Műszerek tulajdonságai

Átírás

1 Műszerek tulajdonságai 1

2 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

3 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

4 Hőmérséklet figyelembevétele T tárolási tartomány kiterjesztett üzeltetési tartomány normál üzemeltetési tartomány kalibrációs hőmérséklet Műszerek tulajdonságai/4

5 Por- és vízártalom jellemzése az IP számmal: IP - XY ahol X kezelő védettsége 0-6 Y műszer védettsége 0-8 Műszerek tulajdonságai/5

6 Robbanásveszély besorolási szempontok mennyi ideig van jelen robbanásveszélyes anyag robbanásveszélyes anyag felületi hőmérséklet Műszerek tulajdonságai/6

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

8 Robbanásveszélyes anyagok EU USA Tipikus gáz minimális gyújtási energia (mikroj) II C A acetilén 20 II C B hidrogén 20 II B C etilén 60 II A D propán 180 Műszerek tulajdonságai/8

9 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

10 Robbanásveszély Felületi hőmérséklet szerinti osztályozás osztály T1 T2 T3 T4 T5 T6 max. T 450 o C 300 o C 200 o C 135 o C 100 o C 85 o C Műszerek tulajdonságai/10

11 Gyújtószikramentes eszközök jelölésük: ahol [E Ex ia] IIC T4 [ ] a készülék robbanásveszélyes téren kívül van, de csatlakozik egy azon belülihez E a CENELEC szabványnak megfelel Ex gyújtószikramentes Műszerek tulajdonságai/11

12 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

13 Műszerek tulajdonságai/13

14 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... Műszerek tulajdonságai/14

15 CE-jel A CE jelölés önmagában a mérőeszköz hitelességét nem tanúsítja! Műszerek tulajdonságai/15

16 CE-jel Műszerek tulajdonságai/16

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

18 Műszerek jellemzése dinamikus tartomány ahol x max a megadott tartományban kapható maximális jel x k dinamikus tartomány = legkisebb értékelhető jel x max x k Műszerek tulajdonságai/18

19 Műszerek jellemzése névleges tartomány megadása: x min, x max átfogás megadása: x max - x min Műszerek tulajdonságai/19

20 Műszerek jellemzése a legkisebb értékelhető jel xk = x N + 3s N ahol _ x N a zaj középértéke nulla bemenetnél s N a zaj szórása Műszerek tulajdonságai/20

21 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

22 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 tulajdonságai/22

23 Műszerek jellemzése válaszidő (t v ) az az idő, amely alatt a kimenő jel a bemenő x 0 ugrásjel 99%-t eléri. Általában ahol x(t) a műszer által mutatott érték x 0 a mért paraméter valódi értéke így t v =4,6τ x( t) x 0 1 e = τ t Műszerek tulajdonságai/23

24 Műszerek jellemzése fontossága mérés idejének meghatározása csatolt egységek illesztése időben változó jel követése Műszerek tulajdonságai/24

25 Műszerek jellemzése példa a válaszidőre Műszerek tulajdonságai/25

26 Műszerek jellemzése jelátvitel sávszélessége f az a f frekvenciatartomány, amelynek átvitelére a műszer alkalmas egyenáramú és lassan változó jel esetén f = f 0 max = 1 2πτ effektív sávszélesség f eff = 1 4τ Műszerek tulajdonságai/26

27 Műszerek jellemzése nagy időállandó kicsi sávszélesség nagyfrekvenciás zajok kiszűrése kisfrekvenciás zajok hatásának növelése véges sávszélesség és válaszidő miatt a kimenő jel a bemenő jel t átl idejű átlaga. Az ekvivalens átlagolási idő: t átl = 1 2 f eff = 2τ Műszerek tulajdonságai/27

28 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

29 Műszerek jellemzése visszahatásmentesség A mérőeszköznek az a tulajdonsága, hogy nem befolyásolja a mérendő mennyiség értékét. mérleg; ellenálláshőmérő. Műszerek tulajdonságai/29

30 Mérési hibák Műszerek tulajdonságai/30

31 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 Műszerek tulajdonságai/31

32 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

33 Hibafüggvények Hibafüggvények abszolút hiba H i H i = x m i x 0 azaz a mért érték és a pontos érték különbsége relatív hiba h i h i = (H i / x 0 ) 100 azaz az abszolút hiba és a pontos érték százalékos aránya Műszerek tulajdonságai/33

34 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 Műszerek tulajdonságai/34

35 Hibafüggvények Példa digitális kijelzőjű hőérzékelő tartomány: o C pontosság: ±0.1% ±2digit mérendő hőmérséklet: 350 o C mérés relatív hibája: o 2 C h i = 0. 1% % = o 350 C 0. 67% Műszerek tulajdonságai/35

36 Hibafüggvények gond: a helyes értéket általában nem ismerjük ezért helyette a mért értékhez viszonyítjuk a műszerkönyvben megadott abszolút hibát Műszerek tulajdonságai/36

37 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

38 Hibaforrások adatfeldolgozás problémái programhibák adatbeviteli, -tárolási hibák hardware hibák konverziós hibák Műszerek tulajdonságai/38

39 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

40 Irányított mérőrendszer ha teljesíthetőek ezek a feltételek, akkor a mérési eredmények azonos (normális) eloszlásúak lesznek a szórás kicsi torzítatlanság ha nem nagyobb szórás torzítottság Műszerek tulajdonságai/40

41 Hibatípusok Hibatípusok osztályzása dinamikus hiba statikus hiba véletlenszerű hiba véletlen hiba kiugró hiba nagyságrendi eltérés rendszeres (módszeres) hiba Műszerek tulajdonságai/41

42 Dinamikus hiba Dinamikus hiba a mérés a műszer tranziens állapotában történik Műszerek tulajdonságai/42

43 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

44 Véletlen hibák irányított mérés mellett is előfordul hiba forrása alapvetően a zaj normális eloszlású, nulla várható értékkel és adott szórással jellemzés a szórása alapján Műszerek tulajdonságai/44

45 Véletlen hibák elméleti szórás ahol σ = ( m µ ) µ a keresett paraméter ideális értéke n a mérések száma, de n n i= 1 i n azaz az elméleti szórás meghatározásához elvileg ismerni kellene a meghatározandó értéket és igen nagy számú mérést kellene végeznünk ez csak speciális esetben lehetséges 2 Műszerek tulajdonságai/45

46 Műszerek tulajdonságai/46 Véletlen hibák tapasztalati szórás ahol m i a mérések átlaga n a mérések száma, de n véges érték a becslés egyszerűsített képlete: ( ) = = = = n i i n i i m n m ; n m m s = = = n m s n i n m i n i i

47 Véletlen hibák relatív szórás (százalékos relatív szórás) s rel = m s 100 középérték szórása s s m = n középérték relatív szórása s mrel = m s n 100 Műszerek tulajdonságai/47

48 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 Műszerek tulajdonságai/48

49 Kiugró hibák az irányított mérés feltételei nem teljesülnek a hiba várható értéke nem feltétlenül nulla meghatározás hihetőség vizsgálattal értéke ± 3 6 σ Műszerek tulajdonságai/49

50 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 Műszerek tulajdonságai/50

51 Rendszeres hibák módszeres hiba, systematic error hatása: a mérési eredmények várható értéke (átlaga) nem egyezik meg a valódi eredménnyel: = xm µ 0 0 ahol a mérési eredmények átlaga xm µ 0 a mért változó valódi értéke Műszerek tulajdonságai/51

52 Rendszeres hibák helyes mérés: nincs vagy csak minimális a rendszeres hiba pontos mérés: csak véletlen hiba van ésaz is csak elfogadható mértékű lövészet példa Műszerek tulajdonságai/52

53 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

54 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 Műszerek tulajdonságai/54

55 Rendszeres hibák például 1%-os tapasztalati szórás mellett 99%- os valószínűséggel kell meghatározni a középérték eltérését a valódi értéktől: n = 2 n = 3 n = 4 t s n = 63, 7 9, 80 5, = 45, 04 = 5, 72 = 2, 9 Műszerek tulajdonságai/55

56 Rendszeres hibák rendszeres hiba kimutatása a mérést etalon segítségével végezzük el a mérési eredményeket a valódi érték függvényében ábrázoljuk ha nincs rendszeres hiba, akkor 45 o os meredekségű egyenest kell kapni, mely az origóban metszi a tengelyeket (a véletlen hibák miatt lineáris regresszióval illeszteni kell a pontokra az egyenest) Műszerek tulajdonságai/56

