Goedemorgen,
Dit is college 2 van Measurement Science,
Universiteit Twente.
Woensdag 13 November 2013.
Ik ben Edwin Carlen en ik geef het college
vanaf University of Tsukuba.
Vandaag hebben we het over de grondbeginselen
van meetkunde en meeteigenschappen.
In het eerste deel hebben we het over eenheden
en standaarden.
Bij meeteigenschappen hebben we het over overdrachtfuncties,
statische- en dynamische eigenschappen.
Kijk vandaag ook op BlackBoard, huiswerk 2
staat er nu op en is gebasseerd op dit college.
Alle meetsystemen kunnen worden weer gegeven
in een blokschema.
Zij geven de essentiele onderdelen van het
systeem weer.
In dit voorbeeld hebben we 5 blokken: De sensor,
een overdrachtselement, signaal bewerking.
Dit geeft een meetsignaal en een soort van
signaaloverdracht.
Dit kan ook een externe meting zijn.
Signaalopslag en weergave van de uitkomst.
De ingang van dit meetsysteem wordt de "measurand"
genoemt.
Vandaag gaan we het hebben hoe de "measurand"
omschreven kan worden.
Nu hebben we eenheden en grootheden.
Eenheden zijn een maat om een natuurkundige
grootheid numeriek uit te drukken.
Grootheden worden gebruikt om een eigenschap
van een fenomeen uit te drukken in een waarde.
Bijvoorbeeld: Stroom is een grootheid met
Ampère als eenheid.
Het meten van grootheden vereist een systeem
van eenheden die makkelijk zijn te begrijpen.
Mechanica was vooruitstrevend op het gebied
van eenheden.
De seconde was al geruime tijd in gebruik
toen het metrische systeem werd ingevoerd.
De SI (Système International d'Unités) is
een internationaal systeem van eenheden.
Hieronder valen ook mechanische eenheden en
elektrische eenheden.
Andere eenheden kunnen van de SI eenheden
worden afgeleid.
De SI eenheden zijn lengte, gewicht, tijd,
elektrische stroom, temperatuur, lichtsterkte
en matterie.
De grootheden zijn in meter, kilogram, seconde,
ampère, Kelvin, Candela en mol.
Aanvullende eenheden zijn hoek in radialen
en de ruimtehoek in sterradialen.
De meter word bepaald door lengte die licht
in vacuum aflegt in 1/299,792,458 seconde.
De grootheid is lengte met als symbol: 'm'
Eén seconde de duur van 9 192 631 770 perioden
van de straling die correspondeert met de
overgang tussen de twee hyperfijnenergieniveaus
van de grondtoestand van een cesiumatoom 133.
Let hierbij op dat het om het cesiumatoom
gaat en we naar de kwantumsprong om deze eenheid
te defineren.
De kilogram, de eenheid van gewicht, komt
overeen met het gewicht van het prototype
van de kilogram.
De kilogram is nog de enige eenheid die nog
wordt bepaald aan de hand van een fysiek object.
Het prototype word bewaard in de kluis van
BIPM in Frankrijk
Het is de jaren 1880 gemaakt met een legering
van 90% platinum en 10%iridium.
Grootheid gewicht met eenheid kilogram
De ampere is gedefineerd als de constante
stroom die nodig is om 2 paralele geleiders
met een kracht van 2x10^-7 newton naar elkaar
toe te trekken.
Waarbij de geleiders een oneindige lengte
hebben, van verwaarloosbare doorsnede zijn
en 1 meter uit elkaar worden geplaatst in
vacuüm.
En de bijbehordende eenheid, grootheid.
De Kelvin is de eenheid van de thermodynamische
temperatuur.
En wordt bepaald door de temperatuur van het
triplepunt van water te delen door 273,16.
De grootheid is temperatuur en de eenheid
is Kelvin en het symbool 'K'
Eén mol is het aantal elementen in materie
en is gelijk aan het aantal atomen in 12 gram
koolstof-12.
De grootheid is materie met mol als eenheid,
het symbool is mol.
Je gaat dit later gebruiken, bij college 7
door Wouter Olthuis over chemische sensors.
