Podstawy Metrologii M-T sem. VII, 2009/2010 Prof. Jan Zakrzewski Instytut Metrologii i Automatyki Elektrotechnicznej Akademicka 10 (Bud. Prof. Fryzego), pok.23 Wykłady: Modele pomiaru, pojęcia podstawowe Systemy pomiarowe, struktury i interfejsy Niepewność pomiaru (SPR) Czujniki ciśnień, technologie mikroelektroniczne Pomiary strumienia masy i objętości Pomiary przemieszczeń i parametrów ruchu (SPR) Pomiary temperatur, dynamika pomiarów M-T 1 Lit: Zakrzewski J.: Podstawy miernictwa dla kierunku mechanicznego. Wyd. Pol.Śl. Gliwice 2004

Zasady zaliczania przedmiotu: Sprawdziany wykł. 2 x 0 do 20 0 do 40 Laboratorium 6 x 0 do 5 0 do 30 Sprawozdania 6 x 2 do 5 12 do 30 Razem 12 do 100 pkt pkt pkt 3, pkt pkt 4,5 > 65 pkt (6x2) + (6x3) (6x3) + (6x3)

Miejsce ćwiczeń: Budynek Wydziału Elektrycznego, Akademicka 10 Tematy ćwiczeń: L1 – Pomiary przepływu i opracowanie wyników pomiarowych, L2 – Pomiary przemieszczeń liniowych, L3 – Pomiary prędkości obrotowej, L4 – Badanie termometrów elektrycznych, L5 – Badanie czujników ciśnienia, L6 – Badanie przetworników siły. Ćwiczenia 1, 2, 3 sala 15 – piwnica Ćwiczenia 4, 5, 6 sala piętro Prowadzący dr. W. Domański sala 111

Pomiar, Mesurand, System pomiarowy

Obiekty, przedmioty, zjawiska Weryfikacja przez pomiar ObserwacjaPomiar Model matematyczny Model opisowy Analiza modelu Weryfikacja przez obserwację A R Skale pomiarowe:porządkowa,interwałowa,metryczna.

JEDNOSTKI UKŁADU SI Jednostki podstawowe: metr, sekunda, kilogram, amper, kandela, kelwin, mol. Jednostki pomocnicze: radian, steradian. Jednostki pochodne: Tworzenie jednostki wielkości W Wzór wielkościowy Wartości mianowane Definicja jednostki pochodnej

Państwowa Służba Miar (GUM) Wzorzec podstawowyWzorzec odniesieniaWzorzec świadek Wzorzec kontrolny I st Wzorzec kontrolny II st zastosowanie Wzorzec I st. Wzorzec III st. Wzorzec II st. sprawdzenie Przyrządy pomiarowe najwyższej dokładności Przyrządy pomiarowe dokładne Przyrządy pomiarowe średniej dokładności Przyrządy pomiarowe małej dokładnosci

Czynności pomiarowe Skalowanie Wzorcowanie Sprawdzanie Zatwierdzenie typu CechowanieLegalizacja Adjustacja Kalibracja

METODA POMIARU NARZĘDZIE POMIAROWE ODTWARZANIE MEZURANDU X M M* N Z V Mezurand M Stała (przyrządu) Rozdzielczość Selektywność Zakres pomiarowy M min M max X min X max Powtarzalność Czułość S = N/X Procedura pomiarowa

M* MEZURAND pomiarowo dostępne M Realne narzędzie pomiarowe X N Odtwarzanie Mezurandu (algorytm odtwarzania ) zmierzone mierzalne Z VZVZ V Model narzędzia pomiarowego

OBIEKTOBIEKT CZUP PROFIBUSS HART 4-20 mA 8888 UKŁADY AUTOMA- TYKI UKŁADY AKWIZYCJI DANYCH CZUJNIKI Generacyjne Parametryczne Częstotliwościowe Kodowe u, i, q, R, C, L, M f, T KOD

STRUKTURY SYSTEMÓW POMIAROWYCH

Przetwornik pomiarowy Czujnik Przetwornik pomiarowy Czujnik Przetwornik pomiarowy Czujnik Przetwornik pomiarowy Czujnik Kontroler podsystemu Magistrala interfejsu Komputer nadrzędny Magistrala interfejsu Systemy pomiarowe MT-3

SZEREGOWE RÓWNOLEGŁE RS - 232(1962) RS - 232C(1968) RS-423A {1:10, 30 m, 100kb/s } RS - 422A {1:10, 1200 m 10Mb/s} RS485 {32:32,1200 m, 10 Mb/s} (EIA/TIA 232E) CAMAC(Computer Automated Measurement and Control Equipment) Drukarka Centronix RS-232 PROFIBUS 32 : m 10 – 500 kb/s I2CI2C Microwire Dla mikrokontrolerów i czujników zintegrowanych IEEE 1394 Fire Wire {do 400Mb/s} VME(1982) VXI(1987) Kaseta 40 MB/s CAN Controller Area Network Motoryzacja Automatyka do500 m do 1Mb/s HPIB(1972) GPIB IEEE 488 IEC 625 1: m 1 MB/s ETHERNET Karta IEC 625 MXI PCI PXI ISA PC USB (1997) {1:127, 5m, 480 Mb/s } 1 :1, 15 m 115 kb/s MT-3

Profibus FMS ( Fieldbus Messge Specification ) PA ( Process Automation ) DP ( Decentralized Peripherials ) Master Magistrala Pętla elementów aktywnych (Token) Slave.... Pętla elementów aktywnych (Token) MT-3

. Smart TEDS Sensor with Embedded TEDS EEPROM

NCAP STIM A/C TEDS Logika Czujnik Sieć MSTIM Lista przyłączy MMI NCAP TEDS Czujnik TEDS Czujnik NORMA IEEE 1451 MT-3

I 20 mA 4 mA X min X max 20 mA 4 mA X minX max I NADAJNiK ŹRÓDŁO PRĄDOWE ZASILACZ 12, 24, 36, 48 V ODBIORNIK PĘTLA 4 –20 mA

Histereza Charakterystyka statyczna Zmiana zakresu zmienia błędy nieliniowosci Liniowość Błędy nieliniowości

Błędy i niepewności wyniku pomiaru

NARZĘDZIE POMIAROWE X Y Z Y = F(X, ΔV, ΔZ) Eliminacja przyczyn błędów - zmniejszanie Z Korekcja błędów - uwzględnianie poprawek Kompensacja błędów - zmniejszanie wrażliwości

Struktury narzędzi pomiarowych Ilorazowa Równoległa (różnicowa) Szeregowa (posobna) X Y add mul X Y add

CZUJNIK M N X A/C TOR PRZETWARZANIA POMIAROWEGO Y Z Struktura szeregowa Y = F( X, Z1, Z2, Z3,...) Korekcja analogowa lub numeryczna Pomiar Z Z

Z CZUJNIK 1 CZUJNIK 2 Y1Y1 Y = Y 1 -Y 2 + X A/C TOR PRZETWARZANIA POMIAROWEGO Y3Y3 - Y2Y2 X0X0 Z Struktura równoległa

Z CZUJNIK 1 CZUJNIK 2 Y1Y1 Y = Y 1 -Y 2 + X A/C TOR PRZETWARZANIA POMIAROWEGO Y3Y3 - Y2Y2 Z (-X) Struktura różnicowa

N CZUJNIK 1 CZUJNIK 2 Y1Y1 X A/C TOR PRZETWARZANIA POMIAROWEGO Y3Y3 Y2Y2 X0X0 Z Z ÷ Struktura ilorazowa

BŁĄD SYSTEMATYCZNY deterministyczny, wykrywalny przez zmianę warunków pomiaru BŁĄD PRZYPADKOWY losowy, wykrywalny przez powtarzanie obserwacji BŁĘDY ZWIĄZANE Z PROCESEM POMIARU Błąd metody Błąd akwizycji danych Błąd modelowy Błąd wzorcowania Błąd redukcji danych Błędy dodatkowe: BŁĘDY ZWIĄZANE Z SYSTEMEM POMIAROWYM Graniczny błąd dopuszczalny Błąd nieliniowości Błąd histerezy... Błąd powtarzalności Błąd rozdzielczości Błąd kwantowania Błąd temperaturowy Błąd dynamiczny.... BŁĄD: PODEJŚCIE TEORETYCZNE E = M* - M Błąd podstawowy Błąd instrumentalny

BŁĄD - PODEJŚCIE PRAKTYCZNE E* = M* - M** WYZNACZONA PRZEZ WZORCOWANIE LUB OBLICZENIA Wyznaczenie poprawki zmniejsza naszą niewiedzę odnośnie wyniku pomiaru NIEPEWNOŚĆ: PODEJŚCIE PRAKTYCZNE Niepewność jest miarą niewiedzy Wartość prawdziwa jest nieznana POPR = - E* = M**- M* BŁĄD PODSTAWOWY - wyznaczany w warunkach odniesienia BŁĄD DODATKOWY - spowodowany znaną zmianą warunków pracy

Niepewność jest miarą niewiedzy Niepewność typu A, u A Niepewność typu B, u B Guide to the Expresion of Uncertaiunty in Measurement ISO, BIPM, IEC, OIML.... (1993) (1995) Wyrażanie Niepewności Pomiaru, Przewodnik GUM (1999) Dokument EA-4/02 Niepewność złożona, Niepewność rozszerzona U = k u Przedział niepewności ± U

Niepewność jest miarą niewiedzy o wyniku pomiaru Niepewność typu A

X= Y= X= Y= X= Y= X= Y= X= Y= Współrzędnościowa maszyna pomiarowa

Niepewność jest miarą niewiedzy o wyniku pomiaru Niepewność typu B a/3 -a +a g( X) X a -a 1/2a X -Dane producenta systemu - nieliniowość -histereza -wpływ temperatury -wpływ innych wielkości... - Dane z poprzednich pomiarów -Niepewność stałych fizycznych -Niepowtarzalność procedur pomiarowych....

