Najtacniji nacin merenja je direktno uporedjivanje sa etalonom iste vrste i to je takozvano direktno merenje ili apsolutno merenje.
Merenje nize tacnosti je kada se meri neka druga fizicka velicina, koja je u nekoj relaciji sa zeljenom mernom velicinom. U merenju se koriste merni pretvaraci. Takvo merenje se naziva posredno merenje i uvek zahteva medjukorak, kalibraciju mernih pretvaraca.
Zbog visoke tacnosti direktnog merenja, i njene vaznosti radi metroloske uredjenosti u zemlji, kao i zbog potrebe da se ispostuju medjunarodni standardi, drzava se stara o etalonima pomo\'cu zakona i propisa - uveden je sistem etalona kojime se odrzava merna sledivost:
primarni etaloni - cuvaju se na jednom mestu i samo sluze da se pomo\'cu njih kontrolisu sekundarni etaloni,
sekundarni etaloni - da se umnozi primarni, treba da ga imaju kontrole mera,
radni etaloni - za rad po terenu (redovno se proveravaju pomo\'cu sekundarnih etalona).
Apsolutno merenje je ako se neka velicina direktno poredi sa radnim etalonom. Na primer: merenje mase na terazijama - direktno se uporedjuje merena masa sa etaloniziranim tegovima.
Apsolutno merenje je i ako se izvedena velicina dobije kao odnos osnovnih velicina. Na primer: pritisak p je sila po jedinici povrsine A:
p=
F
A
=
mg
A
Sila se dobija merenjem mase tega m, direktnim uporedjenjem sa etalonom mase, a povrsina A se dobija merenjem neke duzine, opet direktnim uporedjenjem sa etalonom.
Apsolutno merenje, kao merenje sa najnizom mernom neizvesnos\'cu, se po pravilu koristi u metroloskim laboratorijama, dok se u realnim uslovima koristi samo u situacijama gde je to mogu\'ce.
Svaka izvedena merna velicina se moze svesti na kombinaciju osnovnih velicina, odakle sledi da je mogu\'ce uvek primeniti apsolutno merenje. Na zalost, to nije uvek izvodljivo, pa se ces\'ce koriste merni pretvaraci koji posredno mere fizicku velicinu preko neke druge fizicke velicine.
Primer: Pritisak, koji moze apsolutno da se izmeri, uglavnom se meri mehanickim manometrom - meri se pomeranje vrha savijene cevi Dx = f ( p ) , slika 5.1.
Figure 5.1: Mereni pritisak se konvertuje u pomeranje vrha elasticne cevi Dx
Funkcija preslikavanja f(p) mora da se odredi za svaki pojedini komad pretvaraca postupkom koji se zove kalibracija1: uporedjenjem pomeranja Dx i poznate velicine p odredjene tacnijom metodom, obicno apsolutnim merenjem.
Primer kalibracije pretvaraca pritiska je dat na slici 5.2, gde se koristi osnovni princip da je pritisak u nestisljivom fluidu na istoj koti konstantan: pomo\'cu tega poznate mase i klipa poznate povrsine, na manometar se dovodi pritsak p=[(mg)/(A)]. Na kalibracionom dijagramu se mogu nanositi parovi tacaka m,Dx, gde je Dx pomeranje cevi u manometru (kao sto je dato na slici 5.2, ili, mnogo upotrebljivije, parovi tacaka p,a, gde je a ugao otklona kazaljke na manometru.
Kod ve\'cine savremenih mernih pretvaraca, koristi se visestruka konverzija energije. Na primer, pretvaraci pritiska najces\'ce rade na slede\'ci nacin:
mereni pritisak ugiba membranu,
membrana se isteze sto izaziva istezanje mernih traka (otpornika) koji su zalepljeni na membranu,
istezanje mernih traka prouzrokuje promenu njihove otpornosti,
promena otpornosti prouzrokuje promenu struje (ili napona), i na kraju,
pripadaju\'ca elektronika generise elektricni izlaz (napon ili struju).
Elektricni pretvaraci se sve ces\'ce sre\'cu, najces\'ce imaju ve\'cu tacnost, povoljni su za daljinski prenos i automatsko belezenje podataka. Kod ve\'cine elektricnih pretvaraca se koristi Vitstonov most, na slici 5.5 (Wheatsone).