De candela is de lichtsterkte in de richting
van stralingsbron van 540x10^12 Hertz...
met een vermogen van 1/683 watt per steradiaal.
Dit is niet belangrijk in detail voor het
huiswerk of tentamen. Als je maar onthoud
dat het de eenheid voor lichtsterkte.
De standaard eenheden, voor de 3e keer, dus
het zal in het huiswerk en op het tentamen
voor komen.
Je moet deze 7 standaard eenheden kennen.
Sla ze op. Je zult ze nodig hebben in de rest
van je carrière.
Van die 7 eenheden kunnen we alle andere eenheden
in het SI systeem afleiden.
Dit is een lijst van oppervlakte, volume,
snelheid, acceleratie, hoeksnelheid.
Je ziet dat alle symbolen een combinatie zijn
van de standaard units.
Newton kan nog worden opgedeeld in de SI eenheden:
kilogram meter per seconde kwadraad.
Hier kun je op oefenen en je moet dit kunnen
voor het huiswerk en het tentamen.
Dit is een kleine diagram om te laten zien
dat je alle eenheden kan afleiden van de SI
eenheden.
Je kan dit nog eens goed bekijken als je het
nog niet gezien hebt.
Dus het betekent dat elke grootheid wordt
bepaald door één eenheid?
Fout, helaas tussen verschillende gebieden
worden er verschillende eenheden gebruikt
voor dezelfde grootheid.
Bijvoorbeeld afstand, dit zijn een paar, oude
literatuur, verschillende landen.
Voet, paal, vadem, mijl, acre, enzovoort.
Vele ander fenomenen hebben verschillende
eenheden.
Omdat er verschillende type eenheden voor
dezelfde grootheid, zijn er verschillende
omrekentabellen.
Ik ga hier niet verder op in, maar deze kun
je gebruiken in deze cursus. Je mag ze uitprinten.
Oppervlakte, inhoud, massa, kracht, draaimoment,
traagheid, druk, overige factoren.
En dan hebben we nog energie, arbeid en warmte,
ook hier veel verschillende eenheden. Joule,
calorie en BTU.
Vermogenomzetting, Watt, kilo Watt, paardenkracht;
Snelheid, Acceleratie, Debiet.
Warmte per eenheid Inhoud. Dynamische en kinetische
viscositeit. Ook hier weer verschillende eenheden.
Dus let goed op.
Natuurlijk hebben we ook nog natuurkundige
constanten. Hier ga ik verder niet op in,
maar over het algemeen moet je een paar kennen.
Lichtsnelheid, Planck's constant (...).
Ok, dus deze korte introductie in grootheden
en eenheden geeft je een basisoverzicht in
dit gebied.
Er zijn nog veel meer eenheden die we niet
behandeld hebben. Maar het hangt af van wat
je wil omschrijven.
Zolang je de 7 basiseenheden kent, kun je
alle andere eenheden afleiden.
We komen nu aan bij standaarden, welke extreem
belangrijk zijn in de meettechniek.
Een standaard is een fysiek object wat wordt
gebruik als referentie om te bepalen of je
meetinstrument werkt.
Stel je hebt een weerstand met een stroom,
en je meet een spanning..
en je meetinstrument geeft een bepaalt voltage,
hoe weet je dan of dat correct is.
Je weet niet of het correct is tenzij het
is gekalibreerd met een standaard.
Er zijn verschillende type standaarden, werk,
secundair, primair en internationaal.
De internationale wordt opgeslagen in een
kluis. En deze worden gebruikt om de andere
te kenmerken.
De internationale is de hoogste precisie in
standaarden. De primaire wordt gekenmerkt
met de internationale.
De secundaire standaarden worden afgeleid
van de primaire. Om vervolgens werkbare standaarden
te maken.
De werkbare standaard zouden in alle laboratoria
aanwezig moeten zijn.
Als je een oscilloscoop of voltmeter hebt
dan kun je met de standaard het instrument
ijken.
Dit ijken is extreem belangrijk als je correcte
metingen moet verrichten.
We gaan het hebben over 6 verschillende standaarden.
Tijd, lengte, massa, stroom, spanning en weerstand.
Time: standaard is een cesiumklok, het is
een quantumsprong. Lengte is afgeleid van
de tijd.
Massa wordt afgeleid van een prototype, dit
is een fysieke hoeveelheid van platinum en
iridium.
Elektrische Stroom wordt bepaald door de spanning
en de weerstand.
Spanning wordt afgeleid van een "Josephson
junction", supergeleiding en we meten hier
een spanning over.
Weerstand komt van het "quantum Hall effect"
Ik wil dat je deze standaarden onthoudt.
Ik wil dat je weet hoe welke standaarden en
waar ze op gebaseerd zijn.
De 1875 Meter Conventie. BIPM, Internationaal
bureau voor gewichten en maten, opgericht
in Parijs.
Biedt een basis voor één gelijkwaardig systeem
over de wereld.
International meningsverschil over eenheden
(tijd en massa) gaan via BIPM.
Hier zie je een van een platinum-iridium-prototype,
welk wordt bewaard in vacuüm.
Alles wat oxideert draagt bij aan het gewicht
van het prototype, en dit proberen we te voorkomen.
Eerder had ik het over 4 type standaards.
De internationale worden bewaard in hoog vacuüm
en je gebruikt het zo min mogelijk, elke keer
als het gebruikt word zal het vervuilen.
Deze zullen ook niet dagelijks gebruikt worden.
Dit is een verouderd vacuüm systeem, maar
het geeft idee.
Tijd: Eén seconde is de duur van 9 192 631
770 perioden van de straling die correspondeert
met de overgang tussen de twee hyperfijnenergieniveaus
van de grondtoestand van een cesiumatoom 133.
Dat moet je onthouden, het is dus een quantumsprong
van cesiumatoom 133.
En verbazingwekkend genoeg er zijn verschillende
moleculen die de seconde kunnen weergeven.
De frequentie onnauwkeurigheid is 10^-15 als
er gebruik wordt gemaakt van dit systeem.
Dus de standaard zal niet meer dan één seconde
afwijken in 60 miljoen jaar.
En dit wordt nog steeds verbetert. Zoals je
kan zien in de grafiek. Ongelovelijk Precies.
De lengte eenheid is 
ook gerealiseerd door middel van de tijdstandaard.
De standaard bestaat uit een helium-neon laser
waarbij de frequentie word waargenomen met
een atoomklok.
Het heeft een onzekerheid van 2.5x10^-11 meter,
dit komt overeen met 1mm verschil in de omtrek
van de aarde.
De massa eenheid kilogram, het is dat het
internationale prototype van de kilogram altijd
1 kg is.
Desondanks, door vervuiling van het protoype,
neemt het met ongeveer 1 microgram per toe.
De massa van het prototype is alleen geldig
na het reinigen volgens een speciale procedure.
Dit is een weergave van hoeveel deze standaard
veranderd van 1889 tot 1989, dit is 
in microgram.
Er zijn 40 orginele kilogrammen gemaakt en
ze verschillen allemaal door vervuiling.
Er zijn veel pogingen om een nieuwe kilogramstandaard
te maken.
Dit is een voorbeeld met betrekking tot silicium.
Omdat het het zuiverste materiaal is.
Zelfs tot 2010 is dit nog een actief onderzoeksgebied.
De platinum iridium wordt nog steeds gebruikt.
Het silicium prototype kan pas worden gebruikt
tot dat de onzekerheid onder 2x10^-8 komt
te liggen.
Dan pas zal CIPM en BIPM de huidige prototype
zullen vervangen door het silicium-28 sphere.
Binnen de natuurkunde hebben alle landen afdelingen
die bezig zijn met het ontwikkelen van nieuwe
standaarden.
Elektrische eenheden 
worden geintroduceerd op 1 januari 1990 als
conventionele waarden voor de..
Josephson constante K_j-90 en de von Klitzingconstant
R_k-90.
Welke worden overgenomen door het CIPM in
1988..
en 
hebben daarmee een enorme vooruitgang meegebracht
in elektrische metingen.
Voor spanning maken we gebruik van 
een Josephson junction.
Dit is het fenomeen van stroom door 2 zwak
gekoppelde supergeleiders gescheiden met 
een zeer dunne isolatie.
