Podstawy Metrologii, skrypt.pdf

POLITECHNIKA ŁìDZKA

INSTYTUT MASZYN PRZEPŁYWOWYCH

Zakład Metrologii Przepływw

PODSTAWY METROLOGII

Materiały pomocnicze do wykładu

Zestaw folii używanych w r. akad. 2002/2003 w czasie wykładu dla studentw

I semestru Wydziału Mechanicznego na kierunkach:

- Mechanika i Budowa Maszyn,

- Papiernictwo i Poligrafia,

- Zarządzanie i Inżynieria Produkcji.

Wykład 1

Obserwacja, pomiar. Wielkości mierzalne. ... Układ SI

Wykład 2

Metody pomiarowe. Niepewność i błąd wyniku pomiaru.

Wykład 3

Opracowanie danych eksperymentalnych.

Wykład 4, 5 Statystyczne opracowanie wynikw pomiarw ...

Wykład 6

Niepewność wyniku pomiaru.

Wykład 7, 8 Przyrządy pomiarowe

Wykład 9, 10 Przetworniki wielkości wejściowej.

Wykład 11

Przetwarzanie informacji w przyrządach pomiarowych. Ujawnianie i

utrwalanie informacji wyjściowej.

Wykład 12

Automatyzacja i komputeryzacja procesu pomiarowego.

Opracował: dr hab. inż. Jan Ciepłucha prof. PŁ

Na prawach rękopisu

Łdź, wrzesień, 2002

Wprowadzenie - Metrologia i jej rola w dzisiejszym świecie

W dzisiejszym społeczeństwie istnieje obszerna, często niewidoczna, sieć infrastruktury usług,

zaopatrzenia, transportu i przekazu informacji. Jej obecność jest przyjmowana za rzecz oczywistą,

lecz jej istnienie i ciągłość działania są podstawowe dla codziennego życia. Częścią tej ukrytej

infrastruktury jest metrologia - nauka o pomiarach.

Nie jest przesadą, że życie człowieka przebiega w cieniu, a może w blasku, pomiarw. Jednym

z pierwszych zabiegw czekających noworodka są pomiary: ważenie, mierzenie wzrostu i tempera-

tury. Człowiek dorosły styka się z pomiarami codziennie w domu i poza domem, w sklepie, w za-

kładzie pracy, u lekarza, w samochodzie, a tok życia człowieka jest regulowany przez wskazania

najpopularniejszego przyrządu pomiarowego - zegarka. Po śmierci zaś, prawdopodobnie na Sądzie

Ostatecznym, czeka jeszcze człowieka ważenie jego złych i dobrych uczynkw. Człowiek zaczął

liczyć a potem mierzyć już we wczesnym stanie rozwoju intelektualnego. Potrzeba pomiaru długo-

ści, powierzchni, objętości, masy wynikała z jego codziennego życia.

Zaufanie w pomiary jest wprowadzane w nasze życie na mnstwo sposobw.

Jest truizmem twierdzenie, że dokładność pomiaru jest wymagana dla wydajnej produkcji ele-

mentw rżnych urządzeń jak np. silniki spalinowe, turbiny gazowe gdzie niezawodność i trwałość

zależy od mikronowych tolerancji wykonania, czy też odtwarzaczach płyt kompaktowych, w kt-

rych wbudowane soczewki do ogniskowania promienia laserowego są wykonane z dokładnością

dziesiątych części mikrometra.

W produkcji wysokiej technologii lista wyrobw wymagających dokładnych pomiarw jest bez

końca. Pomiary wykonywane są zdalnie, włączane w cykl produkcyjny, prowadzone w cyklu auto-

matycznym metodą "on line" sterowane programem z komputera.

Systemy telekomunikacji pracują pewnie i wydajnie, lecz przy dużej szybkości transmisji da-

nych skala czasu musi być ciągle korygowana i jej fluktuacje w skali światowej nie mogą przekro-

czyć mikrosekund. W uprzemysłowionym świecie, narodowe skale czasu są łączone z UTC - mię-

dzynarodową skalą czasu opartą na zegarach atomowych. UTC jest także skalą czasu utrzymywaną

przez zegary atomowe na pokładach satelitw GPS (Global Positioning System) wojskowego i cy-

wilnego systemu światowej nawigacji utrzymywanej i kontrolowanej przez Departament Obrony

USA. Od II w. p.n.e. (Hipparcus) była znana zależność rżnicy długości geograficznej dwu miejsc

na powierzchni Ziemi i rżnicy ich lokalnych czasw. Fakt ten mgł być wykorzystany w nawigacji

dopiero w połowie XVIII w. po wynalezieniu (Harrison) odpowiednio dokładnego, przenośnego

zegara.