Niepewność jest miarą niewiedzy o wyniku pomiaru g( X) a -a 1/2a X a -a-a 1/a g( X) X -a +a g( X) X

METODA POMIARU NARZĘDZIE POMIAROWE ODTWARZANIE MEZURANDU X M M* N Z V M* = F(M, ΔV, ΔZ) U = ku U

Korekcja niepewności Kompensacja niepewności Filtracja = tworzenie nowej definicji mezurandu Redukcja niepewności przez lepszą estymację mezurandu

maksymalny błąd dopuszczalny, błąd graniczny Błąd nieliniowosci Błąd nieliniowości Niepewność nieliniowości (B) Błąd histerezy Niepewność histerezy (B) Błąd powtarzalności Niepewność powtarzalności (A) Błąd kwantyzacji Niepewność kwantyzacji (A) Błąd rozdzielczości Niepewność rozdzielczości (A) Błąd temperatury Błąd Temperaturowy Niepewność Temperat.(A), (B) Błąd dynamiczny Niepewność dynamiczna Szumy dynamiczne

System pomiarowy i środowisko pomiaru Wzorcowanie Źródła błędów Korekcja błędów Propagacja błędów Źródła niepewności Budżet niepewności Propagacja niepewności Wynik pomiaru Niepewność Wynik skorygowany Obszar zainteresowań użytkownika Różnice pomiedzy modelem a zbiorem danych doświadczalnych

Zapis wyniku pomiaru M = M** ± U F = kN F = 528,354 3 kNF = 528 3,286 kN F = 0,528 0,003 MN F = NF = 528 kN 0,6 %

Wnioski 2. Projektant systemu dostarcza danych o współczynnikach korekcyjnych i składnikach niepewności 3. Użytkownik systemu decyduje o zastosowanych korekcjach i o budżecie niepewności 4. Przepisy certyfikacyjne i akredytacyjne wymuszają wprowadzenie podanych wyżej zasad do praktyki przemysłowej 1. Nie ma ± Błędów

Dodchylkwadraty 20,16+0,080, , , ,07-0,010, ,97-0,110, , , D śr =20,08 u A = 0,043 Suwmiarka ± 0.03 mm u =0,046 U =0,092 D =20,08 ±0,09 A=314 ± 2,8 mm 2 0,4% 0,9%

pierwsza cyfra zabezpieczenie przed:druga cyfra zabezpieczenie przed: 0brak zabezpieczenia0 1dużymi przedmiotami1pionowymi kroplami 2przedmiotami średniej wielkości2kroplami padającymi pod kątem nie większym od małymi przedmiotami3kroplami padającymi pod kątem nie większym od elementami powyżej 1 mm4wodą padającą pod dowolnym kątem 5gromadzeniem się kurzu wewnątrz urządzenia 5strumieniem wodnym o dowolnym kierunku 6wnikaniem kurzu6zalaniem wodą --7zanurzeniem do wody przy określonym ciśnieniu i czasie zanurzenia --8zanurzeniem do wody przy określonym ciśnieniu IP (interelement protection)

EMC Kompatybilność elektromagnetyczna Emisyjność elektromagnetyczna Odporność elektromagnetyczna Źródła emisji Urządzenia gospodarstwa domowego Linie energetyczne i telefoniczne Łączność naziemna i satelitarna Wyładowania atmosferyczne Im wyższa częstotliwość, tym większe zaburzenie

EMC Kompatybilność elektromagnetyczna Zapobieganie Konstrukcja Ekranowanie (klatki Faradaya) Szczelność elektromagnetyczna Badania emisji i odporności Wg. normy 9kHz – 1GHz (bada się do 30GHz) Anteny nadawcze i odbiorcze Kierunkowość pola Przestrzeń do badań, odbicia Komory bezechowe Komory rewerberacyjne (wieloodbiciowe) 10 mln euro 10 m pole pomiarowe

EMC Kompatybilność elektromagnetyczna GTEM

Zabezpieczenie przeciwwybuchowe Strefy wybuchowości 0-Ciągła 1- Doraźna 2 - okazjonalna 10- ciągłe 11- okazjonalne zagrożenie wybuchem pyłu atmosfera wybuchowa Klasy wybuchowości I-Metan IIA IIB IIC Różne gazy Klasy temperaturowe (maksymalna temperatura powierzchni) T1- do 450 °C, T2- do 300 °C, T3- do 200 °C, T4- do 135 °C, T5- do100 °C, T6- do85 °C,

Zabezpieczenie przeciwwybuchowe Rodzaje zabezpieczeń o – olejowe p – nadciśnieniowe q – piaskowe d- ciśnieniowe szczelne e- zwiększonego bezpieczeństwa i - samoistnie bezpieczne EEx qe IIB T5 Oznaczenie norm europejskich (CENELEC)

Inne właściwości aparatury pomiarowej