KURZUS: Műszaki diagnosztika

MODUL: Előadások

5. hét: Fizikai mennyiségek mérése villamos mennyiségek mérésével

| A lecke tanulásának a célja: Mérés, méréselmélet alatt napjainkban a különböző tudományterületeken, szakterületeken létrejött olyan tudományos ismeretek összességét lehet érteni, amelyek lényegében a mérési problémák megoldásához szükséges eszköztárat képezik. Ezekkel a mérési módszerekkel, SI mértékegységekkel és mérési eljárásokkal ismerkednek meg a hallgatók a lecke tanulása közben.
Szükségesen elsajátítandó: A lecke kiemelkedő fontosságú része az egyes mérési módok és eljárások, mérés során fellépő hibák megismerése továbbá kezelésük / korrigálásuk.
Lecke elsajátításának időtartama: A lecke elsajátításához kb. 90 perc szükséges.
Fizikai mennyiségek mérésének előzményei
Görög filozófia (Platón, Arisztotelész): megfigyelni, következtetni
Középkor után (Galilei, Newton): megfigyelni, megállapítás és kísérletekkel igazolás
Bernard Orth írta 1974-ben, hogy "A mérés, történetét és metodikáját tekintve a tudomány egyik alappillére. Nem csak a tudományok területén létezik, minden napjainkban szintén.
Mit mérünk legtöbbet? (köznyelv szerint, nem mérnöki precizitással)
Melyik mérés (fizikai mennyiség) a "leggyakoribb"? idő
Második leggyakoribb mért mennyiség? hőmérséklet
Fizikai mennyiségek és mérésük ma (természet vizsgálata, számszerűsítés igénye):
modell(ek) létrehozása: kísérlet mérés mérték- SI mértékrendszer
Mit mérünk? Hogyan mérünk? Miért mérünk?
Mérés, Méréselmélet alatt napjainkban a különböző tudományterületeken, szakterületeken létrejött olyan tudományos ismeretek összességét lehet érteni, amelyek lényegében a mérési problémák megoldásához szükséges eszköztárat képezik. Számunkra legfontosabb: a gépészet és a mechatronika területe.
Mérések főbb csoportosítása:
Nem villamos mennyiségek, (hőmérséklet, nyomás, szint, áramlás, elmozdulás)- eredmény nem tárolható. Villamos mennyiségek, eredendően villamos jelek, (U; I; Pvill.)- átalakítással rögzíthetőek az eredmények.
Mérések főbb csoportosítása
1. ábra
A mérések csoportosítását megtehetjük az 1. ábra szerinti módon is. A színek szerint is megkülönböztetjük a folyamatokat. Zölddel a mérés elve, narancssárgával a villamos mennyiségek, rózsaszínnel a nem villamos mennyiségek mérését jelöltük, míg kékkel a mérés utáni tennivalókat.
Mérő átalakítók:
A 2. ábra által szemléltetett mérési átalakító blokkvázlatára szükségünk van a nem fizikai mennyiségek mérésénél.
Mérő átalakító blokkvázlata
2. ábra
A 3. ábra szemlélteti a különböző típusú mérő-átalakítók fajtáit.
Mérő-átalakítók fajtái
3. ábra
A 4. ábra által szemléltetett rajzon azon mérések blokkvázlatát láthatjuk, amellyel reprodukálható méréseket végezhetünk.
Az 5. ábra egy ipari környezetben jól hasznosítható mérő-átalakító elvi felépítési rajzát mutatja. Ennél a mérésnél biztosítani kell a külső hálózati tápfeszültséget, viszont könnyen feldolgozható, jól tárolható mérési eredményeket kapunk cserébe.
Nyílthurkú mérő-átalakítók blokkvázlata:
Nyílthurkú mérő-átalakítók blokkvázlata
4. ábra
Korszerű ipari mérő-átalakító elvi felépítése:
Korszerű mérő-átalakító elvi felépítése
5. ábra
SI (Systeme International d'Unités) alapegységek és alap mértékegységek:
A 7 alap SI mértékegység listája
6. ábra
A 6. ábra felsorolja az SI mértékegység rendszer alap mértékeit. Ezek közül négy meghatározása (tömeg, anyagmennyiség, hőmérséklet és áram) 2019 májusában változott, most már nem őrzött etalon a mérték, hanem fizikai állandókkal megadott egységek.
Hosszúság: 1 m
1 m: Egyenlítő és az Északi sark között Párizson áthaladó délkör negyedének egy tízmilliomod része (1791)- etalon méterrúd 90% platina, 10% irídium, 10-8 pontosságú
Mi most az 1 m definíciója? Bay Zoltán javaslata után 1983-tól a fény vákuumban 1/299 792 458 s alatt tesz meg 1 m-t (10-16 pontosság) - idő a legpontosabban mérhető mennyiség
Idő: 1 s
1967-ben az atomfizika fejlődése lehetővé tette, hogy a XIII. Súly és Mérésügyi Nemzetközi Konferencia új időetalont fogadjon el, amely a Cs-133 atom legkülső (6s1) elektronja által kisugárzott, rendkívül keskeny vonal frekvenciájának mérésén alapul. 1 másodperc a Cs atom által kisugárzott elektromágneses hullám 9 192 631 770 periódusának rezgésideje. A mérés nagyvákuumban és 10-6 K fokra hűtött atomokon történik. A kifejlesztett berendezésben (cézium kút) a mérés relatív hibája: 10-16. Ez azt jelenti, hogy 300 millió év alatt tévedhet az óra 1 másodpercet. Ez ma a legpontosabban mérhető fizikai mennyiség.
Tömeg: 1 kg
A méteregyezmény a tömeg egységét egy Pt-Ir ötvözetből készült henger segítségével definiálta- őskilogramm néven. Egyetlen olyan alap-mennyiség, amelynek egységét nem természeti állandóhoz rögzítik (rögzítették), hanem egy objektum testesíti meg. S előtagja is van.
Eötvös Loránd 1898-ban torziós ingával végzett mérései nagy relatív pontossággal (5×10-9) igazolták a tömeg és súly "azonosság" elvét.
Ős kilogramm 3 búra alatt őrizve
7. ábra
A 7. ábra az ős kilogrammot mutatja, melynek jelentősége nem sokat változott május óta.
Hőmérséklet: 1 K
A víz hármaspontja termodinamikai hőmérsékletének 1/273.16-szorosa.
Áramerrősség: 1 A
1 A konstans áram folyik két párhuzamos, végtelen hosszú, egymástól 1 m távolságban lévő, elhanyagolható keresztmetszetű vezetőben, ha közöttük vákuumban, méterenként 2x10-7 N erő mérhető.
Anyagmennyiség: 1 mol
Egy rendszer anyagának azon mennyisége, amely ugyanannyi elemi egységet tartalmaz, ahány atom van a 12-es tömegszámú szén 0,012 kg-jában.
Fényerősség: 1 cd
Olyan fényforrás fényerőssége adott irányban, amely 540×1012 Hz frekvenciájú monokromatikus sugárzást bocsát ki, és sugárerőssége ebben az irányban 1/683 W/steradian.
Származtatott fizikai mennyiségek
8. ábra
A 8. ábra mutatja be a 7 alapmennyiségen kívüli származtatott mértékegységeket.
A 9. ábra az SI mértékegységek előtagjait (prefixum) mutatja meg táblázatos formában nagyságát is megadva.
SI egységek előtagjai
9. ábra
Metrológiai definíciók:
Alapmennyiség: egymástól függetlennek tekintett mennyiségek
Származtatott mennyiség: Alapmennyiségek függvényeként definiált mennyiségek
Etalon: Mérték, mérőeszköz, amelynek az a rendeltetése, hogy egy mennyiség egységét, illetve egy, vagy több ismert értékét definiálja, megvalósítsa, fenntartsa, vagy reprodukálja és referenciaként szolgáljon. Az etalonokat a 10. ábra szerint lehet csoportosítani.
Etalonok csoportosítása:
Etalonok csoportosítása
10. ábra
Metrológiai definíciók:
Hitelesítés: Annak elbírálása, hogy a mérőeszköz megfelel-e a vele szemben támasztott mérésügyi előírásoknak.
