2. mÕÕtevahendid - taltechisc.ttu.ee/materials/martin/mht0110/m_12_l5.pdf · 2012. 3. 29. ·...

ISS0050 Mõõtmine. Loengumärkmed L5.1

2. MÕÕTEVAHENDID instruments

mõõtmine viiakse läbi mõõtevahenditega,

nende täpsus (viga) on normitud

2.1 Mõõtevahendite üldiseloomustus

--Liigid. Mõõtevahenditeks on:

1) Mõõt standard

kindla füüsikalise suuruse esemeline realisatsioon

(1 kg, 10 , joonlaud, ...)

nimiväärtus, kirjeväärtus,

nominaalväärtus + viga

üheväärtuseline, mitmeväärtuseline, komplekt, ...

2) Mõõteriist instrument

väljastab mõõtetulemuse inimesele vastuvõetavas

kujus

3) Mõõtemuundur tranducer

muundab sisendsuuruse kujusse, mis on sobiv

edasiseks kasutamiseks

y=F(x) -muunduskartakteristik

esmane mõõtemuundur,

mastaabimuundur, ADM

x y


4) Mõõtesüsteemid

omavahel ühendatud mõõtevahendid

automaatne töö ja tulemuste esitamine

Virtuaalsed mõõteseadmed

personaalarvuti (graafiline liides)+programmid (tarkvara)

riistvara moodulid (seadmed)

Mõõteseade koosneb osadest: riistvara + tarkvara

-mõnel on sees mitu protsessorit ja operatsioonisüsteem

-üldotstarbelised (arvuti kui seade projekteeritakse nii

et koodid jookseksid kiiresti) või spetsialiseeritud

protsessorid

Mõõtmisprotseduur

seadme konfigureerimine, häälestus, ühendus

mõõtmine

andmetöötlus

tulemuse näitamine, väljastamine, salvestamine,

kasutamine (juhtimine, otsustamine)

PC

MV1 MV1 MV1

OBJEKT


--vaade mõõtevahenditele

--Ettevõtte seisukohalt -on vajalik investeering

ostmine, ekspluatatsioon (korrasolek ja õige kasutus)

--Tootja seisukohalt: -on kaup (tootmine + müük)

reklaam, info, näitused, kataloogid

ASS “after sale service”

--Kasutaja seisukohalt -on tööks vajalik seade

arusaamine -kuidas töötab, mida mõõdab

kasutamine -terminoloogia

millises reziimis töötab?

mida tähendab “ERROR nr. ...” ?

õppimine lihtne -põhivõimalused

-lisavõimalused

kasutamisjuhend manual –selge ja vigadeta

-näited, seletused, kordamised

-kättesaadav ja alles!

Kasutusel Kalibreerimine Remondis


Mõõtevahendil on sisend – ja väljundsignaalid

SISEND VÄLJUND

ühendatakse

juhtmed, kaablid, torud

füüsiline signaal sisaldab

palju suurusi:

-rõhk, temperatuur,

-pinge, sagedus

on energeetiline

pinge U, vool I,

tarbib P

andmed data

esitus kokkuleppel

(bin, bcd, järjestik.)

ei ole teadmised

(organiseeritud info)

Põhiprobleemiks on väljundi (mõõtetulemuse) vahekord

sisendiga (mõõdetava suuruse tõelise väärtusega)

seadmete toide: 220 VAC, 24 VDC, patarei;

töötingimused,

Mõõteseade mõõtesuurus mõõtetulemus


SISEND (mida mõõdab?)

Füüsikalise suuruse liik

U, I, t , P, p, ....

“...meeter” –voltmeeter, termomeeter, ...

mõõteulatus range (üks või mitu mõõtepiirkonda)

mõõtepiirkond span

0...Xp 30 V, 5 A, 125 mm, ...

-X ... 0 ... +X 100 A, 50 C, ...

--üks fikseeritud mõõtepiirkond (väärtus?)

eelisarvud tehnikas

1- --- -10

1- -3- -10

1- -2- -5- -10

20% 1- 1,5 2,2 3,3 4,7 6,8 -10

--mitu mõõtepiirkonda: 0.1, 1, 10, 100 10x

0.2, 2, 20, 200 10x

1, 3, 10, 30, 100, 3x

piirkonna valik: käsitsi / automaatne АВП

millisel piirkonnal mõõdab?

--muudetav mõõtepiirkond (ZERO, SPAN)

ülekoormus /overload/перегрузка/

mõõtevahend võib rikneda. palju kannatab?

2x, 10x, 1000x, ... indikatsioon ?

sisendi mõju mõõdetavale suurusele

sisendtakistus Rin, -mahtuvus Cin,

sisendsignaalide ühendus: juhtmed, kaablid, toru, ...


VÄLJUND mõõtesuuruse arvväärtus ja ühik

mõõtevahend väljastab näidu, signaali või andmed

(1) näit (kümnendarv, inimesele)

student laboris loeb näidud

mõõtevahendi väljundis on -osutmõõteriist, või

-numbernäiduga mõõteriist

osutmõõteriist osuti + skaala(d) + jaotosed

a) ühe mõõtepiirkonnaga: –otselugemine

b) mitme mõõtepiirkonnaga: -mitu erinevat skaalat


c) mitme mõõtepiirkonnaga: -üks skaala “jaotused”

- skaala jaotuste arv: 100, 150 (mitte 151 või 155 !)

- on teada mõõtepiirkond

skaalaltlugemarvjaotusteskaala

ondmõõtepiirkusmõõtetulem

näide Osutmõõteriistaga M1107 mõõdeti signaali

mõõtepiirkonnal 30 mA, lugem skaalal oli 56,5 jaotust.

Arvuta mõõtetulemus.

(-mitu jaotust on skaalal?)

NB! -jälgi millisel mõõtepiirkonnal mõõdad!

-lugemise täpsus skaalalt: vähemalt 0,5 jaotust

- näidu “null” mehaaniline korrektsioon

-osutmõõteriist on ülekoormustundlik


numbernäiduga mõõteriist

ekraanil e. displeil on:

märk (±), numbrid, kümnendpunkt, ühik

numbrikohtade arv (n= 3, 5, 6, ...)

täpsemal seadmel on numbrikohti

rohkem

numbreid võib esitada mitmeti:

n -kohaline kümnendarv

0 0 0...0 n-kümnendjärku arvudega: 0, 1, ..., 9

9 9 9...9 maks. näit, ebamugav /piirkonna muutus

n+1 -kohaline kümnendarv e. n+1/2 järku arv

0 0 0 ...0

1 9 9 ...9 maks. näit: 2, 20, 200, ...

teised võimalused:

0 0 0 ...0

2 9 9 ...9 maks. näit: 3, 30, 300, ...

0 0 0 ...0

1 1 9 ...9 maks. näit: 1.2, 12, 120, ...

mõõtepiirkonnad on muudetavad

piirkonna valik: käsitsi (, ) / automaatne

ülekoormuse indikatsioon (suurus piirkonnast väljas!)


NB! Student! kui mõõdad siis

-Kirjuta (salvesta) näit sellisena nagu mõõteriist

näitab, loe märk, kõik numbrid ja ühik.

-Ära teisenda peast ümber teistesse ühikutesse.

-Vajadusel töötle mõõtetulemust hiljem.

tulemuse esitamine kümnendarvuna X esindab arvusid

X±½ nooremat järku

mõõteriista tegelik viga on suurem kui ±½ nooremat järku,

seda kirjeldatakse maks. veana (piirveana) mõõteriista

andmetes

(2) signaal või andmed

tööstuses on mõõtevahendid osa suuremast süsteemist

salvestatud andmeid kasutatakse kontrolliks,

juhtimiseks, ...

mõõtemuunduritel on väljundsignaal

-elektriline analoogsignaal (0-10 V, 4-20 mA)

-16 bitine kahendarv (0000 - FFFF)

-andmed: tekstina „-4.183 mV“ (liidesed ja protokollid)

DB

mõõteandmed edastatakse ja

salvestatakse andmebaasi

PC

MVn MV1


sisendi x ja väljundi y seost kirjeldab muunduskarakteristik

y=F(x) mis võib olla mitme kujuga:

Paljudel tööstuses kasutatavatel mõõtemuunduritel on

mõõtepiirkond muudetav

näited:

temperatuur +50°C...+300°C vooluks 4...20 mA

rõhk -100 Pa...+2000 Pa arvuks 0...4095

Upper Range Limit SPAN

Out y

ZERO

x

ymax

Lower Range Limit

0

x

y

x

y

lineaarne

y=K x y=F(x)

mittelineaarne

x

y

x

y mitteühene

x

y1

y2 koodväljund

0


2.2 Mõõtevahendite sisemine struktuur millest koosneb, kuidas töötab ?

--komponendid

--komponentide kirjeldus:

y=Kx+yo

y=K(x+xo)

nihe

_________________

y=(K K)x

võimendusteguri

muutus

2 struktuuri: otsemuundamine, tasakaalustamine

(a) Otsemuundamisega skeemid

mõõt

muundi summa/vahe näit

0000

x

y

yo

x

y xo

x

y

K K

x y

K=K1 K2 K3 K1 K2 K3


NÄITED. Vahelduvpinge voltmeetrid

muundab alalissignaaliks, mõõdab alalispinget

(1) alaldav e. mooduli keskväärtuse voltmeeter

milline peab olema võimendus K et väljundis oleks sin.

signaali efektiivväärtus (Um/√2)?

