System pomiarowy- zbiór urządzeń połączonych wspólna funkcją i celem działania którym jest wykonanie pomiarów z wystarczająco małym błędem i uzyskanie wyników pomiarów w odpowiedniej formie. Tworzy całość organizacyjną, objętych wspólnym sterowaniem, struktura realizująca założony algorytm pomiarowy, nie musi tworzyć konstrukcyjnej całości, z oddzielnych elementów jak: wzorce, przetworniki, programy.
Strukturę systemu tworzą: -przetworniki natury fiz. i postaci syg. mierzonych, -przetworniki pomiarowe, analogowo-cyfrowe; sterowniki programowe, -wyposażenie programowane (algorytmy), -interfejsy wewnętrzne, -urządzenia do wizualizacji danych i kom. z operatorem.
Cechy: integracja sprzętu i oprogramowania, zaprogramowany algorytm działania, sterowanie realizowane przez nadrzędną jednostkę funkcyjną (kontrolera).
Syst. pomiarowe: badawcze(w pomiarach naukowych, do empirycznej weryfikacji hipotez naukowych, wykorzystywane w wielu dziedzinach), pomiarowo-kontrolne(w przemyśle do automatyzacji procesów technologicznych, stosuje się w nich znaczne ilości czujników rozmieszczonych na całym kontrolowanym obiekcie i przetworników formujących sygnały wykorzystywane dalej przez regulatory sterujące procesem technologicznym), pomiarowo-diagnostyczne(do detekcji danych i lokalizacji uszkodzeń, stwierdzenie stanu obiektu i wskazanie uszkodzonego elementu).
Obszary zastosowania systemów: procesy przemysłowe, prod. maszyn i urządzeń technicznych - pom.-diagnostyczne; produkcja, przesyłanie, przetwarzanie i magazynowanie energii, medycyna i procesy biologiczne, transport i łączność, warunki bytowe i kontrola stanu środowiska, badania naukowe.
Konfiguracja syst. pomiarowego: -trzy podst. typy syst. pomiarowego: gwiazdowa-kontroler-pozycja centralna, kontroler pośredniczy w przekazywaniu każdej inf., stosowana w prostych systemach pomiarowych o niewielkiej liczbie jednostek, rozbudowa utrudniona; magistralowa-elastyczność, możliwość rozbudowy, wymiana inf. bez kontrolera, konieczność adresowania, żadne urządzenie nie ma wyróżnionej pozycji, wszystkie urządzenia dołączone równolegle do magistrali cyfrowej; pętlowa-linie sygnałowe jednokierunkowe, kontroler nie ma wyróżnionego miejsca, konieczność adresowania, powrót inf. do kontrolera po przejściu przez wszystkie urządzenia. -określa układ dróg przepływu inf. w systemie, -sposób połączeń jednostek funkcjonalnych w systemie pomiarowym.
Funkcje systemu pomiarowego: 1-odbiór sygnałów wytworzonych przez obiekt pomiaru, 2-przetwarzanie wewnątrz systemu, 3-przetwarzanie główne sygnału wyjściowego w informację działania na parametry, 4-wytwarzanie sygnałów wymuszających zjawiska w obiekcie mierzonym, 5-wskazanie wyniku pomiaru.
Struktura systemu pomiarowego: 1-kontroler-steruje praca systemu pomiarowego, 2-czujniki pomiarowe- przetwarzają wielkości pomiarowe na syg. elektryczne, 3-blok akwizycji sygnałów-zbieranie syg. pomiarowych i przetwarzanie AC, 4-blok przetwarzania-realizuje przetwarzanie sygnałów, 5-blok komunikacji z użytkownikiem.
Przetwornik pomiarowy-względnie osłabiony zespół elementów które służą do przetwarzania z określona dokładnością i wg określonego prawa wielkości będących odwzorowaniem wielkości mierzonej.
Czujnik-realizuje operację odbioru informacji o stanie wielkości(na początku toru pomiarowego-to przetwornik).