Kalibrálás: Metrológiai tevékenység. Azon műveletek összessége, amelyekkel meghatározott feltételek mellett megállapítható az összefüggés egy mérőeszköz, vagy egy mérőrendszer értékmutatása, illetve egy mértéknek vagy anyagmintának tulajdonított érték és a mérendő mennyiség etalonnal reprodukált megfelelő értéke között.
Valódi érték: Egy adott konkrét mennyiség definíciójának megfelelő érték, amelyet csak "tökéletes" méréssel lehetne meghatározni.
Helyes érték: Valamely konkrét mennyiségnek tulajdonított, gyakran megegyezés alapján elfogadott olyan érték, amely az adott célnak megfelelő bizonytalanságú. Egy referencia etalon által megvalósított mennyiségnek tulajdonított érték az adott helyen a mennyiség konvencionális helyes értékének tekinthető.
Abszolút hiba: Elméletileg ez a mért és a valódi érték közötti különbség. A gyakorlatban a valódi érték helyére a helyes érték kerül.
Relatív hiba: Elméletben az abszolút hiba osztva a valódi értékkel. Miután azonban az utóbbit nem ismerjük, helyére osztóként a helyes érték kerül.
Redukált hiba: Az abszolút hiba osztva a terjedelemmel, azaz a legnagyobb és legkisebb mért érték közötti különbséggel.
Fontosabb műszertechnikai alapfogalmak:
Osztálypontosság: A mérőeszköz hibája, abszolút hiba osztva a mérőeszköz maximális értékmutatásával (végkitérésének értékével), százalékban kifejezve.
Mérési tartomány: A mérendő mennyiség azon halmaza, amelyre a mérőműszer hibája a megadott határok között marad.
Felbontás: A kijelzőn biztonságosan megjeleníthető értékek közül a legkisebb. A felbontás mindig nagyobb tartományt kell, hogy jelentsen, mint a feloldás, jellemzően a felbontás a feloldás 3-5-szöröse. Ha ez nem teljesül, akkor a kijelzett legkisebb érték "eltűnik" a feloldásból származó bizonytalanságban.
Feloldás, érzékenységi küszöb: A bemenet lassú és egyenletes változtatása mellett az a legnagyobb tartomány, amelyben nem tapasztalható értékelhető műszerválasz (kimenet). A nullpont környezetében ezt a jellemzőt érzékenységi küszöb kifejezéssel jelöljük. A feloldás a teljes mérési tartományban változó lehet, de mindig a legnagyobb értéket kell a felbontás meghatározásához figyelembe venni.
Műszerállandó: Az a tényező, amellyel a műszeren kijelzett értéket szoroznunk kell, hogy a mérendő fizikai mennyiséget megkapjuk.
Érzékenység: A műszer kimenőjele és bemenőjele változásának hányadosa.
Érzéketlenségi sáv: Az a maximális tartomány, amelyben a bemenőjel mindkét irányú változása nem hoz létre kimenőjelet a műszeren.
Stabilitás: A mérőműszer azon tulajdonsága, amely hosszabb időre alkalmassá teszi az eszközt a metrológiai jellemzőinek megőrzésére.
Drift: A mérőműszer metrológiai jellemzőinek lassú időbeli változása. Oka lehet termikus, mechanikai, stb. hatás.
Pontosság: A méréstechnikában ritkábban használt jellemző. Lényegében azt fejezi ki, hogy a mérőeszköz milyen eltéréssel képes a mérendő mennyiség valós értékét megjeleníteni.
Ismétlőképesség: Azonos mérési eljárással (fizikai elv és módszer), azonos mérőeszközökkel, azonos körülmények között, ugyanazon mérőszemély(ek) által elvégzett két mérés közötti eltérés nagysága. Iparvállalatoknál ez a jellemző igen kiemelkedő fontosságú lehet, bizonyos méréseket csak olyan személyre bíznak, akinél az ismétlőképesség egy megadott határon belül marad.
Reprodukálhatóság: Azonos mérési eljárással (fizikai elv és módszer), eltérő mérőeszközökkel és eltérő körülmények mellett, más mérőszemély által elvégzett mérés és az eredeti mérés közötti különbség.
Átviteli függvény: Dinamikus rendszerek, így műszerek és mérőrendszerek modellezésére alkalmas matematikai összefüggés. Definíciója szerint harmonikus kimenő és bemenő jelek Laplace transzformáltjainak hányadosa. Ezt a méréstechnikában Bode-diagramon szokás ábrázolni, amelynek két része van: Az egyik a bemenő és kimenő jel amplitúdó arányát mutatja decibelben (dB), a másik a két jel közötti fáziskülönbséget.
Mérési hibák fajtái:
Hibák eredete szerint: modell, mérési eljárás, kivitelezés vagy számítás hiba
Hibák jellege szerint: durva, rendszeres vagy véletlen hiba - linearitási, hiszterézis, meredekségi vagy nullpont hiba
Hibák formája szerint: megjelenítés szerinti (abszolút, relatív, redukált vagy osztálypontossági hiba) vagy idő és frekvencia tartománybeli hibák (dinamikus, tranziens, állandósult, amplitúdó átviteli, fázisátviteli vagy mintavételezési)
Adatgyűjtő egységek: HBM MX840A
A 11. ábra és 12. ábra megmutatja milyen típusú villamos jeleket tud mérni az adatgyűjtő 8 csatornáján.
MX840 A mérőcsatornáinak lehetséges villamos mennyiségeii
11. ábra
MX840 A mérőcsatornáinak lehetséges villamos mennyiségei
12. ábra
Láb és csatorna csatlakozások:
A 13. ábra a csatornák csatlakozóinak lábkiosztását mutatja. A 15 láb 3 sorban, D-sub csatlakozóban kapott helyet, melynek egyes csatlakozásait mutatja a táblázat. A 14. ábra egy bizonyos típusú mérés lábkiosztását mutatja. A feszültség mérésénél kell a jelölt lábakat csatlakoztatni a mérni kívánt elektromos eszközhöz
MX840 A mérőcsatornáinak lehetséges villamos fajtái és lábkiosztása
13. ábra
Feszültség mérés bekötése:
MX840 A mérőcsatornájának bekötése feszültség mérésekor
14. ábra
Nem villamos mennyiségek mérőeszközei:
Hátrányai:
nagyobb költség képzett kezelő és karbantartó személyzet kell
Előnyei:
minden nem villamos mennyiség villamos jellé alakítható a villamos jelek tág határok között erősíthetők villamos jelek digitalizálhatók megvalósítható a távmérés a villamos jelek legtöbb esetben időkésés nélkül követik a fizikai jel változását az automatikus mérés és regisztrálás megvalósítható időben gyorsan változó jelek is mérhetők, analizálhatók több mérőhely figyelhető meg egyszerre több mennyiség mérhető egy időben a mérőrendszer kimenőjele a szabályzó rendszernek bemenőjeleként, alapjelként közvetlenül felhasználható
Milyen jelet mérhetünk?
A 15. ábra mutatja azokat a nem villamos fizikai mennyiségeket, melyet megfelelő érzékelőkkel mérni tudjuk a HBM adatgyűjtővel.
MX840 A adatgyűjtővel mérhető nem villamos mennyiségek listája
15. ábra
Ellenállás változáson alapuló átalakítók:
Csúszóérintkezős, pl.: potenciométer Huzalos, pl.: nyúlásmérő bélyeg Hőmérséklet érzékelő ellenállások, pl.: Pt 100
Kapacitás változáson alapuló átalakítók:
Síkkondenzátorokat alkalmazó átalakítók, pl.: folpack fólia vastagság mérése Hengerkondenzátorokat alkalmazó átalakítók, pl.: tartályszintek mérése
Induktivitás változásán alapuló átalakítók:
Nyitott mágneskörű átalakítók, pl.: vasúti kerekek áthaladásának érzékelése Zárt mágneskörű átalakítók, pl.: MMG villamos nyomástávadó Magnetoelasztikus átalakítók, a magnetostrikció inverzeként működnek
Félvezető alapú átalakítók:
Termisztorok Szilícium ellenállás hőmérők Fényérzékelő ellenállások
Ellenállás alapú csúszóérintkezős átalakítók:
A csúszóérintkezős ellenállás osztók összefüggését mutatja a 16. ábra. Míg a 17. ábra a feszültségarány levezetését vezeti le.
Ellenállás alapú csúszóérintkezők
16. ábra
Csúszóérintkezős terhelt átalakító:
Csúszóérintkezős átalakító
17. ábra
Nyúlásmérő bélyegek (tenzoellenállások):
A 18. ábra a nyúlásmérő bélyegekről ad összegzést. Míg a huzalos nyúlásmérőket mutatja be a 19. ábra. A 20. ábra a nyúlásmérő bélyegek fizikai összefüggéseit ismerteti. A 21. ábrán látható lineáris (huzalos ellenállásból) és nem lineáris (félvezetőkből készített) karakterisztikájú bélyeg is.
Nyúlásmérő bélyegek
18. ábra
Huzalos nyúlásmérő bélyeg:
Huzalos nyúlásmérő bélyeg
19. ábra
A huzalos nyúlásmérő fizikája:
Nyúlásmérő bélyeg fizikai összefüggései
20. ábra
A nyúlásmérő bélyegek karakterisztikái:
Nyúlásmérő bélyegek karakterisztikái
21. ábra
Ellenállás hőmérők vázlatos felépítése:
Ellenállás-hőmérő látható a 22. ábrán. Általában platinából készítik, névlegesen 50 vagy 100 ohm nagyságrendben. Fényérzékelésre alkalmas félvezető összeállítást mutat a 23. ábra. A következő 24. ábra, a fényérzékelésre alkalmas ellenállás karakterisztikáit mutatja meg.
Platina ellenállás hőmérő
22. ábra
Fényérzékelő ellenállás:
Fényérzékelő ellenállás
23. ábra
A fényérzékelő ellenállás karakterisztikái:
Fényérzékelő ellenállás karakterisztikái
24. ábra
Induktív jelátalakítók:
Induktív jelátalakítók elvi vázlatát mutatja a 25. ábra. A 26. ábra vasmagját mozdítva az induktivitás értéke változni fog. Ennek a változását mutatja a 27. ábra az elmozdulás függvényében.
Induktív jelátalakítók
25. ábra
Egytekercses nyitott mágneskörű átalakító:
Egytekercses átalakító
26. ábra
Az egytekercses nyitott mágneskörű átalakító jelleggörbéje:
Egytekercses átalakító jelleggörbéje
27. ábra
Hall-elemes átalakító:
Hall-elemes átalakító
28. ábra
Hall érzékelők működési elve:
Hall érzékelők elrendezését, kialakítását mutatja a 28. ábra. Míg az összefüggéseket, paramétereket a 29. ábra írja le.
Hall-elemes átalakító összefüggései
29. ábra

| Önellenőrző érdések
1. Melyik fizikai mennyiséget mérjük a legtöbbször?
| hőmérséklet
| tömeg
| idő
| hosszúság
2. Melyik mennyiséget mérjük ritkábban?
| idő
| hőmérséklet
3. A Hall feszültség hogyan függ a lapka vastagságától?
| nem függ tőle
| fordított arányosságban
4. Mi az abszolút hiba?
| Egy adott konkrét mennyiség definíciójának megfelelő érték, amelyet csak "tökéletes" méréssel lehetne meghatározni a műszer pontosságának abszolút értéke
| a mért és a valódi érték közötti különbség.
5. Melyik SI alapmennyiség definícióját változtatták meg 2019 májusában?
| áram
| fényerősség
| idő
6. Mit jelent a peta (P) előtag?
| billiárd
| milliárd
| millió
| csilliárd
7. Melyik előtag kisebb egynél?
| zetta
| atto
| peta
| yotta
| egyik sem
8. Melyik nem villamos mennyiség?
| indukció
| villamos teljesítmény
| nyomás
| áram
| feszültség
9. Melyik lábára kell az MX840A adatgyűjtő 15 pólusú csatlakozóját kötni, ha feszültséget szeretnénk mérni?
| 1-2
| 9-14
| 4-9
| 9-10
| 1-15
10. Hány csatornán tudunk adatokat rögzíteni egy HBM MX840A adatgyűjtő esetében?
| 8
| 4
| 2
| 10
| egyik előző válasz sem
11. Egy nyúlásmérő bélyeg gauge faktora mekkora érték általában?
| 2-3
| 100-1000
| 1-nél kisebb
| 5-10