Figure 5.5: Kod elektricnih mernih pretvaraca se cesto koristi Vitstonov most
Da bi Vitstonov most bio u ravnotezi Ui = 0 potrebno je ostvariti:
U1 = U3
U2 = U4
Znaci, ako je:
R1IA = R3IB
R2IA = R4IB
tada je izlazni napon Ui = 0 . Odatle sledi:
Ui = U1 - U3 = R1 ×IA - R3 ×IB
IA =
U
R1 + R2
IB =
U
R3 + R4
zato sto je Ui=0, odnosno, struja kroz instrument Ic = 0 .
Ui = R1 ×
U
R1 + R2
- R3 ×
U
R3 + R4
Ui = U ×
R1 ( R3 + R4 ) - R3 ( R1 + R2 )
( R1 + R2 ) ( R3 + R4 )
Ui = U ×
R1 ×R4 - R3 ×R2
( R1 + R2 ) ( R3 + R4 )
(5.1)
Dobijena je zavisnost izlaznog napona Ui od vrednosti otpornika u Vitstonovom mostu. Da bi se most doveo u ravnotezu, izbalansirao, odnosno da bi se postiglo Ui = 0 u neporeme\'cenom stanju, potrebno je ostvariti:
R1 ×R4 = R3 ×R2 Þ
R1 ×R4
R3 ×R2
Kod mernih traka menja se otpornost sa istezanjem - mogu\'ce su slede\'ce konfiguracije primene Vitstonovog mosta (slika 5.6):
Figure 5.6: Vitstonov most za merenje pomeranja pomo\'cu mernih traka - razlicite merne konfiguracije
Koja je prednost koris\'cenja Vitstonovog mosta? Merne trake (kao i ve\'cina drugih elektricnih pretvaraca) su osetljive ne samo na istezanje (korisna osetljivost) ve\'c i na temperaturu, vlaznost, elektricne smetnje i druge uticaje. Ako su sve cetri grane mosta izlozene istim smetnjama, za izbalansiran most se iz izraza 5.1 moze videti da \'ce izlazni napon Ui ostati nula! Odnosno, izlazni napon \'ce biti proporcionalan samo izduzenju merne trake, a ne i ostalim smetnjama.
Uobicajeni problemi sa kojima se bore elektricni merni pretvaraci su:
temperaturna stabilnost, gde puni i polumost mogu da kompenzuju temperaturne promene samo ako su sve trake na istoj temperaturi,
mehanicka stabilnost, gde merni most moze da kompenzuje mehanicke promene samo ako se sve trake na isti nacin menjaju kroz vreme.
Merni most se koristi i kod induktivnih i kapacitivnih davaca. Tada je otpornost R zamenjena kompleksnom otpornos\'cu R, C, L a pobudni napon U je naizmenicni, sinusni, konstantne frekvencije (obicno 1 ili 2 KHz).
Merni most se koristi cesto kod aktivnih pretvaraca sa povratnom spregom, slika 5.7.
Figure 5.7: Vitstonov most sa povratnom spregom, cesto se koristi za Hot-film anemometriju
Princip rada mosta sa povratnom spregom, u primeru hot-film anemometrije, je slede\'ci: otpornici R2, R3 i R4 (sa slike 5.7) su konstantni, a R1 je izlozen spoljnom hladjenju usled prolaska vode. Napon napajanja mosta U nije konstantan, ve\'c je promenljiv, tako da se struja IA menja. Elektronika tako menja napon napajanja mosta, da odrzava otpornost R1 na istoj temperaturi (princip rada Hot film anemometra). Sto je ve\'ca brzina vode, ve\'ce je hladjenje otpornika R1 pa je i ve\'ci napon napajanja mosta U.
(OVO JOS MALO DETALJNIJE OBJASNITI)
Pored podele mernih pretvaraca na mehanicke i elektricne, u literaturi se mogu na\'ci i slede\'ce podele [4]:
Prema koris\'cenju energije
Aktivne - oni pretvaraci koji koriste energiju velicine koju mere i pretvaraju je u drugu energiju: elektromagnetski, piezoelektricni, termoelektricni, fotoelektricni, ...
Pasivne - pretvaraci koji zahtevaju dodatni izvor energije i ne remete velicine koje mere: otporni pretvaraci, induktivni, kapacitivni, ...
Prema kontaktu sa merenim objektom
Kontaktni - moraju biti u kontaktu sa mernom velicinom (ve\'cina konvencionalnih pretvaraca radi na tom principu), pri cemu je cesto uticaj pretvaraca na merenu velicinu nezanemarljiv,
Bezkontaktni - daljinski se meri velicina: infracrveni senzori (IC), ultrazvucni (UZV), laserski, radarski, .... Pogodnost je sto ne remete merenu velicinu.
