Dokładne pomiary: różne negatywne czynniki

We wcześniejszych artykułach omówiłem problemy związane z czynnikami powtarzalnymi i odwracalnymi, a w ostatnim – najważniejsze kwestie nieprzewidywalne i nieodwracalne: szumy i stabilność parametrów w czasie. Poniżej omawiam kolejne aspekty przeprowadzania dokładnych pomiarów.

We wcześniejszych artykułach omówiłem problem zmian cieplnych, ciśnienia atmosferycznego, wilgotności oraz napięć termicznych EMF. Ogólnie biorąc, wpływ zmian temperatury, ciśnienia i wilgotności na parametry elementów i urządzeń elektronicznych jest powtarzalny, przewidywalny i odwracalny. Wpływ tych czynników można w różny sposób minimalizować, korygować, kompensować, a finalnie likwidować niemal całkowicie. Nieprzekraczalne granice dokładności pomiarów i stabilności parametrów są wyznaczone przede wszystkim przez nieuniknione zmiany starzeniowe oraz przez nieuchronne szumy. Ale w grę wchodzą też inne czynniki. W tym artykule krótko wspomnę o dużym problemie zakłóceń zewnętrznych, o szybkości starzenia oraz o stabilności krótko- i długoterminowej.

Zakłócenia zewnętrzne

Jednym z największych wrogów dokładnych pomiarów są nieuniknione szumy. Są to przede wszystkim nieuniknione szumy termiczne, a także inne rodzaje szumów, w większości związane z doskonałością, czy raczej z niedoskonałością elementów elektronicznych. Czyli źródłem tych szumów są elementy układu pomiarowego i moglibyśmy tu mówić o „szumach wewnętrznych”, „szumach własnych”.

Rysunek 1 pokazuje problem w sporym uproszczeniu – „szumy własne”, „szumy wewnętrzne” powodują, że miernik zachowuje się tak, jakby mierzona wartość (napięcia, rezystancji, prądu, itp.) w przypadkowy sposób zmieniała się w czasie. I tych zmian absolutnie nie sposób przewidzieć.

Koniecznie trzeba też wspomnieć o problemie pokrewnym: o szumach zewnętrznych, czy raczej o zakłóceniach zewnętrznych. Otóż do układów elektronicznych dostają się rozmaite zakłócenia w postaci przebiegów zmiennych.

Zakłócenia małej częstotliwości przenoszą się przez pole elektryczne i przez pole magnetyczne, a zakłócenia wysokiej częstotliwości także przez pole elektromagnetyczne, i to na duże odległości.

To bardzo szeroki temat, ale najprościej biorąc, poszczególne składniki układów działają jak różnego rodzaju anteny odbiorcze. Znamy sposoby ochrony przed szkodliwymi polami zewnętrznymi, jednak eliminacja wpływu pól, zwłaszcza magnetycznych 50 Hz wcale nie jest taka łatwa, a proste ekranowanie nie rozwiązuje problemu do końca.

Do tego dochodzą zakłócenia przedostające się z zewnątrz przez wejścia przyrządów pomiarowych. Są to przede wszystkim przebiegi zmienne o różnych częstotliwościach, a często krótkie impulsy – szpilki. Nie zawsze takie zewnętrzne zakłócenia można odpowiednio zminimalizować. Co ciekawe takie przebiegi zmienne mogą spowodować znaczące błędy także przy pomiarach napięć stałych!

Rysunek 2 (na podstawie rys. Yves-Laurent Allaert CC BY_SA 3,0) pokazuje przykład napięcia stałego na wejściu przyrządu. Na „czyste” napięcie stałe nałożony jest tu przydźwięk sieci energetycznej oraz różne „szumy zewnętrzne”.

Wbrew pozorom, usunięcie szumów „wewnętrznych” i zewnętrznych przez ich filtrowanie wcale nie jest takie proste, jak się wydaje. Głównie z uwagi na tak zwane szumy 1/f, których amplituda maleje 3 dB/oktawę – rysunek 3. Składowych szumów o charakterystyce 1/f nie da się odfiltrować całkowicie.

Problemem jest też przydźwięk sieci. Dla zmniejszenia błędów związanych z przebiegami sieci energetycznej, w lepszych miernikach czas pomiaru jest wielokrotnością okresu przebiegu sieci (u nas 20 ms).

A jeszcze większym problemem może być prostowanie takich zakłócających przebiegów zmiennych, głównie w.cz., na wszelkich nieliniowościach w układach wejściowych, co zmienia poziomy napięć stałych. Podkreślam, że celowo używam określenia „prostowanie”, ale wcale nie musi to następować wskutek działania klasycznych diod prostowniczych. Zmiany napięć stałych mogą występować w obecności sygnałów zmiennych właśnie wskutek nieliniowości charakterystyki przenoszenia – to kolejny niełatwy temat.

I jeszcze raz przypominam o napięciach termicznych (thermal EMF) – o napięciach stałych, wytwarzanych przez przypadkowo tworzące się w systemie termopary. Wielkość tych napięć termicznych może być różna w kolejnych pomiarach, jeżeli wykorzystane były inne przewody pomiarowe i inne były różnice temperatur elementów systemu.

W każdym razie właśnie rozmaite wpływy i zakłócenia zewnętrzne mogą być przyczyną „niewytłumaczalnych” błędów pomiarowych. A teraz wracamy do bardzo istotnego problemu starzenia.

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w numerze wrześniowym czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 9/2024). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełną wersję czasopisma znajdziesz 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 9/2024 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” (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 – 10 zł,
– jeśli kilka numerów ZE – WSPIERAM ZA. I tu wpisać kwotę zależną od liczby zamawianych numerów – wydań (N x 10 zł),
Wpisać imię nazwisko.
Podać adres e-mail.
Koniecznie zaznaczyć: „Chcę dołączyć wiadomość dla Twórcy” i tu wpisać, który numer lub numery ZE mam wysłać na podany adres e-mailowy. Jeśli ma to być numer z tym artykułem trzeba zaznaczyć, że chodzi o ZE 9/2024.
UWAGA!!! E-mail z linkiem do materiałów (weTransfer) wysyłamy zazwyczaj w ciągu 24 godzin. Czasem zdarza się jednak, że trafia do spamu. Jeśli więc nie pojawi się w ciągu 48 godzin prosimy sprawdzić w folderze spam, a ewentualny problem zgłosić na adres: kontakt@piotr-gorecki.pl.