Podstawy Metrologii M-T sem. VII, 2008/2009 Prof. Jan Zakrzewski Instytut Metrologii, Elektroniki i Automatyki Akademicka 10 (Bud. Prof. Fryzego), pok.23 Lit: Zakrzewski J.: Podstawy miernictwa dla kierunku mechanicznego. Wyd. Pol.Śl. Gliwice 2004 Wykłady: 1.10. Modele pomiaru, pojęcia podstawowe 8.10 Systemy pomiarowe, struktury i interfejsy. 15.10 Niepewność pomiaru 22.10 (SPR) Czujniki ciśnień, technologie mikroelektroniczne 29.10 Pomiary strumienia masy i objętości 5.11. Pomiary przemieszczeń i parametrów ruchu 12.11. (SPR) Pomiary temperatur, dynamika pomiarów

Miejsce ćwiczeń: Budynek Wydziału Elektrycznego, Akademicka 10 Tematy zajęć laboratoryjnych: 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. L 1, 2, 3 sala 15 – piwnica L 4, 5, 6 sala 113 – 1 piętro Prowadzący dr W. Domański sala 111

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 45 - 49 pkt 3 50 - 54 pkt 3,5 55 - 59 pkt 4 60 - 64 pkt 4,5 > 65 pkt 5 7 + 7 + (6x2) + (6x3) 0 + 7 + (6x3) + (6x3)

Obiekty, przedmioty, zjawiska Weryfikacja przez pomiar Obserwacja Pomiar Model matematyczny opisowy Analiza modelu obserwację R A 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 podstawowy Wzorzec odniesienia Wzorzec świadek Wzorzec kontrolny I st Wzorzec kontrolny II st sprawdzenie Przyrządy pomiarowe najwyższej dokładności Przyrządy pomiarowe dokładne Przyrządy pomiarowe średniej dokładności Przyrządy pomiarowe małej dokładnosci Wzorzec I st. Wzorzec III st. Wzorzec II st. zastosowanie

Prawna kontrola metrologiczna Legalizacja Zatwierdzenie typu Cechowanie Sprawdzanie Wzorcowanie Kalibracja Skalowanie Adjustacja

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

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

CZUJNIKI Generacyjne u, i, q, Parametryczne R, C, L, M O B I E K T PROFIBUSS HART 4-20 mA 8888 UKŁADY AUTOMA-TYKI AKWIZYCJI DANYCH CZ UP CZUJNIKI Generacyjne u, i, q, Parametryczne R, C, L, M Częstotliwościowe f, T Kodowe KOD

Liniowość Błędy nieliniowości Charakterystyka statyczna Zmiana zakresu zmienia błędy nieliniowosci Histereza

STRUKTURY SYSTEMÓW POMIAROWYCH

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

Drukarka 1:14 2-25 m Karta 1 MB/s Karta IEEE 1394 MT-3 RS 232 (1962) SZEREGOWE RÓWNOLEGŁE CAMAC (Computer RS - 232 (1962) 1 :1, 15 m 115 kb/s RS - 232 Automated Measurement and RS - 232C (1968) Control Equipment) RS - 423A { 1:10, 30 m, 100kb/s } RS - 422A {1:10, 1200 m 10Mb/s} Centronix Drukarka RS485 {32:32,1200 m, 10 Mb/s} (EIA/TIA 232E) HPIB (1972) GPIB IEEE 488 1:14 2-25 m 1 MB/s USB (1997) {1:127, 5m, 480 Mb/s } PC Karta Karta PROFIBUS 32 : 32 1200m 10 – 500 kb/s IEC 625 ISA IEC 625 MXI PCI PXI MXI ETHERNET VME (1982) Kaseta 40 MB/s IEEE 1394 Fire Wire { do 400Mb/s} VXI (1987) CAN Controller Area Network Motoryzacja Automatyka do500 m do 1Mb/s Microwire I2C Dla mikrokontrolerów i czujników zintegrowanych

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

NORMA IEEE 1451 SMART TRANSDUCER INTERFACE MODULE MT-3 SMART TRANSDUCER INTERFACE MODULE NETWORK CAPABLE APPLOCATION PROCESSER STIM 1451.2 A/C TEDS Logika Czujnik NCAP 1451.1 MSTIM 1451.4 Lista przyłączy MMI NCAP 1451.1 TEDS Czujnik Sieć

ZASILACZ12, 24, 36, 48 V NADAJNiK PĘTLA 4 –20 mA ŹRÓDŁO PRĄDOWE X min X max I I 20 mA 4 mA X min X max NADAJNiK ŹRÓDŁO PRĄDOWE ZASILACZ12, 24, 36, 48 V ODBIORNIK PĘTLA 4 –20 mA

BŁĘDY I NIEPEWNOŚCI POMIARU M-T2 BŁĘDY I NIEPEWNOŚCI POMIARU POJĘCIA WYZNACZANIE ZASTOSOWANIE

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

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

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

Struktura równoległa Z Y1 X CZUJNIK 1 + Y3 Y = Y1 -Y2 A/C TOR PRZETWARZANIA POMIAROWEGO Y3 - Y2 X0

Struktura różnicowa Z Y1 Y = Y1 -Y2 X Y3 Y2 (-X) CZUJNIK 1 CZUJNIK 2 Y1 Y = Y1 -Y2 + X A/C TOR PRZETWARZANIA POMIAROWEGO Y3 - Y2 (-X)

Struktura ilorazowa Y1 X Y3 Z N X0 Y2 TOR PRZETWARZANIA POMIAROWEGO CZUJNIK 1 CZUJNIK 2 Y1 X A/C TOR PRZETWARZANIA POMIAROWEGO Y3 Y2 X0 Z ÷

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

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

Niepewność jest miarą niewiedzy 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 jest miarą niewiedzy Niepewność typu A, uA Niepewność typu B, uB Niepewność złożona, Niepewność rozszerzona U = k u Przedział niepewności ± U

Niepewność jest miarą niewiedzy o wyniku pomiaru Niepewność typu A

Współrzędnościowa maszyna pomiarowa X=205.20 Y=130.05 X=205.28 Y=130.15 X=205.27 Y=130.05 X=205.32 Y=130.16 X=205.00 Y=130.00 Współrzędnościowa maszyna pomiarowa

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

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

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

przez lepszą estymację mezurandu Redukcja niepewności przez lepszą estymację mezurandu Korekcja niepewności Kompensacja niepewności Filtracja = tworzenie nowej definicji 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 Błąd dynamiczny Niepewność dynamiczna Szumy dynamiczne

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

Zapis wyniku pomiaru M = M** ± U F = 528  3 kN F = 0,528  0,003 MN F = 528,354  3 kN F = 528  3,286 kN F = 528 kN  0,6 % F = 528000  3000 N

Wnioski 1. Nie ma “± Błędów” 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

Suwmiarka ± 0.03 mm u =0,046 U =0,092 0,4% D =20,08 ±0,09 odchyl kwadraty 20,16 +0,08 0,0064 20,21 +0.13 0,0139 20,07 -0,01 0,0001 19,97 -0,11 0,0121 20.01 -0.07 0,0049 100,42   0.0374 Dśr =20,08 uA = 0,043 u =0,046 U =0,092 D =20,08 ±0,09 0,4% A=314 ± 2,8 mm 2 0,9%