Przyrząd do sprawdzania błędu osobowego obserwatora

W warunkach amatorskich obserwacji astronomicznych „jakość” posiadanej służby czasu (czyli wiarygodność uzyskiwanych momentów) ma istotne znaczenie podczas wykonywania niektórych obserwacji. Kilka czynników decyduje o wartości tej służby czasu:

a) użyty „wzorzec” czasu (zegary, sygnały czasu PR i DIZ, stopery).

b) warunki obserwacyjne — zarówno w sensie warunków atmosferycznych jak i widoczności związanej z użytą lunetą lub teleskopem.

c) psychiczne przygotowanie obserwatora — obserwator zmęczony może się „zagapić” i nie zdawać sobie z tego sprawy.

d) błąd osobowy obserwatora — czas upływający od momentu zajścia obserwowanego zjawiska (np. zakrycia gwiazdy) do momentu wykonania odpowiedniej czynności (np. naciśnięcia przycisku stopera). Takich czynników jest oczywiście więcej, ale też wyżej wymienione mają istotny wpływ na dokładność zanotowanych momentów zjawisk. Jakość „wzorca” czasu w małym stopniu zależy od obserwatora. Korzystając z sygnałów czasu mamy praktycznie „idealny” zegar (dla potrzeb amatorskich). Stosując dodatkowo „zegary wzorcowe” lub stopery należy uwzględniać ich chód własny. Często popełnia się przy tym błędy, ponadto dochodzi „do głosu” nieregularność chodu zegara lub stopera. Może to być przyczyną błędu w zanotowaniu momentu zjawisk od ok. 0,2^s do kilku sekund.

Warunki obserwacyjne mogą mieć istotny wpływ w niektórych przypadkach(np. przechodzące chmury, zamglenia, słaba jakość optyki instrumentu). Na ogół jednak błąd spowodowany warunkami obserwacyjnymi jest nieznaczny (mniejszy niż 0,1^s).

Psychiczne przygotowanie obserwatora może mieć duże znaczenie. Zdarzają się „zagapienia” wynoszące nawet 1^s, ponadto obserwator wykonując obserwacje bez odpowiedniej koncentracji lub podczas zmęczenia popełnia błąd, który może być rzędu 0,5^s.

Jeżeli jednak dysponujemy dobrą służbą czasu, widoczność obserwowanego obiektu jest dobra, nie jesteśmy zmęczeni i nie „zagapimy” się, wówczas o dokładności zanotowanego wyniku decyduje czynnik „d” — błąd osobowy obserwatora.

Reakcję i działanie obserwatora w momencie dostrzeżenia interesującego nas zjawiska można w przybliżeniu podzielić na cztery etapy:

1. fakt dostrzeżenia zjawiska,

2. analiza zjawiska (odnotowanie w świadomości, że zjawisko już nastąpiło),

3. wydanie „rozkazu” wykonania odpowiednich czynności, oraz

4. wykonanie tych czynności — np. przyciśnięcie „główki” stopera. Z wyjątkiem pierwszego etapu (oko reaguje dość szybko na zmiany światła) trzy pozostałe wymagają pewnego upływu czasu, liczonego w setnych częściach sekundy. Dobry obserwator może po dłuższym treningu zmniejszyć czas potrzebny na analizę zjawiska, nie ma jednak prawie wcale wpływu na czas potrzebny do naciśnięcia przycisku stopera lub tzw. klucza. Błąd osobowy zależy od jasności obserwowanego obiektu oraz od „kierunku” zmiany jasności — tzn., czy np. obserwowana gwiazda znika za tarczą Księżyca, czy też widzimy jej odkrycie. Znajomość przez obserwatora swojego błędu osobowego w różnych sytuacjach obserwacyjnych może zmniejszyć błąd w rejestracji momentu zjawiska do wartości nie przekraczającej 0,05^s (w korzystnej sytuacji). Nie uwzględnienie tego czynnika daje wynik „zawyżony”, uzyskany moment jest nawet o 0,5^s większy od „idealnego” (tzn. takiego, jaki można było by osiągnąć np. na drodze fotoelektrycznej).

Schemat blokowy przyrządu do sprawdzania błędu osobowego obserwatora. Oznaczenie podzespołów: A — generator taktujący, B — podzespół zmieniający odstępy czasu powtarzania cyklu, C — „sztuczna gwiazdka” (dioda elektroluminescencyjna), D — generator podstawy czasu 100 Hz, E — multiwibrator monostabilny obserwatora, F — kasowanie poprzednich wyników, G — licznik, wykonany z dekad i dekoderów, H — wyświetlacze cyfrowe, I — układ sterowania zapalaniem i gaszeniem wyświetlaczy. Strzałki na połączeniach między podzespołami oznaczają kierunek przesyłania informacji i rozkazów w układzie elektronicznym. Zaznaczono symbolicznie przycisk obserwatora oraz „sztuczną gwiazdkę”.

