Projektowanie systemów pomiarowych. 01 Wykład wstępny

Transkrypt

1 Projektowanie systemów pomiarowych 01 Wykład wstępny 1

2 1. Zaliczenie - Kolokwium zaliczające (zerówka, pierwszy termin, poprawka) - Zaliczenie projektu zespołowego 2

3 2. Literatura - Chaleba A., Poniński M., Siedlecki A.: Metrologia elektryczna WNT Winiecki W., Nowak J. Stanik S.: Graficzne zintegrowane środowiska programowe, Wyd. Mikom Świsulski D.: Komputerowa technika pomiarowa, AW Pak-u Morris, Alan S.; Langari, Reza Measurement and Instrumentation - Theory and Application, ISBN , Elsevier 2011 (dostępna w baize KNOVEL z ) - Tumański S. Technika pomiarowa - Stabrowski M. Miernictwo elektryczne. Cyfrowa technika pomiarowa - Podręczniki dostępne online: - miarowe_iii_semestr_wyklady.pdf - _POMIAROWE_IV_semestr_wyklady.pdf I wiele innych 3

4 3. Plan zajęć 1. Wstęp, podstawowe pojęcia (metoda, system, narzędzia). 2. Podstawowe wiadomości o narzędziach pomiarowych 3. Przetworniki pomiarowe wielkości elektrycznych (boczniki, przekładniki itp.). 4. Mierniki analogowe i cyfrowe, liczniki energii. 5. Wybrane przyrządy rejestrujące. 6. Mostki pomiarowe. 7. Pomiary wielkości fizycznych nieelektrycznych (siła, moment, ciśnienie, przemieszczenie itp.) 8. Rejestracja i przetwarzanie danych 9. Podstawy rachunku błędów. 4

5 Studenci posiadają podstawową wiedzę z elektrotechniki /elektroniki Podstawowe pojęcia i zagadnienia: - Napięcie, prąd, oporność, pojemność, moc prądu stałego - Prąd stały i prąd zmienny - Prawo Ohma - Łączenie szeregowe rezystorów, spadki napięcia.. Itd.. 5

6 POMIARY Obserwacja zgrubne wytworzenie skali pozwalające na ocenę otaczającego świata. Pozwala na ustalenie jakościowego obrazu obiektu fizycznego. 6

7 1. Co to jest pomiar? Obserwacje są pierwotnym i jednocześnie najbardziej elementarnym procesem poznawczym polegającym na przyporządkowaniu subiektywnych wrażeń jakie rejestruje ludzki umysł zjawiskom fizycznym. Wyniki obserwacji mają charakter jakościowy i nie muszą stanowić podstawy do uogólnień naukowych ponieważ są: - jakościowe, - niejednoznaczne, - niepełne - często subiektywne. 7

8 Pomiar to proces poznawczy polegający na porównaniu z odpowiednią dokładnością wartości wielkości mierzonej z pewną jej wartością przyjętą za jednostkę miary Jednostka miary jest umówienie przyjętą i wyznaczoną z dostateczną dokładnością wartością danej wielkości, która służy do porównania ze sobą innych wartości tej samej wielkości. Właściwości zjawiska lub ciała, które wyznaczamy jakościowo lub ilościowo nazywamy wielkością fizyczną lub mierzalną. Wielkości mierzalne można podzielić: - według struktury: ciągłe (analogowe) przyjmujące nieskończenie wiele wartości i ziarniste (dyskretne) przyjmujące określone wartości różniące się o skończone wartości (kwanty); - według poboru energii: aktywne, przy pomiarze których nie trzeba dodatkowych źródeł energii i pasywne do pomiaru których trzeba dodatkowo użyć energii 8

9 Proces pomiarowy Czynności składające się na proces pomiarowy: - wytypowanie właściwości obiektu, którą należy zbadać (model fizyczny obiektu), - zbudowanie modelu matematycznego obiektu (opisanie właściwości za pomocą formuł matematycznych), - ustalenie modelu metrologicznego obiektu (transformacja modelu matematycznego fizycznego, aby był opisywany tylko przez wielkości mierzalne), - wybór metody pomiaru i środków technicznych do jego realizacji, - dokonanie operacji porównania, - opracowanie i interpretacja rezultatów pomiaru. Czyli pomiar jest procesem poznawczym polegającym na porównaniu, z odpowiednią dokładnością, wartości mierzonej z pewną jej wartością przyjętą za jednostkę miary. 9

10 Jednostka miary Jednostką miary nazywamy umownie przyjętą i wyznaczoną z dostateczną dokładnością wartością danej wielkości, która służy do porównania ze sobą innych wartości tej samej wielkości. Układ wielkości uporządkowany zbiór wielkości mierzalnych występujący we wszystkich dziedzinach wiedzy (lub tylko jednej z nich). Układ jednostek miar zbiór wszystkich jednostek miar wielkości mierzalnych. Ze względu na dużą liczbę wielkości mierzalnych (około 1000) wyszczególniono kilka jednostek podstawowych, za pomocą których można utworzyć pozostałe jednostki pochodne za pomocą odpowiednich równań. 10

11 Narzędzia pomiarowe Porównanie bezpośrednie mierzonych wielkości z umowną jednostką zwykle jest trudne i pracochłonne. W realizacji procesu pomiarowego wykorzystywane są środki techniczne nazywane narzędziami pomiarowymi. Należą do nich: wzorce, przyrządy pomiarowe, przetworniki pomiarowe, układy pomiarowe i systemy pomiarowe. 11

12 Przyrządy pomiarowe Są narzędziami pomiarowymi służącymi do wykonania pomiarów. Można je podzielić ze względu na sposób przekazywania informacji pomiarowej do obserwatora na analogowe (położenie wskaźnika względem opisanej w liczbach podziałki) oraz cyfrowe (wynik widoczny bezpośrednio w liczbach). 12

13 Wzorce Są to narzędzia pomiarowe odtwarzające jednostki miary lub ich wielokrotności. Wzorce powinny charakteryzować się: - niezmiennością w czasie, łatwą porównywalnością, - łatwością odtwarzania, łatwością stosowania, - dużą dokładnością. Parametry wzorca: - nominalna miara wzorca, niedokładność miary wzorca, - okres zachowania niedokładności miary wzorca, - warunki, w których miara i niedokładność są zachowane. Parametry są podane zwykle na wzorcu lub w jego metryce, wzorce mogą być elementami aktywnymi lub pasywnymi. 13

14 Wzorce odpowiadające podstawowym jednostkom układu SI: - atomowy wzorzec czasu, - naturalny wzorzec temperatury (np. temp. wrzenia wody), - sztuczne wzorce: masy, światłości, natężenia prądu (waga prądowa), - wzorce pośrednie (wzorzec natężenia można odtworzyć za pomocą wzorca napięcia i rezystancji) Wzorce skonstruowane o określone wymiary i właściwości materiałowe nazywamy liczalnymi lub obliczeniowymi (np. wzorce pojemności). Hierarchia wzorców zależy od ich dokładności. Najlepsze wzorce pierwotne (wzorce państwowe etalony), wzorce I rzędu, wzorce II rzędu. 14

15 Przetworniki pomiarowe Jeżeli nie można bezpośrednio zmierzyć wielkości mierzonej X a można ją przekształcić na wielkość Y, którą jesteśmy w stanie zmierzyć to należy zastosować przetwornik pomiarowy dokonujący operacji zmiany wielkości X w Y. Zamiana wielkości X w wielkość Y przy zachowaniu informacji o wielkości X nazywana jest przetwarzaniem. Nowa wielkość Y nazywana jest sygnałem pomiarowym. 15

16 Sygnał pomiarowy zawiera informację pomiarową wartość wielkości mierzonej można wyznaczyć z wartości sygnału. Sygnał pomiarowy zawiera nośnik sygnału oraz parametr informacji. Nośnik sygnału jest wielkością opisującą procesy energetyczne przenoszące informację, parametr informacji jest to funkcja zrealizowana na nośniku. Sygnał pomiarowy może być w postaci analogowej lub dyskretnej. Układ pomiarowy - Jest zbiorem funkcjonalnym przyrządów i przetworników pomiarowych stanowiących jedną całość umożliwiającą pobranie informacji pomiarowej, przetworzenie jej w sygnał pomiarowy, porównanie (komparację), standaryzację i prezentację wyniku pomiaru. 16

17 System pomiarowy to zbiór funkcjonalny przyrządów i przetworników pomiarowych objęty wspólnym sterowaniem wewnętrznym lub zewnętrznym, tworzący jedną organizacyjną całość przeznaczoną do pobrania informacji pomiarowej, jej przetworzenie, komparację (porównanie), obliczenie i rejestrację wyników pomiaru Metody pomiarowe - to zespół czynności wykonywanych w celu przeprowadzenia pomiaru celem określenia wartości wielkości mierzonej (wyniku pomiaru). Różne metody pomiarowe stosowane są w zależności od żądanej dokładności, warunków wykonywania pomiaru, przeznaczenia wyników pomiaru, charakteru wielkości mierzonej itd. Nie istnieje jedna metoda optymalna pod wszystkimi względami dostosowuje się je do określonych wymagań. Metody pomiarowe można podzielić według sposobu: przetwarzania sygnału pomiarowego w procesie pomiarowym, uzyskiwania wyniku pomiaru, porównywania wielkości mierzonych z ich wzorcami (metoda podstawowa i metody porównawcze). 17

18 Przykładowy system pomiarowy i jego komponenty (przykład): Wysokotemperaturowy elektryczny piec rurowy z atmosferą gazów ochronnych i mechanizmem załadowczym próbki. System wizyjny z kamerą CCD oraz zespołem algorytmów przetwarzania obrazów (filtracja, progowanie). System analizy obrazu lokalizujący próbkę oraz wyznaczający kąt zwilżania i napięcie powierzchniowe w oparciu o jej parametry geometryczne. Precyzyjny system pomiaru i regulacji temperatury oraz zautomatyzowany system zabezpieczających filtrów podczerwonych. 18

19 Wirtualny instrument np. LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) jest rozbudowanym systemem służącym do akwizycji i przetwarzania danych pomiarowych. Zawiera biblioteki funkcji i procedur służących do akwizycji, analizy, prezentacji i zachowywania danych. Programy tworzone za pomocą LabVIEW noszą nazwy instrumentów wirtualnych - VI (ang. Virtual Instruments), ponieważ ich wygląd i sposób działania naśladuje rzeczywiste instrumenty pomiarowe. Każdy program VI składa się z dwóch zasadniczych części: panelu sterowania i schematu blokowego. 19

20 Podział metod pomiarowych ze względu na sposób przetwarzania sygnału pomiarowego w procesie pomiarowym: metody analogowe mierzonej wielkości analogowej (ciągłej) odpowiada sygnał analogowy (ciągły), metody cyfrowe ciągłe przedziały czasu wielkości mierzonej są odwzorowywane przez dyskretne wartości sygnału pomiarowego. Podział ze względu na sposób otrzymywania wartości wielkości mierzonej: bezpośrednia - wielkość mierzona otrzymana jest bezpośrednio, bez dodatkowych obliczeń opartych na zależności funkcjonalnej wielkości mierzonej od innych wielkości (pomiar prądu amperomierzem). metoda pośrednia - wartość mierzoną otrzymuje się pośrednio z pomiarów bezpośrednich innych wielkości związanych zależnością funkcjonalną z wielkością mierzoną (np. pomiar gęstości na podstawie masy i objętości). metoda złożona - polegają na bezpośrednim lub pośrednim wyznaczeniu wartości pewnej liczby wielkości związanych ze sobą układem równań algebraicznych. Wyznaczenie wartości wielkości mierzonej wymaga rozwiązana tego układu. 20

21 Metody pomiarowe Jest to zespół czynności wykonywanych w celu przeprowadzenia pomiaru celem określenia wartości wielkości mierzonej (wyniku pomiaru). Różne metody pomiarowe stosowane są w zależności od żądanej dokładności, warunków wykonywania pomiaru, przeznaczenia wyników pomiaru, charakteru wielkości mierzonej itd. Nie istnieje jedna metoda optymalna pod wszystkimi względami dostosowuje się je do określonych wymagań. Np. pomiar temperatury ciała człowieka (termometr ale gdzie go umieścić? termowizja). 21

22 Metody pomiarowe można podzielić według sposobu: przetwarzania sygnału pomiarowego w procesie pomiarowym, uzyskiwania wyniku pomiaru, porównywania wielkości mierzonych z ich wzorcami (metoda podstawowa i metody porównawcze). Podział ze względu na sposób przetwarzania sygnału pomiarowego w procesie pomiarowym: metody analogowe mierzonej wielkości analogowej (ciągłej) odpowiada sygnał analogowy (ciągły), metody cyfrowe ciągłe przedziały czasu wielkości mierzonej są odwzorowywane przez dyskretne wartości sygnału pomiarowego. 22

23 Podział ze względu na sposób otrzymywania wartości wielkości mierzonej: metoda bezpośrednia (wielkość mierzona otrzymana jest bezpośrednio, bez dodatkowych obliczeń opartych na zależności funkcjonalnej wielkości mierzonej od innych wielkości np. pomiar masy na wadze z podziałką albo wadze równoramiennej, pomiar prądu amperomierzem, pomiar długości linijką), metoda pośrednia (wartość mierzoną otrzymuje się pośrednio z pomiarów bezpośrednich innych wielkości związanych zależnością funkcjonalną z wielkością mierzoną np. pomiar energii elektrycznej na podstawie pomiarów prądu, napięcia i czasu, pomiar rezystywności na podstawie pomiarów rezystancji, długości i przekroju próbki pomiar gęstości ciała na podstawie pomiarów jego masy i objętości. metoda złożona (polegają na bezpośrednim lub pośrednim wyznaczeniu wartości pewnej liczby wielkości związanych ze sobą układem równań algebraicznych. Wyznaczenie wartości wielkości mierzonej wymaga rozwiązana tego układu np. pomiar masy poszczególnych odważników z kompletu, gdy znana jest masa jednego z nich oraz wynik porównań mas różnych kombinacji tych odważników. 23

24 Podział Metoda pomiarowa podstawowa (bezwzględna, absolutna) pomiar wielkości podstawowych wchodzących do definicji wartości mierzalnej np. wyznaczenie powierzchni prostokąta na podstawie pomiaru jego długości i szerokości. Przy pomiarze wielkości elektrycznych metoda ta nie ma większego zastosowania. Metody pomiarowe porównawcze opierają się na porównaniu wielkości mierzonej ze znaną wartością tej samej wielkości (wielkość wzorcowa), wyróżnia się metodę odchyłową (wychyłową), różnicową, zerową, podstawieniowią i przestawieniową. 24

25 Metody pomiarowe porównawcze: Metoda odchyłowa jest najprostszą metodą pomiarową. Wymaga najprostszych środków technicznych do jej realizacji. Stosowana jest głównie w przyrządach o zakresach zawierających wartość zero wielkości mierzonej. Istotą jest przyporządkowanie wielkości mierzonej miejsca w uporządkowanym zbiorze wartości danej wielkości. Przyrząd pomiarowy wywzorcowany jest zwykle w jednostkach miary danej wielkości np. Przyrząd analogowy odchylenie wskazówki zależy od mierzonej wielkości a uporządkowany zbiór wartości to wywzorcowana podziałka. Metoda różnicowa od wielkości mierzonej X odejmujemy znaną wartość Xw a różnicę X- Xw mierzymy metodą odchyłową. Wynik wskazania przyrządu to odczytana wartość α=x-xw. Przyrząd może być wywzorcowany w wartościach mierzonej wielkości X (wtedy zakres pomiarowy nie zawiera wartości zerowej) lub w wartościach różnicy X-Xw. 25

26 Metody przetwarzania sygnału pomiarowego Są to metody formowania sygnału pomiarowego. Wyróżniamy dwie metody przetwarzania: metodę przekształcenia - uformowanie sygnału Y poprzez zmianę wielkości mierzonej X lub zmianę rodzaju energii przenoszonej wielkości X albo też na drodze sterowania wielkością X procesami energetycznymi przenoszącymi sygnały Y. Te trzy sposoby uformowania sygnału realizowane są bez bezpośredniego udziału wielkości wzorcowych. Metoda przekształcenia jest odpowiednikiem metody odchyłowej pomiaru np. zmiana skali napięcia lub prądu w przekładniku, zmiana charakteru fizycznego wielkości mierzonej w amperomierzu (prąd przekształcany jest w odchylenie) zmiana wielkości nieelektrycznej w elektryczną (temperatura zmieniana na napięcie w termoparze). metodę bezpośredniego porównania - Metoda bezpośredniego porównania polega na uformowaniu sygnału Y poprzez porównanie wielkości mierzonej X z wielkością wzorcową Xw. Sygnał Y przenosi informację o wartości wielkości mierzonej Xw, odpowiadającej stanowi równowagi i w ten sposób otrzymujemy informację o wielkości mierzonej X. 26 Wartość mierzona w tej metodzie przenoszona jest poprzez sygnał pomiarowy

27 Najważniejsze branże będące odbiorcami czujników i urządzeń do pomiarów temperatury, ciśnienia i przepływomierzy 27