki przeznaczone do pomiaru wymiarów zewnętrznych skierowane są w dół. Szczęki do pomiaru wymiarów wewnętrznych skierowane są w górę a bolec służący do pomiaru głębokości skierowany jest w prawo i nieco w górę. Na suwmiarce widoczny jest noniusz główny i noniusz precyzyjny. Poniżej, nieco po lewej stronie ilustracji widoczne jest zbliżenie noniusza suwmiarki. Noniusz suwmiarki składa się z noniuszu głównego, służącego do pomiaru z dokładnością do jednego milimetra i noniuszu precyzyjnego, z którego odczytuje się wymiar z dokładnością do części milimetra. Dokładność suwmiarki zależy od tego na ile części podzielony jest noniusz precyzyjny. Symbolizuje on dokładnie jeden milimetr podzielony na konkretną ilość odcinków. Precyzja suwmiarki jest równa jednemu milimetrowi podzielonemu na ilość przedziałek na noniuszu precyzyjnym.

Najmniejsza działka na skali głównej suwmiarki, pokazanej na Rys. 4, wynosi 1 mm, a skala noniusza składa się z dziesięciu działek. Przesunięcie noniusza o 0,1 mm spowoduje, że pierwsza działka noniusza pokryje się z pierwszą działką na skali suwmiarki. Przesuwając dalej uzyskujemy pokrywanie się kolejnych działek. Pomiar polega na odczytaniu wartości w centymetrach i milimetrach na skali głównej oraz odczytaniu liczby dziesiątych części milimetra na podstawie numeru działki noniusza pokrywającej się z działką suwmiarki. W ten sposób poprawia się rozdzielczość suwmiarki do 0,1 mm.

Śruba mikrometryczna

RgGe1XaY3329r

Rys. 5. Na ilustracji widoczne jest zdjęcie nieco rozkręconej śruby mikrometrycznej. Szczęki śruby skierowane są ku górze. Po prawej stronie na górze ilustracji widać noniusze suwmiarki. Noniusze umieszczone są na skrętnej śrubie służącej do rozkręcania i skręcania śruby mikrometrycznej. Poniżej śruby z noniuszami po prawej stronie ilustracji widoczny jest schemat noniuszy. Widoczne są trzy skale. Po lewej stronie u góry czarnej poziomej linii znajduje się noniusz z podziałką co jeden milimetr. U dołu poziomej, czarnej linii znajduje się noniusz z podziałką co jeden milimetra ale przesunięty w stosunku do górnego o pół milimetra. Z górnego noniusza odczytywane są wymiary z dokładnością do jednego, pełnego milimetra. Z dolnego odczytywane są wartości z dokładnością do połowy milimetra. Po prawej stronie znajduje się noniusz obrotowy. Jeden obrót śruby odpowiada zmianie rozstawu szczęk śruby mikrometrycznej o pół milimetra. Każdy obrót podzielony jest na pięćdziesiąt równych części, a zatem pół milimetra podzielone jest na pięćdziesiąt części. Definiuje to precyzję śruby mikrometrycznej jako jedna pięćdziesiąta z połowy milimetra, czyli jedna setna milimetra.

Skala główna śruby pokazuje wartość mierzonej wielkości z dokładnością do 0,5 mm. Skala noniusza na obrotowym elemencie śruby pokazuje setne części milimetra. Rozdzielczość odczytu można ocenić na ½ działki. Odczytana na rysunku rzeczywistej śruby wartość to (1,640 ± 0,005) mm, a na schemacie w prawym dolnym rogu - (2,785 ± 0,005) mm.

Analogowy odczyt mają także tradycyjne termometry, Rys. 6. i Rys. 7.

R1W5Uy3N3vbfh

Rys. 6. Zdjęcie poglądowe przedstawia zaokienny termometr w stopniach Celsjusza.

R7lBicL4od6Kh

Rys. 7. Zdjęcie poglądowe przedstawia przykład tradycyjnego lekarskiego termomentru w stopniach Celsjusza do mierzenia temperatury ciała.

Urządzenia do pomiarów elektrycznych

Zademonstrujemy tu dwa mierniki, z odczytem analogowymmiernik analogowyanalogowym oraz cyfrowymmiernik cyfrowycyfrowym.

R1Ylb1JrJHOPM

Rys. 8. Rysunek przedstawia dwa zdjęcia poglądowe. Po lewej jest miernik analogowy‑wskazówkowy, a po prawej stronie jest miernik z elektronicznym wyświetlaczem i pokrętłem. Na mierniku leżą dwa kable, czerwony i czarny.

Zwróćmy uwagę na oznaczenie klasyklasa przyrządu pomiarowegoklasy woltomierza analogowego po lewej stronie na Rys. 8. Liczba 2,5 widniejąca pomiędzy innymi znakami technicznymi w prawej części miernika mówi nam, że niepewność związana z klasą wynosi 2,5% zakresu pomiarowego, czyli 2,5% · 30 V = 0,75 V. I choć, jak wspomnieliśmy na początku, rozdzielczość miernika wskazówkowego możemy przyjąć za 1/5 działki elementarnej, czyli w naszym przypadku na 0,2 V, to - określając niepewność pomiaru - musimy bazować na wartości błędu wynikającej z klasy przyrządu.

Słowniczek