W Warszawskim Oddziale PTMA istnieją obecnie dwa przyrządy do sprawdzania i wyznaczania błędu osobowego obserwatora. Jeden, prostszy w konstrukcji, używany jest razem z elektronicznym rejestratorem czasu. Drugi, bardziej złożony, jest przyrządem niezależnym. Każdy wynik podawany jest od razu na cyfrowych wyświetlaczach z dokładnością ± 0,01^s. Właśnie ten drugi przyrząd pokazany był na wystawie Oddziału Warszawskiego PTMA w Muzeum Techniki. Był najbardziej atrakcyjnym eksponatem na wystawie „Sam możesz poznać Wszechświat”. W kilka dni po otwarcia wystawy przed przyrządem ustawiały się „kolejki”. Sporo osób przychodziło na salę Astronautyki, gdzie znajdowała się ta wystawa, nie w celu zwiedzenia wystawy PTMA ani nawet innych eksponatów astronautycznych znajdujących się na sali, ale tylko dla „zabawy w refleks”. Często dochodziło do „rodzinnych pojedynków”. Oczywiście w tej sytuacji cel wystawy „Sam możesz poznać Wszechświat” — popularyzacja astronomii oraz przedstawienie osiągnięć Oddziału Warszawskiego PTMA — nie mógł być osiągnięty. Jeden eksponat przyćmił pozostałą część wystawy. W tej sytuacji, również ze względów „ochronnych” eksponatu trzeba było ograniczyć czas funkcjonowania przyrządu. Nie zmniejszyło to jednak ogólnego zainteresowania tym eksponatem. Jednym z najczęstszych pytań dotyczących tego przyrządu była prośba o jego schemat elektryczny… Aby chociaż częściowo zadowolić zainteresowanych, podany tutaj będzie schemat blokowy przyrządu i opis jego działania.

Cały układ składa się z 9 podzespołów znajdujących się na dwóch płytkach drukowanych o wymiarach 7×8 cm każda. Na jednej znajdują się podzespoły oznaczone od A do F, na drugiej G, H i I.

Generator taktujący (A) jest multiwibratorem astabilnym wytwarzającym impulsy prostokątne o czasach trwania na przemian 8^s i 12^s. Podzespół ten decyduje o czasie trwania przerw między kolejnymi zapaleniami i gaśnięciami „sztucznej gwiazdki”, czasie wyświetlania wyników, ponadto steruje działaniem „gwiazdki”, zapalaniem wyświetlaczy i kasowaniem poprzednich wyników.

Zwykły generator dawałby jednakowe odstępy czasu między zapalaniem i gaśnięciem „gwiazdki”. W celu „popsucia” tej regularności zastosowano podzespół (B) pozwalający na zmianę czasu tych odstępów. W ten sposób zapalania i gaśnięcia będą się zdarzać w nieregularnych odstępach, np. 15^s, 23^s, 26^s, 20^s, 25^s, 17^s, 19^s itd. Obserwator nie może więc przewidzieć momentu, w którym należy nacisnąć przycisk, tak jak podczas prawdziwych obserwacji typu zakryciowego nigdy nie wie dokładnie, kiedy zajdzie przewidywane zjawisko.

„Gwiazdką” (podzespół C) jest po prostu dioda elektroluminescencyjna sterowana z generatora taktującego poprzez dzielnik częstotliwości. Użycie zwykłej żarówki nie jest tutaj zalecane z uwagi na pewną bezwładność przy zapalaniu i gaśnięciu (wyniki byłyby „zawyżone” o 0,03÷0,10^s).

Generator podstawy czasu (D) jest stabilnym generatorem RC. Wytwarza impulsy prostokątne o częstotliwości 100 Hz i stabilności rzędu 10^–4. W zakresie do 1 minuty błąd podstawy czasu nie będzie większy niż ±0,01s. Stosując inną ilość wyświetlaczy oraz inny zakres pomiaru czasu należy wytwarzać inną częstotliwość generatora (najczęściej znacznie wyższą). Multiwibrator obserwatora (podzespół E) jest typowym multiwibratorem monostabilnym — dwa tranzystory znajdują się w stabilnym stanie: jeden jest zatkany, drugi nasycony.1 Naciśnięcie przycisku przez obserwatora powoduje przejście układu w stan czasowy, zależny przede wszystkim od wartości opornika R i kondensatora C. Po upływie czasu T = 0,69 · R · C następuje powrót układu do poprzedniego stanu (stabilnego). Impuls, który powstaje po naciśnięciu przycisku, zatrzymuje licznik (przy pomiarze czasu upływającego od momentu zapalenia lub zgaśnięcia „sztucznej gwiazdki”) oraz steruje zapalaniem wyświetlaczy cyfrowych. Wyświetlacze bowiem działają dopiero po naciśnięciu przycisku i w ciągu ok. 5^s można odczytać wynik. Następnie gasną i do kolejnego przyciśnięcia klucza (po zmianie stanu „gwiazdki”) nie świecą — ma to na celu nie odwracanie uwagi obserwatora od śledzenia momentu zapalenia i zgaśnięcia „gwiazdki”. Aby uniknąć fałszywych wyników, które mogłyby powstać w przypadku wcześniejszego naciśnięcia przycisku (na krótko przed zmianą stanu „gwiazdki”) — układ ma zastosowaną odpowiednią „blokadę”. Przypadkowe wcześniejsze naciśnięcie nie spowoduje zadziałania multiwibratora.

Kasowanie stanu licznika (podzespół F) działa w momencie gaśnięcia wyświetlaczy (oko tego oczywiście nie dostrzega) i tym samym licznik jest przygotowany do kolejnego liczenia (od stanu 0,00^s).

Na osobnej płytce drukowanej znajdują się: licznik (zbudowany z tzw. dekad), dekodery, wyświetlacze cyfrowe i sterowanie zapalaniem tych wyświetlaczy. Takie rozwiązanie pozwala wykorzystać te elementy do innego przyrządu z pomiarem czasu (odczyt cyfrowy). Większość tych półprzewodników jest produkcji zachodniej, ponieważ w kraju są obecnie trudne do nabycia (pozostałe elementy całego przyrządu są produkcji krajowej). Licznik i dekodery stanowią podzespół G, wyświetlacze — H, a sterowanie zapalaniem wskaźników — I.

Wszystkie podzespoły są zasilane z jednego zasilacza (tutaj nie opisanego), dającego napięcie 5,0 V i maksymalny prąd ok. 1 A. W celu zwiększenia możliwości przyrządu, a zarazem stworzenia praktycznych prób warunków najbardziej zbliżonych do rzeczywistych przy obserwacjach typu zakryciowego, można regulować odstępy czasu między napalaniem i gaśnięciem „gwiazdki” (np. średnio co 15 lub co 30 sekund, a nawet więcej), zwiększać lub zmniejszać nieregularność między kolejnymi zmianami stanu „gwiazdki”, a także zmieniać jasność tej „gwiazdki”. Zanim przyrząd ten znalazł się na wystawie PTMA, obserwatorzy Oddziału Warszawskiego wielokrotnie sprawdzali swój błąd osobowy. Wyniki były zasadniczo zgodne z wartościami przyjętymi wcześniej (na podstawie nieco innych doświadczeń). Błąd osobowy obserwatorów Oddziału zawiera się w granicach od 0,18^s do 0,30^s („rekordowy” wynik, powtórzony przez tego samego obserwatora trzykrotnie, wynosi 0,15^s). Większe znaczenie dla wiarygodności służby czasu ma jednak nie mała wartość błędu osobowego ale jego stałość. Obserwator, mający błąd 0,30^s, (a kolejne pomiary różnią się nie więcej niż ±0,05s) będzie lepszym obserwatorem niż ten, który może mieć 0,15^s i w chwilę później np. 0,40^s.

Jakie wyniki osiągnęli zwiedzający wystawę w Muzeum Techniki? W ciągu dwóch miesięcy jej trwania swoje doświadczenia przeprowadziło co najmniej 10 000 osób. Około 70 zwiedzających miało wyniki równe 0,19^s lub lepsze (tzn. mniejszą wartość). Dwie osoby miały 0,16^s. Zdecydowana większość miała wyniki w granicach 0,20^s do 0,35^s. Kilkanaście osób miało błąd osobowy większy od 0,50^s (średnia z kilku pomiarów!). Na ogół wyniki uzyskiwane podczas zapalania i gaśnięcia „gwiazdki” były do siebie bardzo zbliżone (różnice rzędu kilku setnych sekundy), choć zdarzały się również większe różnice, ok. 0,20^s.

W sumie przyrząd do sprawdzania błędu osobowego obserwatora spełnił swoje zadanie, zarówno jako instrument kontrolno-ćwiczebny dla obserwatorów Oddziału, i jako eksponat na wystawie „Sam możesz poznać Wszechświat”.