OPŠTE O PROCESU MERENJA
Funkcionalna šema procesa merenja
Osnovni parametri i karakteristike
električnih signala
Vrste i karakteristike izvora električnih
signala
Metrološke karakteristike procesa
merenja
1
Funkcionalna šema procesa merenja
OBJEKAT
MERENJA
(f)
(d)
Merne
informacije
Yi=f(Xi)
MERENJE
Xi
(c)
OBEZBEĐENJE
REFERENTNIH
USLOVA
(e)
(b)
(a)
SISTEM ZA
NADZOR I
UPRAVLJANJE
RADNI PROSTOR
2
OBJEKAT MERENJA
Objekat merenja – fizički domen jednog ili više parametara
posmatrane pojave sa veličinama:
koje se daju meriti, odnosno koje poseduju kvalitativna i
kvantitativna svojstva i
čiji se rezultat merenja može brojno prikazati sa
pripadajućom jedinicom mere.
Veličine koje se mogu meriti električnim i elektronskim
mernim sredstvima elementarno se dele na električne i
neelektrične veličine.
Električne veličine su fizičke veličine čija se priroda tumači
zakonima elektromagnetizma;
Neelektrične veličine su ostale fizičke i biološko-fiziološke
veličine koje ispoljavaju određena fizička svojstva.
3
Električne veličine
U praksi postoji veliki broj električnih veličina koje treba meriti,
Iz praktičnih razloga, električnih veličine mogu razvrstati
posebno u tri grupe:
1.
Veličine parametara i karakteristika električnih signala struje i napona (amplituda, frekvencija, faza, snaga,
energija i dr.);
2.
Veličine parametara i karakteristika pasivnih i aktivnih
elektronskih komponenata (otpornika, kondenzatora,
kalemova, statičkih i dinamičkih karakteristika
poluprovodničkih i optičkih komponenata);
3.
Veličine parametara i karakteristika električnih i
elektronskih mreža i kola (vodova, četvoropola, filtera,
pojačavača, integrisanih digitalnih i linearnih kola);
4
BLOK MERENJE
U bloku "Merenje" se ostvaruje merni proces pomoću
materijalizovanih sredstava merenja (mera, mernih uređaja i
sistema i mernih pretvarača), čiji je zadatak:
– da se merena veličina prihvati sa objekta merenja u svom
prirodnom obliku,
– da se merena veličina pripremi i izmeri, odnosno uporedi
sa odgovarajućom referentnom veličinom - jedinicom
mere i
– da se rezultat poređenja - merenja kao jednoznačna
merna informacija, na odgovarajući način, saopšti
korisniku.
Korisnik mora imati informaciju o neophodnim metrološkim
karakteristikama kojima se garantuje nivo kvaliteta procesa
merenja;
5
Struktura mernog procesa
– Struktura mernog procesa obuhvata sredstava merenja i
pribora i različite je složenosti, zavisno od:
 složenosti prirode mernog objekta,
 primenjene metode poređenja (merenja),
 oblika i načina saopštavanja (indikacije i
registracije) merne informacije, i
 posebnih zahteva korisnika u postupku merenja i
obrade rezultata merenja.
6
Struktura mernog procesa
Sredstva merenja u strukturi samog mernog procesa u
opštem slučaju su:
– izvori električnih signala različitih oblika i vrednosti
parametara i karakteristika.
– mere (materijalizovane jedinice mera - referentne veličine);
– stepen za neposredno poređenje merene i referentne
veličine - jedinice mere;
– ulazni merni pretvarač za prihvatanje i pripremu merene
veličine za poređenje;
– izlazni merni pretvarač za prihvatanje i pripremu rezultata
merenja kao merne informacije za indikaciju ili registraciju;
– indikatori i registratori mernih informacija.
7
Sistem za upravljanje i nadzor
Sistem za upravljanje i nadzor obezbeđuje i prati redosled
mernih postupaka u procesa merenja.
Zavisno od složenosti potrebnih radnih opercija u mernom
procesu, sistemi za upravljanje i nadzor mogu biti:
 manuelni,