(2) efektiivväärtuse voltmeeter

2/UmUa

alalissignaal millel

on sama

võimsus kui

sisendsignaalil

keskmine võimsus

= K

Alaldi Filter Võimendi

us Ua

Um t

Um sin( t)

2Um/

t

Um sin( t)

2 Um/

x2 x

1/2

Um sin( t)

[Um sin( t)]2

dt)t(sinUT

T

m2

0

21


(b) Mõõteskeemid tasakaalustamisega

e.tagasiside kasutamine

Xv teisendatakse tagasi Xs –ga sarnasesse kujusse ja neid

võrreldakse

(Xs - Xv) K = Xv

XsKoXsK

KXv

1

K>> puhul Ko 1/ , tundetu K muutustele.

viletsatest elementidest korralik seade

NÄIDE. Automaatkaal

võib kasutada

ebatäpseid

komponente

K

päriahel

tagasiside

ahel

+

-

Xv Xs

Fe

mg 0000 võim.


2.3 Mõõtevahendite täpsuskarakteristikud

Vaatab mõõtetulemuset (näitu) Xm kui juhuslikku suurust ja

kirjeldab mõõtesuuruse (tõelise suuruse) Xt väärtuse

usaldusvahemikku (tõenäosusega P=1)

--normeeritakse absoluutne piirviga a ≥ max , =Xm- Xt

a: 1 mm, 1 C

mõõtetulemus Xm ± piirviga a

Xm-a Xt X+a

--normeeritakse suhteline piirviga c ≥ max , = / Xt

c: 0,5 %, 0,001, 10-6

elektri ja veearvestid

mõõtetulemus Xm(1 ± piirviga c)

Xm(1-c) Xt X(1+c)

Kui lisainfo selle mõõtmise kohta puudub siis selle üksiku

mõõtmise piirviga esitab mõõtemääramatust

laiendmääramatusena

Xm(1+c) Xm(1-c)

Xm X

Xt

Xm+a Xm-a

Xm X

Xt


Mõõteriista kasutamisel on oluline teada, et mõõteriista viga

on piirides a. Mõõteriista kontrollil peame veenduma, et

mõõteriista viga on piirides a.

( NB! Mõõteriistal ei ole mõõtemääramatust, mis on

mõõtetulemuse omadus!)

Piirviga a(X, Xp, t, T, ...) sõltub sellest:

-mis väärtusega suurust X mõõdetakse,

-millisel piirkonnal Xp mõõdetakse,

-kaua aega t on möödas viimasest kalibreerimisest,

-millised on mõõtmistingimused (temperatuur T, ...)

Piirvea a sõltuvust mõõdetavast suurusest X võib kirjeldada

kui: (1)mittesõltuvat, (2)proportsionaalset, (3)lineaarset


(1) Piirviga a ei sõltu mõõdetavast suurusest X

(konkreetsel mõõtepiirkonnal Xp)

0 Xp -a

Xm

Xt

Xm

=Xm-Xt +a

Xm=Xt a

max <=a

= /Xt

0

dün.diap.

Xm

min. mõõdetav suurus,

viga =100%


Konstantne piirviga osutmõõteriistal esitatakse

(i) arvuna skaalal: 0,1 C, 100 kPa,

(ii) täpsusklassina

/e. taandatud viga: % mõõtepiirkonna Xp suhtes/

Täpsusklass on sama mõõteriista kõikidel mõõtepiirkondadel

arvuta. Voltmeetri, täpsusklassiga 0,5 piirviga mõõte-

piirkondadel 150 V, 300 V, 450 V, 600 V

Kui võimalik, mõõda suurust tundlikumal mõõtepiirkonnal,

sest väiksemal piirkonnal on viga väiksem.

alati kontrolli enne mõõtmist, kas

-mõõteriist sobib selle suuruse mõõtmiseks (alalis/vahelduv)

-piirkond on sobiv

-mõõteriista asend on õige (horisontaalne/vertikaalne)

-on vaja korrigeerida mehhaanilist nulli

arvuta. Osutmõõteriistaga M1107 mõõdeti signaali

mõõtepiirkonnal 30 mA, lugem skaalal oli 56,5 jaotust.

Arvuta mõõtetulemus ja mõõtmise piirviga.