Prema tacnosti
Klasa tacnosti se odredjuje kao verovatna relativna neizvesnost u odnosu na maksimalnu mernu velicinu, u procentima:
e =
s[`(j)]
|jNPMAX|
gde je s[`(j)] = [( sj)/(ÖN)] standardna greska srednje vrednosti ili neodredjenost najverovatnije procene, kako daju proizvodjaci, ili u odnosu na trenutnu vrednost kako je korisnicima vaznije: e = [(s[`(j)] )/(|jNP|)] ×100 % .
Prema klasi tacnosti, merni pretvaraci se mogu podeliti na slede\'ce kategorije:
Visoka klasa tacnosti e » 0.1 %
Za naplatna merila je klasa tacnosti e » 0.5 %
Industrijska klasa, odnosno za nadzor procesa je obicno e » 1 %
Vodomeri, kalorimetri i drugi masovni uredjaji e » 2 do 5 %
Prema brzini rada
Podela se vrsi prema brzini rada, odnosno prema frekvenciji fN (izraz na strani ) do koje je pretvarac u stanju da prenese nepromenljive fluktuacije merene velicine:
Spori pretvaraci - fN < 1 [Hz]
Brzi pretvaraci - uglavnom elektricni, za pra\'cenje fluktuacija merene velicine. Kod brzih pretvaraca bitna je transfer funkcija za sâm pretvarac.
Tacnost, odnosno klasa tacnosti mernog pretvaraca je jedan od osnovnih parametara. Taj parametar najvise interesuje korisnika i pokazuje kolika je merna neizvesnost u koris\'cenju pretvaraca.
Tacnost mernog pretvaraca se utvrdjuje kalibracionim merenjem, formiranjem kalibracione krive. Medjutim, tacnost, ili klasa tacnosti ne zavisi samo od kalibracije pretvaraca, ve\'c i od niza drugih parametara, koji \'ce se detaljnije obraditi u nastavku.
Ponovljivost znaci da se za istu ulaznu velicinu merenog signala dobija isti izlaz iz pretvaraca, bez obzira na to da li je ulazna velicina u fazi opadanja ili porasta.
Figure 5.8: Ponovljivost mernog pretvaraca
Histerezis mernog pretvaraca direktno odredjuje njegovu ponovljivost. Histerezis moze biti rezultat rada samog mernog pretvaraca ili usled posrednog merenja neke velicine pri cemu sam proces u sebi nosi histerezis (merenje protoka preko nivoa vode u rekama).
Dobra ponovljivost ne znaci automatski i dobru tacnost. Pretvarac moze biti ponovljiv ali netacan (usled lose kalibracije, klizanja, losih radnih uslova ili neke druge sistematske greske).
Pretvarac sa losom ponovljivo\'cu se, medjutim, nikakvim merama ne moze dovesti do visoke klase tacnosti.
Stabilnost mernog pretvaraca je, posle ponovljivosti, drugi po vaznosti parametar koji utice na klasu tacnosti. Stabilnost se prati:
kroz vreme - izrazava se kao pove\'canje greske u procentima kroz godinu dana,
sa promenom temperature okoline - izrazava se kao pove\'canje greske sa pove\'canjem temperature za stepen Celzijusa.
Figure 5.10: Stabilnost mernog pretvaraca kroz vreme i pri promeni spoljnih uslova
Pogledati primer kako se u katalozima merne opreme obicno daje podatak o dugortajnoj stabilnosti.
Na slede\'cem dijagramu je prikazan rezultat kalibracije pretvaraca za merenje nivoa, koji je temperaturno osetljiv. Raspon mogu\'cih merenih vrednosti dubine, za ocitanu dubinu na pisacu SC od 10 mm je od 19 cm za letnju kalibraciju do 28 cm za sezonu ranog prole\'ca i kasne jeseni!. Ako se uzme srednja vrednost (sto nije dobro!) tada je 23.5 cm tacna merena vrednost, a odstupanja su ±20%, za pretvarac koji je imao deklarisanu tacnost od 1%!
Figure 5.11: Kalibracija kapacitivnog pretvaraca dubine vode pri razlicitim temperaturama ambijenta [19]
Naravno, nisu sve kapacitivne sonde tako lose. Na slede\'coj slici se daje rezultat ispitivanja temperaturne stabilnosti dosta kvalitetnije sonde. Uociti i histerezis koji se javlja.
Rezolucija je mo\'c razlucivanja izmedju dve najmanje promene merene velicine.
