Műszerek tulajdonságai

Műszerek tulajdonságai

1

Kiválasztási szempontok • Műszerek kiválasztásának általános szempontjai • mérendő paraméter • alkalmazható mérési elv • mérendő érték, mérési tartomány • környezeti tényezők • érzékelő mérete • „belső” tulajdonságok: pontosság, stabilitás, válaszidő, érzékenység, linearitás, • ár Műszerek tulajdonságai/2

Környezeti tényezők • klimatikus hatások • földrajzi környezet • üzemi beépítés • szabad tér - belsőtér • hőmérséklet, napsugárzás • por- és vízártalom, páratartalom • robbanásveszély • légszennyezés (korrózív közegek) • biológia és mechanikai hatások (rezgés) Műszerek tulajdonságai/3

Hőmérséklet figyelembevétele T

tárolási tartomány kiterjesztett üzeltetési tartomány normál üzemeltetési tartomány kalibrációs hőmérséklet

Műszerek tulajdonságai/4

Por- és vízártalom • jellemzése az IP számmal: IP - XY ahol X kezelő védettsége 0-6 Y műszer védettsége 0-8


Robbanásveszély • besorolási szempontok • mennyi ideig van jelen robbanásveszélyes anyag • robbanásveszélyes anyag • felületi hőmérséklet


Robbanásveszélyes terek • Folyamatos veszély zóna: > 1000 óra/év van jelen jele Eu: Zone 0 - gázok, Zone Z(10) - porok • Közepes veszély zóna 10 - 1000 óra/év van jelen jele Eu: Zone 1 - gázok, Zone Z(10) - porok USA: Division 1 (gázok, porok, mindkét zóna) • Egyéb zóna 0,1 - 10 óra/év van jelen jele Eu: Zone 2 - gázok, Zone Y(11) - porok Műszerek tulajdonságai/7 USA: Division 2 (gázok, porok)

Robbanásveszélyes anyagok minimális gyújtási energia (mikroJ)

EU

USA

Tipikus gáz

II C

A

acetilén

20

II C

B

hidrogén

20

II B

C

etilén

60

II A

D

propán

180 Műszerek tulajdonságai/8

Robbanásveszélyes anyagok USA veszélyességi kategóriák • Class I gázok, gőzök (előző tábl.) •

Class II porok • Group E fémek • Group F szén • Group G gabona

• Class III

szálak Műszerek tulajdonságai/9

Robbanásveszély • Felületi hőmérséklet szerinti osztályozás osztály

max. T

T1

450oC

T2

300oC

T3

200oC

T4

135oC

T5

100oC

T6

85oC Műszerek tulajdonságai/10

Gyújtószikramentes eszközök • jelölésük: [E Ex ia] IIC T4 ahol [ ]

a készülék robbanásveszélyes téren kívül van, de csatlakozik egy azon belülihez

E

a CENELEC szabványnak megfelel

Ex

gyújtószikramentes


Gyújtószikramentes eszközök • jelölésük (folyt.): [E Ex ia] IIC T4 ia ib

nem okoz robbanást két, egyidejűleg fellépő hiba bármilyen kombinációja esetén sem nem okoz robbanást egyidejűleg egy fellépő hiba esetén

IIC

a veszélyes anyag szerinti besorolás

T4

max. felületi hőmérséklet Műszerek tulajdonságai/12


CE-jel • Biztonsággal kapcsolatos uniós irányelveknek való megfelelőséget jelzi. • A CE-jelölés azt tanúsíthatja, hogy a mérőeszköz: • biztonságosan kezelhető, • elektromos érintésvédelme megfelelő, • nem zavarja az elektronikus berendezéseket, • megfelelő mértékig érzéketlen a rádiófrekvenciás zavarokra (pl.: mobiltelefon), • robbanásveszélyes környezetben használható...


CE-jel • A CE jelölés önmagában a mérőeszköz hitelességét nem tanúsítja!


CE-jel


Műszerek jellemzése • érzékenység ∆x érzékenység = ∆m

ahol ∆x a műszerrel megállapított mérőszám (kimenő jel) megváltozása ∆m a mérendő tulajdonság (bemenő jel) megváltozása mérőgörbe iránytangense lineáris jelátvitel esetén állandó (ellenállás hőmérő ↔ termisztor) Műszerek tulajdonságai/17

Műszerek jellemzése • dinamikus tartomány x max dinamikus tartomány = xk

ahol xmax a megadott tartományban kapható maximális jel xk legkisebb értékelhető jel


Műszerek jellemzése • névleges tartomány • megadása: xmin, xmax • átfogás • megadása: |xmax- xmin |


Műszerek jellemzése • a legkisebb értékelhető jel

xk = x N + 3s N

ahol _ xN a zaj középértéke nulla bemenetnél sN a zaj szórása


Műszerek jellemzése • felbontás • szűkebb értelemben: két egymás mellett lévő, még éppen megkülönböztethető x jel távolsága • általánosan: a műszerrel megadható legkisebb mérőszámkülönbség (∆x) példa: digitális műszernél az utolsó értékes jegy egységnyi megváltozásának megfelelő változás az értékmutatásban Műszerek tulajdonságai/21

Műszerek jellemzése • holtsáv Az a legnagyobb tartomány, amelyen belül a bemenőjel mindkét irányban változhat anélkül, hogy a mérőeszköz kimenőjelében változást okozna. • A holtsáv nagysága függhet a bemenőjel változásának mértékétől is. • A holtsávot néha szándékosan növelik meg azért, hogy csökkentsék a bemenőjel kis változásai következtében fellépő kimenőjel ingadozásokat.


Műszerek jellemzése • válaszidő (tv) az az idő, amely alatt a kimenő jel a bemenő x0 ugrásjel 99%-t eléri. Általában t  − x(t ) = x0 1 − e τ  

   

ahol x(t) a műszer által mutatott érték x0 a mért paraméter valódi értéke így tv=4,6τ Műszerek tulajdonságai/23

Műszerek jellemzése • fontossága • mérés idejének meghatározása • csatolt egységek illesztése • időben változó jel követése


Műszerek jellemzése • példa a válaszidőre


Műszerek jellemzése • jelátvitel sávszélessége ∆f az a ∆f frekvenciatartomány, amelynek átvitelére a műszer alkalmas • egyenáramú és lassan változó jel esetén ∆ f = f max − 0 =

1 2πτ

• effektív sávszélesség ∆ f eff

1 = 4τ Műszerek tulajdonságai/26

Műszerek jellemzése • nagy időállandó → kicsi sávszélesség → nagyfrekvenciás zajok kiszűrése kisfrekvenciás zajok hatásának növelése • véges sávszélesség és válaszidő miatt a kimenő jel a bemenő jel tátl idejű átlaga. Az ekvivalens átlagolási idő: t átl

1 = = 2τ 2 ∆ f eff Műszerek tulajdonságai/27

Műszerek jellemzése • stabilitás • a műszer terheletlen (terhelt) állapotában észlelt jel állandósága • nullapont-eltolódás/drift • általánosan: a mérőeszköznek az a képessége, hogy metrológiai jellemzőit időben folyamatosan megőrzi • mennyiségi jellemezése: • azzal az időtartammal, amely alatt a metrológiai jellemző egy előírt értékkel megváltozik, • a jellemző meghatározott időtartam alatt bekövetkező megváltozásával. Műszerek tulajdonságai/28

Műszerek jellemzése • visszahatásmentesség • A mérőeszköznek az a tulajdonsága, hogy nem befolyásolja a mérendő mennyiség értékét. • mérleg; • ellenálláshőmérő.


Mérési hibák


Mérési hibák • mérési hiba: a meghatározandó értékre a mérés során kapott eredmény és ideális értéke közötti különbség • általánosított mérési hiba: a valóságos és az ideális mérési eredmények közötti távolság (az adott szimbólum halmazon értelmezve) • minden mérés hibával terhelt • okai • megfigyelés, mérés körülményei • mérőeszköz tulajdonságai • külső zavarok


Mérési hibák • Mérési hibák csoportosítása • leírásuk hibafüggvények (abszolút hiba, relatív hiba) • jellegük hibatípusok (dinamikus, statikus, ….) • eredetük (műszerhiba, etalonhiba, környezeti hiba, mérési módszer hibája) Műszerek tulajdonságai/32

Hibafüggvények • Hibafüggvények • abszolút hiba Hi Hi = xmi – x0 azaz a mért érték és a pontos érték különbsége • relatív hiba hi hi = (Hi / x0)⋅100 azaz az abszolút hiba és a pontos érték százalékos aránya


Hibafüggvények • műszer pontosságának megadása: • digitális kijelzésű műszer esetén ±0.5% ±5digit relatív hiba a teljes tartományban

abszolút hiba

• analóg kijelzésű műszer esetén abszolút hiba az osztásközre vonatkoztatva


Hibafüggvények • Példa • digitális kijelzőjű hőérzékelő • tartomány: 0 – 600 oC • pontosság: ±0.1% ±2digit • mérendő hőmérséklet: 350 oC • mérés relatív hibája: 2o C hi = 0 .1 % + ⋅ 100 % = 0 .67 % o 350 C


Hibafüggvények • gond: a helyes értéket általában nem ismerjük ezért helyette a mért értékhez viszonyítjuk a műszerkönyvben megadott abszolút hibát


Hibaforrások • általánosan nehéz megadni, az adott mérési területre jellemző • mintavétel, előkészítés, egyes komponensek hatása • méréshez felhasznált segédanyagok • mérőeszköz állapota, pontossága • alkalmazott mérési módszer, matematikai modell pontossága • mérést végző személy szubjektivitása, hozzáértése, gondossága Műszerek tulajdonságai/37

Hibaforrások • adatfeldolgozás problémái • programhibák • adatbeviteli, -tárolási hibák • hardware hibák • konverziós hibák


Irányított mérőrendszer • kísérletek rögzített körülmények között történő elvégzése • zavaróhatások • kiküszöbölés • állandó értéken tartás • figyelembe vétel • párhuzamos mérések • mérési eredmények feldolgozása a matematikai statisztika módszereivel • kísérlet minden adatának rögzítése Műszerek tulajdonságai/39

Irányított mérőrendszer • ha teljesíthetőek ezek a feltételek, akkor a mérési eredmények • azonos (normális) eloszlásúak lesznek • a szórás kicsi • torzítatlanság • ha nem • nagyobb szórás • torzítottság


Hibatípusok • Hibatípusok osztályzása • dinamikus hiba • statikus hiba • véletlenszerű hiba • véletlen hiba • kiugró hiba • nagyságrendi eltérés • rendszeres (módszeres) hiba


Dinamikus hiba • Dinamikus hiba a mérés a műszer tranziens állapotában történik


Statikus hiba • Statikus hiba • mérés a műszer „beállása” után történik • véletlenszerű hibák és rendszeres hibák • véletlenszerű hibák • konkrét értéke előre nem megadható, azaz nem lehet korrigálni • megadása konfidencia intervallummal • csökkentése párhuzamos méréssel • véletlen hibák, kiugró hibák, rendkívüli hibák Műszerek tulajdonságai/43

Véletlen hibák • irányított mérés mellett is előfordul • hiba forrása alapvetően a zaj • normális eloszlású, nulla várható értékkel és adott szórással • jellemzés a szórása alapján


Véletlen hibák • elméleti szórás n

2 ( m − µ ) ∑ i

σ =

i =1

n

• ahol • µ a keresett paraméter ideális értéke • n a mérések száma, de n→∞ • azaz az elméleti szórás meghatározásához elvileg ismerni kellene a meghatározandó értéket és igen nagy számú mérést kellene végeznünk – ez csak speciális esetben lehetséges Műszerek tulajdonságai/45

Véletlen hibák • tapasztalati szórás n

∑ (m s=

i

−m

)

2

i =1

1 m= n

;

n −1

n

∑ mi i =1

• ahol • mi a mérések átlaga • n a mérések száma, de n véges érték • a becslés egyszerűsített képlete: n

∑ m i2 − s=

 n   ∑ mi   i =1  n

2

i =1

n −1 Műszerek tulajdonságai/46

Véletlen hibák • relatív szórás (százalékos relatív szórás) s rel =

s m

⋅100

• középérték szórása s

sm =

n

• középérték relatív szórása s mrel =

s

⋅100

m n Műszerek tulajdonságai/47

Véletlen hibák • a szórás értéke az adott mérési eljárásra, műszerre jellemző • a pontosság a mérések számával nő • véletlen hibák esetében a tapasztalati szórást előírt, általában 2%-os értéken belül tartjuk • az optimális mérési szám meghatározható


Kiugró hibák • az irányított mérés feltételei nem teljesülnek • a hiba várható értéke nem feltétlenül nulla • meghatározás hihetőség vizsgálattal • értéke ± 3 – 6 σ


Rendkívüli hibák • több nagyságrendű eltérés • várható érték, szórás nem becsülhető • nem irányított mérés, de a kiugró hibához képest nagyobb gond • felderítéséhez alapos vizsgálat: mérési jegyzőkönyvek, bizonylatok


Rendszeres hibák • módszeres hiba, systematic error • hatása: a mérési eredmények várható értéke (átlaga) nem egyezik meg a valódi eredménnyel: ∆ = x m − µ0 ≠ 0

ahol x m a mérési eredmények átlaga µ 0 a mért változó valódi értéke


Rendszeres hibák • helyes mérés: nincs vagy csak minimális a rendszeres hiba • pontos mérés: csak véletlen hiba van ésaz is csak elfogadható mértékű • lövészet példa


Rendszeres hibák • mindig egy irányba hat – torzítja a mérési eredményt • okai • mérő eszköz • minta (mintavétel, minta előkészítése) • mérés • kiértékelés (számítási eljárás, kiértékelő görbe) • külső körülmények hatásai Műszerek tulajdonságai/53

Rendszeres hibák • Rendszeres hiba felkutatása • hiába pontos a mérés (kicsi a tapasztalati szórás), a rendszeres hiba ettől független, nincs összefüggés a kettő között • a pontatlan mérés azaz nagy tapasztalati szórás viszont nehezíti rendszeres hiba felkutatását


Rendszeres hibák • például 1%-os tapasztalati szórás mellett 99%os valószínűséggel kell meghatározni a középérték eltérését a valódi értéktől: n=2 t

s

= 63,7

n n=3 n=4

9,80 5,8

1

= 45,04

2 1 3 1

= 5,72 = 2 ,9

4


Rendszeres hibák • rendszeres hiba kimutatása • a mérést etalon segítségével végezzük el • a mérési eredményeket a valódi érték függvényében ábrázoljuk • ha nincs rendszeres hiba, akkor 45o –os meredekségű egyenest kell kapni, mely az origóban metszi a tengelyeket (a véletlen hibák miatt lineáris regresszióval illeszteni kell a pontokra az egyenest)


Rendszeres hibák • ha meredekség eltér a 45o-tól vagy a tengelymetszet nem az origóban van → rendszeres hiba • legyen az mi mért érték és a µi0 valódi érték közötti összefüggés: mi = α + β µi0 + ε ahol α – a rendszeres hiba állandó része β - 1 – a rendszeres hiba arányos része ε – véletlen hiba Műszerek tulajdonságai/57

Rendszeres hibák • következő esetek lehetségesek: • állandó rendszeres hiba • arányos rendszeres hiba • állandó és arányos rendszeres hiba • ha nem áll rendelkezésre etalon vagy nem lehetséges etalonnal mérni, akkor több különböző módon kell megmérni ugyanazt a mennyiséget


Mérési hibák • Példák a helyes mérőgörbe

x

a műszer mérőgörbéje

xe

±2s

me

m0

m Műszerek tulajdonságai/59

Mérési hibák • Példák


Pontossági osztályok • Pontosság • A mérőeszköznek az a tulajdonsága, hogy a mérendő mennyiség valódi értékéhez közeli értékmutatást vagy választ szolgáltat. • Egy adott mérendő mennyiség mért értékei a mérendő mennyiség helyes értékeitől egy előre megadott értéknél kevesebbel térnek el. Pontossági osztályok Műszerek tulajdonságai/61

Pontossági osztályok • Pontossági minősítések: xk konvencionális (megállapodás szerinti) értékre vonatkoztatott relatív hiba (hp) • Pontossági osztályba sorolás: H max hp ≥ xk

jelentése: a műszer abszolút hibájának a konvencionális értékhez vonatkoztatott aránya nem haladhatja meg a pontossági osztályra előírt értéket Műszerek tulajdonságai/62

Pontossági osztályok • jelölése: számmal vagy betűvel • szabványos osztályok: 0,1; 0,2; 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 5,0


Pontossági osztályok • konvencionális érték: • a műszer végkitérésben mért értéke (felső méréshatára) • helyes érték (etalon) • alkalmazása: pontossági osztály és a konvencionális érték ismeretében meghatározható, hogy mekkora lehet a műszertől származó abszolút és relatív hiba ⇒ abszolút hibakorlát, relatív hibakorlát Műszerek tulajdonságai/64

Pontossági osztályok • abszolút hibakorlát Hmax = hp⋅xv független a mért értéktől: legyen a pontossági osztály: 1% méréshatár: 0 - 10A abszolút hibakorlát 0.1A (a végkitérésre vonatkoztatva) azaz bármekkora mérésnek maximum ekkora lehet az abszolút hibája Műszerek tulajdonságai/65

Pontossági osztályok • relatív hibakorlát hmax

xv = hp xm

nagysága függ a mért értéktől legyen a pontossági osztály: 1% méréshatár: 0 – 10 A mérendő érték: 1 A ⇒ relatív hibakorlát 10% mérendő érték: 5 A ⇒ relatív hibakorlát 2%


Pontossági osztályok • legkisebb értelmesen mérhető mennyiség: a műszer abszolút hibakorlátjával mérhető érték • ez alatt a relatív hibakorlát 100%-nál is nagyobb lehet


Pontossági osztályok • Mérési tartomány tervezése


Pontossági osztályok • számított mennyiségek hibakorlátja: • ha a a számítás összeadás/kivonás, akkor a közvetlenül mért értékek abszolút hibakorlátja összeadódik • ha a a számítás szorzás/osztás, akkor a közvetlenül mért mennyiségek relatív hibakorlátja összeadódik


Pontossági osztályok • a hibakorlátok megadásának menete: • műszerek pontossági osztálya, a méréshatár és az éppen mérték alapján meghatározzuk a közvetlenül mért értékek abszolút vagy relatív hibakorlátját • a számítás jellege alapján megállapítjuk a számított eredmény abszolút vagy relatív hibakorlátját • a számított mennyiség és a meghatározott hibakorlát alapján meghatározzuk a másik hibakorlátot Műszerek tulajdonságai/70

Pontossági osztályok • példa • ellenállás meghatározása feszültség- és áramerősség-méréssel • feszültségmérő relatív hibakorlátja hUmax = 8% • áramerősség-mérő relatív hibakorlátja hImax = 3% • ellenállásmérés relatív hibakorlátja hRmax = hUmax + hImax = 11% • legyen U = 20V, I = 4A ⇒ R = U/I = 5Ω • ellenállásmérés abszolút hibakorlátja Hmax = hRmax ⋅ R = 0,55 Ω Műszerek tulajdonságai/71

Műszerek jellemzése – Kalibrálás • Kalibrálás • Azon műveletek összessége, amelyekkel meghatározott feltételek mellett megállapítható az összefüggés egy mérőeszköz (-rendszer) értékmutatása, illetve egy mértéknek vagy anyagmintának tulajdonított érték és a mérendő mennyiség etalonnal reprodukált megfelelő értéke között. • elsődlegesen: megfelelő értékmutatás és korrekció meghatározás • másodlagosan: metrológiai jellemzők (pl. környezeti hatás) Műszerek tulajdonságai/72

Műszerek jellemzése – Kalibrálás hitelesítés

kalibrálás

a jog eszközei által szabályozott (hatósági) tevékenység

nem hatósági tevékenység

a mérőeszközöket csak az OMH hitelesítheti

mérőeszközöket bárki kalibrálhat

hitelesíteni a jogszabály által meghatározott mérőeszközöket kell

kalibrálni bármely eszközt lehet, ha a visszavezetettségét igazolni szükséges

a hitelesítésnek jellemzően előfeltétele a mérőeszköztípusra vonatkozó hitelesítési engedély megléte

a kalibrálásnak nincs engedélyezési előfeltétele Műszerek tulajdonságai/73

Műszerek jellemzése – Kalibrálás a (sikeres) hitelesítést tanúsító jel (hitelesítési bélyeg, plomba stb.) és/vagy hitelesítési bizonyítvány tanúsítja

a kalibrálás eredményeként kalibrálási bizonyítvány készül

a hitelesítési bizonyítvány hatósági dokumentum és meghatározott időtartamig érvényes

a kalibrálási bizonyítvány nem hatósági dokumentum és nincs érvénytartama

a hitelesítést jogszabályban előírt időközönként meg kell ismételni

a kalibrálás megújításáról a tulajdonos saját hatáskörében és saját felelősségére dönt Műszerek tulajdonságai/74

Etalonok • Mérték, mérőeszköz, anyagminta vagy mérőrendszer, melynek az a rendeltetése, hogy egy mennyiség egységét, illetve egy vagy több ismert értékét definiálja, megvalósítsa, fenntartsa vagy reprodukálja és referenciaként szolgáljon. • példák: • • • • • •

l kg-os tömegetalon; 100 Ω-os normálellenállás; etalon ampermérő; cézium frekvencia etalon; standard hidrogén elektród; bizonylatolt koncentrációjú, emberi szérumban oldott kortizont tartalmazó anyagminta. Műszerek tulajdonságai/75

Etalonok • nemzetközi etalon - nemzetközi megállapodással elfogadott etalon • országos etalon - nemzeti határozattal elismert etalon • elsődleges etalon - a legjobb metrológiai minőségűnek kijelölt vagy széles körben elismert etalon, amelynek az értéke elfogadható az ugyanannak a mennyiségnek más etalonjaira való hivatkozás nélkül. Az elsődleges etalon fogalma mind az alap-, mind a származtatott mennyiségekre alkalmazható. Műszerek tulajdonságai/76

Etalonok • másodlagos etalon - az értékét elsődleges etalonnal való összehasonlítás révén határozzák meg. • referenciaetalon - adott helyen rendelkezésre álló etalonok közül a legjobb metrológiai minőségű, amelyre ott a méréseket visszavezetik


Mérési hibák - eredet szerint • csoportosítás eredet szerint:

• műszerhibák • mérőeszköz (értékmutatásának) hibája • legnagyobb megengedett hiba • ellenőrzőponti hiba – hiba előírt értékmutatásnál • nullahiba • alaphiba - referenciafeltételek mellett meghatározott hiba • torzítás - mérőeszköz rendszeres hibája • torzításmentesség (mérőeszközé) • ismétlőképesség (mérőeszközé) 78 Műszerek tulajdonságai/

Mérési hibák - eredet szerint • etalonhibák • etalon fenntartása • rendszeres ellenőrzés • megfelelő tárolás • gondos használat

• környezeti hatások • hőmérséklet • páratartalom • légsebesség • rezgés • sugárzás


Mérési hibák - eredet szerint • beépítés hibái • példa


Műszerek tulajdonságai

Recommend Documents