 delimično automatizovani, i
 potpuno automatizovani.
8
Manualni sistemi kontrole i upravljanja
Analogni
multimetri
(starije verzije)
Analogni
multimetar
(u primeni)
Digitalni
multimetar
(u primeni)
9
Osciloskop
10
Delimično automatizovani instrumenti
KEITHLEY 175 TRMS MULTIMETER
Oscilloscope Tektronix #2445B;
Digitalni multimetar
Analogni osciloskop; 200 MHz,
Vremenska baza 1 ns/div, Automatsko
postavljanje.
Indikator: 4 i1/2 cifre
11
KEITHLEY 175 TRMS MULTIMETER
12
Automatizovani sistemi upravljanja i nadzora
Potpuno automatizovani sistemi rade uz podršku
računarskih sistema;
U pripremi i realizaciji mernog procesa izvršavaju vrlo
složene merne i kontrolne operacije prema utvrđenom
redosledu (algoritmu), odnosno programu, bez prisustva
operatera - automatski.
Zadatak računarskih sistema je:
•
da upravljaju radom mernih sredstava,
•
da iniciraju i kontrolišu izvršavanje određenih
operacija,
•
da vrše obradu rezultata merenja i
•
da na osnovu ispunjenja zadatih uslova
samostalno donose odluke o daljem toku mernog
procesa.
13
Automatizovani sistemi upravljanja i nadzora
Automatizovani sistemi upravljanja i nadzora mogu biti:
1.
Merni sistemi sa centalizovanom inteligencijom, gde se
upravljanje i nadzor u procesu merenja ostvaruje jednim
centralnim računarom,
2.
Merni sistem sa distribuiranom inteligencijom, gde
postoji veći broj mernih mesta na udaljenim lokacijama
(merne stanice) sa sopstvenom računarskom podrškom i
ostvarenom komunikacijom sa centralnom računarom,
3.
Automatizovani merni sistemi, poznati kao sistemi za
merenje, nadzor i testiranje u procesnoj industriji
masovne proizvodnje i u sistemima automatskog
upravljanja u složenim procesima rada.
14
Osnovni parametri i karakteristike
električnih signala
Električni - merni signali
 Vrste i klasifikacija signala
 Oblici funkcija i parametri električnih signala
15
Električni merni signali
Električni signali predstavljaju određena energetska
stanja slobodnih nosilaca naelektrisanja u prostoru i
vremenu;
Energetska stanja naelektrisanja, w(t), određena su
vrednostima veličina napona, struje i vremena;
Svaka vrsta signala definisana je univerzalnim
parametrima kojima se opisuju njihove karakteristike;
U procesu merenja prisutne su različite vrste električnih
signala i globalno se posmatraju kao:
 korisni signali i
 nepoželjni signali - signali šumova i drugih smetnji.
16
Električni merni signali
Signali mernih informacija - merni signali su signali, čiji je
neki od parametra funkcionalno povezan sa merenom
veličinom;
Ostali korisni signali u procesu merenja su u funkciji
obezbeđenja nadzora, upravljanja i napajanja;
Parametri i karakteristike svih vrsta signala imaju
univerzalno značenje, nezavisno od namene ili funkcije;
Trenutne vrednosti signala su vrednosti napona i struja u
datom vremenskom trenutku t :
 za napon, v=V(t)
 za struju, i=I(t).
17
Električni merni signali
Oblik mernog signala dat je oblikom funkcije promene
njihovih trenutnih vrednosti (prostoperiodični-sinusni,
složeno periodični-impulsni, itd.);
Signal napona v, i signal struje i, definisani su analognim
relacijama, pa se radi jednostavnosti razmatranja može
posmatrati samo jedan od njiih;
Parametri signala i njihove vrednosti:
 napon, od dela mikrovolta do nekoliko stotina kilovolta,
 Frekvencija, od nule nekoliko desetina gigaherca
(GHz).
Signali u vremenskom domenu dati su oblikom funkcije, V(t),
a u frekventnom domenu oblikom spektra signala, V().
18
Klasifikacija električnih signala