Kod analognih pretvaraca, kontinualno promenljiva ulazna velicina se preslikava u kontinualno promenljiv izlaz, tako da je, teorijski, rezolucija beskonacno velika.
U praksi, rezolucija analognih pretvaraca je jednaka sumu koji je uvek prisutan.
Figure 5.13: Rezolucija analognog i digitalnog mernog pretvaraca
Kod digitalnih pretvaraca, kontinualno promenljiva ulazna velicina se diskretizuje u konacan broj izlaznih naponskih intervala DU, pa je rezolucija jednaka koraku DU.
Primer: Signal generator generise sinusoidu 250 Hz izlaznog napona (relativno) 1 V. Pojacanje na ulazu digitalnog osciloskopa je 3.24 puta Sinusoida 250 Hz. Ako se smanji izlazni napon generatora 10 puta, a pokazivanje na osciloskopu "razvuce" 7.53/3.24=2.32 puta, na osciloskopu \'ce se pojaviti "stepenast" signal, vidi se greska usled konacne rezolucije digitalnog signala Losa sinusoida 250 Hz.
Figure 5.14: Rezolucija digitalnog AD konvertera
(U materijalu se ne prica mnogo o AD konverziji. Rezolucija je direktno vezana za to. Lep tekst je u knjizi The Scientists and Engineer's Guide to Digital Signal Processing - Steven Smith - o postupku A-D konverzije prvi deo poglavlja 3 (link ne radi na Internet prezentaciji). Samo slika iz knjige koja to ilustruje: DSP-Slika-3-1.png (link ne radi na Internet prezentaciji).)
Treba razlikovati linearnost samog mernog pretvaraca (na primer, sonde za merenje nivoa vode) od lineranosti ukupnog sistema u kome posredno merimo neku velicinu (na primer nivo vode) da bi odredili neku drugu (na primer, protok na prelivu preko izmerenog nivoa vode).
Linearni sistemi su zgodni za koris\'cenje, jer u celom opsegu imaju istu rezoluciju. Nelinearni su komplikovaniji za obradu, moze da se desi da je rezolucija slabija u opsegu koji nam treba. Primer: ostroivicni Thompsonov preliv, za velike protoke manja rezolucija - isto Dh ne daje isto DQ za malo Q i za veliko Q!
Figure 5.15: Linearnost mernog pretvaraca
NelinearnostKapacitivneSonde-Vojt.png
Nelinearnost samih senzora se najces\'ce tretira kao greska merne opreme. Ako je ta nelinearnost ponovljiva, moze se pazljivom kalibracijom i linearizacijom smanjiti ukupna greska. Na slede\'coj slici je dat primer kalibracije kapacitivne sonde i greske koje su rezultat fabricke kalibracije (linearne) i nelinearne (polinomom tre\'ceg stepena).
Proizvodjaci opreme su duzni da daju podatak o linearnosti mernog davaca.
Pogledati primer kako se u katalozima merne opreme obicno daje podatak o linearnosti, kombinovanoj sa histerezisom i ponovljivos\'cu. Kod ovoh uredjaja je linearnost strujnog izlaza problematicna!
Merni opseg pretvaraca se posmatra u vremenskom i frekventnom domenu:
U vremenskom domenu, bitna je dinamika mernog signala - odnos maksimalne i minimalne amplitude koju treba izmeriti. U celom opsegu preporucljivo je da pretvarac bude linearan.
U frekventnom domenu, bitan je spektar merene velicine - merni pretvarac sa svojom transfer funkcijom treba obezbedi da se celokupan koristan spektar merene velicine nadje u prvoj zoni - gde je pretvarac neutralan (slika na strani ).
Nacin ugradnje i uslovi pod kojima se pretvarac koristi ne spadaju u osnovne parametre mernog pretvaraca, ali mogu znacajno da umanje klasu njegove tacnosti.
Za svaki tip pretvaraca, proizvodjac treba eksplicitno da navede te uslove, a ozbiljniji proizvodjaci cak daju i procenu degradacije merne tacnosti ukoliko se neki od uslova ne ispune.
Camnasio, E., E. Orsi. (2008). Experimenting with a new calibration method for current meters. 7th international conference on hydraulic efficiency measurements (IGHEM), Milano (http://www.ighem.org/IGHEM2008/home.html).
Drenthen, J.G. (1987). Accoustic Discharge Measuring Devices. Discharge and Velocity Measurement. Short course by IAHR Section on Hydraulics Instrumentation. Editor: A. Müler.
Durst, F. (1987). Discharge Measuring Methods in Pipes. Discharge and Velocity Measurement. Short course by IAHR Section on Hydraulics Instrumentation. Editor: A. Müler.
Eckelmann, H. (1987). Hot-film and Hot-wire Anemometers. Discharge and Velocity Measurement. Short course by IAHR Section on Hydraulics Instrumentation. Editor: A. Müler.
Endress, U. (1987). Vortex Shedding Flow Meters. Discharge and Velocity Measurement. Short course by IAHR Section on Hydraulics Instrumentation. Editor: A. Müler.
Fingerston, L.M. (1987). An Introduction to Laser Doppler Anemometry. Discharge and Velocity Measurement. Short course by IAHR Section on Hydraulics Instrumentation. Editor: A. Müler.
Mass, H.G., A. Gruen i D. Papantoniou. (1992). Particle Tracking Velocimetry in Three Dimensional Turbulent Flows - Part I: Photogrammetric Determination of Particle Coordinates. Flow Visualization and Flow Structures. Short course by IAHR program of continuing education. Editor: A. Müler.
Maksimovi\'c, C., J. Despotovi\'c, P. Trisi\'c, M. Simi\'c. (1986). Accuracy and reliability of rainfall and runoff measurements - Examples. Urban Drainage Modelling - Supplements. Editori: C. Maksimovi\'c and M. Radojkovi\'c. Dubrovnik.
Malik, N.A., T. Dracos, D. Papantoniou i H.G. Maas. (1992). Particle Tracking Velocimetry in Three Dimensional Turbulent Flows - Part II: Particle Tracking and Lagrangian Trajectories. Flow Visualization and Flow Structures. Short course by IAHR program of continuing education. Editor: A. Müler.
Merzkirch, W. (1987). Methods of Flow Visualization. Discharge and Velocity Measurement. Short course by IAHR Section on Hydraulics Instrumentation. Editor: A. Müler.
Merzkirch, W. (1992). Methods of Flow Visualization. Flow Visualization and Flow Structures. Short course by IAHR program of continuing education. Editor: A. Müler.
Mettlen, D. (1987). Mass Flow Measurement. Discharge and Velocity Measurement. Short course by IAHR Section on Hydraulics Instrumentation. Editor: A. Müler.
Müller, A. i H.G. Maas. (1992). Methods of Flow Visualization. Flow Visualization and Flow Structures. Short course by IAHR program of continuing education. Editor: A. Müler.
Prodanovi\'c, D., A. Spoljari\'c, M. Iveti\'c i C. Maksimovi\'c. (1985). Dynamic characteristics of a pressure measuring system. Symposium on Measuring Techniques in Hydraulic Research. Delft.
Prodanovi\'c, D. (1992). Eksperimentalno izucavanje uticaja dva tipa regulacionih zatvaraca na fluidnu struju. Magistarski rad. Gradjevinski fakultet Univerziteta u Beogradu.
Patel, V.C. (1987). An Introduction to Measurement of Velocity. Discharge and Velocity Measurement. Short course by IAHR Section on Hydraulics Instrumentation. Editor: A. Müler.
Staubli, T. (1987). Propeller-type Current Meters. Discharge and Velocity Measurement. Short course by IAHR Section on Hydraulics Instrumentation. Editor: A. Müler.
Utami, T. i T. Ueno. (1987). Experimental Study on the Coherent Structure of Turbulent Open-channel Flow Using Visualization and Picture Processing. Journal of Fluid Mechanics. Knjiga 174, strane 399-440.
Vojt, P. (2006). Pove\'canje tacnosti merenja nivoa vode kapacitivnom sondom sa primenom na hidraulickoj analizi vodostana sa prigusivacem. Diplomski rad. Gradjevinski fakultet Univerziteta u Beogradu.
Westerweel, J. (1992). Particle Image Velocimetry. Flow Visualization and Flow Structures. Short course by IAHR program of continuing education. Editor: A. Müler.
White, W.R. (1987). Discharge Measuring Methods in Open Channels. Discharge and Velocity Measurement. Short course by IAHR Section on Hydraulics Instrumentation. Editor: A. Müler.
Footnotes:
1 Cesto je upotrebi rec bazdarenje, ali se ona iskljucivo odnosi na definisanje podele na nekoj skali pri cemu se uglavnom radi o zapremini ili eventualno masi - dakle osnovnim velicinama u direktnom merenju.
File translated from
TEX
by
TTH,
version 3.85. On 20 Oct 2010, 08:24.