Praktyka medyczna wymaga ostrożnych i czasami trudnych pomiarw zarwno w diagnostyce

np. poziom cholesterolu we krwi, jak i w terapii np. pomiar dawki promieniowania X, g dla leczenia

niektrych form raka. W tych pomiarach pewność jest szczeglnie ważna, błąd jak wiemy może

oznaczać śmierć.

W rolnictwie: badania produktw żywności i ochrona środowiska - pomiar staje się coraz waż-

niejszym w dostarczaniu podstaw i środkw do weryfikowania ich zgodności z obowiązującymi

normami i ustawami. Wiele z nich zapewnia, że pestycydy i pozostałości ciężkich metali są utrzy-

mywane na bezpiecznym poziomie.

Ciągłe dążenie do większej dokładności pomiarw jest napędzane przez wzrastające żądania

przemysłu (wzrost wydajności i pewności działania wyrobw). Sukces na tym polu jest możliwy

poprzez postęp w fizyce, ktry z kolei jest zależny od nowych technologii. Przykładem tego jest

laser. Jego wynalazek umożliwił pomiary długości z dokładnością o dwa rzędy większą niż było to

możliwe przedtem, doprowadził on także do rozwoju płyt kompaktowych, w ktrych zarwno wbu-

dowano laser jak i oparto się przy ich wytwarzaniu na postępie w metrologii geometrycznej możli-

wej dzięki użyciu lasera.

Pewność i dokładność pomiarw zwłaszcza mających mieć długoczasową stabilność może być

tylko zapewniona przez system pomiarowy mocno związany z podstawami fizycznymi. Podstawy

Jan Ciepłucha. Podstawy Metrologii Î materiały do wykładu

fizyki, na ktrych oparta jest cała dzisiejsza zaawansowana technologia mogą rozwijać się tylko

poprzez conajmniej jakościowe testowanie ich dalszych hipotez (modeli). Testowanie fizycznych

teorii przez eksperyment kontrolny wymaga coraz większych dokładności pomiaru i zestawu wiary-

godnych urządzeń i podstawowych stałych fizycznych. Są one zasadniczymi składnikami postępu w

nauce i częścią działalności zwanej metrologią.

Sposb, w jaki jest zorganizowana służba miar i przeznaczone na ten cel fundusze są rżne w

rżnych krajach. W rozwiniętych przemysłowo krajach na działalność metrologiczną przeznaczane

jest 3 - 6 % dochodu narodowego. Nie we wszystkich jednak krajach na pytania: po co jest metrolo-

gia? dlaczego jest ona tak droga? i dlaczego warto ją mieć? jest pełna zrozumienia odpowiedź.

INFORMACJA O PRZEDMIOCIE

Obecna forma realizacji przedmiotu jest wynikiem wieloletnich doświadczeń ze-

społu dydaktycznego kierowanego przez prof. W.R.Gundlacha oraz ograniczeń na-

rzuconych siatką godzin programu studiw. Wykład oparty jest na opracowanych w

zespole skryptach z niezbędnymi uaktualnieniami materiału.

Przedmiot jest realizowany na 1. i 2. semestrze w wymiarze:

semestr 1 . wykład: 1 godz.

zajęcia seminaryjne: 1 godz.

semestr 2 . laboratorium: 2 godz.

Na kierunku á Mechanika i Budowa Maszyn Ñ semestr 1. kończy się egzaminem,

na pozostałych kierunkach zaliczeniem.

Cel przedmiotu:

poznanie podstawowych (wsplnych dla rżnych dziedzin wiedzy) zagadnień

techniki eksperymentu;

zdobycie umiejętności:

- posługiwania się podstawowymi przyrządami pomiarowymi,

- opracowania i prezentacji otrzymanych wynikw,

- konfrontacji wyniku pomiaru z otaczającą rzeczywistością

Koncepcja realizacji przedmiotu:

lokalizacja przedmiotu: w początkowej fazie studiw (przed przystąpieniem do

prac w innych laboratoriach) jako podstawowego źrdła informacji o świecie: po-

miarze;

materiał przedmiotu nawiązuje do wiedzy studenta opanowanej w szkole średniej

z zakresu fizyki i matematyki (ukierunkowana, rozbudowująca i pogłębiająca re-

petycja);

pełna korelacja między 3 składowymi częściami przedmiotu (wykład, zajęcia se-

minaryjne, laboratorium)

Poniżej w skrcie zostaną przedstawione trzy składowe realizowanego przedmiotu.