% Xp 0,1

0,2

0,5

1,0

1,5

0 Xp

osutmõõteriist


TEST. Osutmõõteriist

Arvuta mõõteväärtus ja mõõtmise piirviga

Esita piirviga kahe olulise numbrikohaga ning

väärtus ja piirviga võrdse täpsusega


(2) Piirviga on proportsionaalne mõõdetava suurusega X

(suhteline viga on konstantne)

ei ole otstarbekas, raske ehitada

Xp

-c

Xt

Xm -näit

Xt

=Xm-Xt

+c

Xm=Xt a

max =c

= /Xt

Xt

0

=c Xt

0

raske saavutada !


(3) Kahekomponendiline piirviga Eesmärgiks on vea võimalikult täpne määramine

max = a Xm + b Xp a, b, ...-ühikuta arvud (...%)

Xm -mõõtesuurus (Xm moodul alalissignaali korral)

Xp -mõõtepiirkond

Erinevad mõõteriistade tootjad esitavad vea erinevalt:

USA accuracy

Venemaa

c –taandatud viga piirkonna lõpus (Xm = Xp)

d –taandatud viga piirkonna alguses (Xm = 0)

относительная погрешность %

see on sama mis = (c-d) Xm + d Xp %

oluline häiringu (temperatuuri T) mõju kirjeldab lisaviga

= [ a% Xm + b% Xp +( c% Xm + d% Xp)∙ΔT]

ΔT -temperatuur väljaspool normaaltingimusi (18±5)°C

= (% of reading + % of range)

= /Xm = c + d(Xp/Xm –1) %

0 Xp

Xm

max =a Xm+b Xp


Mõõtevea sõltuvus ajast (dünaamika)

Kuidas mõõteriista viga aja jooksul muutub?

Millal väljub lubatud piiridest ±max ?

Vea muutus ajas võib olla:

asümptootiline üleminek uuele väärtusele

lineaarne kasv

eksponentsiaalne kasv

hüppeline muutus (kukkus maha!)

juhuslik funktsioon

tööreziimi saavutamine pärast sisselülitamist

Vea muutuse põhjusteks on:

-komponentide defektid

-sulamite rekristallisatsioon

-välised mõjurid (temperat., niiskus, vibriatsioon, ...)

+max

aeg

-max


Mõõtevea muutumise tõttu on vaja:

1) kirjeldada ja arvestada vea muutumist ajas,

kirjeldada piirviga ajaintervallidena

kirjeldada triivina: ±0,015 % aastas

2) määrata ajaintervall, mille möödudes on vaja mõõteriista

kontrollida (kalibreerida)

- täpsetel mõõtevahenditel: 1 aasta

arvuta

Firma Agilent multimeetriga tüüp 34410A mõõdeti alalispinget. Näit piirkonnal 10 V oli -3,27585 V. Viimasest taatlusest oli möödas 10 kuud. Arvuta mõõtmise piirviga.

http://www.agilent.com

Firma Agilent multimeetriga tüüp 34410A mõõdeti vahelduvpinget sagedusega 4 kHz. Näit piirkonnal 750 V oli 451,624 V. Viimasest taatlusest oli möödas 7 kuud. Arvuta mõõtmise piirviga.

aeg

3

2 1

24 h 90 päeva 1 aasta

http://www.agilent.com/


TEST. Multimeeter. Alalispinge

Arvuta piirviga, esita see kahekohalise täpsusega

Esita näit piirveaga võrdse täpsusega.

TEST. Multimeeter. Vahelduvpinge

Arvuta piirviga, esita see kahekohalise täpsusega

Esita näit piirveaga võrdse täpsusega.


Mõõtetäpsuse tagamise teed:

1. Vea tekke vältimine

kvaliteetsed elemendid, sissetöötamine,

2. Väliste mõjude vähendamine

termostateerimine, ekraneerimine, filtreerimine,

stabiliseerimine, ...

3. Reguleerimine (korrektsioonid)

Seade sisendiga X, väljundiga Y, nimikarakteristikuga Y=k∙X

(-------), seadme karakteristik on muutunud (―――――)

nihe: Y(X=0) ≠ 0

võimendus: k ≠ Y/X

1) karakteristiku muutuse avastamiseks testitakse seadet

kahe täpse signaaliga X1, X2, mõõdetakse Y1, Y2

2) arvutatakse muutunud (lineaarne) karakteristik Y=aX+b

3) arvutatakse korrektsiooni avaldis Z(Y)=cY+d mis tagab et

seadme töötamisel väljundsignaal on Z=kX

z y Seade Korrektsioon x

x1 x2

y1

y2

y(x)

x

2. mÕÕtevahendid - taltechisc.ttu.ee/materials/martin/mht0110/m_12_l5.pdf · 2012. 3. 29. ·...

Documents