METROLOGIA

Tematem wykładu jest technika ciągłych lub quasi-ciągłych pomiarów wielkości niezbędnych do prowadzenia procesów przetwórczych. W przemyśle spożywczym dominują­cym czynnikiem jest zmiana właściwości substancji drogą oddzielania, oczyszczania, mieszania i reakcji chemicznych. Tak pojęta miernictwo przemysłowe nie ogranicza się tylko do potrzeb automatyki. Służy również Innym celom, technologicznie i gospodarczo bardzo ważnym.

Do najważniejszych zadań należy:

dostarczanie informacji potrzebnych do automatycznej regulacji,

kontrola przebiegu procesów nie zautomatyzowanych

rozrachunek ekonomiczny, kontrola sprawności kontrola zapasów i ich zużycia

zabezpieczenie urządzeń przemysłowych przed nadmiernym zużyciem lub zniszczeniem

bezpieczeństwo i zdrowia załogi praca badawczo i rozwojowe

Zadania miernictwa przemysłowego w dziedzinie badawczo-rozwojowej należą obecnie do najbardziej narastających pod względem jakościowym i ilościowym.

Uporządkowanie przyrządów i metod pomiarowych w dziedzinie miernictwa przemysłowego ma szczególne znaczenie. Jedną z najważniejszych zasad systematyki przyjmuje się wielkość mierzoną określoną w sposób ogólny. Do dalszego porządkowania stosuje się następujące kryteria:

zasada działania przyrządu: rodzaj zjawisk fizycznych oraz przemian energetycznych zachodzących w przetworniku

właściwości miernicze przyrządu takie jak: czułość, zakres klasy niedokładności, właściwości dynamiczne

Następujące czynniki współczesnego rozwoju przemysłu powiększają i zaostrzają wymagania co do ilości, różnorodności i jakości informacji:

ostre i skomplikowano reżimy technologiczne.

wielkość zakładów przemysłowych,

wysokie parametry procesów (Ciśnienia, temperatury, prędkości, agresywności).

maszyny, przerób surowców,

wysokie wymagania jakości produktu finalnego.

automatyzacja indywidualna i kompleksowa

zaostrzające się wymagania co do ochrony zdrowia, bhp oraz ochrony środowiska.

Uzyskanie niezbędnych informacji jest możliwe jedynie droga, pomiaru, a specjalistyczną dyscypliną zajmującą się pomiarami w celu kontroli procesów produkcyjnych jest miernictwo przemysłowe.

Odbiorcą wyniku pomiaru jest obserwator, człowiek zdolny do percepcji informacji. Jednak we współczesnej praktyce informacja uzyskane przez pomiar często, a w niektórych sytuacjach z reguły nie dochodzą do świadomości obserwatora.

Potrzebne do prowadzenia procesów przemysłowych i prac badawczych informacje, uzyskiwane drogą pomiaru, dotyczą wielkości czy stanów, które mają dwojaki charakter:

wielkości o charakterze ciągłym, które teoretycznie mogą przybrać nieograniczoną liczbę wyróżnialnych wartości

Informacjo o charakterze dwustanowym, binarnym, gdy między jednym a drugim stanom zachodzi ostra granica, albo przynajmniej dla celów praktycznych można taką wyróżnić. Przykładami stanów binarnych są: poziom -niższy wyższy od określonej wartości; wyłącznik: zamknięty - otwarty.

Główne elementy i ogólny schemat układów miernictwa przemysłowego

Podstawową funkcje w procesie pomiaru spełnia czujnik. Jest to układ fizykalny, fizyko-chemiczny lub nawet biologiczny, którego wybrana własność jest ściśle związana z wartością wielkości mierzonej znaną i powtarzalną zależnością ^.

Wybrana własność y czujnika powinna dobrze nadawać się do dalszego przetwarzania na użyteczny sygnał pomiarowy. Sygnał kształtowany jest również w następnych elementach łańcucha pomiarowego, stanowiących przetworniki wtórne lub inne układy funkcyjne. W czujniku, układzie pomiarowym lub przetwornikach musi być utrwalony wzorzec miary.Jedną z istotnych przyczyn rozbudowy łańcucha układu pomiarowego jest to. że w rzeczywistości na wartość pierwotnego sygnału czujnika wpływa oprócz wielkości mierzonej wiele innych czynników.

Wielkości mierzone

W praktyce pomiarów przemysłowych mierzy się niemal wszystkie znane wielkości i stany materii o charakterze fizykalnym, fizyko-chemicznym i chemicznym. Szczegółowe uporządkowanie mierzonych wielkości byłoby bardzo trudne. Natomiast wyróżnić można kilka grup pokrewnych wielkości:

wielkości mechaniczne (stany geometryczne, parametry siły. parametry ruchu, przepływu)

wielkości chemiczne (skład chemiczny, stężenie jonów wodorowych, potencjał redox).

wielkości termiczne (temperatura, wartość opałowa, przepływ energii cieplnej)

własności fizyczne materii, surowców, gotowych wyrobów (gęstość. lepkość, własności elektryczne),

parametr czasu wchodzący bezpośrednio jako podstawowa wielkość przy pomiarze wielu innych wielkości oraz jako czynnik zapewniający sekwencję i porządek działań.