Jan Ciepłucha. Podstawy Metrologii Î materiały do wykładu

A. WYKŁ AD 1 godz./tydzień ⇒

12 wykładw + 2 sprawdziany ( po 6 wykła-

dzie )

Cel:

omwienie podstawowych zagadnień (w wielu przypadkach

zasygnalizowanie problemu i odesłanie do literatury)

Liczba słuchaczy: 10 grup - na kierunku á Mechanika i Budowa Maszyn Ñ,

2 grupy - na kierunku á Papiernictwo i Poligrafia Ñ,

2 grupy - na kierunku á Zarządzanie i Inżynieria Produkcji Ñ.

Realizacja:

tematyka wykładu podzielona na trzy bloki tematyczne. Wy-

kład prowadzony z wykorzystaniem rzutnika pisma w nagło-

śnionym audytorium

Program wykładu:

Blok tematyczny

Wykłady

A. Działalność poznaw-

cza człowieka

W1. Obserwacja, pomiar, wielkości mierzalne. Koncep-

cja spjnego układu jednostek

B. Podstawowe zadania i

metody metrologicz-

W2. Metody pomiarowe. Niepewność i błąd wyniku

pomiaru

W3. Opracowanie danych eksperymentalnych

W4 + W5. Statystyczne opracowanie wynikw pomia-

rw statycznych jednej wielkości (z założenia nie-

zmiennej w czasie)

W6. Niepewność wyniku pomiaru

C. Sprzęt pomiarowy

W7 + W8. Struktura przyrządw pomiarowych i ich

właściwości

W9 + W10. Przetworniki wielkości wejściowej

W11. Przetwarzanie informacji w przyrządach pomia-

rowych. Ujawnianie i utrwalanie informacji

wyjściowej.

W12. Automatyzacja i komputeryzacja procesu pomia-

rowego.

Jan Ciepłucha. Podstawy Metrologii Î materiały do wykładu

B. SEMINARIUM 1 godz./tydzień (sem. 1)

Cel:

uzupełnienie i rozszerzenie wybranych tematw teoretycznych (zasy-

gnalizowanych na wykładzie) w połączeniu z prostym eksperymentem

wspomaganym komputerem (graficzna prezentacja wynikw) - jest

łącznikiem między znacznie ograniczonym wykładem a samodzielnie

realizowanymi pomiarami w laboratorium

Realizacja:

zajęcia pogrupowane w dwugodzinne jednostki: na 1. godzinie rozsze-

rzenie i utrwalenie wiadomości teoretycznych często uzupełnionych

prostym przykładem rachunkowym przygotowujące do realizowanego

na 2. godzinie (w następnym tygodniu) eksperymentu (w formie poka-

zu z udziałem 1

2 studentw) i opracowania jego wynikw. Bardziej

złożone eksperymenty są wspomagane komputerowo.

Pomoce dydaktyczne: skrypt áPodstawy Metrologii - ćwiczenia audytoryjneÑ + programy

komputerowe (opracowanie własne)

Program zajęć:

Ćw.

Temat

Eksperyment ilustrujący

1/2

Wprowadzenie: układ SI, przeliczanie jednostek,

zasady zaokrąglania wyniku

3/4

Wynik pomiaru: źrdła niepewności, oddziaływa-

nia ograniczające dokładność pomiaru, liczbowy

zapis wyniku pomiaru i jego niepewności

Pomiary napięć miernikami analo-

gowymi i cyfrowymi

5/6

Metody przedstawiania danych eksperymentalnych,

opis wyniku pomiaru rwnaniami rżnej postaci

Pomiar temperatury włkna żarw-

ki w funkcji napięcia zasilającego *)

T = f(U)

7/8

Statystyka matematyczna, klasowanie wynikw,

przejście do rozkładu Gaussa, estymacja punktowa,

przedziałowa dla prby i wartości średniej

Statystyczne opracowanie pomiaru

oporności serii rezystorw o tej

samej wartości nominalnej *)

9/10

Wyznaczanie niepewności pomiaru bezpośrednie-

go i pośredniego

Określenie niepewności: zmierzo-

nej temperatury włkna żarwki *) ,

lub objętości bryły

11/12

Właściwości statyczne przyrządw pomiarowych,

czułość, niejednoznaczność, nieliniowość, lineary-

zacja charakterystyki

Wyznaczenie i badanie nieliniowej

charakterystyki statycznej *) ( możli-

wość wykorzystania T=f(U) )

13/14

Właściwości dynamiczne przyrządw pomiaro-

wych

Wyznaczenie właściwości dyna-

micznych termometru opornościo-

wego *) + symulacja komputerowa

*) wspomaganie komputerowe

Jan Ciepłucha. Podstawy Metrologii Î materiały do wykładu

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: