SYSTEMY POMIAROWE POLITECHNIKA KRAKOWSKA ZAGADNIENIA DR INŻ. JAN PORZUCZEK

Transkrypt

1 POLITECHNIKA KRAKOWSKA Instytut Inżynierii Cieplnej i Ochrony Powietrza SYSTEMY POMIAROWE DR INŻ. JAN PORZUCZEK ZAGADNIENIA Podstawa prawna Pojęcia podstawowe. Błąd i niepewność pomiaru. Struktura toru pomiarowego. Przetwarzanie sygnałów pomiarowych. Podstawy techniki cyfrowej. Przetwarzanie analogowo - cyfrowe. 1

2 ZAGADNIENIA Metody pomiaru temperatury. Klasyfikacja i przyrządy najczęściej stosowane w technice cieplnej. Termometry rezystancyjne. Termometry termoelektryczne. Metody pomiaru ciśnienia. Metody pomiaru prędkości płynu oraz jego strumienia objętości i strumienia masy. Metody pomiaru wilgotności. Pomiar mocy i energii cieplnej. PODSTAWY PRAWNE Ustawa Prawo o miarach z 11 maja 2001 (z późniejszymi zmianami) określa: legalne jednostki miar, wymagania prawnej kontroli metrologicznej przyrządów pomiarowych, kompetencje organów administracji rządowej sankcje za naruszenie przepisów ustawy 2

3 PODSTAWY PRAWNE Dyrektywa UE Measuring Instruments Directive (MID) Przyrząd zgodny z MID może być stosowany w każdym kraju UE POMIAR Proces poznawczy polegający na eksperymentalnym porównaniu wielkości mierzonej z wzorcem jednostki miary, dokonanym z określoną dokładnością. A = {A} * [A] jednostka wielkości liczba jednostek wynik pomiaru 3

4 POMIAR BŁĄD I NIEPEWNOŚĆ Pomiar zawsze realizowany jest ze skończoną dokładnością, a jego wynik jest zawsze obarczony błędem! BŁĄD BEZWZGLĘDNY: X = X R - X M BŁĄD WZGLĘDNY: δ = X 100% X R POMIAR BŁĄD I NIEPEWNOŚĆ Wartość rzeczywista X R jest zawsze nieznana, dlatego nie jest możliwe obliczenie błędu. Do oceny dokładności przeprowadzonego pomiaru stosuje się metody przedstawione w publikacji: Wyrażanie niepewności pomiaru. Przewodnik wydanej przez: Główny Urząd Miar w 1999 roku 4

5 WSPÓŁCZESNY TOR POMIAROWY X M X R WSKAŹNIK / CZUJNIK PRZETWORNIK REJESTRATOR WSPÓŁCZESNY TOR POMIAROWY X M X R WSKAŹNIK / CZUJNIK PRZETWORNIK REJESTRATOR CZUJNIK PRZETWORNIK PRZETWARZAJĄCY WIELKOŚĆ MIERZONĄ MOŻLIWE, SZKODLIWE INTERAKCJE: WRAŻLIWOŚĆ NA INNE, NIEMIERZONE WIELKOŚCI OBCIĄŻENIE OBIEKTU PRZEZ CZUJNIK 5

6 WSPÓŁCZESNY TOR POMIAROWY X M X R WSKAŹNIK / CZUJNIK PRZETWORNIK REJESTRATOR PRZETWORNIK ZESPÓŁ ELEMENTÓW REALIZUJĄCYCH OKREŚLONĄ FUNKCJĘ PRZETWARZANIA SYGNAŁU POMIAROWEGO PRZETWORNIK ZAZWYCZAJ PRZETWARZA SYGNAŁ SPECYFICZNY DLA KONKRETNEGO RODZAJU CZUJNIKA NA JEDEN Z SYGNAŁÓW STANDARDOWYCH WSPÓŁCZESNY TOR POMIAROWY SYGNAŁY STANDARDOWE: NAPIĘCIOWE: 0 5 [V] 0 10 [V] 1 5 [V] 2 10 [V] PRĄDOWE: 0 20 [ma] 4 20 [ma] 6

7 WSPÓŁCZESNY TOR POMIAROWY X M X R WSKAŹNIK / CZUJNIK PRZETWORNIK REJESTRATOR WSKAŹNIK / REJESTRATOR ZESPÓŁ ELEMENTÓW UMOŻLIWIAJĄCYCH ODCZYT WYNIKU POMIARU WIELKOŚCI MIERZONEJ ORAZ/LUB JEJ REJESTRACJĘ REJESTRACJA WYNIKÓW POMIARÓW AKWIZYCJA DANYCH REJESTRACJA NA TAŚMIE PAPIEROWEJ (DO KILKUNASTU ZMIENNYCH) REJESTRACJA NA NOŚNIKU CYFROWYM np. KARTA CF LUB SD (DO KILKUDZIESIĘCIU ZMIENNYCH) REJESTRACJA NA KOMPUTERZE PRZEMYSŁOWYM (DO KILKUDZIESIĘCIU TYSIĘCY ZMIENNYCH) 7

8 SIECI TELEMETRYCZNE POMIAR NA ODLEGŁOŚĆ INTERFEJSY (ang. interface) modemy, modemy GSM, radiomodemy RS 485 (Modbus, Profibus) specjalizowane, stosowane w tzw. inteligentnych budynkach : LonWorks, BACnet, M-Bus wykorzystujące łącza internetowe (ethernet) PODSTAWY TECHNIKI CYFROWEJ Jednostką ilości informacji w systemach cyfrowych jest BIT Bit może przyjmować dwie wartości: 0 lub 1 Za pomocą n-bitowego słowa można zapisać: N=2 n stanów przetwarzanego sygnału 8

9 PODSTAWY TECHNIKI CYFROWEJ Urządzeniem, które dokonuje konwersji sygnału analogowego do postaci cyfrowej jest przetwornik analogowo cyfrowy. Stanowi on podstawowy element większości współczesnych systemów pomiarowych PODSTAWY TECHNIKI CYFROWEJ Z przetwarzaniem A/C wiąże się zawsze pojawienie się błędu kwantyzacji, który jest składową błędu całkowitego. k = Z 2 n Z zakres pomiarowy 9

10 METODY POMIARU TEMPERATURY CZUJNIKI TEMPERATURY KONTAKTOWE BEZKONTAKTOWE ELEKTRYCZNE NIEELEKTRYCZNE PIROMETRY KAMERY TERMOWIZYJNE ELEKTRYCZNE BIMETALOWE TERMO- TERMO- REZYSTANCYJNE CIECZOWE 10

11 CZUJNIKI TERMOELEKTRYCZNE T 1 TERMOPARY Zjawisko Seebecka (1821 r.) Jeżeli temperatury T 1 T 2, to w obwodzie złożonym z dwóch A B różnych metali (lub stopów): A i B powstaje siła termoelektryczna. mv T 2 CZUJNIKI TERMOELEKTRYCZNE TERMOPARY W zastosowaniach praktycznych temperatura T2 jest stabilizowana na określonej, znanej wartości, lub mierzona dodatkowym czujnikiem Połączenie pomiędzy czujnikiem a zaciskami o znanej temperaturze T2 musi być wykonane PRZEWODEM KOMPENSACYJNYM! 11

12 CZUJNIKI TERMOELEKTRYCZNE PRZEWODY KOMPENSACYJNE: muszą być dostosowane do typu czujnika właściwości termoelektryczne identyczne z elektrodami czujnika w zakresie temperatur stosowania tych przewodów podłączenie zgodne z polaryzacją +/- identyfikacja uproszczona dzięki kodom kolorystycznym elektroda + w kolorze izolacji zewnętrznej CZUJNIKI TERMOELEKTRYCZNE PRZEWODY KOMPENSACYJNE: izolacje przewodów PCV -20 o C 80 o C silikon -50 o C 180 o C włókno szklane do 300 o C ceramika ( koraliki ) wyższe temperatury 12

13 CZUJNIKI TERMOELEKTRYCZNE RODZAJE SPOIN CZUJNIKA CZUJNIKI TERMOELEKTRYCZNE TYPY TERMOELEMENTÓW: S (PtRh10 Pt) do 1300 o C B (PtRh30 PtRh6) do 1600 o C J (Fe CuNi) -200 o C 600 o C T (Cu CuNi) -200 o C 500 o C E (NiCr CuNi) -200 o C 900 o C K (NiCr NiAl) -200 o C 1200 o C 13

14 CZUJNIKI REZYSTANCYJNE METALOWE PÓŁPRZEWODNIKOWE (TERMISTORY) PLATYNA o C NTC o C NIKIEL o C PTC o C MIEDŹ o C CZUJNIKI TERMOREZYSTANCYJNE Rezystancję przewodnika można wyrazić równaniem: R = ρ l s gdzie: ρ rezystywność właściwa przewodnika (zależna od temperatury) l długość przewodnika s pole przekroju poprzecznego 14

15 CZUJNIKI TERMOREZYSTANCYJNE CZUJNIKI REZYSTANCYJNE METALOWE: PLATYNOWE Pt 100 Pt 500 Pt 1000 NIKLOWE Ni 100 Ni 120 MIEDZIANE Cu 50 Cu 53 Cu 100 Oznaczenie liczbowe czujnika jest jego rezystancją w temperaturze 0 o C CZUJNIKI TERMOREZYSTANCYJNE POMIAR REZYSTANCJI CZUJNIKA CZUJNIK R c Ω R c =? 15

16 CZUJNIKI TERMOREZYSTANCYJNE POMIAR REZYSTANCJI CZUJNIKA R p /2 CZUJNIK R c Ω R c =? R p /2 R p WYMAGA KOMPENSACJI CZUJNIKI TERMOREZYSTANCYJNE POMIAR REZYSTANCJI CZUJNIKA CZUJNIK R c R/I ma 16

17 CZUJNIKI TERMOREZYSTANCYJNE POMIAR REZYSTANCJI CZUJNIKA CZUJNIK R c R/I ma POŁĄCZENIE 3-PRZEWODOWE CZUJNIKI TERMOREZYSTANCYJNE POMIAR REZYSTANCJI CZUJNIKA CZUJNIK R c R/I ma POŁĄCZENIE 4-PRZEWODOWE 17

18 PRZEMYSŁOWE CZUJNIKI TEMPERATURY UCHWYT MONTAŻOWY Z GWINTEM GŁOWICA CZUJNIKA OSŁONA TERMOMETRYCZNA DŁAWNICA KABLOWA 18

19 TERMOMETRY BIMETALOWE TERMOMETRY CIECZOWE 19

20 PIROMETRY pomiar bezkontaktowy nie zakłóca pola temperatury wykorzystuje promieniowanie temperaturowe wymaga znajomości emisyjności powierzchni TERMOGRAFIA umożliwia wizualizację pola temperatury pomiar bezkontaktowy, bez zakłócania pola temperatury 20

21 TERMOGRAFIA TERMOGRAFIA 21

22 METODY POMIARU PRĘDKOŚCI I STRUMIENIA PRZEPŁYWU WIELKOŚĆ MIERZONA PRĘDKOŚĆŚREDNIA PRĘDKOŚĆ LOKALNA STRUMIEŃ OBJĘTOŚCI STRUMIEŃ MASY OBJĘTOŚĆ (p. całkujące) MASA (p. całkujące) 22

23 ZASADA DZIAŁANIA PRZEPŁYWOMIERZE ZWĘŻKOWE SONDY SPIĘTRZAJĄCE PRZEPŁYWOMIERZE PŁYWAKOWE PRZEPŁYWOMIERZE SILNIKOWE PRZEPŁYWOMIERZE ULTRADŹWIĘKOWE PRZEPŁYWOMIERZE ELEKTROMAGNETYCZNE INNE PRZEPŁYWOMIERZE ZWĘŻKOWE NORMA: PN-EN ISO Pomiary strumienia płynu za pomocą zwężek pomiarowych 23

24 PRZEPŁYWOMIERZE ZWĘŻKOWE a) KRYZA b) DYSZA c) ZWĘŻKA VENTURIEGO KRYZY POMIAROWE 24

25 KRYZY POMIAROWE SONDY SPIĘTRZAJĄCE POMIAR PRĘDKOŚCI: LOKALNEJ ŚREDNIEJ 25

26 SONDY SPIĘTRZAJĄCE SONDY SPIĘTRZAJĄCE 26

27 PRZEPŁYWOMIERZE PŁYWAKOWE - ROTAMETRY ROTAMETRY 27

28 ROTAMETRY PRZEPŁYWOMIERZE SILNIKOWE PRZEPŁYWOMIERZE SILNIKOWE WODOMIERZE GAZOMIERZE PRZEPŁYWOMIERZE TURBINOWE SKRZYDEŁKOWE ŚRUBOWE SKRZYDEŁKOWE MIECHOWE KOMOROWE TŁOKOWE ROTOROWE BĘBNOWE 28

29 PRZEPŁYWOMIERZE SILNIKOWE PRZEPŁYWOMIERZE SILNIKOWE WODOMIERZE SKRZYDEŁKOWE 29

30 PRZEPŁYWOMIERZE SILNIKOWE PRZEPŁYWOMIERZE SILNIKOWE WODOMIERZ SPRZĘŻONY 30

31 PRZEPŁYWOMIERZE SILNIKOWE GAZOMIERZ ROTOROWY GAZOMIERZ TURBINOWY GAZOMIERZE MIECHOWE 31

32 ANEMOMETRY ANEMOMETRY 32

33 PRZEPŁYWOMIERZE ULTRADŹWIĘKOWE PRZEPŁYWOMIERZE ELEKTROMAGNETYCZNE 33

34 PRZEPŁYWOMIERZE ELEKTROMAGNETYCZNE METODY POMIARU CIŚNIENIA 34

35 CIŚNIENIE ABSOLUTNE NADCIŚNIENIE ( manometry) ATMOSFERYCZNE (BAROMETRYCZNE) PODCIŚNIENIE ( wakuometry) PRÓŻNIA BEZWZGLĘDNA MANOMETRY Z RURKĄ BOURDONA 35

36 MANOMETRY Z PRZEPONĄ SPRĘŻYSTĄ MANOMETRY - MONTAŻ MANOMETR ZAWÓR ODCINAJĄCY RURKA SYFONOWA 36

37 PRZETWORNIKI CIŚNIENIA PRZETWORNIKI RÓŻNICY CIŚNIENIA 37

38 PRZENOŚNE PRZETWORNIKI CIŚNIENIA METODY POMIARU WILGOTNOŚCI 38

39 HIGROMETR WŁOSOWY TERMOHIGROMETR ELEKTRONICZNY STACJONARNY PRZENOŚNY 39

40 TERMOHIGROMETR ELEKTRONICZNY LABORATORYJNY DUŻA DOKŁADNOŚĆ PSYCHROMETR ASSMANNA 40

41 METODY POMIARU MOCY I ENERGII CIEPLNEJ PODSTAWY TEORETYCZNE m&, T, c 1 1 p 1 m&, T, c 2 2 p 2 Q & =? Brak wymiany masy, więc: m & = m& = m& 1 2 ENERGIA CIEPLNA: MOC CHWILOWA: t 2 Q& = m& c ( T T2) E = m& c ( T T2) dt p 1 c p 1 t 1 41

42 PODSTAWY TEORETYCZNE Znaczenie praktyczne powyższych wzorów: do wyznaczenia mocy chwilowej konieczny jest pomiar temperatury zasilania i powrotu, oraz strumienia masy czynnika grzewczego, w praktyce, jeżeli znana jest gęstość czynnika, możliwy jest pomiar strumienia objętości (prostszy i tańszy) i przeliczenie na strumień masy: m & = V & ρ PODSTAWY TEORETYCZNE Znaczenie praktyczne powyższych wzorów: gęstość płynu musi być określona dla warunków panujących w miejscu zamontowania przepływomierza, podane zależności mogą być zastosowane gdy w przekroju rurociągu temperatura czynnika jest (w przybliżeniu) jednakowa 42

43 CIEPŁOMIERZ CIEPŁOMIERZ PRZELICZNIK PRZETWORNIK PRZEPŁYWU PARA CZUJNIKÓW TEMPERATURY 43

44 CIEPŁOMIERZ PRZELICZNIKI CIEPŁOMIERZY PRZEMYSŁOWYCH 44

45 SCADA 45