Dokładność i zakres pomiarów w elektronice

Oto pierwszy z serii artykułów, wprowadzających w tematy związane z pomiarami. W artykule najpierw zastanawiamy się a potem omawiamy, z jakimi wielkościami fizycznymi i z jakimi ich wartościami mamy lub możemy mieć do czynienia w elektronice oraz z jaką dokładnością możemy je mierzyć ?

Podane w tym artykule informacje to głównie intrygujące ciekawostki. Zapewne niejedna z nich Cię zaskoczy! Możesz je wykorzystać w rozmowach z innymi, nie tylko z elektronikami. Rozmówcom możesz postawić zaskakujące pytania podane i omówione w tym artykule. Zacznijmy od najłatwiejszych.

Jak odpowiesz na pytanie: jakie wielkości fizyczne mierzy współczesny elektronik?

To w zasadzie oczywiste: napięcie, prąd, opór i parę innych. Za chwilę zastanowimy się, jak to jest z tym „oporem” i jakie „parę innych” wchodzi w grę. A na pewno wcale nie są oczywiste dwie inne, bardzo ważne pokrewne kwestie:

1. Z jaką maksymalną dokładnością można mierzyć poszczególne wielkości? Tym będziemy się zajmować szerzej w kilku następnych artykułach, także od strony praktycznej.

2. W jakim zakresie mierzymy czy też możemy mierzyć poszczególne wielkości? Inaczej mówiąc, z jakimi wartościami ma lub może mieć do czynienia elektronik. Przykładowo jakie najmniejsze napięcia i prądy można mierzyć? Jakie największe oporności potrafimy mierzyć? I pokrewne: jakie są największe wartości seryjnie produkowanych rezystorów i kondensatorów? A z jakimi najmniejszymi wartościami rezystorów i kondensatorów możemy się spotkać w układach?

Czy możliwa jest idealna dokładność pomiarów?

Zacznę od autentycznej rozmowy, którą słyszałem prawie 40 lat temu w państwowym zakładzie przemysłowym. Elektryk spierał się z mechanikiem o to, kto mierzy dokładniej: elektrycy, czy mechanicy. Mechanik twierdził, że oni mierzą z bardzo dużą dokładnością rzędu mikrometrów. I to była prawda,
bowiem pracował on w dziale wykonującym formy wtryskowe, gdzie rzeczywiście wymagana była duża precyzja. Jednak elektryk stanowczo przekonywał: „my mierzymy z absolutną dokładnością!”.

Ten elektryk nie miał pojęcia, o czym mówi i co stanowczo twierdzi! Prawdopodobnie wydawało mu się, że elektrotechnika jest dziedziną nieporównanie przewyższającą mechanikę i że wielkości elektryczne można mierzyć w sposób idealny.

A tak nie jest! Różnymi aspektami dokładności, precyzji i rozdzielczości będziemy zajmować się szerzej w kolejnych artykułach, a na razie tylko ogólnie zasygnalizuję problem.

Otóż idealnej dokładności pomiarów nie da się osiągnąć z trzech głównych przyczyn. Pierwsza to wszechobecne i nieuniknione szumy. Maleńkie sygnały użyteczne, które chcielibyśmy zmierzyć dosłownie zginą w nawale dużo większych szumów. Owszem, można próbować odfiltrować i oddzielić małe sygnały od dużo większych szumów, ale tylko w ograniczonym zakresie. Ogólnie biorąc, wszechobecne szumy są nieprzekraczalną barierą, której nie da się złamać czy przeskoczyć.

Druga przyczyna to fakt, że nasz świat okazał się „granulowany”, kwantowy, nieciągły, składający się z „najmniejszych porcji” – kwantów. Gdy chcemy mierzyć wartości coraz mniejsze, zbliżamy się do granicy „ziarnistości”, której przekroczyć się nie da.

Trzecia przyczyna jest związana z drugą: nasz ziarnisty, granulowany czyli kwantowy świat jest w pewnym sensie rozmyty, niekonkretny, co opisuje zasada odkryta przez Heisenberga. Zasada ta nie pozwala mierzyć z „absolutną dokładnością”.

Z jaką dokładnością można mierzyć?

Wracam do dawnego sporu elektryka i mechanika: w tym czasie elektrycy wykorzystywali wskazówkowe przyrządy pomiarowe o dokładności, czy jak kto woli, o dopuszczalnym błędzie pomiaru rzędu 1 procenta lub więcej. Fotografia 1 pokazuje skalę jak na tamte czasy nowoczesnego i dokładnego analogowego multimetru UM111.

Natomiast fotografia 2 przedstawia popularny wówczas amatorski multimetr LAVO2, o dokładności jak widać 2,5%. Z taką dokładnością mierzyli wtedy elektrycy oraz elektronicy hobbyści.

(…) ciach!

To jest tylko początek, zapowiedź artykułu, którego pełna wersja ukazała się z numerze lipcowym czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 7/2023). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełna wersja czasopisma umieszczona jest na moim profilu Patronite i dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 10 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 7/2023 znajduje się tutaj.

Piotr Górecki

Uwaga! Osoby, które nie są (jeszcze) moimi stałymi Patronami, mogą nabyć PDF-y z pełną wersję tego numeru oraz wszystkich innych numerów czasopisma wydanych od stycznia 2023, „stawiając mi kawę” (Cappuccino = 10 złotych za jeden numer czasopisma w postaci pliku PDF).
W tym celu należy kliknąć link (https://buycoffee.to/piotr-gorecki), lub poniższy obrazek

Następnie wybrać:
– jeśli jeden numer ZE – CAPPUCINO (10zł),
– jeśli kilka numerów ZE – WSPIERAM ZA. I tu wpisać kwotę zależną od liczby zamawianych numerów – wydań (N x 10zł),
Wpisać imię nazwisko.
Podać adres e-mail.
Koniecznie zaznaczyć: „Chcę dołączyć wiadomość dla Twórcy” i tu wpisać, który numer lub numery mam wysłać na podany adres e-mailowy.