Klasifikacija je data prema karakteru pojave signala
ELEKTRIČNI SIGNALI
DETERMINISANI
PERIODIČNI
PROSTOPERIODIČNI
NEDETERMINISANI
NEPERIODIČNI
KVAZIPERIODIČNI
IMPULSNI
PRELAZNI
STACIONARNI
NESTACIONARNI
ERGODIČNI
NEERGODIČNI
19
Izvori električnih signala

Izvori električnih signala u procesu merenja laboratorijski izvori su različiti, kako po tipu tako i po
nameni.

Veoma su različiti zahtevi u pogledu vrednosti pojedinih
parametara i energije generisanog električnog signala;

Na primer, tipične granične vrednosti signala:
 napona - od dela V do MV (megavolta),
 snaga - od dela mW do nekoliko stotina MV, ili
 frekvencija - od reda 0,05 miliherca (mHz) do preko
nekoliko desetina gigaherca (GHz);
Izvori električnih signala

Prema nameni, laboratorijski merni izvori poznati su kao:
 radni izvori napona i struja - izvori napajanja mernih
kola i mreža: naponski i strujni izvori, povezani ili
nezavisni od električne mreže,
 izvori referentnih DC napona i struja: etaloni i
naponski i strujni kalibratori sa standardnim
vrednostima DC napona i struja;
 izvori (ili generatori) merno-informacionih signalageneratori sa standarnim parametrima oblika signala;
Metrološke karakteristike procesa merenja
To su tehničke karakteristike sredstava merenja koje
bitno utiču na rezultate merenja i/ili greške merenja;
Pouzdanost tačnosti rezultata merenja uglavnom zavisi
od pouzdanosti, tačnosti i stabilnosti realnih
karakteristika mernih sredstava;
Standardima - normativima, za svaku vrstu sredstava
merenja, propisana je većina metroloških karakteristika;
Primeri standarda i propisa:
 General requirements for electronic measuring instruments
(OIML D11), Edition 2004 (E);
 Još uvek važeći JUS standardi serije 17220: ELEKTRICITET,
MAGNETIZAM, ELEKTRIČNA I MAGNETSKA MERENJA
Metrološke karakteristike procesa merenja

Za svako sredstvo merenja, a posebno za merne uređaje, normativno
se definiše niz metroloških karakteristika, od kojih su najbitnije:

prenosna funkcija

osetljivost ili prag osetljivosti

pokazivanje (indikacija)

podela (gradacija) skale indikatora

opseg merenja (merni opseg)

varijacija pokazivanja

ulazne i izlazne karakteristike

radni opseg frekvencija

brzina merenja

pouzdanost

ekonomičnost
Metrološke karakteristike procesa merenja
Prenosna funkcija mernog sredstva predstavlja zavisnost
izlaznog signala Yi od ulaznog signala Xi , u mernom
opsegu, date oblikom Yi=f(Xi);
Prenosna funkcije mernog sredstva poznata je i kao
funkcija pretvaranja ili kalibraciona karakteristika;
Pri određenim (normalnim) uslovima ambijenta i pri
stalnim ili sporopromenljivim vrednostima ulaznog signala,
prenosna funkcija je nominalna statička prenosna
karakteristika;
Prenosna funkcija može biti predstavljena analitički,
grafički i/ili tabelarno;
Teorijska idealna prenosna funkcija je linearna funkcija;
24
Metrološke karakteristike procesa merenja
Prenosnom funkcijom veličine određenih parametara
signala Xi i Yi. zavise od konstruktivnih osobina uređaja;
Osetljivost ili rezolucija mernog uređaja je osetljivost izlazne
veličine Yi na promenu svake od vrednosti datog parametra
ulaznog signala Xi;
Osetljivost prenosne funkcije definiše se odnosom promene
izlaznog signala Yi i promene pobudnog ulaznog signala
uređaja Xi, tj.
Yi
Si 
X i

Ovako definisana osetljivost je dimenzionalna veličina data
odnosom jedinica veličina izlaznog i ulaznog signala.
25
Metrološke karakteristike procesa merenja