Charakterystyki statystyczne wielkości mierzonych

Charakterystyki te obejmuje, następujące zagadnienia:

1. Określenie miary wielkości mierzonej

2. Zakres i rozkład wielkości mierzonej

3. Niejednoznaczność wielkości mierzonej

A) Wyróżniamy następujące miary wartości wielkości mierzonej:

wartość chwilowa x(t)

wartości graniczne X

Wartość średnia w czasie

Wartość średnia w przestrzeni

pochodna względem czasu (prędkość)

druga pochodna (przyspieszenie)

całka w określonym przedziale czasu lub zliczanie przedmiotów

B)Zakres wartości wielkości mierzonej określają, spotykano w praktyce przemysłowej wartości. Dolna i górna granica zakresu wartości określonej wielkości spotykanej w danym procesie przemysłowym. Wartość nominalna wielkości mierzonej, która wynika z określonych ekonomicznych i technologicznych przesłanek.

Tak określona wartość jest docelową w danym procesie, stanowi wiec ważne kryterium do doboru zakresu i własności przyrządu. Dokładność wskazań w pobliżu wartości nominalnej powinna być najlepsza.

C)Określenie wielkości mierzonej z technologicznego punktu widzenia natrafia często na trudności (rozkład temperatury).

Charakterystyka obiektu pomiaru i jego otoczenia

Obiekt przemysłowy jest obszarem zjawiska i źródłem wielkości mierzonej, a równocześnie wraz z obszarem otaczającym jest źródłom wpływów i zakłóceń nakładających się na sygnał, reprezentujący wielkość mierzoną, które fałszują wynik pomiaru

Obiekt (obszar zjawiska) charakteryzują następująco najważniejsze cechy:

rozkład wartość; wielkości mierzonej

zakłócenia wartości wielkości mierzonej wskutek wprowadzenia czujnika lub przetwornika

wielkości wpływające i zakłócające mogące wpływać na wartość sygnału pomiarowego bezpośrednio lub poprzez zmianę czułości czujnika

Obszar otaczający obiekt jest często źródłem zakłóceń pomiarowych. I dlatego istotne są między innymi gradienty wielkości mierzonej no pograniczu obiektu i otoczenia oraz obecność źródeł innych energii.

Metody pomiarowe

Sposób przeprowadzenia pomiaru tj. przyrównania wielkości mierzonej do wzorca miary nazywamy metoda pomiarową. Jest to wiec sposób przetwarzania wielkości mierzonej x na sygnał pomiarowy

- zakłócenia.

Pomiary w metodach pomiarowych wykonuje się jako porównawcze:

1. metoda wychyłowa

2. metoda różnicowa

3. metoda zerowa.

1)Metoda wychyłowa polega na przyporządkowaniu określonej
wartości mierzonej wielkości sygnałowi wyjściowemu

miernika który wraz z przetwornikiem i układem pomiarowym był uprzednio porównywany (wzorcowany) w stosunku do odpowiednich wzorców mierzonej wielkości

2)Metoda różnicowa polega na wytworzeniu różnicy między wielkością mierzoną a wzorcową oraz na pomiarze tej różnicy metodą wychyłową. Metodę tę można opisać zależnością

- wartość miary wzorca

3) Metoda zerowa polega na doprowadzeniu wielkości wzorcowej do równości z wielkością mierzoną.

Błędy pomiarowe

Warto przeanalizować wpływ wielkości fizycznych otoczenia i obiektu na błędy pomiaru oraz na specyficzne źródło błędów, jakim jest „pobieranie próbki" wielkości mierzonej.

Do błędów systematycznych, oprócz indywidualnych
niedoskonałości wzorcowania można zaliczyć dające się uchwycić rachunkowo wpływy niektórych zmiennych niezależnych. Idealną funkcję przenoszenia , należy zastąpić funkcją o wielu zmiennych niezależnych,

gdzie duże litery oznaczają parametry charakteryzujące cechy instrumentalne urządzenia pomiarowego, a litery małe oznaczają zmienna parametry otoczenia.

Przetworniki

Zadaniem przetwornika pomiarowego jest wytwarzanie drogą odpowiednich przemian energetycznych sygnału y', spełniającego warunek

gdzie y jest mierzoną wielkością zmienną, a f(x) określa funkcją przenoszenia przetwornika. Przetwornik jest zatem układem fizycznym zapewniającym jednoznaczny związek określony funkcją przenoszenia między sygnałem pomiarowym y który jest sygnałom wyjściowym, a wielkością mierzoną określoną też jako sygnał wejściowy układu.

Zachodzące w przetworniku przemiany energetyczne, nieraz wielokrotne, powinny spełniać warunki zapewniające optymalne wykonanie zadania pomiarowego.

Najważniejsze wymagania:

wartość sygnału wartości zmiennej powinna być zależna wyłącznie od (selektywność, brak wpływów

funkcja przenoszenia powinna być jednoznaczna w możliwie szerokim przedziale wartości oraz niezmieniona w czasie(duży zakres pomiarowy, stabilność

pochodna, czyli czułość, powinna mieć dużą wartość i powinna być wielkością niezależną od: drugi postulat jednoznaczny z równomiernością podziałki jest szczególnie ważny przy zastosowaniu do automatycznej regulacji

dogodna postać energii sygnału

niski poziom szumów w stosunku do sygnału, łączenie z postulatem dużej czułości warunkuje to najmniejszy zakres pomiarowy,

małe oddziaływania przetwornika na zmienną x obiektu w którym dokonuje się pomiaru

małe opóźnienie pomiarowe tzn. możliwe małe przesunięcia w czasie między sygnałem x a zmienną y określają to właściwości dynamiczne urządzenia pomiarowe wraz z przetwornikiem.

---