Przetwarzanie pomiarowe-fizycznie może odbywać się przez przetwarzanie syg. pomiarowego. Przetwarzanie pomiarowe= odwzorowanie wielkości mierzonej + przesyłanie energii.
Można podzielić na: mechaniczne, optyczne, elektryczne, chemiczne itp.
Tory pomiarowe: -o strukturze zamkniętej: kompensacyjny, komparacyjny; -o strukturze łańcuchowej; -o strukturze równoległej: z jednym lub dwoma torami przetwarzania wielkości mierzonej.
Zdolność syst. pomiarowych: rozdzielczość syst. pomiarowego-zdolność do rozróżniania dwóch bliskich sobie wartości pomiarów; zdolność pomiarowa; analiza syst. pom. ma na celu określenie zdolności pomiarowej przez ocenę jakości syst. i poznanie źródeł jego zmienności.
Kalibracja syst. pom.- procedura polegająca na przenoszeniu wartości pomiarów ze wzorców.
Przetworniki pomiarowe :
Właściwości statyczne:
Przetwarzanie statyczne-zbiór wielkości wejściowej jest statyczny tzn. poszczególne punkty mogą być realizowane pojedynczo, w dowolnej kolejności i dowolna ilość razy. Charakterystyka statyczna: 1)równanie przetwarzania y-yo=k(x-xo) gdzie k-czułość, xo-punkt zerowy k=dy/dx; 2)nachylenie charakterystyki: S=(dy/dx) xo =tgα; 3)stała przetwornika c=1/s
Niejednoznaczność charakterystyki - histereza: błąd histerezy-różnica wskazań wartości mierzonej wielkości, przy czym każda z nich odpowiada tej samej wartości wielkości, otrzymanymi raz przy zwiększaniu a drugi przy zmniejszaniu syg.
Odchylenie charakterystyki od liniowości: γ=amax/ymax - ymin
Błąd nieliniowości- max odchylenie rzeczywistej charakterystyki od idealnej mającej postać linii prostej, występujące w zakresie pomiarowym.
Zakres przetwarzania- przedział wartości syg. wejściowego x, w którym jest on przetwarzany na syg. wyjściowy y. Zakres pomiarowy- ta część zakresu przetwarzania dla której spełnione są wymagania dokładności. Czułość statyczna - S. Stała przetwornika - C. Niestałość- tym samym wartościom x w pozornie tych samych warunkach pomiarów odpowiadają różne wartości y.
Właściwości dynamiczne:
Przetwarzanie dynamiczne- mierzona wielkość jest funkcją czasu, a więc jej elementy są uporządkowane w czasie i muszą być realizowane w odpowiedniej kolejności i w odpowiednim tempie.
Równanie przetwarzania - zależność y i jej pochodnych i czasu.
Przekształcanie Laplace'a: s=α+jω; Y(s)=G(s) X(s); Y(s), X(s)- transformaty Laplace'a funkcji odp. i wymuszenia, G(s)-transmitancja operatorowa.
Charakterystyki czasowe- odp. na standardowe syg. wymuszające.
Char. częstotliwościowo-fazowa- przesunięcie fazowe między odp. a wymuszeniem.
Char. częstotliwościowo-amplitudowa- jest to stosunek amplitud sygnałów wyjściowego i wejściowego.
Syg. wymuszające: 1)skok impulsowy- np. włączenie napięcia, 2)impuls jednostkowy- np. uderzenie mechaniczne; 3)przebieg okresowy x(t)=Asin(ωt); 4)przebieg narastający- skok prędkości: x=at.
Podział przetworników analogowych:
-przetworniki generacyjne(czynne)- zmiana mierzonej wielkości powoduje powstanie stałej lub zmiennej siły elektrodynamicznej, taki przetwornik jest źródłem napięcia lub prądu: indukcyjne(elektrodynamiczne, elektromagnetyczne), termoelektryczne, fotoelektryczne(inkremencyjne, kodowe), elektrochemiczne, piezoelektryczne;
-przetworniki parametryczne(bierne)-zmiana wielkości mierzonej powoduje zmianę pewnej wielkości elektrycznej: indukcyjne(dławnikowe, transfomatorowe), pojemnościowe, rezystancyjne(potencjometryczne, termometryczne, tensometryczne), magnetosprężyste, hallotronowe, elektrochemiczne;
-przetworniki położenia-kodowe: optoelektryczne, optoelektroniczne, indukcyjne, pojemnościowe;
-przetworniki rezystancyjne: potencjometryczne-rezystory suwaka umożliwiają przetwarzanie przemieszczenia liniowego i/lub kątowego α suwaka ma odpowiednia wartość rezystancji lub napięcia(prosto-liniowy, jednoobrotowy, wieloobrotowy); tensometryczne-zmiana rezystancji(opornika) przewodnika prądu w stosunku do zmian wymiarów geometrycznych spowodowanych naprężeniami mechanicznymi(są czułe na temperaturę poprzez kompensowanie(wężykowe, kratowe, choinkowe, membranowe, rozetowe, foliowe)): k-stała tensometru: k=(ΔR/R)/(Δl/l).
Przetwarzanie analogowo-cyfrowe: obiekt-czujniki przetworniki pierwotne-(syg. elektryczny)-przetwarzanie analogowe-(dane analogowe)-przetwarzanie AC i CA-(dane cyfrowe)-przetwarzanie cyfrowe-(inf. pomiarowa)-interfejs-obserwator.
Przetwarzanie ciąg łego syg. analogowego na syg. cyfrowy polega na:
1)dyskretyzacja wartości syg. w czasie-próbkowanie(kolejne pobieranie próbek w pewnych odstępach czasu tak, aby ciąg umożliwił najwierniejsze odtworzenie całego przebiegu funkcji. Częstość próbkowania syg. jest określona warunkiem Nyquista, który mówi że powinna być ona ca najmniej 2-krotnie większa od maksymalnej. Częstość widma syg. jest to warunek wiernego odtworzenia syg. analogowego z jego próbek). 2)dyskretyzacja wartości syg.- kwantowanie(przyporządkowanie każdej próbce skończonej liczby poziomów amplitudy, odpowiadających dyskretnym wartościom od 0 do pełnego zakresu).
3)kodowanie uzyskanego syg. dyskretnego-
kodowanie -polega na przyporządkowaniu poziomom kwantowania zakodowanych liczb(słów kodowych), kodowanie binarne-każdemu z 2n poziomów odpowiada słowo kodowe o długości n znaków binarnych czyli n-elementowy ciąg zer i jedynek(dwójkowy syst. binarny).
Syg. cyfrowy otrzymany w wyniku przetwarzania AC może być fizycznie reprezentowany np. przez ciąg impulsów odpowiadających cyfrze 1 i przerw między impulsami odpowiadających cyfrze 0 lub tez kombinacja 2 różnych poziomów napięcia reprezentujących te cyfry.
Podstawowe właściwości przetwarzania AC: -analogowe przetwarzanie syg.- próbkowanie-kwantowanie- cyfrowe przetwarzanie syg.- wynik pomiaru.
Zalety przetwarzania C: realizowalność(w technice analogowej trudno jest zrealizować niektóre funkcje), powtarzalność(odpowiedź układu cyfrowego na dana kombinację stanów wejściowych, powinna być zawsze taka sama), stabilność(układy cyfrowe są mniej wrażliwe na zmiany temp. i procesy starzeniowe), uniwersalność(inaczej programowalność, ten sam układ cyfrowy może realizować różne zadania w zależności od programu).
Wykorzystywane w: telekomunikacji, elektroakustyce, metrologii, syst, sterowania procesami przemysłowymi, diagnostyce medycznej.
Zalety: odporne na zakłócenia, łatwe do przesyłania, łatwiejsze do automatycznego sterowania i współpracy z komputerem.
Kody przetwornikowe: naturalny binarny kod pozycyjny, binarny kod uzupełniający(tworzy się go na podstawie kodu pozycyjnego-zamienia się 0 na 1 i dodaje 1), dziesiętno-binarny kod pozycyjny BCD(wszystkie cyfry dziesiętne są przedstawione w postaci 4cyfrowej liczby), kod Gray'a (kolejne liczby różnią się stanem 1 bitu).