Često se osetljivost definiše u odnosu na relativnu
promenu ulaznog signala X/X, odnosno
Y
δS 
X/X
Ovako definisana osetljivost ima dimenziju samo merene
veličine Y.
Vrednost osetljivosti bira se tako da se postignu optimalne
performanse mernog uređaja u pogledu:
 mogućnosti registracije malih vrednosti ulaznih
signala,
 stabilnosti prenosne karakteristike i
 potiskivanja ulaznih smetnji,
26
Metrološke karakteristike procesa merenja
Pokazivanje (indikacija) je vrednost veličine koja se
očitava kao rezultat merenja na indikatoru sa jedinicama
mere date veličine.
U pogledu pokazivanja, najočitija podela je na analogne i
digitalne indikatore rezultata merenja.
Podela skale analognog indikatora (ili konstanta uređaja C) jeste razlika vrednosti izmerenih veličina za dva
uzastopna podeoka na skali;
Ova karakteristika (konstanta uređaja) je obrnuto
proporcionalna osetljivosti, tako da je
1 X
C 
S Y
27
Metrološke karakteristike procesa merenja
Ako su veličine X iY različite prirode, onda su osetljivost i
podela skale dimenzionisane veličine;
Obično je osetljivost povezana sa merenom veličinom
(napon, otpornost, struja itd.), kao na primer, ako je osetljivost
S=5 pod/V, onda je podela skale c= 0,2 V/pod.;
Opseg merenja je domen (interval) vrednosti merene veličine,
sa propisanom dozvoljenom greškom merenja;
Domen vrednosti merene veličine ograničen je najmanjom i
najvećom vrednošću opsega merenja;
Opseg merenja može biti sa nekoliko podopsega i to sa
različitim tačnostima;
28
Metrološke karakteristike procesa merenja
Varijacija pokazivanja je najveća moguća
razlika u nizu ponovljenih pokazivanja
instrumenta, pri stalnoj vrednosti merene
veličine.
Varijacija karakteriše stabilnost
pokazivanja, odnosno indikacije mernog
uređaja u normalnim uslovima.
29
Metrološke karakteristike procesa merenja
Ulazno-izlazne karakteristike mernog uređaja (ulazna i
izlazna impedansa mernog uređaja) su karakteristike iz
koje se određuje uticaj mernog uređaja na objekat
merenja.
Uticaj mernog uređaja na objekat merenja ispoljava se
kao greška merenja poznatog uzroka - sistematska
greška.
Za objekat merenja, kao izvora mernog signala, sredstvo
merenja je potrošač snage, koji utiče na objekat merenja,
posebno kada je objekat merenja male snage.
Mala potrošnja snage mernog signala, čime se odlikuju
elektronski merni uređaji, jeste značajna prednost
sredstava merenja;
30
Metrološke karakteristike procesa merenja
Izlazne karakteristike mernog uređaja utiču na parametre
izlaznog signala pod uticajem opterećenja izlaza (na primer,
indikatora, pisača i sl.);
Opseg radnih frekvencija je frekventni domen u kome
greška mernog uređaja ne prelazi dozvoljene granice;
Brzina merenja je određena potrebnim vremenom za
izvršenje jednog procesa merenja;
Na primer, kod analognih mernih uređaja brzina merenja
određena je vremenom uspostavljanja stacionarnog stanja
kazaljke indikatora nakon pojave ulaznog mernog signala;
31
Metrološke karakteristike procesa merenja
