Ogólne informacje na temat zasad tworzenia dokumentacji technicznej z
badań doświadczalnych
Chcąc przeprowadzić solidnie i profesjonalnie jakieś doświadczenie, należy się do niego
właściwie przygotować. Oznacza to uporządkowanie sobie wiedzy, określenia celu i przygotowania planu owego doświadczenia. Celem zwykle jest poznanie zjawiska, weryfikacja zjawiska lub działania urządzenia itp. O osiągnięciu celu decyduje analiza otrzymanych wyników, które mogą odkryć nam pewne nowe aspekty zjawiska, których wstępnie nie przewidywaliśmy. Ponieważ zwykle wyniki doświadczenia bywają obszerne a czasem też potrzebują weryfikacji (np. poprzez powtórzenie doświadczenia w takich samych warunkach), więc muszą być odpowiednio dokumentowane. Dokument taki nosi nazwę sprawozdanie i sporządzany jest zwykle po zakończeniu doświadczenia. Do jego wykonania potrzebne są informacje jakie należy zapisać w trakcie doświadczenia w postaci tzw. protokołu, który zwykle stanowi załącznik do sprawozdania.
Zawartość sprawozdania składa się z informacji porządkowych oraz z informacji zależnych od tego co robimy i jaka jest nasza świadomość badanego zagadnienia (czyli wiedza o nim). W ogólności sprawozdanie powinno zawierać następujące elementy:
informacje porządkowe - data i miejsce wykonania prac, temat, cel, kto je wykonywał (i
ewentualnie pod czyim nadzorem),
informacje o warunkach – wszystkie informacje, które mogą mieć wpływ na wynik pomiarów i które będą uwzględniane przy późniejszej analizie. W szczególności mają to być warunki w jakich wykonywano prace, jakiego sprzętu używano (nazwa, typ itp.), jakie miał
parametry wykorzystywany sprzęt (np. klasa dokładności, rezystancja wewnętrzna itp), przy jakich ustawieniach sprzętu dokonywano poszczególne pomiary (np. zakresy),
połączeniowe i ideowe schematy pomiarowe. Pierwsze wskazują jakie urządzenia brały udział w doświadczeniu a drugie powinny przedstawiać elementy mające wpływ na otrzymane
wyniki (niektóre z tych elementów mogą stanowić tylko jedną z cech używanych przyrządów
np. ich rezystancję wewnętrzną),
surowe wyniki pomiarów – wskazania przyrządów spisane dokładnie w takiej formie jak
byliśmy w stanie je odczytać, bez żadnych modyfikacji np. zaokrągleń czy przeliczeń,
pośrednie i ostateczne wyniki pomiarów z uwzględnieniem błędów, których jesteśmy świadomi,
zależności (wzory) z jakich korzystaliśmy (często z przykładowym obliczeniami), wraz z
opisem występujących w nich oznaczeń,
graficzne reprezentacje wyników (jeśli jest taka potrzeba lub konieczność),
duże ilości pomiarów winny być ujęte w postaci tabelarycznej,
podsumowanie w postaci wniosków
Właściwe dokumentowanie prac umożliwia też ich porządkowanie i systematyzację a w razie konieczności odtworzenie doświadczenia. Wynika z tego, że konieczność dokumentowania doświadczeń, badań, pomiarów itp. jest w większości przypadków oczywista.
Dla zrozumienia jak powstaje sprawozdanie i co ono zawiera rozpatrzmy przykładowo zagadnienie pomiaru napięcia na wyjściu zasilacza napięciowego napięcia stałego. Zasilacz taki, w najprostszym przypadku, ma dwa zaciski wyjściowe (dwie końcówki) pomiędzy, którymi występuje interesujące nas napięcie Ux (rys. 1). Jeden z tych zacisków ma potencjał wyższy i oznaczany jest
„+” a drugi ma potencjał niższy i oznaczany jest „__”.
+
Zasilacz
Ux
_
Rys. 1. Zasilacz.
ZŚ'X-2011
1
Niech temat doświadczenia określony będzie następująco - „ Pomiar napięcia na wyjściu zasilacza napięciowego” natomiast cel to „Poznanie wartości napięcia wyjściowego na zaciskach zasilacza”. Rozpatrując szczegóły realizacyjne musimy ustalić jaką metodą i przy pomocy jakiego sprzętu tego dokonamy. Najprostszą metodą pomiaru napięcia jest metoda bezpośrednia z użyciem przyrządu do pomiaru napięcia jakim jest woltomierz. Taką właśnie metodę wybierzmy i na niej się ograniczymy. I tutaj ukształtował się nam też plan, który składa się tylko z jednego zadania. Zanim przejdziemy dalej, możemy jeszcze zauważyć, że oczywiście należy posłużyć się woltomierzem do pomiaru napięcia stałego. Woltomierz taki ma zaciski pomiarowe oznaczone „+” oraz „_”, które należy podłączyć przy pomocy przewodów do punktów, pomiędzy którymi występuje interesujące nas napięcie Ux. Połączeniowy schemat pomiarowy będzie wyglądał jak na rys. 2. Jest to model tego z czym będziemy mieć do czynienia, skupiający się na odzwierciedleniu użytych obiektów i ich połączeń.
+
+
Zasilacz
U
Woltomierz
x
_
_
Rys. 2. Połączeniowy schemat pomiarowy.
Przejdźmy teraz do próby analizy tego, co w takim układzie się dzieje. Na podstawie rys. 2, trudno przeprowadzić jakąś analizę, dlatego że zarówno zasilacz jak i woltomierz przedstawione są jako tzw. czarne skrzynki, o których strukturze wewnętrznej nic nie wiemy. Aby analiza taka była możliwa należy schemat z rys. 2, przedstawić w postaci modelu składającego się z elementów, o których wiemy wszystko. Tak więc rozpoczynamy od najprostszego przypadku, gdzie zauważamy, że zasilacz można przedstawić jako idealne źródło napięcia, natomiast woltomierz jako idealny woltomierz (rys. 3).
+
+
E=U
V
x
_
_
Rys. 3. Ideowy schemat pomiarowy.
Jeśli nasza wiedza i wymagania są adekwatne do rys. 3., to oznacza że wartość siły elektromotorycznej idealnego źródła napięcia E jest równa wartości napięcia jakie panuje na zaciskach wyjściowych Ux a to z kolei jest równe wskazaniu woltomierza Uv. Zatem ze wskazań woltomierza odczytujemy wartość interesującego nas napięcia. W takim przypadku dokumentując to doświadczenie w protokole (a później w sprawozdaniu) zamieszczamy m. in.:
temat - „Pomiar napięcia na wyjściu zasilacza”
cel - „Poznanie wartości napięcia wyjściowego na zaciskach zasilacza”
jako połączeniowy schemat pomiarowy rysujemy ten z rysunku 2
dane identyfikacyjne zastosowanych urządzeń oraz oczywiście datę, miejsce i przez kogo
zostało przeprowadzone doświadczenie
oczywiście również i sam wynik pomiaru np.
Ux=Uv=5,4 V
W dalszej kolejności w sprawozdaniu zawarte będą te same informacje, które zapisaliśmy w protokole, uzupełnione o ideowy schemat pomiarowy (ten z rys. 3). We wnioskach stwierdzamy, że badając idealny zasilacz idealnym woltomierzem otrzymaliśmy wyniki zgodne z oczekiwanymi.
Jednak już na pierwszy rzut oka można zauważyć, że w postępowaniu tym czegoś brakuje.
ZŚ'X-2011
2
Można się o tym też przekonać w trakcie praktycznej realizacji doświadczenia. Przykładowo woltomierze zwykle mają kilka zakresów pomiarowych a nie wspomniano tutaj na jakim zakresie wykonano pomiar (być może będzie to potrzebne w przypadku konieczności powtórzenia doświadczenia w identycznych warunkach) i dlaczego wybrano właśnie ten zakres. Ponadto w przypadku wielozakresowych woltomierzy analogowych wartość zmierzoną wyznacza się z zależności, w której występują m. in. zakres i wychylenie wskazówki o czym również do tej pory nie wspomnieliśmy. Rozpatrując dalej, stwierdzamy że mając przynajmniej podstawową wiedzę na temat pomiarów, winniśmy mieć świadomość tego, że każdy przyrząd pomiarowy obarczony jest niepewnością wskazań, która powoduje niezgodność odczytu z takiego przyrządu (Uv) z wartością mierzoną (Ux). W związku z tym w sprawozdaniu powinny znaleźć się jeszcze odpowiednie wzory oraz wielkości na ich podstawie wyznaczone i oczywiście należy pamiętać, że ostateczny wynik pomiaru nie może być przedstawiony tak jak zrobiliśmy to wcześniej, tylko winien być postaci (z odpowiednimi zaokrągleniami):
U ± ΔU
± δU
V
V
lub
U V
V ,
Do wyznaczenia tych wielkości w rozpatrywanym przykładzie (tj. dla woltomierza analogowego) należy użyć zależności:
U
kl⋅ U
kl⋅ U
U = α
Vzakr
ΔU
Vzakr
δU =
Vzakr
V
=
α
V
V
max
100
U V
Występują tu następujące wielkości:
α
– wychylenie wskazówki [dz],
αmax
– maksymalna liczba działek na wybranej skali [dz],
UVzakr – zakres woltomierza [V],
UV
– napięcie wskazywane przez woltomierz [V],
kl
– klasa woltomierza [%] (klasa podawana jest w %, choć producenci tego nie
zaznaczają),
Postać ostatecznego wyniku pomiaru oznacza, że szukana przez nas wartość rzeczywista zawiera się w tak określonym przedziale tj. Ux є <UV – ΔUV, UV + ΔUV>
Zatem nasza dokumentacja powinna być uzupełniona o wspomniane informacje. Dobrze
będzie, jeśli w trakcie praktycznej realizacji zauważymy to, co zostało tutaj wskazane i odpowiednio to uwzględnimy w ostatecznej dokumentacji ale znacznie lepiej byłoby gdybyśmy byli tego wszystkiego świadomi przed przystąpieniem do doświadczenia. W tym miejscu warto zastanowić się czy jeszcze coś nie zostało przeoczone. Przykładowo, jeśli wartość napięcia wyjściowego zasilacza może być regulowana (zmieniana) i fakt ten był wykorzystywany do ustawiania różnych wartości, to powinno być to odpowiednio zaznaczone w sprawozdaniu. Zwykle zaznacza się to na schemacie w postaci ukośnej strzałki (rys. 4).
+
+
Zasilacz
U
Woltomierz
x
_
_
Rys. 4. Połączeniowy schemat pomiarowy z zaznaczoną regulacją wartości napięcia zasilacza.
Często jakość naszej pracy zależy od stanu naszej wiedzy, w szczególności jeśli nam tej
wiedzy brakuje. Przykładowo jeśli w doświadczeniu występują źródła błędów, których nie uwzględniamy gdyż nie mamy świadomości ich istnienia, wtedy wyniki tego doświadczenia są niewiarygodne czy też po prostu całkowicie złe. Spójrzmy zatem ponownie na nasze zadanie, celem próby określenia czy czegoś nie pominęliśmy. Otóż można zauważyć, że modele przyjęte dla zasilacza oraz woltomierza są zbyt uproszczone i nie odzwierciedlają wystarczająco sytuacji z jaką mamy faktycznie do czynienia. Przykładowo dla zasilacza można przyjąć model w postaci ZŚ'X-2011
3
rzeczywistego źródła napięcia (zawierającego poza idealną częścią jeszcze niezerową rezystancję wewnętrzną) natomiast rzeczywisty woltomierz posiada skończoną rezystancję, której nie uwzględnialiśmy. Owe dodatkowe rezystancje (które faktycznie występują) są źródłem pojawienia się w takiej metodzie pomiaru, dodatkowego błędu o charakterze systematycznym. Znajomość wartości wspomnianych rezystancji umożliwia wyznaczenie wartości tego błędu. W związku z tym, jeśli znamy wartość rezystancji woltomierza (a tak jest zawsze, ponieważ jest to jego parametr) oraz rezystancji wewnętrznej zasilacza (tej nie zawsze znamy), oraz jeśli błąd będący ich skutkiem ma znaczną wartość, wtedy należy błąd ten uwzględnić w ostatecznym wyniku pomiaru w postaci poprawki a same rezystancje podać w dokumentacji, wskazując ich wpływ (rys. 5).
Źródło napięcia
Woltomierz
+
+
E
↑
RV
V
Rw
_
_
Rys. 5. Ideowy schemat pomiarowy z zaznaczonymi elementami mającymi wpływ na wynik pomiaru.
Oczywiście nie mając świadomości istnienia rezystancji lub też z jakichś powodów nie chcąc ich uwzględniać, nie wspominamy o nich w sprawozdaniu ani nie rysujemy na schematach, ale teoria wskazuje, że ich wpływ może zmienić wynik nawet o ponad 50%.
Ostatecznie można stwierdzić, że mając większą świadomość przyjmuje się dla tej samej
sytuacji bardziej odpowiedni model i dokonuje bardziej wnikliwej analizy badanego zagadnienia, co przekłada się na bardziej wiarygodne wyniki. Ponadto, jeśli wiemy co i w jakim celu robimy, wtedy zawartość dokumentacji naszych prac staje się oczywista – umieszczamy w niej wszystko co ma istotny wpływ na ostateczny wynik.
Jak już było wspomniane, sprawozdanie kończymy wnioskami, które mają za zadanie podsumowanie naszych prac. Wnioski odnoszą się do założonego celu oraz uzasadniają przyczyny zaobserwowanych zjawisk i zachowań. Przykładowo jeśli wyznaczamy dokładność ostatecznego wyniku, to możemy wskazać co ma na nią wpływ i jaki on jest a w szczególności kiedy ten wpływ można pominąć lub kiedy koniecznie go uwzględnić.
ZŚ'X-2011
4
Data: 03.03.2010
Miejsce:
Laboratorium Miernictwa Elektronicznego, budynek E-1/sala 2.
Wykonujący:
Grupa II:
1. Adolf Breźniak
2. Jan Kmita
3. Gandolf Szary
(Wszelkie podobieństwa imion i nazwisk są czysto przypadkowe :) )
Temat: Pomiar napięcia stałego woltomierzami analogowymi i cyfrowymi
1. Pomiar napięcia na wyjściu źródła napięcia woltomierzem analogowym (określenie zakresu pojedynczego doświadczenia)
Schemat pomiarowy – połączeniowy (w minimalnym zakresie powinien zawierać obiekt pomiaru, urządzenie pomiarowe i sposób ich połączenia. Forma schematu w protokole może być blokowa)
+
+
Źródło napięcia
Woltomierz
_
_
zacisk
Spis przyrządów ( oprócz informacji określających nazwę i typ można tutaj umieścić parametry, które są jednakowe dla wszystkich pomiarów):
1. Zasilacz stabilizowany typ ZS 1234
przewód
2. Woltomierz analogowy LM-3; klasa 1.5; rezystancja 1000 Ω/V
α
αmax
UVzakr
UV
ΔUV
δUV
Uwagi
L.p.
[dz]
[dz]
[V]
[V]
[V]
[%]
1
60
75
7,5
2
13
30
15
3
5
30
30
Opis oznaczeń (w tabeli powinny występować oznaczenia a nie nazwy, nazwy podajemy i wyjaśniamy poza tabelą): α – wychylenie wskazówki
αmax – maksymalna liczba działek na wybranej skali
UVzakr – zakres woltomierza
UV – napięcie wskazywane przez woltomierz
Użyte wzory (warto je przytoczyć w protokole, nawet jeśli zamierzamy je wykorzystać dopiero w sprawozdaniu, ponieważ pokazują one jakie wielkości musimy zapisać):
α⋅ U
kl⋅ U
kl⋅ U
U =
Vzakr
Vzakr
=
Vzakr
V
,
ΔU =
,
δU
.
α
V
V
max
100
U V
2. Pomiar napięcia na wyjściu źródła napięcia woltomierzem cyfrowym (kolejne pojedyncze doświadczenie) ............
Katedra Metrologii Elektronicznej i Fotonicznej
LABORATORIUM MIERNICTWA ELEKTRONICZNEGO
Temat ćwiczenia: POMIAR NAPIĘCIA STAŁEGO PRZYRZĄDAMI ANALOGWYMI I
CYFROWYMI
Pomiary wykonali: 1. ............................................ grupa laboratoryjna: ...........
termin zajęć: …..............
2. ............................................
3. .............................................
data: .................................
Prowadzący: ........................................................
zaliczenie: ...........................
1. Pomiar napięcia na wyjściu źródła napięcia woltomierzem analogowym
Schemat pomiarowy – ideowy (zawiera elementy, które wg naszej wiedzy wpływają na wynik pomiaru) Źródło napięcia
Woltomierz
+
+
E
↑
RV
V
Rw
_
_
Spis przyrządów:
1. Zasilacz stabilizowany typ ZS 1234
2. Woltomierz analogowy LM-3; klasa 1.5; rezystancja charakterystyczna 1000 Ω/V
Tabela pomiarowa dla Rw=10 Ω
α
αmax
UVzakr
UV
Rv
ΔUV
δUV
U ± ΔU
L.p.
[dz]
[dz]
[V]
[V]
[kΩ]
[V]
[%]
[V]
1
60
75
7,5
6,0
7,5
0,113
1,880
6,0 ± 0,2
2
13
30
15
6,5
15
0,225
3,470
6,5 ± 0,3
3
5,5
30
30
5,5
30
0,450
8,190
5,5 ± 0,5
Opis oznaczeń:
α – wychylenie wskazówki
αmax – maksymalna liczba działek na wybranej skali
UVzakr – zakres woltomierza
UV – napięcie wskazywane przez woltomierz
RV – rezystancja wewnętrzna woltomierza
Użyte wzory:
α⋅ U
U
kl⋅ U
=
Vzakr
kl⋅ UVzakr
Vzakr
V
α
ΔU =
δU =
V
max
V
100
U V
2. Pomiar napięcia na wyjściu źródła napięcia woltomierzem cyfrowym.....
3. Wnioski........