Pomiary wybranych wielkości fizycznych

Przyrz

dy pomiarowe

Przyrz

d pomiarowy

jest to narz

dzie jedno- lub wielocz

ęś

ciowe, do którego doprowadzamy wielko

ść

mierzon

i po wykonaniu odpowiednich czynno

ci otrzymujemy wynik pomiaru, najcz

ęś

ciej w

postaci wizualnej. Sposób doprowadzenia wielko

ci mierzonej mo

e by

ró

ny.

Przyrz

dy pomiarowe mog

analogowe lub cyfrowe. Przykładami przyrz

dów

analogowych mog

termometry, manometry itp. Cech

znamienn

przyrz

dów

analogowych jest g

sty zbiór wskaza

wyników pomiaru (podawanych np. poło

eniem

wskazówki). Skala odczytu jest osi

liczb rzeczywistych z podan

jednostk

miary.

Przykładem przyrz

du cyfrowego mo

e by

przyrz

d z wy

wietlaczem cyfrowym. Na

wietlaczu tym mamy liczb

w systemie dziesi

tnym z podaniem poło

enia przecinka,

jednostk

miary i czasami znakiem + lub -. Wskutek sko

czonej liczby cyfr pola odczytowego

wynik pomiaru jest kwantowany, a warto

ść

kwantu jest równa najmniejszej warto

ci wyniku,

np. przy odczycie na woltomierzu 456,8 mV kwant jest równy 0,1 jednostki miary.

Przetwornik pomiarowy

jest urz

dzeniem, które przetwarza jedn

wielko

ść

fizyczn

w inn

wielko

ść

okre

lon

dokładno

. Zwykle wielko

ść

fizyczna podawana przez przetwornik pomiarowy

nie jest dost

pna zmysłom obserwatora, mo

e by

zakodowana. Aby odczyta

tre

ść

wielko

ci wyj

ciowej lub wynik pomiaru, trzeba u

odpowiedniego przyrz

du wtórnego.

Przetwornik pomiarowy mo

e by

wyposa

ony w pami

ęć

do zapami

tywania wyników

pomiaru w postaci zakodowanej. Mo

e by

wyposa

ony w mikroprocesor do przetwarzania

sygnałów i informacji.

Czujnik pomiarowy (sensor)

jest cz

ęś

przetwornika pomiarowego, gdy wielko

przetwarzan

jest wielko

ść

mierzona. Czujnik jest zwykle umieszczany w badanym

rodowisku.

nym uzupełnieniem nazwy przetwornik, czujnik czy system jest przymiotnik

pomiarowy. Oznacza on,

e przetwarzanie jednej wielko

ci w drug

jest realizowane z

okre

lon

dokładno

. Je

li dokładno

ść

nie jest okre

lona, to przetwornik nie nadaje si

pomiarów, lecz słu

y do innych zastosowa

. Przykładowo: silnik spalinowy jest

przetwornikiem energii chemicznej w energi

mechaniczn

, lecz nie jest przetwornikiem

pomiarowym.

System pomiarowy (SP)

ma wiele ró

nych okre

, ale jako,

e system jest poj

ciem pierwotnym nie ma

definicji. System pomiarowy mo

emy podzieli

na podsystemy, takie jak: zbierania i

przetwarzania wyników pomiaru, przesyłania sygnałów b

informacji oraz podsystem

współpracy z operatorem (obsługa, sterowanie, wizualizacja itp.).

Poj

cie systemu pomiarowego mo

emy zastosowa

do ka

dego przyrz

pomiarowego i przetwornika pomiarowego, składaj

cego si

, z co najmniej dwóch

elementów. Nazwa SP jest zwykle stosowana do bardziej zło

onych urz

dze

lub zestawu

urz

dze

, gdzie słowo system ma wła

ciwy sens. Du

y wpływ na to, z czego si

składa SP

ma: otoczenie (warunki fizyczne), przepisy, normy i inne wymagania techniczne.

Ci

gło

ść

działania przyrz

dów

Przyrz

d pomiarowy mo

e działa

w sposób ci

gły, gdy w ka

dej chwili czasu jest

otrzymywany aktualny wynik pomiaru i wyniki te tworz

sty zbiór w dziedzinie czasu.

Przyrz

d mo

e te

działa

w sposób dyskretny, gdy wyniki pomiaru s

otrzymywane w

dyskretnych chwilach czasu, a okres czasu (T

) liczony mi

dzy otrzymywaniem kolejnych

wyników jest zwykle stały, nazywany okresem próbkowania.

Przetworniki analogowe działaj

zwykle w sposób ci

gły, a cyfrowe w sposób

dyskretny w czasie.

Parametry charakteryzuj

ce wła

ciwo

ci przyrz

dów pomiarowych

1. Nazwa przyrz

du zazwyczaj okre

la:

a) rodzaj mierzonej wielko

ci – czasomierz, amperomierz, ci

nieniomierz itd.

b) zasad

pomiarow

– termometr szklany, ci

nieniomierz spr

ęż

ynowy; (zasada pomiarowa

to zjawisko fizyczne stanowi

ce podstaw

pomiaru),

c) metod

pomiarow

– woltomierz cyfrowy całkuj

cy, mostek Wheatstone’a; (metoda

pomiarowa to sposób porównywania wielko

ci mierzonej i wielko

ci wzorcowej

zastosowany w pomiarze); nazwa okre

la metod

pomiarow

zwykle w sposób po

redni

na podstawie znajomo

ci stosowanych metod i zasad.

2. Zakres pomiarowy przyrz

du to zbiór warto

ci wielko

ci wzorcowej, odtwarzany

przez przyrz

d, scharakteryzowany przez kres dolny i górny zbioru. Przyrz

d mo

emy

zastosowa

do pomiaru wielko

ci x wówczas, gdy warto

ść

tej wielko

ci mie

ci si

w zakresie

pomiarowym przyrz

du.

Długo

ci zakresów, tzn. ró

nice kresów górnego i dolnego, s

normalizowane

liczbami: 1; 1,6; 2,5; 4; 6 i ich dziesi

tnymi krotno

ciami, np. 0 ÷ 6; -0,1 ÷ 0, 96 ÷ 100

jednostek danej wielko

ci.

Przyrz

dy pomiarowe produkowane s

jako jednozakresowe i wielozakresowe. W

wielozakresowych jeden podzakres stanowi podzbiór W

zbioru W. Sposoby wydzielenia

podzakresów s

ró

ne.

3. Klasa niedokładno

ci (niepewno

ci) przyrz

du jest to umowne oznaczenie jednej

z wła

ciwo

ci metrologicznych przyrz

du.

W miernictwie bardzo wa

ne s

dwa poj

cia: bł

d i niedokładno

ść

. Oba poj

cia

wyra

jedn

i t

sam

wła

ciwo

ść

wzorców i przyrz

dów pomiarowych, mianowicie

niezgodno

ść

miary wzorca lub wyniku pomiaru z warto

rzeczywist

. Przyczyn tej

niezgodno

ci jest najcz

ęś

ciej kilka.

emy zrobi

takie rozró

nienie. W obrocie handlowym i w u

ytkowaniu wzorców i

przyrz

dów pomiarowych wła

ciwo

ci metrologiczne charakteryzuje niedokładno

ść

. Przy

tworzeniu, projektowaniu i badaniach wzorców i przyrz

dów pomiarowych analizujemy bł

i ich

ródła.

Poj

ciem pierwotnym jest bł

d. Mówi

c o bł

dzie chcieliby

my poda

, o ile miara

wzorca w lub wynik pomiaru x

ró

ni si

od warto

ci x rzeczywistej lub prawidłowej.

Definicja wzorca jest nast

puj

ca: wzorzec jest to ciało fizyczne, słu

żą

ce do odtwarzania

jednostki miary danej wielko

ci fizycznej z okre

lon

dokładno

(niedokładno

). Tak,

c dla ka

dej wielko

ci fizycznej jest jeden wzorzec. Parametrami wzorca s

1. nominalna warto

ść

wzorca w

2. niedokładno

ść

wzorca U

3. okres zachowania niedokładno

ci miary wzorca

4. warunki, w których miara i niedokładno

ść

wzorca s

zachowane.

Przykład
Wzorcem jednostki masy jest prototyp kilograma wykonany ze stopu platyny i irydu
przechowywany w Mi

dzynarodowym Biurze Miar w Severs pod Pary

em o mierze

nominalnej 1 kg. Wzorzec ten odtwarza jednostk

masy 1 kg z niedokładno

2·10

-9

kg tzn.

odtwarza zbiór warto

ci : (1-2·10

-9

, 1+2·10

-9

)kg.

li w oznacza miar

wzorca (odpowiednio x* wynik pomiaru lub warto

ść

dan

), a w

popr

– warto

ść

poprawn

miary wzorca (x warto

ść

poprawn

wyniku pomiaru lub warto

ci danej),

to bł

∆

wyra

a warto

ść

liczbow

niezgodno

ci:

∆

= w – w

popr

∆

= x* – x

Warto

ść

ta mo

e by

stała lub zmienia

losowo. Nie rozstrzygamy teraz, czy warto

bł

du s

znane czy nieznane. Skoro bł

d zmienia si

losowo, to warto

ci bł

du raczej nie s

znane i do ich oceny musz

stosowane charakterystyki statystyczne.

Niedokładno

ść

U charakteryzuje przedział wokół miary nominalnej w

wzorca,

wskazania przyrz

du x* lub wyniku pomiaru, w którym mie

ci si

warto

ść

rzeczywista miary

lub wyniku z okre

lonym prawdopodobie

stwem

, tzn.:

P(w

– U

≤

+ U)

≥

P(x* – U

≤

x* + U)

≥

Niedokładno

ść

U, jak podaje powy

szy wzór, ma sens statystyczny i o tym nie nale

zapomina

. Niedokładno

ść

U jest wyra

ona warto

bezwzgl

w jednostkach miary

wielko

ci mierzonej x lub warto

wzgl

(wielko

ść

bezwymiarowa)

100

Warto

ść

niedokładno

ci U zale

y przewa

nie od warto

ci x wielko

ci mierzonej, jak

przedstawia to rysunek

Zale

ść

niedokładno

ci U i niedokładno

ci wzgl

dnej U

od wskazania przyrz

du x;

a) stała niedokładno

ść

bezwzgl

dna, b) stała niedokładno

ść

wzgl

dna

Bł

d bezwzgl

dny jest ró

nic

pomi

dzy dan

warto

, a warto

poprawn

tej

samej danej warto

ci. Mówi

c o bł

dzie dodajemy jego okre

lenie, np. bł

d wskazania

przyrz

du A jest ró

nic

warto

ci wskazanej przez ten przyrz

d i warto

ci poprawnej

wielko

ci mierzonej. Mo

e by

to bł

d wyniku, bł

d danych, wykonania, bł

d wyznaczania,

obliczania itd. Bł

d bezwzgl

dny oznaczamy symbolem

∆

z indeksem oznaczaj

cym

wielko

ść

, której dotyczy. Bł

d jakiej

wielko

ci x równa si

∆

= x – x

popr

[X]

Bł

d wzgl

dny jest to iloraz bł

du bezwzgl

dnego i warto

ci poprawnej wielko

popr

−

∆

lub przybli

ona

∆

≈

popr

)

wyra

ony jest w postaci ułamka lub podany w procentach.

Bł

d wzgl

dny mo

e by

odniesiony do wielko

ci zakresu pomiarowego Z. Wówczas bł

ten nazywa si

bł

dem zakresowym albo bł

dem sprowadzonym (do zakresu pomiarowego).

Wyra

ony jest zale

100

∆

−

∆

Maksymalna warto

ść

bł

du wzgl

dnego w warunkach znamionowych nosi nazw

bł

podstawowego (dopuszczalnego).

Z max

∆

Klasa niedokładno

ci jest to umownie przyj

ta warto

ść

bł

du podstawowego

(dopuszczalnego) w dowolnym punkcie zakresu pomiarowego przyrz

du w warunkach

odniesienia, przy czym bł

d ten, podany w procentach, jest odniesiony do długo

ci zakresu

pomiarowego przyrz

du. Umownie przyj

to nast

puj

ce warto

ci bł

du dopuszczalnego:

0,1%; 0,2%; 0,5%; 1,0%; 1,5%; 2,5%; 5% i klasy oznaczono odpowiednimi liczbami: 0,1; 0,2;
0,5…2,5; 5. Tak, wi

Klasa

≥

100

dop

Zdop

∆

Powy

szy szereg klas obowi

zuje dla mierników elektrycznych. Dla wszystkich rodzajów

przyrz

dów zalecany jest szereg klas niedokładno

ci: 0,1; 0,16; 0,25; 0,4; 0,6; 1; 1,6; 2,5; 4;

6; 10 utworzony z tego samego szeregu licz, który został u

yty do znormalizowania

zakresów pomiarowych.

Klasa niedokładno

ci charakteryzuje bł

dy systematyczne i przypadkowe pojawiaj

w warunkach odniesienia, tzn. w umownie przyj

tych warunkach zewn

trznych, np.

poło

enie przyrz

du, temperatura otoczenia, napi

cie zasilania itp.).

Przykład

Dla przyrz

dów pomiarowych klasy 0,5 oraz 1,5 oblicz bł

dy bezwzgl

dne i wzgl

dne w

całym zakresie pomiarowym. Podzielnia ka

dego z przyrz

dów ma 100 działek.

1) Zgodnie

definicj

klasy

niedokładno

ci,

warto

ść

bezwzgl

dna

bł

dopuszczalnego

∆

dop

równa si

odpowiednio

∆

dop

100

Bł

d mniejszy od warto

ci bł

du dopuszczalnego mo

e si

ujawni

w dowolnym punkcie

zakresu.

Rozkład bł

du bezwzgl

dnego pokazano na wykresie, jako obszar ±0,5 dz lub ±1,5 dz.

(a)

(b)

Rys. Rozkład dopuszczalnego bł

du wskaza

(niedokładno

ci) przyrz

du – bł

bezwzgl

dny rys.(a) oraz bł

d wzgl

dny na rys.(b)

Warto

ci bezwzgl

dnego bł

du dopuszczalnego

∆

dop

stałe dla obu przyrz

dów;

wskazanie y zmienia si

od zera do 100 działek.

2) Do obliczenia bł

du wzgl

dnego zastosujemy definicje przybli

, przy czym y jest

wskazaniem przyrz

dop

dop

∆

Wykres bł

dów wzgl

dnych

dop

przedstawia rysunek (b). Im mniejsze jest wskazanie

przyrz

du, tym wi

kszy jest bł

d wzgl

dny. Zaleca si

, aby przy pomiarze, wskazanie

przyrz

du było wi

ksze od połowy lub 2/3 pełnego wychylenia.

Charakter bł

dów. Ze wzgl

du na charakter wyró

niamy bł

dy systematyczne,

przypadkowe, grube.

Fizyczne przyczyny bł

dów wzorców i przyrz

dów pomiarowych. Wzorce i

przyrz

dy zbudowane s

z materiałów, w których zachodz

rozmaite zjawiska fizyczne,

podlegaj

wpływom warunków otoczenia (ci

nienie, temperatura, pola elektromagnetyczne

itp.. Materiały, z których s

zbudowane podlegaj

starzeniu i zu

ywaniu.

4. Wła

ciwo

ci dynamiczne przyrz

du okre

laj

zdolno

ść

do dokonywania pomiaru

wielko

ci zmieniaj

cych si

w czasie. Działanie przetwornika opisuj

dynamiczne równanie

przetwarzania (opisane równaniem ró

niczkowym, transmitancj

) i charakterystyki

dynamiczne (np. na wymuszenie skokowe, sinusoidalne, charakterystyki cz

stotliwo

ciowe

itp.)

5. Rezystancja wej

ciowa (wewn

trzna) charakteryzuje obci

ąż

enie

ródła wielko

mierzonej przez przyrz

d lub, inaczej, charakteryzuje oddziaływanie przyrz

du na

ródło

wielko

ci mierzonej, co mo

e spowodowa

zmian

warto

ci wielko

ci mierzonej. W

przyrz

dach do pomiaru wielko

ci zmiennych w czasie lub przył

czanych do

ródła wielko

mierzonej na chwil

, np. woltomierze cyfrowe, oddziaływanie przyrz

du charakteryzuje

impedancja lub pojemno

ść

wej

ciowa.

6. Niezawodno

ść

przyrz

du jest to wła

ciwo

ść

charakteryzuj

ca spełnienie funkcji celu

przez przyrz

d. Inaczej mówi

c, niezawodno

ść

jest to prawdopodobie

stwo bezbł

dnego

wykonania okre

lonej czynno

ci w ustalonych, dopuszczalnych granicach parametrów, w

okre

lonych warunkach i w okre

lonym czasie.

W aparaturze pomiarowej szczególne znaczenie ma niezawodno

ść

parametryczna, tzn.

prawdopodobie

stwo pozostawania danego parametru, np. bł

du podstawowego, w

okre

lonych granicach. Niezawodno

ść

zale

y od warunków pracy przyrz

du: temperatury,

drga

, zapylenia, składu atmosfery, obci

ąż

enia elementów itd., od wła

ciwo

ci materiałów,

konstrukcji, technologii, staranno

ci wykonania i konserwacji.

Przykładowo dla aparatury radioelektronicznej przyczyny uszkodze

rozkładaj

nast

puj

co: bł

dy projektowania ok. 40-45%, bł

dy produkcji ok. 20%, bł

dy eksploatacji

ok. 30%, starzenie i zu

ycie ok. 5-7%. Parametry niezawodno

ci mo

emy w przybli

eniu

obliczy

, maj

c dane o elementach, warunkach itp. lub wyznaczy

wiadczalnie.

1. Rola urz

dze

pomiarowych

Urz

dzenia pomiarowe dostarczaj

obsłudze informacji o bie

żą

cej warto

kontrolowanych parametrów, a w układach regulacji automatycznej dostarczaj

do regulatora

informacji o przebiegu regulowanego procesu. Urz

dzeniom tym stawiane s

bardzo

wysokie wymagania, co do niezawodno

ci i dokładno

ci działania. Informacje obarczone

bł

dem mog

prowadzi

do bł

dnych decyzji podejmowanych przez człowieka b

regulator.

Zadaniem układów pomiarowych jest:
a. dostarczanie obsłudze informacji o bie

żą

cej warto

ci kontrolowanych parametrów,

b. rejestrowanie wyników pomiarów,
c. wytwarzanie sygnału przeznaczonego dla układu regulacji (regulatora) zgodnego z

wymaganiami stawianymi przez ten układ,

d. opracowywanie wyników pomiarów, porz

dkowanie ich, okre

lanie wska

ników,

obliczanie warto

rednich, trendów zmian itp.,

e. sygnalizowanie nadmiernych odchyłek od po

żą

danych warto

ci.

kszo

ść

urz

dze

pomiarowych pracuje w sposób ci

gły wytwarzaj

c na wyj

ciu

sygnał analogowy. Najcz

ęś

ciej jest to standardowy sygnał elektryczny o warto

ci 4…20

mA lub pneumatyczny 20…100kPa (0,2…1,0 bara). W systemach komputerowych
wykorzystywane s

sygnały cyfrowe (binarne). Obecnie produkowane urz

dzenia pomiarowe

maj

liwo

ść

przeł

czania rodzaju sygnału wyj

ciowego na analogowy lub cyfrowy.

Starsze urz

dzenia wymagały stosowania przetworników analogowo-cyfrowych.

W urz

dzeniu pomiarowym

ródłem sygnału jest czujnik pomiarowy, to jest ta cz

ęść

urz

dzenia, na któr

bezpo

rednio działa wielko

ść

mierzona. Sygnał wyj

ciowy z czujnika

nie zawsze nadaje si

do bezpo

redniego wykorzystania w układzie regulacji. Najcz

ęś

ciej

wyj

cie z czujnika podane zostaje do przetwornika pomiarowego, które przetwarzaj

sygnał wyj

ciowy z czujnika na sygnał standardowy. Istniej

równie

przetworniki mi

dzy

systemowe np. pr

d/ci

nienie lub odwrotnie.

2. Podstawowe wła

ciwo

ci metrologiczne

Przetwornikom pomiarowym stawia si

wysokie wymagania w odniesieniu do

niezawodno

ci działania, dokładno

ci i własno

ci dynamicznych.

Wła

ciwo

ci ka

dego urz

dzenia okre

la jego charakterystyka statyczna i dynamiczna.

Charakterystyka statyczna okre

la zale

ść

sygnału wyj

ciowego y od wej

ciowego x w

stanach ustalonych tj. y=f(x). Charakterystyka ta ró

ni si

od charakterystyki idealnej y

=f(x);

rys.1

Rys. 1. Charakterystyki urz

dzenia pomiarowego a) statyczna, b) dynamiczna

1. charakterystyka idealna y

=f(x); 2. rzeczywista y=f(x)

Pomiar obarczony jest bł

dem (niepewno

), którego warto

ść

bezwzgl

∆

y okre

ró

nica pomi

dzy warto

rzeczywist

i idealn

∆

y= y – y

, a warto

ść

wzgl

okre

zale

ść

min

max

−

∆

Warto

ść

maksymalna wzgl

dnego bł

du pomiaru, okre

lonego przy znamionowych

warunkach pracy, nazywa si

bł

dem podstawowym (niepewno

podstawow

)

urz

dzenia pomiarowego.

Bł

d podstawowy, odniesiony do zakresu pomiarowego,

wyra

ony w procentach nazywa si

klas

dokładno

. Warto

ci liczbowe klasy

dokładno

ci s

znormalizowane i tworz

nast

puj

cy szereg liczb: 0,06; 0,1; 0,16; 0,25; 0,4;

(0,5); 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4; 6. Klasa dokładno

ci dobrego urz

dzenia pomiarowego wynosi od

0,4 do 1.

Oprócz bł

du podstawowego urz

dzenie mo

e wykazywa

bł

dy (niepewno

ci)

dodatkowe zwi

zane z wpływem: temperatury, napi

cia zasilania, drga

i wibracji, zakłóce

elektromagnetycznych.

ródłem bł

dów pomiarowych mo

e by

równie

le dobrane

miejsce zainstalowania czujnika, zły monta

czujnika pomiarowego, odbiegaj

ce od

znamionowych warunki pracy urz

dzenia pomiarowego. Dopiero kompleksowa ocena

bł

dów dodatkowych, poprzedzona analiz

warunków

rodowiska, w którym przyrz

d b

dzie

pracował, pozwala na ocen

rzeczywistych bł

dów (niepewno

ci) pomiaru w warunkach

roboczych.

Przy doborze przetwornika pomiarowego istotny jest te

długoterminowy dryft zera (bł

pełzania zera) i zakresu, który decyduje o tym jak cz

sto b

dziemy zmuszeni sprawdza

charakterystyk

urz

dzenia pomiarowego i przeprowadza

ponownie jego kalibracj

nymi parametrami maj

cymi wpływ na dokładno

ść

pomiaru to histereza pomiarowa,

próg pobudliwo

ci (nieczuło

ci),

Własno

ci dynamiczne urz

dzenia pomiarowego okre

la si

na podstawie jego

charakterystyki skokowej lub cz

stotliwo

ciowej. Z charakterystyki skokowej wyznacza si

zwykle czas opó

nienia i stał

czasow

T lub tzw. czas narastania (przej

cia) T

(rys 1).

Czas T

jest to czas po upływie, którego, wielko

ść

wyj

ciowa przetwornika

pomiarowego osi

gnie warto

ść

ustalon

z odchyłk

mniejsz

±5%.

Ogólnie mo

na stwierdzi

e w wi

kszo

ci przypadków stałe czasowe przetworników

pomiarowych s

o mniejsze ni

stałe czasowe obiektów kontrolowanych i w zwi

zku z

tym mog

pomijane przy rozwa

aniach układów regulacji.

3. Stopie

ochrony obudowy i wpływ oddziaływania

rodowiska

Przetworniki pomiarowe pracuj

niejednokrotnie w bardzo ci

ęż

kich warunkach, jak np. na

statkach, w kopalniach, szybach wiertniczych, w zakładach chemicznych itp. Musz

, spełnia

szereg warunków, aby by

dopuszczonym do pracy w tak ci

ęż

kich warunkach. Opracowano

szereg norm, które przetworniki pomiarowe musz

spełnia

, poddawane s

badaniom:

•

wpływu nara

mechanicznych; odporno

ść

na udary i wibracje.

•

odporno

ci i wytrzymało

ci na wpływy klimatyczne; wpływu suchego gor

ca i

zimna, wilgotnego gor

ca stałego i gor

ca cyklicznego (ze wzgl

du na mo

liwo

ść

skraplania si

wilgoci, nawet w zupełnie szczelnej obudowie).

•

wpływu

zakłóce

elektromagnetycznych

(tzw.

kompatybilno

ść

elektromagnetyczna urz

dze

Przyrz

dy pomiarowe posiadaj

ró

ne konstrukcje ich obudowy. Jednak ze wzgl

du na

konieczno

ść

ochrony ludzi przed dost

pem do niebezpiecznych wn

trz obudowy, przed

przedostawaniem si

ciał stałych lub wody do wn

trza obudowy okre

lono stopie

ich

ochrony tzw. kod IP (Ingress Protection) znormalizowany w skali mi

dzynarodowej.

Oznaczenie składa si

z liter IP oraz dwóch cyfr, których znaczenie podano w poni

szej

tabeli.

Cyfra
kodu

Znaczenie pierwszej cyfry

(ochrona przed obcymi ciałami stałymi)

Znaczenie drugiej cyfry

(ochrona przed wod

)

Brak ochrony

Ochrona przed ciałami stałymi o

rednicy

≥

50 mm

Ochrona przed pionowo padaj

cymi kroplami

Ochrona przed ciałami stałymi o

rednicy

≥

12.5 mm

Ochrona przed pionowo padaj

cymi pod

tem do 15

od pionu

Ochrona przed ciałami stałymi o

rednicy

≥

2.5 mm

Ochrona przed natryskiwaniem wod

(pod

tem do 60

od pionu)

Ochrona przed ciałami stałymi o

rednicy

≥

1.0 mm

Ochrona przed bryzgami ( z dowolnego
kierunku)

Ochrona przed pyłem (mo

e wnika

, ale w

ilo

ci niezakłócaj

cej działania urz

dzenia)

Ochrona przed strug

( z dowolnego

kierunku)

Ochrona pyłoszczelna (pył w ogóle nie mo

wnika

)

Ochrona przed siln

strug

( z dowolnego

kierunku)

Ochrona

przed

skutkami

krótkotrwałego

zanurzenia w wodzie

Ochrona przed skutkami ci

głego zanurzenia

w wodzie

Najni

szy stopie

ochrony ma obudowa oznaczona kodem IP00, najwy

szy IP68.

Obudowy stosowane w układach regulacji posiadaj

najcz

ęś

ciej stopie

ochrony IP65.

4. Wymagania w strefach zagro

onych wybuchem

W niektórych dziedzinach przemysłu mog

wyst

powa

wybuchowe mieszaniny par i

gazów, a tak

e pyłów. Stosowana w strefach zagro

onych wybuchem aparatura pomiarowa i

steruj

ca powinna mie

wiadectwo i cech

dopuszczaj

do stosowania w tych

warunkach.

Urz

dzenia w wersji iskrobezpiecznej s

oznaczone cech

np.

[EEx i

] IIC T4.

Cecha ta składa si

zawsze z liter Ex oraz innych towarzysz

cych symboli. Litera E przed

symbolem Ex oznacza,

e urz

dzenie jest certyfikowane zgodnie z normami CENELEC

(European Committee for Electrotechnical Standardization).

Oznaczenia bezpo

rednio za symbolem Ex mówi

o sposobie realizacji ochrony przed

wybuchem, i tak: o – zanurzenie w oleju, p – doprowadzenie pod ci

nieniem gazu

oboj

tnego, q – wypełnienie proszkiem, d – specjalna konstrukcja obudowy, i

lub i

–

budowa iskrobezpieczna.

cie pierwszej cz

ęś

ci cechy w nawiasy kwadratowe oznacza przyrz

d przeznaczony

do pracy w strefie bezpiecznej, ale współpracuj

cy z przyrz

dem zainstalowanym w strefie

zagro

onej wybuchem (dalsze symbole wówczas nie wyst

puj

Kolejne symbole IIA, IIB, IIC oznaczaj

maksymaln

energi

, która mo

e wydzieli

urz

dzeniu w przypadku awarii. Symbol ten zwi

zany jest z minimaln

energi

zdoln

wywoła

eksplozj

danej mieszanki wybuchowej. Warto

ci tej energii i przykłady gazów

podano w tabeli:

Cecha urz

dzenia przeznaczonego do pracy w strefie zagro

onej wybuchem, cz

ęść

oznaczenia zwi

zana z minimaln

energi

zapłonu mieszaniny

Typowe rodzaje gazów

Oznaczenie

Minimalna energia zapłonu

Wodór, acetylen

IIC

Etylen

IIB

Propan

IIA

180

Ostatni symbol T wraz z cyfr

od 1 do 6 oznacza maksymaln

temperatur

, do której w

stanach awaryjnych mo

e rozgrza

przyrz

d lub jego element. Maksymalne warto

temperatury dla poszczególnych oznacze

przedstawiono w tabeli:

Cecha urz

dzenia przeznaczonego do pracy w strefie zagro

onej wybuchem, cz

ęść

oznaczenia zwi

zana z maksymaln

temperatur

Oznaczenie

Maksymalna temperatura powierzchni (

100

135

200

300

450

5. Oznaczenia aparatury pomiarowej i sygnały standardowe

Przyrz

d pomiarowy oznaczony jest kółkiem o

rednicy min. 10 mm, poł

czony cienk

lini

(prostopadle) z lini

technologiczn

. Zdalny przyrz

d pomiarowy ma dodatkowo

narysowan

poziom

lini

rednicy okr

gu (pojedyncz

lub podwójn

). Firma MANB&W

w swojej dokumentacji stosuje oznaczenia:

lokalne urządzenie pomiarowe

urządzenie pomiarowe z odczytem na panelu przysilnikowym

urządzenie pomiarowe wykorzystywane w układzie zdalnego sterowania

Linie sygnałowe oznaczone s

lini

cienk

gł

, która mo

e by

przekre

lona

równomiernie kreskami pod katem 60

. Kierunek przesyłania sygnału mog

pokazywa

strzałki.

Wewn

trz kółka znajduje si

symbol literowy, którego pierwsza litera oznacza wielko

ść

mierzon

(sterowan

) wybran

wg kolumny 2 poni

szej tabeli. W kolumnie 3 s

oznaczenia

uzupełniaj

ce wielko

ść

mierzon

, a w kolumnie 4 oznaczenia okre

laj

ce funkcj

przyrz

du,

przy czym powinny one by

umieszczone w kolejno

ci: I, R, C, T, Q, S, Z, A. W dolnej cz

ęś

kółka mo

na poda

numer punktu pomiarowego.

Oznaczenia literowe urz

dze

pomiarowych automatyki wg normy PN/M-42007/01:1989

(równowa

ne ISO 3511)

Wielko

ść

mierzona lub/i sterowana lub rodzaj sterowania

Funkcje wykonywane

(nast

pne litery)

Oznaczenie podstawowe

(pierwsza litera)

Oznaczenie

uzupełniaj

(druga litera)

Sygnalizacja

Informacja o stanie

Sterowanie automatyczne

sto

ść

, masa wła

ciwa

Ró

nica

Wielko

ci elektryczne

Czujnik

Strumie

płynu

Iloraz

Wymiar, poło

enie

Sterowanie r

czne

Wskazanie

Komutacja

Czas, program

Poziom

Wilgotno

ść

bezwzgl

dna lub wzgl

dna

Litera rezerwowa

Rezerwowa

Litera rezerwowa

nienie, pró

nia

Jako

ść

i parametry

rodowiska

Np. pH

Całkowanie lub zliczanie Całkowanie lub sumowanie

Radioaktywno

ść

Rejestracja

dko

ść

lub cz

stotliwo

ść

Przeł

czanie

Temperatura

Przetwarzanie, przekazywanie

Wielko

ść

wielu zmiennych

Działanie wielofunkcyjne

Lepko

ść

Zawór, siłownik, element
nastawczy

Siła lub masa

Inne parametry

Inne działania

Przelicznik, komputer

Elementy licz

ce, przeka

niki

Działanie awaryjne, blokada

Przykładowy schemat systemu automatyki z punktami pomiarowymi przedstawia rys.2

Rys.2. Schemat systemu pomiarowego;

PI – lokalny ci

nieniomierz, PR – rejestrator ci

nienia; PT –

przetwornik ci

nienia, PCV – zawór regulacyjny przepływu, TE – czujnik temperatury (np. Pt100 lub

termoelement), TT – przetwornik temperatury, TR – rejestrator temperatury, FE – czujnik przepływomierza
(turbinowego), FT – przetwornik przepływu, PDIS1, PDIS2 – czujniki ró

nicy ci

nie

ze wskazaniem lokalnym i

stykami elektrycznymi sygnalizuj

cymi osi

gni

cie nastawionej warto

Sygnały wyj

ciowe z czujników pomiarowych (sensorów) maj

ró

posta

fizyczn

, ze

wzgl

du na ró

ne zasady pomiaru wielko

ci mierzonych: napi

cie, pr

d, pojemno

ść

stotliwo

ść

, przemieszczenie, ładunek, siła, indukcyjno

ść

itp. Natomiast sygnały wyj

ciowe

z przetworników pomiarowych zostały ujednolicone i standaryzowane. Ułatwia to budow

systemów pomiarowych i automatyki. W systemach wykorzystuje si

•

Sygnały pr

dowe; najcz

ęś

ciej stosowane, obecnie dominuje sygnał pr

dowy 4…20

mA. Mo

na przesyła

go na du

e odległo

ci (do 3000m), odporny na zakłócenia.

Dolna granica 4 mA (tzw. aktywne zero) ułatwia wykrycie uszkodzenia polegaj

ce na

przerwaniu przewodu sygnałowego. Ponadto nie jest wymagane zasilanie
przetwornika pomiarowego oddzielnymi przewodami. Przewody nios

ce informacj

pomiarow

jednocze

nie przewodami zasilaj

cymi, co obni

a koszty instalacji.

Współczesne przetworniki pomiarowe maj

łatw

liwo

ść

zmiany pocz

tkowego i

cowego punktu charakterystyki; rys.3.

•

Sygnały napi

ciowe 0…5V; 0…10V; rzadko wykorzystywane (w laboratoriach) ze

wzgl

du na łatwo

ść

zakłócania i nie nadaj

do przesyłania na du

e odległo

ci.

•

Sygnały cz

stotliwo

ciowe o Hz do kHz; bliskie standaryzacji, odporne na zakłócenia,

łatwe do przetwarzania na posta

cyfrow

i do całkowania. Wykorzystywane gdzie

czujnik generuje w sposób naturalny sygnał cz

stotliwo

ciowy np. przepływomierze.

•

Sygnał pneumatyczny; znormalizowany w przedziale zmian warto

ci 20…100kPa

(0,2...1,0 bar). Stosowany w strefach zagro

onych wybuchem, ale coraz rzadziej.

•

Sygnały cyfrowe; brak ujednolicenia protokołów transmisji, najcz

ęś

ciej stosuje si

protokół HART (Higway Adressable Remote Transducer). Umo

liwia on obustronn

komunikacj

z przetwornikiem poprzez komputer nadrz

dny, którym mo

e by

prosty

czny terminal. Przewa

nie firmy sprzedaj

ce cyfrowe przetworniki pomiarowe

stosuj

własne protokoły komunikacyjne nie kompatybilne z przetwornikami innych

firm

Zakres całkowity (range - zakres) okre

la maksymalny zakres pomiarowy, maksymalny

przedział zmian warto

ci mierzonej, w którym mo

e pracowa

przetwornik; na rys.3

odpowiada to warto

ci od -210kPa do +210kPa

Zakres pomiarowy (span - rozpi

ść

) okre

la ustawion

w przetworniku warto

ść

zmiany wielko

ci mierzonej odpowiadaj

sygnałowi wyj

ciowemu w zakresie od 4mA do

20mA (lub od 0,2 do 1,0 bara); na rys. 3 jest to liczba bezwzgl

dna okre

laj

długo

ść

odcinka na osi ci

nienia odpowiadaj

cego zakresom pr

du od 4mA do20mA (wszystkie linie

zielone).

Rys. 3. Zakres całkowity i zakresy pomiarowe przetwornika;

linie zielone oznaczaj

prawidłow

regulacj

mieszcz

w granicach zakresu pomiarowego 7÷210 kPa i

niewykraczaj

poza granic

zakresu całkowitego ±210kPa; linie czerwone oznaczaj

nieprawidłow

regulacj

niemieszcz

w granicach zakresu pomiarowego 7÷210kPa lub

wykraczaj

poza granic

zakresu całkowitego ±210 kPa

Najcz

ęś

ciej, w układach automatyki, stosuje si

nast

puj

ce skróty:

A -

Alarm

alarm

– Control

sterowanie

Czujnik ciśnienia (lokalny)

– Density

ęż

enie

Draught

zanurzenie

E –

Earth

doziemienie

Czujnik ciśnienia (zdalny)

F –

Flow

przepływ

Frequency

stotliwo

ść

H –

High

wysoki

Alarmowy wskaźnik niskiego

ciśnienia

I -

Indicator

wska

nik

L –

Low

niski

Level

poziom

P –

Pressure

nienie

S –

Speed

dko

ść

obrotowa

T –

Temperature

temperatura

V-

Viscosity

lepko

ść

Przykłady oznacze

FAL

– alarm po przekroczeniu niskiej warto

ci przepływu (Flow Alarm Low)

TIAH

– temperatura odczytywana na wska

niku, alarm po przekroczeniu wysokiej warto

temperatury (Temperature Indicator Alarm High)

LIAHL

– poziom odczytywany na wska

niku, alarmy po przekroczeniu wysokiej i niskiej

warto

ci poziomu (Level Indicator Alarm High Low)

Dodatkowe uwagi dotycz

ce ewentualnych zakupów przetwornika pomiarowego

W oparciu, o jakie cechy nale

y wybiera

urz

dzenie pomiarowe, czym si

kierowa

, je

rynek oferuje tak wiele ró

nych technologii pomiaru danej wielko

ci fizycznej (na przykładzie

pomiaru przepływu)?

Pomóc mog

nast

puj

ce zalecenia:

1. Sporz

dzi

wykaz cech i istotnych parametrów charakterystycznych dla danego

pomiaru, (np. dla pomiaru przepływu nale

y wzi

ąć

pod uwag

: rodzaj medium

(ciecz, para, gaz), rodzaj pomiaru (obj

ciowy, masowy),

rednic

ruroci

gu,

lepko

ść

medium, stan medium (czysty, zanieczyszczony, przewodz

cy), warto

ść

liczby Reynoldsa, ci

nienie, temperatur

medium, itp.).

2. Sporz

dzi

wykaz wymaga

dotycz

cych rozpatrywanego pomiaru, co do

dokładno

ci, niezawodno

ci, powtarzalno

ci pomiarów, rodzaju przył

czy.

3. Bazuj

c na zebranych zestawieniach cech i charakterystycznych parametrach

oraz wymaganiach, jakie dotycz

danego pomiaru, dokona

wyboru takiej techniki

pomiaru, która b

dzie najbardziej zbli

ona do rozpatrywanego przypadku i b

dzie

spełnia

postawione wymagania.

4. Bior

c pod uwag

jeden lub kilka wybranych (wg punktu 3) mierników sporz

dzi

zestawienie wydatków obejmuj

cych koszt zakupu, monta

u, kalibracji, obsługi,

konserwacji i wszelkich innych nakładów.

5. Dokona

wyboru producentów oferuj

cych odpowiednie urz

dzenie pomiarowe,

oceni

ich zdolno

ść

wsparcia przed i po sprzeda

y, lokalizacj

producenta i

dystrybutora, mo

liwo

ci ich usług na obiekcie, mo

liwo

ci szkolenia personelu,

dost

pno

ść

ęś

ci zamiennych, formy reagowania na nagłe potrzeby klienta i

sposób ich załatwiania.

6. Bior

c pod uwag

wymagania dotycz

ce zastosowania, zdolno

ci pomiarowe,

koszty, zalety i wady producenta i dystrybutora dokona

ostatecznego wyboru

urz

dzenia i producenta..