Miernictwo przemysłowe Józef Warechowski Olsztyn, 2014 Charakterystyka pomiarów w produkcji żywności Podstawa formalna do prowadzenia ciągłego nadzoru nad AKP: PN-EN ISO 9001 punkt 7.6 1
1 a) Bezpośrednie, b) pośrednie (parametryczne) 2 a) Niszczące, b) nieniszczące Rodzaje pomiarów Podział można również przeprowadzić według tego co się mierzy lub jak się mierzy: 3 a) Pomiary określonej wielkości np. wilgotności b) wg zasady i sposobu pomiaru np. dielektryczne Innym kryterium jest sposób oddziaływania sygnału mierzonego na przyrząd pomiarowy: 4 a) Metoda wychyłowa, b) metoda kompensacyjna Rodzaje pomiarów Podział można również przeprowadzić według tego po co się mierzy: 5 a) Pomiary bieżące, b) pomiary badawcze, c) Pomiary odbiorcze Innym kryterium jest wyjściowy sygnał pomiarowy: 6 a) sygnał analogowy b) sygnał cyfrowy. 2
legalna jednostka miary - jednostkę miary, której stosowanie jest nakazane lub dozwolone przepisem prawnym; wzorzec jednostki miary - przyrząd pomiarowy przeznaczony do zdefiniowania, zrealizowania, zachowania lub odtwarzania jednostki miary albo jednej lub wielu wartości danej wielkości fizycznej i służący jako odniesienie; przyrząd pomiarowy - urządzenie, układ pomiarowy lub jego elementy, przeznaczone do wykonania pomiarów samodzielnie lub w połączeniu z jednym lub wieloma urządzeniami dodatkowymi; wzorce miary i materiały odniesienia są traktowane jako przyrządy pomiarowe; wzorzec miary - urządzenie przeznaczone do odtwarzania lub dostarczania jednej lub wielu znanych wartości danej wielkości fizycznej w sposób niezmienny podczas jego stosowania; Źródło: USTAWA z dnia 11 maja 2001 r. Prawo o miarach Dz. U. Nr 64 z 2011 r., poz. 332. materiał odniesienia - materiał lub substancja, których jedna lub więcej wartości ich właściwości są dostatecznie jednorodne i określone w stopniu umożliwiającym stosowanie do wzorcowania przyrządu pomiarowego, oceny metody pomiarowej lub przypisania wartości właściwościom innych materiałów; wymagania - wymagania techniczne i metrologiczne, które powinien spełniad przyrząd pomiarowy; prawna kontrola metrologiczna - działanie zmierzające do wykazania, że przyrząd pomiarowy spełnia wymagania określone we właściwych przepisach; legalizacja - zespół czynności obejmujących sprawdzenie, stwierdzenie i poświadczenie dowodem legalizacji, że przyrząd pomiarowy spełnia wymagania; Źródło: USTAWA z dnia 11 maja 2001 r. Prawo o miarach Dz. U. Nr 64 z 2011 r., poz. 332. 3
wzorcowanie - czynności ustalające relację między wartościami wielkości mierzonej wskazanymi przez przyrząd pomiarowy a odpowiednimi wartościami wielkości fizycznych, realizowanymi przez wzorzec jednostki miary; wprowadzenie do użytkowania - zastosowanie przyrządu pomiarowego po raz pierwszy do celu, dla którego jest on przeznaczony; punkt legalizacyjny - miejsce wykonywania przez organy administracji miar czynności związanych z legalizacją dużej ilości określonych rodzajów przyrządów pomiarowych u producenta, importera albo u przedsiębiorcy dokonującego napraw lub instalacji; dowód legalizacji - świadectwo legalizacji lub cecha legalizacji umieszczana na przyrządzie pomiarowym, poświadczające dokonanie legalizacji. Źródło: USTAWA z dnia 11 maja 2001 r. Prawo o miarach Dz. U. Nr 64 z 2011 r., poz. 332. Implikacje wypływające z Ustawy Art. 6. 1. Obowiązek stosowania legalnych jednostek miar dotyczy użytkowania przyrządów pomiarowych, wykonywania pomiarów i wyrażania wartości wielkości fizycznych. 2. Jednostki miar inne niż legalne jednostki miar mogą byd stosowane, na mocy porozumieo międzynarodowych, w transporcie morskim, lotniczym i kolejowym. 3. Dopuszczalne jest stosowanie dodatkowych oznaczeo wyrażonych w jednostkach miar innych niż legalne jednostki miar. Oznaczenie wyrażone w legalnej jednostce miary ma charakter nadrzędny, w szczególności musi byd wyrażane znakami nie mniejszymi niż znaki wyrażające inną jednostkę miary. Źródło: USTAWA z dnia 11 maja 2001 r. Prawo o miarach Dz. U. Nr 64 z 2011 r., poz. 332. 4
Implikacje wypływające z Ustawy Art. 6a. 1. W celu zapewnienia przekazywania wartości legalnych jednostek miar od paostwowych wzorców jednostek miar do przyrządów pomiarowych organy administracji miar mogą, na wniosek zainteresowanych podmiotów, wykonywad wzorcowanie przyrządów pomiarowych. 2.... 3. Wynik wzorcowania, pozwalający na przypisanie wskazaniom przyrządu pomiarowego odpowiednich wartości wielkości mierzonej lub na wyznaczenie poprawek tych wskazao oraz błędów, jest poświadczany przez organ administracji miar w świadectwie wzorcowania. Źródło: USTAWA z dnia 11 maja 2001 r. Prawo o miarach Dz. U. Nr 64 z 2011 r., poz. 332. Implikacje wypływające z Ustawy Prawnej kontroli metrologicznej podlegają przyrządy pomiarowe (PP), które mogą byd stosowane: Art. 8. 1.... 1) w ochronie zdrowia, życia i środowiska, 2) w ochronie bezpieczeostwa i porządku publicznego, 3) w ochronie praw konsumenta, 4) przy pobieraniu opłat, podatków i innych należności budżetowych oraz ustalaniu opustów, kar umownych, wynagrodzeo i odszkodowao, a także przy pobieraniu i ustalaniu podobnych należności i świadczeo, 5) przy dokonywaniu kontroli celnej, 6) w obrocie Źródło: USTAWA z dnia 11 maja 2001 r. Prawo o miarach Dz. U. Nr 64 z 2011 r., poz. 332. 5
Jednostki podstawowe i uzupełniające układu SI Wielkość Oznaczenie wielkości Jednostki podstawowe Nazwa jednostki Oznaczenie jednostki Długość l metr m Masa m kilogram kg Czas t sekunda s Natężenie prądu el. I amper A Temperatura termodynamiczna T kelwin K Światłość I L kandela Cd Liczność materii (ilość substancji) mol mol Jednostki uzupełniające Kąt płaski radian rad Kąt bryłowy steradian sr Wielokrotne i podwielokrotne jednostek 10-18 a (atto) 10-15 f (femto) 10-12 p (piko) 10-9 n (nano) 10-6 m (mikro) 10-3 m (mili) 10-2 c (centy) 10-1 dc (decy) 10 1 d (deka) 10 2 h (hekto) 10 3 k (kilo) 10 6 M (mega) 10 9 G (giga) 10 12 T (tera) 10 15 P (peta) 10 18 E (eksa) 6
Przyrząd pomiarowy - urządzenie techniczne przeznaczone do wykonywania pomiarów lub przeznaczone do odtwarzania wartości danej wielkości fizycznej. Przetworniki pomiarowe i materiały odniesienia odtwarzające wartości danej wielkości fizycznej są traktowane na równi z przyrządami pomiarowymi. Cel pomiaru - określenie wartości wielkości mierzonej. Najczęściej wynik pomiaru jest określany na podstawie kilkunastu obserwacji uzyskanych w warunkach powtarzalności. 1. Identyczna procedura pomiarowa, 2. Ten sam obserwator, 3. Ten sam przyrząd pomiarowy, 4. Te same warunki pomiarowe, 5. To samo miejsce pomiaru, 6. Powtarzanie pomiaru w krótkich odstępach czasu. 7
NIEPEWNOŚĆ I BŁĄD POMIARU Błąd pomiaru (uchyb) - różnica między rzeczywistą wartością wielkości mierzonej a wynikiem pomiaru Błąd bezwzględny pomiaru ( e ) - różnica między zmierzoną wartością m, a wartością rzeczywistą m x danej wielkości e = m - m x Błąd względny ( E ) - stosunek błędu e E 100 [%] m x bezwzględnego e do wartości rzeczywistej m x NIEPEWNOŚĆ I BŁĄD POMIARU błąd pomiaru m x m śr - u C + u C niepewność pomiaru 8
RODZAJE BŁĘDÓW e e syst przyp m j błąd systematyczny metody niepewność wyniku (średniej arytmetycznej m) błąd gruby wyniku (j-tego pomiaru) e m m e j j x 1 m n syst m1 m2 m i e przyp m j gruby m n n BŁĄD GRUBY 1) wynik jednorazowego wpływu przyczyny działającej przejściowo, 2) występuje przy niektórych pomiarach, 3) przyczyny to np.: pomyłka przy odczycie wskazao przyrządu pomiarowego, pomyłka w obliczeniach, 4) zmienna losowa -jednak o nieznanym rozkładzie i nieznanej wartości oczekiwanej, 5) najłatwiejszy do wykrycia i usunięcia, 6) bywa zarówno dodatni jak i ujemny (inaczej niż w przypadku błędu systematycznego), 9
PRZYRZĄDY POMIAROWE ANALOGOWE Klasa niedokładności przyrządu (k) k xmax x x max min 100% Ze względu na klasę niedokładności przyrządy pomiarowe dzielimy na: 0,1; 0,2; 0,5 mierniki wzorcowe i laboratoryjne 1; 1,5 mierniki kontrolne 2,5; 5 mierniki techniczne PRZYRZĄDY POMIAROWE CYFROWE Nie istnieje tu pojęcie klasy dokładności Brak jednolitego sposobu podawania przez różnych wytwórców granicznych błędów wskazań charakteryzujących dokładność ich wyrobów 10
Klasa dokładności Przyrządu Pomiarowego a błąd pomiaru PRZYRZĄDY POMIAROWE ANALOGOWE 11
PRZYRZĄDY POMIAROWE ANALOGOWE PRZYRZĄDY POMIAROWE ANALOGOWE 12
PRZYRZĄDY POMIAROWE ANALOGOWE Woltomierz laboratoryjny klasy 0,5 (k = 0,5%) ma podziałkę równomierną o 75 działkach (d = 75) i zakres pomiarowy Z P = 30 V. Wskazuje on napięcie W = 24 V. Należy obliczyć: 1) Przedział liczbowy, w którym znajduje się wartość rzeczywista mierzonego napięcia. 2) Względny całkowity błąd zmierzonego napięcia. Należy przyjąć współczynnik wprawy mierzącego p = 0,1. PRZYRZĄDY POMIAROWE ANALOGOWE 13
PRZYRZĄDY POMIAROWE ANALOGOWE PRZYRZĄDY POMIAROWE CYFROWE 14
PRZYRZĄDY POMIAROWE CYFROWE PRZYRZĄDY POMIAROWE CYFROWE c.d. 15
PRZYRZĄDY POMIAROWE CYFROWE c.d. PRZYRZĄDY POMIAROWE CYFROWE c.d. 16
PRZYRZĄDY POMIAROWE CYFROWE c.d. PRZYRZĄDY POMIAROWE CYFROWE c.d. 17
PRZYRZĄDY POMIAROWE CYFROWE c.d. PRZYRZĄDY POMIAROWE CYFROWE c.d. 18
PRZYRZĄDY POMIAROWE CYFROWE c.d. Przyrządy pomiarowe w Zakładzie Produkcyjnym Charakterystyki przyrządów pomiarowych 19
Przyrządy pomiarowe w Zakładzie Produkcyjnym Charakterystyki przyrządów pomiarowych c.d. Na poprzednim slajdzie przedstawiono dwie charakterystyki tego samego przyrządu pomiarowego (PP) lub czujnika. Po lewej tronie slajdu jest charakterystyka statyczna, przedstawiająca zależność sygnału wyjściowego w funkcji wartości sygnału wejściowego (np. kąt wychylenia wskazówki manometru w zależności od wartości ciśnienia gazu działającego na ustrój pomiarowy, wartość oporu czujnika oporowego w zależności od temperatury ośrodka w którym go umieszczono, etc.). Charakterystyka ta sporządzana jest w warunkach bardzo wolnych zmian wartości sygnału wejściowego, którym może być ciśnienie gazu lub temperatura ośrodka przedstawione w zdaniu powyżej. Wykres po prawej stronie slajdu przedstawia charakterystykę dynamiczną, tzn. wartości wskazywane przez PP w funkcji czasu, gdy nagle zmieni się skokowo wartość sygnału wejściowego np. wartości temperatury wskazywane przez termometr zainstalowany na rurociągu którym pierwotnie płynęło mleko o temperaturze reprezentowanej przez punkt przecięcia osi, a w pewnym momencie (t=0) zaczęło płynąć mleko o temperaturze x(t) = const. Wykres ten (zależności wartości wskazywanej przez PP w funkcji czasu) jest charakterystyką dynamiczną. Parametrem charakteryzującym szybkość reakcji PP na zmianę wartości sybnału wejściowego (np. temperatury, ciśnienia lub przewodności) jest stała czasowa T. Przyrządy pomiarowe w Zakładzie Produkcyjnym Przykład: Dobór termometru Należy wybrać jeden z proponowanych mierników do pomiaru temperatury. Wiadomo, że każdy z nich zbudowany jest w sposób pozwalający na wykorzystanie w warunkach panujących w zakładzie i nie stwarzający zagrożenia dla jakości produktu, którego temperatura będzie mierzona. Spodziewamy się, że w miejscu pomiaru produkt będzie miał temperaturę z zakresu 50 80 C. Termometr: I II III Zakres pomiarowy: -50 +150 C 0 +100 C 0 +50 C Działka elementarna (d e ): 0,2 C 0,1 C 0,1 C Klasa dokładności: 0,5 1,0 1,0 Wartość bezwzględnego maksymalnego błędu pomiaru obliczamy korzystając z definicji klasy dokładności PP (slajd 19). k t max t t min 100 t I = 1,0 C t II = 1,0 C t III = 0,5 C Odpowiedź: Spośród proponowanych mierników najmniejszym maksymalnym błędem pomiaru wynikający z klasy dokładności charakteryzuje się termometr III. Nie może on być jednak wybrany, gdyż zakres mierzonych wartości znajduje się poza jego zakresem pomiarowym. Należy zdecydować się na miernik II (lub I jeżeli podczas mycia instalacji temperatura przekracza 100 C), ewentualnie poszukać innego miernika (jeżeli dokładność 1,0 C jest nie do zaakceptowania). 20