Увод

Бабовић Милош

Мартиновић Драгољуб

МЕРЕЊА У АУТОМАТИЦИ

Уџбеник за IV разред електротехничке школе

Завод за уџбенике и наставна средства

Београд

2005.

1. УВОД

Циљ учења:

Када прочитате ово поглавље моћи ћете да схватите:

• Основне појмове и сврху мерења у аутоматици

• Основну структуру мерних уређаја и система

• Које су опште карактеристике мерних уређаја

• Шта су и како се класификују методе мерења

  1. ОСНОВНИ ПОЈАМОВИ И СВРХА МЕРЕЊА У АУТОМАТИЦИ

Мерење је експериментални поступак којим се одређује вредност физичке величине која се мери. Измерена вредност представља податак о количини односно квантитету мерене физичке величине. Мерења су од изузетне важности за процес сазнања и овладавања природним појавама јер дају квантитативне односе - податке о стању и збивањима у физичком свету. Крајњи циљ узимања података или информација путем мерења је овладавање појавама односно управљање у најопштијем смислу.

Сврха мерења се, у најопштијем случају, може изразити у настојању човека да управља процесима у индустрији и животној средини, односно силама природе. Да би се могло управљати претходно се мора мерити, при чему треба настојати да се управља аутоматски свим оним чиме се може управљати мануелно.

Мерења у аутоматици представљају мерења у индустрији где је заступљен висок степен аутоматизације. Назив је шире прихваћен и обухвата сва индустријска мерења, односно и случајеве кад је мерење у функцији мануелног управљања. Сада се, будући да још није остварена потпуна аутоматизација индустријске производње, може ставити приговор на исправност употребе овог назива. Он, међутим, има смисла будући да у развијеном свету већ постоји потпуно аутоматизована производња где мали број стручњака врши само функцију надзора. