CZ. I – POMIARY PRZEMYSŁOWE

1. Pomiary analogowe i dyskretne. Człony zespołu pomiarowego.

2. Systematyczne i przypadkowe błędy pomiarów. Właściwości przyrządów pomiarowych.

3. Pomiary przesunięcia liniowego. Pomiar prędkości liniowej i kątowej.

4. Pomiary poziomu cieczy. Pomiary substancji sypkich.

5. Pomiary natężenia przepływu płynów.

6. Pomiary siły.

7. Przemysłowe pomiary masy. Pomiary strumienia masy.

8. Pomiary ciśnienia i różnicy ciśnień.

9. Termometry rozszerzalnościowe, elektryczne i emisyjne.

10. Pośrednie pomiary stężenia roztworów. Pomiary gęstości cieczy.

Ad. 1

POMIARY ANALOGOWE I DYSKRETNE

1. Pomiar analogowy – analogowe metody pomiarowe charakteryzują się tym, że wyjściowy sygnał pomiarowy y, zawierający informację o mierzonej wielości, może przyjmować dowolną wartość w założonym zakresie pomiarowym. Wykres funkcji y = f(x,z) jest więc ścisłą analogią wielkości mierzonej.

W analogowych przyrządach pomiarowych, stosowane są najczęściej różnego rodzaju mierniki wskazówkowe lub słupkowe. Odczytywanie wskazań takich mierników obaczone jest błędem subiektywnym.

1. Pomiar cyfrowy – w cyfrowych metodach pomiarowych, sygnał pomiarowy jest skwantowany w czasie i poziomie. Skwantowanie w czasie polega na dokonywaniu pomiarów okresowo, w odstępach czasu. Wykres ma charakter funkcji schodkowej.

Stosuje się tu najczęściej wskaźniki cyfrowe.

Pomiar cyfrowy ma wiele zalet, w porównaniu z pomiarem analogowym. Cyfrowe przyrządy pomiarowe są bardziej dokładne, ich wskaźniki mogą mieć znaczne wymiary i zawierać wiele cyfr. Działają bardzo szybko i są niezwykle trwałe. Odczytanie wyniku pomiaru nie jest obarczone subiektywnymi błędami.

CZŁONY ZESPOŁU POMIAROWEGO

Podstawową rolę w procesie pomiaru pełni czujnik. Jest to układ fizyczny, fizykochemiczny lub biologiczny, którego wybrana właściwość y jest z wielkością mierzoną x ściśle związaną, znaną zależnością y = f(x).

Praktycznie wszystkie czujniki pomiarowe są łączone z wtórnym układem przetwarzającym i wskaźnikiem w zespół pomiarowy (układ pomiarowy). Układ umieszczony we wspólnej obudowie nazywa się przyrządem pomiarowym.

Przykładowy zespół pomiarowy (do mierzenia temp. w suszarni):

Ad. 2

SYSTEMATYCZNE I PRZYPADKOWE BŁĘDY POMIARÓW

Statyczny błąd pomiaru tworzą dwa składowe: systematyczny i przypadkowy błąd pomiaru.

1. Błąd systematyczny – jest zdeterminowany – da się zmierzyć lub obliczyć i wyeliminować. Można go też określić przez porównanie wyniku pomiaru z wynikiem uzyskanym dokładniejszą metodą pomiarową lub dokładniejszym przyrządem pomiarowym. Można go obliczyć, jeżeli znane są przyczyny jego powstawania. Można go wyeliminować przez skorygowanie urządzenia pomiarowego.

Główne źródła błędów systematycznych:

- niedoskonałość przyrządu pomiarowego,

- niedoskonałość obserwatora,

- wpływ przyrządu na obiekt pomiaru.

1. Błąd przypadkowy – jego wielkość daje się jedynie oszacować z pewnym stopniem prawdopodobieństwa i ograniczyć. Ma charakter niepowtarzalny i losowy. Jest zmienną losową.

Główne źródła błędów przypadkowych:

- szumy,

- niedoskonałość elementów przyrządu pomiarowego,

- błędy kwantowania w pomiarze cyfrowym.

WŁAŚCIWOŚCI PRZYRZĄDÓW POMIAROWYCH

1. Statyczne i dynamiczne właściwości układów pomiarowych.

Właściwości statyczne – odnoszą się do pomiarów wielkości niezmiennych w pewnym odcinku czasu. Można je opisać równaniem: y = f(x), w którym x jest sygnałem wejściowym, a y wyjściowym. Zależność ta ma zwykle przebieg liniowy.

Właściwości dynamiczne – określają wrażliwość układu na zmienne w czasie wielkości mierzone i mogą być opisane równaniem: dy/dτ = f(dx/dτ).

Znajomość tych właściwości wiąże się z określeniem dokładności mierzenia układów pomiarowych.

1. Inne statyczne właściwości urządzeń pomiarowych.

Zakres pomiarowy – oznacza różnicę między max i min wartością, możliwą do odczytania z podziałki.

Czułość – stosunek przyrostu wyjściowego sygnału pomiarowego, do przyrostu wielkości mierzonej.

Rozdzielczość – min zmiana wielkości mierzonej, niezbędna do uzyskania zauważalnej zmiany wyjściowego sygnału pomiarowego.

Selektywność – zdolność przetwornika do reagowania na jedną, tylko wybraną wielkość fizyczną.

Ad. 3

POMIARY PRZESUNIĘCIA LINIOWEGO

Pomiary przesunięcia liniowego znajdują w miernictwie przemysłowym liczne zastosowania. Przesunięcie występuje jako wartość pośrednia w pomiarach wielu różnych wielkości fizycznych. Czujniki i przetworniki do pomiaru przesunięcia liniowego można podzielić według rodzaju ich wyjściowego sygnału pomiarowego.

Rodzaj czujnika (przetwornika)	Sygnał wyjściowy
Mechaniczny bezpośredni	Przesunięcie liniowe
Mechaniczny pośredni	Siła
Pneumatyczny	Ciśnienie powietrza
Rezystorowo-stykowy Tensometryczny	Rezystancja
Strunowy	Częstotliwość
Indukcyjnościowy	Indukcyjność
Transformatorowy Różnicowy Hallotronowy	Napięcie
Pojemnościowy	Pojemność
Fotoelektryczny Dyskretny	Liczba impulsów

POMIARY PRĘDKOŚCI LINIOWEJ I KĄTOWEJ

Pomiar prędkości liniowej realizuje się zwykle przez przetworzenie jej na prędkość kątową.

Jednostką prędkości liniowej w układzie SI jest m/s (dopuszczalne również: km/h, m/min), a prędkości kątowej – rad/s (dopuszczalne: obr/s, przy czym 1 obr/s = 2π rad/s).

Pomiary prędkości kątowej są dokonywane przy pomocy tachometrów, w nielicznych przypadkach stosuje się stroboskopy.

Ad. 4

POMIARY POZIOMU CIECZY

Pomiaru poziomu cieczy, czyli wysokości jej słupa w zbiornikach (wyrażonej w jednostkach długości [m]), należą do podstawowych pomiarów wielkości technologicznych w przemyśle chemicznym i spożywczym.

Przetworniki poziomu cieczy:

Rodzaj przetwornika	Sygnał wyjściowy
Poziomowskaz	Poziom menisku
pływakowy	Przesunięcie liniowe, kątowe
Nurnikowy	Siła wyporu
Manometryczny	Ciśnienie, różnica ciśnień
Sonda pneumatyczna	Różnica ciśnień
Pojemnościowy	Pojemność elektryczna
Wagowy	Siła ciążenia
Izotopowy	Tłumienie promieniowania
Ultradźwiękowy Radarowy	Czas powrotu fali odbitej

POMIARY POZIOMU MATERIAŁÓW SYPKICH

Pomiary te służą przede wszystkim do określania ilości substancji składowanej w silosach (np. skrobia, sacharoza).

Podstawowym problemem dokładnego określania ilości substancji jest właściwe ukształtowanie jej powierzchni. Powstanie w silosie stożka nasypowego jest eliminowane przez zastosowanie obrotowych urządzeń nasypujących i wyładowczych. Drugim źródłem błędów pomiaru, jest zmienna gęstość nasypowa większości materiałów sypkich. Z tych względów najdokładniejszą metodą określania ilości substancji w zbiorniku jest ważenie całego zbiornika.

W przypadku, gdy nie jest wymagana duża dokładność pomiaru ilości materiału, lub gdy zważenie zbiornika jest utrudnione, stosuje się izotopowy pomiar poziomu.

Ad. 5

POMIARY NATĘŻENIA PRZEPŁYWU PŁYNÓW

Pomiary objętościowego natężenia przepływu płynów są dokonywane przez przepływomierze. Jednostką natężenia przepływu jest m³/s (legalne są również: m³/min i m³/h).

Rodzaj przetwornika	Sygnał wyjściowy	Wielkość mierzona
Zwężka	Różnica ciśnień	onp
Tarcza naporowa	Siła	onp
Rotametr	Przesunięcie liniowe	onp
Skrzydełkowy Turbinkowy	Przesunięcie kątowe, prędkość kątowa	onp
Kalorymetryczny	Różnica temperatur	onp, mnp
Indukcyjny	Napięcie	onp
Wirowy	Częstotliwość	onp
Ultradźwiękowy	Efekt Dopplera, różnica czasów przejścia fali	onp

onp – objętościowe natężenie przepływu

mnp – masowe natężenie przepływu

Ad. 6

POMIARY SIŁY

Pomiary siły mają duże znaczenie w miernictwie przemysłowym. Jednostką siły w układzie SI jest 1N. Siły, z jakimi mamy do czynienia w miernictwie, zawierają się w szerokich granicach (10^-2 – 10⁷N) i w zależności od zakresu ich zmian stosuje się różne przetworniki pomiarowe.

Rodzaj przetwornika	Sygnał wtórny
Sprężysty tensometryczny Sprężysty piezorezystancyjny	Rezystancja
Kompensacyjny pneumatyczny	Ciśnienie powietrza
Kompensacyjny magnetoelektryczny	Natężenie prądu

Ad. 7

PRZEMYSŁOWE POMIARY MASY I STRUMIENIA MASY

Pomiar masy nazywa się ważeniem, a przyrządy ważące to wagi. W procesach przemysłowych ważenie ma zwykle dwa zadania: okresowe określenie nieznanej masy i ciągłe mierzenie strumienia masy substancji transportowanej do procesów ciągłych. W zależności od sytuacji stosuje się więc wagi okresowe do określenia masy M i wagi ciągłe do określenia strumienia masy.

Jednostką masy jest kg (legalna również: tona)

Wagi okresowe, stosowane powszechnie w handlu, są znormalizowane i pracują najczęściej na zasadzie porównania mas lub sił ciążenia mas.

Pomiar strumienia masy jest realizowany zwykle za pomocą wagi przenośnikowej, np. taśmowej. Wagi przenośnikowe taśmowe są często stosowane w przemyśle spożywczym, np. w każdej cukrowni określają strumień i sumę masy krajanki buraczanej, doprowadzanej do ekstraktora.

Ad 8 .Pomiary ciśnienia i różnicy ciśnień.

Ciśnienie i różnica ciśnień są wartościami w miernictwie mierzonymi bardzo często, są istotnym parametrem wielu procesów technologicznych i wystpuja jako sygnał wtórny w szeregu pomiarów innych wielkości. Ponie. wszystkie pomiary przem. są dokonywane w atm. ziemskiej o określonym chociaż zmiennym ciśnieniu barometrycznym w miernictwie przem. dokonuje się najczęściej pomiaru ciśnienia względnego(manometrycznego) odniesionego do ciśnienia barometrycznego(atmosferycznego). Ciśnienie bezwzględne mierzy się tylko w wyjatkowych przypadkach, odniesione do próżni.

Przyrządy do pomiaru ciśnienia względnego to manometry(pomiar nadciśnienia) i wakuometry (pomiar podcisnienia). Różnicę ciśnień mierzą manometry różnicowe, a ciśn. bezwzględne – barometry.

Przy pomiarze ciśnień wzgledych może wystapić błąd pomiaru spowodowany wahaniami ciśnienia atmos. Bądź stosowac przyrządy dookreślania ciśni. bezwzgl.

Ad. 9 Termometry rozszerzalnościowe, elektryczne i emisyjne

Termometry rozszerzalnościowe :

- term cieczowe – składaja się ze szklanego zbiorniczka z cieczą termometryczna, podziałki i szklanej kapilary, przetwarzającej temperaturową zmianę objętości cieczy na przesuniecie liniowe jej poziomu, Zakres stosowalności term wypełnionych rtęcią to od -35 do +600 C. A w niższych temp -200 stosuje się term wypełnione cieczami organicznymi. Term cieczowe SA znormalizowane sa wykonywane jako proste i kątowe, obudowane sa metalowymi osłonkami. Termo te służą do pomiarów miejscowych i kontrolnych.

-term ciśnieniowe – monometryczne wykorzystuja zależność ciśnienia cieczy lub gazu od temp. Czujnikiem jest metalowy pojemnik w kształcie wydłuzonego walca, połączony kapilarą ze wskaźnikiem monometrycznym. Te termometry możemy podzielic na 3 grupy:

a)cieczowe w których cały ukł pomiarowy jest wypełniony cieczą

b) gazowe cały ukł pomiarowy jest wypełniony gazem

c) kondensacyjne w których czujnik jest wypełniony czesciowo cieczą o niskiej temp wrzenia np. acetonem a czesciowo para wodna tej cieczy

Termometry te maja prosta konstrukcje sa tanie maja duża zdolność wykonywania pracy. Zakres -200 do +500. Wady: duża bezwładnośc cieplna, wrażliwośc na zmiany cisnienia atmosferycznego i zmian temp otoczenia.

-term dylatacyjne – wykorzystują zjawisko rozszerzalności cieplnej metali. Czujnik składa się z osłony wykonanej z metalu o dużej rozszerzalności cieplnej oraz pręta z metalu o małej rozszerzalności. Pomiar polega na okresleniu dźwigniowym wskaźnikiem mechanicznym różnicy wydłużeń preta i osłony spowodowanej róznymi wartościami współczynnika rozszerzalności liniowej. Termometry te mają bardzo prostą konstrukcje ich zakres +100,,,,+1000 C.

-term bimetalowe- zasada ich działania jest identyczna jak term dylatacyjnych inny jest tylko sposób przetworzenia róznicy wydłuzenia cieplnego dwóch metali na wskazania meirnika. Czujnikiem w nich jest taśma lub płytka wykonana z dwóch sprasowanych zgrzanych warstw metali o roznych współczynnikach rozszerzalności cieplnej. Przy zmianach temp na skutek niejednakowych zmian długości obu warstw bimetalu będzie się on odkształcał, co można łatwo przetworzyc na przesuniecie wskazówki bądź do uruchomienia łacznika elektrycznego. Zastosowanie : proste regulatory temperatury, montowane z żelazkach, pralkach, bardzo proste i tanie termometry stosowane w mieszalniach, samochodach, proste mierniki temp. Zakres -100 do + 400 C

-term rezystancyjne – wykorzystuje się tu zalezność metali oraz półprzewodników od temp. Materiały z których sa wykonane powinny mieć możliwie liniową charakterystyke zmian rezystancji w funkcji od temp, Duzy współczynnik temp rezystancji, musza być odporne na wpływy zewnętrzne.

TERMOMETRY TERMOELEKTRYCZNE

Czujnikiem jest ogniwo termoelektryczne zlozone z przewodników wykonanych z dwóch różnych metali. Jeżeli złacze tych przewodników jest ogrzane to na ich koncach pojawia się siła termoelektryczna. Stosowane w przemysłowych pomiarach temp.

TERMOMETRY EMISYJNE

Wszystkie ciała o temp wyższej od zera absolutnego emituja promieniowanie elektromagnetyczne zwane promieniowaniem cieplnym. Termometry te wykorzystuja te promieniowaniedo okreslenie temp ciała. Termometry te mogą mierzyc całkowitą moc promieniowania (pirometry radiacyjne) lub moc promieniowania o scisle określonej długości fali (pirometry monochromatyczne) lub stosunek dwoch czy wiecej mocy promieniowania o roznej dł fali. Sa stosowane do zdalnego, bezdotykowego pomiaru średnich i wysokich temp no piece wapienne.

Ad10. Pośrednie pomiary stężenia roztworów. Pomiary gęstości cieczy.

Mniej skomplikowane i wystarczająco dokładne jest pośrednie oznaczenie stężenia danego składnika np. wody w alkoholu przez pomiar przenikalności elektrycznej czy innych cieczy przez pomiar gestości roztworu. Problemem stosowania poszczególnych metod pomiaru stężenia substancji bądź jej składu chemicznego jest zróżnicowanie selektywności tych metod. Metody całkowicie nieselektywne musza być stosowane w warunkach znormalizowanych i daja wyniki umowne

Pomiary gęstości gestość okreslamy jakos stosunek masy do objętości jednorodnego ciała przy określonych wartościach temp i ciśnienia.

Pojecie gęstości dotyczące gazów cieczy i ciał stalych można stosowac tez dla celów technicznych dla ciał niejednorodnych. Celem pomiarów gęstości jest zwykle pośrednie nieselektywne okreslanie stężenia rozpuszczonych składników płynów np. zawartości sacharozy w sokach. Zakłóceniem omiarow gęstości cieczy jest zawartość w cieczach gazow – piany powodującej zmniejszenie wyniku pomaru.