Brzina mernih uređaja kreće se od jednog do preko
desetak hiljada merenja u sekundi.
Pouzdanost sredstava merenja je sposobnost mernog
uređaja da očuva radne parametre u propisanim
granicama njihovih vrednosti tokom zadatog vremena;
Osnovni kriterijumi pouzdanosti, prema poznatim
standardima, jesu:
verovanoća bezotkaznog rada,
intezivnost (učestalost) otkaza i
srednje vreme bezotkaznog rada;
32
Sredstva merenja
– Mere (standardi, uzorci ili kalibri)
– Merni uređaji, i
– Merni pretvarači
33
Mere (standardi, uzorci ili kalibri)
Mera je materijalizovano sredstvo merenja odgovarajućeg
oblika sa kojim se može reprodukovati određena jedinica
mere ili njen umnožak (multipl).
– Osnovni zahtevi koje treba da ispune mere su:
 nepromenljivost karakteristika u određenom
vremenskom periodu;
 lako poređenje mernog standarda - mere sa
merenom veličinom;
 jednostavnost reprodukcije jedinice mere sa
propisanom mernom nesigurnošću (tačnošću);
34
Mere (standardi, uzorci ili kalibri)
Osnovni parametri koji su u podacima uz svaku meru
su:
 nominalna (označena) vrednost mere;
 tačnost - merna nesigurnost;
 garantovano vreme ispravnog rada - pouzdanost;
 referentni uslovi u kojima se održava propisana
vrednost metroloških karakteristika;
35
Merni uređaji
Merni uređaji su sredstva sa kojima se ostvaruje
poređenje merene veličine i mere i rezultat poređenja
prikazuje na indikatoru ili registratoru.
Merni uređaji u elektrotehnici u širem smislu dele se na:
– električne i
– elektronske merne uređaje,
Razvojem informacionih tehnologija pojavljuju se nove
vrste mernih uređaja kao što su:
– inteligentni merni uređaji ili njihovi moduli, i
– distribuirani merni uređaji - merni sistemi.
36
Merni uređaji
Osnovni kriterijumi za grupisanje mernih uređaja su:
 princip rada,
 frekventni opseg mernih signala,
 metode merenja,
 način prikaza mernih infromacija, i
 uslovi rada.
Prema principu rada, odnosno prema tehnikama
procesiranja mernih signala i prikazivanja mernih
informacija uočljive su dve grupe:
 analogni i
 digitalni merni uređaji.
37
Primeri analognih i digitalnih mernih uređaja
38
Merni pretvarači
Merni pretvarači omogućavaju indirektno poređenje merene i
referentne veličine (mere), sa različitom prirodom ili različitim
energetskim stanjima;
Sredstva sa kojima se osobina jedne veličine povezuje sa
osobinom druge veličine uz očuvanje informacije o svojoj
vrednosti nazivaju se merni pretvarači;
X
Y(X)
X
Y
Merni signal (X) sadrži informaciju o merenoj veličini u
vrednosti nekog od njegovih parametara,
Sam signal je nosioc merne informacije, a parametar signala
vrednost merne informacije.
39
Merni pretvarači
U principu, merni signal može se pretvoriti u drugi oblik
signala koji može biti kontinualnog ili diskretnog karaktera.
Primeri pretvaranja kontinualnih mernih signala x(t) u
kontinualne signale, Y(t):
Y1(t)=k
X(t)
(t)=kX(t)
t
X(t)
Y2(t)=k
X(t)sin
sin
t
(t)=kX(t)
t
t
Y3(t)=Y
(t)=Ymsin[
sin[
f0+X(t))t]
X(t))t]
t
40
Merni pretvarači

Primeri pretvaranja mernih signala x(t) u diskretne
signale, y(t), u kojima je merna informacija parametar
koji ima kontinualni karakter:
t
X(t)
x
=const.
t
fx=1/Tx= kX(t)
X(t)
Y2(t)
t

x= X(t)
X(t)

Merna informacija u ovakvim diskretnim signalima je
parametar (frekvencija, fx, ili širina impulsa, x) koji ima
kontinualni karakter;
41
METODE MERENJA
Metoda merenja je postupak poređenja osobine kojom
su definisane i merena i referentna veličina;
Osnovne razlike, prema kojima se grupišu metode
merenja jeste način (metoda) upoređivanja merene i
referentne veličine;
Referentne veličine su često u samom merilu, čije su
vrednosti na mernom opsegu izbaždarene sa
spoljnom merom - kalibratorom;
Kako se direktno mogu upoređivati veličine samo iste
prirode, onda nije moguće obezbediti referentnu
veličinu za svaku merenu veličinu, pa se zato koriste
indirektne metode sa mernim pretvaračima;
42
Metode merenja
U zavisnosti od prirode merene i referentne veličine
razlikuju se i dve osnovne grupe metoda merenja, kao
što su:
 Direktne metode i
 Indirektne metode
 Direktne i indirektne metode realizuju se kao:
 Automatske metode sa reakcijom,
 Nulte metode,
 Kompenzacione metode,
 Komparativne metode, i
 Metode zamene.
43
Metode merenja
Direktne metode merenja su, po pravilu, najjednostavnije, jer se sa
njima direktno porede iste osobine i merene veličine i veličine
mernog standarda - mere;
Primer direktne metode jeste direktno poređenje otpornosti, Rx i
mere, Ro, pri jednosmernoj struji;
Predpostavka je da su otpornosti ampermetra,
A i izvora napona, E, jednake nuli;
Ro
A
E
Merena otpornost, Rx=kRo;
Ix
P
Rx
Faktor k određuje se merenjem struja
ampermetrom pri uključenom i isključenom
prekidaču, P:
 I0 
E
E
Rx I 0
I0  ; I x 
k
  1  Rx    1 R0 .
R0
R0  Rx
R0 I x
 Ix 
Za domaći rad pokazati kako se može meriti otpornost merenjem napona.
44
Metode merenja
Kao drugi primer može poslužiti direktna metoda merenja električne
struje, primenom strujne vage, kao na slici:
0
U ovom slučaju direktno se porede
dejstva elektromagnetne sile na
oba kraka vage.
Fo
F1
Ix
N1
N2
Io
Kada su uravnotežene sile merene
i referentne struje onda je
N2
I x  kI o 
Io
N1
Pri svakoj vrednosti merene struje Ix, podešava se vrednost referentne
struje Io, da bi se vaga uravnotežila;
Ova metoda je istovremeno i nulta metoda, jer je pri merenju Ix -Io=0;
Ako se na skali sa kazaljkom graduišu kalibrisani podeoci onda je
pokazivanje kazaljke izvan nule, pa je u tom slučaju primenjen princip
razlike, odnosno diferencijalna metoda;
45
Metode merenja
Osnovne karakteristike mernih metoda su osetljivost i merni opseg;
Osetljivost ili rezolucija daje podatak o najmanjoj vrednosti merene
veličine pri kojoj se registruje pokazivanje indikatora;
Veća osetljivost obezbeđuje i veću rezoluciju merenja;
Najočitiji primer indirektne metode merenja jeste strujna vaga

Fx
Ix
Kod nulte metode, pri 
referentna veličina je masa tega, m;
m
Q=mg
Kod diferencijalne metode,
referentna veličina je vrednost
kalibrisanog podeoka skale pomoću
spoljne mere;
Tada je =f(Ix)=kIx.
46
Metode merenja
Praktično, svi pokazni instrumenti sa kalibrisanom skalom i kazaljkom
koriste indirektne metode merenja;
Među metodama komparacije merene vrednosti i standarda sa veoma
malim nesigurnostima jesu kompenzacione merne metode;
Primeri takvih metoda potenciometarska metoda i metoda povratne
sprege sa pojačavačem (OP):
Is
NI
Rs
Vx
Vx
Vs
Vs
Rs
Kada se podesi pokazivanje indikatora
(NI) na nulu, onda je Vx=Vs=RsIs;
Rezolucija metode zavisi od osetljivosti
indikatora nule;
Poređenje napona Vx je sa standardima
struje i otpornosti, čime se oezbeđuje
visoka tačnost merenja;
OP
Iout
Operacionim pojačavačima se
obezbeđuje automasko podešavanje
47
nulte struje Iout na izlazu OP;
Primeri metoda merenja
Pored naponskih kompenzatora postoje i strujne
kompenzacione metode - strujni komparatori;
Rx
Rs
Kada je Ix-Is=0, onda je
NI
E1
Is
Ix
E2
Rx E1
E1

 Rx 
Rs
Rs E2
E2
Kao primer metode substitucije (zamene) može poslužiti
primena uravnoteženog Wheatstonov-og mosta;
R1
R3
NI
E
1
R2
Rx
P
2
Rs
Pri ravnoteži mosta, za P u 1,
R2
Rx 
R3
R1
za P u 2,
R2
Rs 
R3  Rx  Rs
R1
48
Download

Predavanja5