57 Rendszeres hibák ha meredekség eltér a 45 o -tól vagy a tengelymetszet nem az origóban van rendszeres hiba legyen az m i mért érték és a µ i0 valódi érték közötti összefüggés: ahol m i = α + β µ i0 + ε α a rendszeres hiba állandó része β - 1 a rendszeres hiba arányos része ε véletlen hiba Műszerek tulajdonságai/57

58 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 Műszerek tulajdonságai/58

59 Mérési hibák Példák x a helyes mérőgörbe a műszer mérőgörbéje x e ±2s m e m 0 m Műszerek tulajdonságai/59

60 Mérési hibák Példák Műszerek tulajdonságai/60

61 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

62 Pontossági osztályok Pontossági minősítések: x k konvencionális (megállapodás szerinti) értékre vonatkoztatott relatív hiba (h p ) Pontossági osztályba sorolás: h p H x max k jelentése: a műszer abszolút hibájának a konvencionális értékhez vonatkoztatott aránya nem haladhatja meg a pontossági osztályra előírt értéket Műszerek tulajdonságai/62

63 Pontossági osztályok jelölése: számmal vagy betűvel szabványos osztályok: 0,1; 0,2; 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 5,0 Műszerek tulajdonságai/63

64 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

65 Pontossági osztályok abszolút hibakorlát H max = h p x v 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

66 Pontossági osztályok relatív hibakorlát h = max h p x x v m 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% Műszerek tulajdonságai/66

67 Pontossági osztályok legkisebb értelmesen mérhető mennyiség: a műszer abszolút hibakorlátjával mérhető érték ez alatt a relatív hibakorlát 100%-nál is nagyobb lehet Műszerek tulajdonságai/67

68 Pontossági osztályok Mérési tartomány tervezése Műszerek tulajdonságai/68

69 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 Műszerek tulajdonságai/69

70 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

71 Pontossági osztályok példa ellenállás meghatározása feszültség- és áramerősség-méréssel feszültségmérő relatív hibakorlátja h Umax = 8% áramerősség-mérő relatív hibakorlátja h Imax = 3% ellenállásmérés relatív hibakorlátja h Rmax = h Umax + h Imax = 11% legyen U = 20V, I = 4A R = U/I = 5Ω ellenállásmérés abszolút hibakorlátja H max = h Rmax R = 0,55 Ω Műszerek tulajdonságai/71

72 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

73 Műszerek jellemzése Kalibrálás hitelesítés a jog eszközei által szabályozott (hatósági) tevékenység a mérőeszközöket csak az OMH hitelesítheti hitelesíteni a jogszabály által meghatározott mérőeszközöket kell a hitelesítésnek jellemzően előfeltétele a mérőeszköztípusra vonatkozó hitelesítési engedély megléte kalibrálás nem hatósági tevékenység mérőeszközöket bárki kalibrálhat kalibrálni bármely eszközt lehet, ha a visszavezetettségét igazolni szükséges a kalibrálásnak nincs engedélyezési előfeltétele Műszerek tulajdonságai/73

74 Műszerek jellemzése Kalibrálás a (sikeres) hitelesítést tanúsító jel (hitelesítési bélyeg, plomba stb.) és/vagy hitelesítési bizonyítvány tanúsítja a hitelesítési bizonyítvány hatósági dokumentum és meghatározott időtartamig érvényes a hitelesítést jogszabályban előírt időközönként meg kell ismételni a kalibrálás eredményeként kalibrálási bizonyítvány készül a kalibrálási bizonyítvány nem hatósági dokumentum és nincs érvénytartama a kalibrálás megújításáról a tulajdonos saját hatáskörében és saját felelősségére dönt Műszerek tulajdonságai/74

75 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

76 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

77 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 Műszerek tulajdonságai/77

78 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) Műszerek tulajdonságai/78

79 Mérési hibák - eredet szerint etalonhibák etalon fenntartása rendszeres ellenőrzés megfelelő tárolás gondos használat környezeti hatások hőmérséklet páratartalom légsebesség rezgés sugárzás Műszerek tulajdonságai/79

80 Mérési hibák - eredet szerint beépítés hibái példa Műszerek tulajdonságai/80