Błędy w przetwornikach AC: przesunięcia, wzmocnienia, nieliniowości. Skorygować je możemy w procesie kalibracji przetwornika.
Metody przetwarzania AC: bezpośrednie(kompensacyjne: wagowa, równomierna; bezpośredniego porównania: równoległe, szeregowe), pośrednie(przetwarzanie napięcie-czas: proste, podwójne całkowanie, potrójne całkowanie, całkowanie wielokrotne; przetwarzanie napięcie-częstotliwość: proste, z równoważeniem ładunku, delta-sigma).
Rozdzielczość przetworników- określa liczbę dyskretnych wartości jakie może on wytworzyć. Zwykle wyraża się ja w bitach. Rozdzielczość może być również wyrażona w woltach. Rozdzielczość napięcia przetwornika AC jest równa jego całkowitej skali pomiaru podzielonej przez liczbę poziomów kwantyzacji.
Przetworniki CA: -działania przetwornika CA polega na tym aby dla każdego słowa kodowego wytworzyć syg. analogowy o takiej wartości jakiej w procesie AC przypisywane jest dane słowo kodowe. -przetwornik unipolarny(syg. analogowy ma tylko wartości dodatnie. -p. bipolarny(ma wartości przetwarzania dodatnie i ujemne).
Noniusz- urządzenie pozwalające na zwiększenie dokładności pomiaru dł. i kątów, to suwak z dodatkową podziałką przesuwający się wzdłuż podziałki głównej przyrządu: L=a'*n, L=a(γ*n±1), np. noniusz liniowy, kątowy. S
uwmiarki: analogowym(prowadnica suwak, szczęki do pom. zew. i wew.), cyfrowym(wyświetlacz LCD, noniusz, wysuwka, zacisk).
Mikromierz- przyrząd pomiarowy służący do mierzenia przedmiotów z dokładnością do 0,01, działanie przyrządu opiera się na użyciu śruby mikrometrycznej i noniusza; szczęki: stała, młoteczek; budowa: kabłąk, kowadełko, nieruchoma tuleja z podziałką wydłużona, obrotowy bęben, podziałka poprzeczna, wrzeciono, zacisk ustalający, pokrętło sprzęgła ciernego.
Długościomierz Abbego(przyrząd dokładny): postulat Abbego- warunek poprawnej konstrukcji przyrządów do pomiaru długości, mówi że mierzona dł. i mierzący ją wzorzec muszą leżeć na jednej prostej. Przyrządy o konstrukcji nie spełniającej tego postulatu mogą dawać błędne pomiary. Spirala Archimedesa-krzywa w R2 o równaniu we współrzędnych biegunowych: r=a*φ
. Wymiary wałków: pomiar odchyłki walcowości, pomiar odchyłki okrągłości, pomiary czujnikami, pomiar przy pomocy płytek wzorcowych, mikroskop warsztatowy. Pomiar otworu: suwmiarka, średnicówka mikrometryczna, mikromierz wew., wzorcowanie średnicówki czujnikowej. Pomiary kątów: płytki kątowe, kątomierz uniwersalny, kątomierz optyczny, poziomice(liniałowa, ramowa, kulista), kątomierz poziomicowy
Pomiary głębokości: głęboko mierz mikrometryczny lub czujnikowy.
Pomiary kątów: przy pomocy płytek kątowych(prostoliniowa, jednokątna ostra, jednokątna ścierna, czterokątna, wielokątna). Pomiar kata stożka wew. kulami, pomiar stożka zew. wałeczkami, pomiar pośredni liniałem sinusowym, pomiar zbieżności na mikroskopie.
Nierówności powierzchni: profil(pierwotny, kształtu, falistości chropowatości), pomiar chropowatości(metoda optyczna- mikroskop podwójny firmy C. Zeiss-Jena; paznokcia, stykowa-zasada pomiaru poligrafometrem{ostrze odwzorowujące, ślizgacz, przetwornik, wzmacniacz, urządzenie wskazujące, rejestrator}).
Parametry chropowatości:
Rz- wysokość chropowatości wg 10 pkt,
Rm-maksymalna wysokość chropowatości, Sm-średni odstęp chropowatości,
S-średni odstęp miejscowych wzniesień profilu chropowatości,
tp-współczynnik dł. nośnej profilu chropowatości,
Ra-średnie arytmetyczne odchylenie profilu chropowatości.
Dokument-świadectwo wzorcowania lub sprawdzania
Wzorcowanie, kalibracja-zbiór operacji ustalających w określonych warunkach, relacje między wartościami wielkości mierzonej wskazywanymi przez przyrząd lub układ pomiarowy. Pozwala na przypisanie wskazaniom odpowiednich wartości lub wyznaczenie poprawek wskazań. Laboratorium pomiarowe-laboratorium wykonujące wzorcowanie
Kontrola- czynności, takie jak: mierzenie, badanie, stosowanie sprawdzianów w odniesieniu do jednej lub kilku cech wyrobu lub usługi oraz porównanie wyników z ustalonymi wymaganiami w celu określenia zgodności. Sprawdzenie-potwierdzenie czy między wartościami pokazanymi przez przyrząd pomiarowy i znanymi są mniejsze od błędów granicznych dopuszczonych normą, przepisem. Wynik sprawdzania jest podstawą do dalszej eksploatacji.
Spójność pomiarowa-właściwość wyniku pomiaru lub wzorca jednostki miary polegający na tym że można je powiązać z określonymi na ogół z wzorcami państwowymi lub międzynarodowymi jednostkami miary, za pośrednictwem nieprzerwanego łańcucha porównań z których wszystkie mają określone niepewności.
Wzorzec odniesienia-wzorzec jednostki miary o najwyższej zazwyczaj jakości metrologicznej dostępny w danym miejscu lub danej organizacji który stanowi odniesienia do wykonywanych tam pomiarów.
Niezgodność-niespełnienie ustalonych wymagań.
Wada-niespełnienie wymagań związanych \ zmierzonym użytkowaniem.
Specyfikacja-dokument wyszczególniający wymagania, z którymi wyrób lub usługa powinny być zgodne.
Sprawdzenie przyrządów:
- przyrządy suwmiarkowe (odchyłki płaskości i prostoliniowości, równoległości, błędy wskazań),
-przyrządy mikrometryczne(odchyłki płaskości i równoległości, nacisk pomiarowy, błędy wskazań),
-przyrządy czujnikowe(błędy wskazań, zmiany wskazań wywołane naciskiem bocznym, zakres rozrzutu wskazań, histereza pomiarowa, nacisk pomiarowy).
Wzorcowanie płytek wzorcowych-badanie przywieralności, odchyłki płaskości, długości, rozrzut długości.
Sprawdzanie maszyn pomiarowych-wg odpowiednich norm i przepisów.
Dobór przyrządów pomiarowych:
metody pomiarowe-bezpośrednia i pośrednia;
zasada pomiaru-to zjawisko fizyczne stanowiące podstawę pomiaru;
przebieg pomiaru-sposób postępowania podczas pomiaru(jakie czynności należy wykonać).
Kryteria racjonalnego doboru: -rodzaj mierzonego wymiaru(zew., wew., mieszany, pośredni); -sposób ustalenia i zamocowania mierzonego przedmiotu; -sposób odbierania informacji o mierzonym wymiarze; -opracowanie wyników pomiaru, w tym graficzne i statyczne; -możliwość bezpośredniego przekazania wyników do systemu SPC; -wartość mierzonego wymiaru; -optymalna(wystarczająca) niepewność pomiaru.
Techniki odbierania informacji:
1-stykowa(rodzaj styku, z naciskiem lub bez),
2-bezstykowa(pomiar optyczny, mikroskopem, czujnik pneumatyczny, pomiar interferencyjny),
3-stykowo-optyczna(mikroskopem z zastosowaniem nożyków pomiarowych).
Orzekanie o zgodności lub niezgodności ze specyfikacją: specyfikacja(jednostronna, dwustronna), pole(zgodności, niezgodności).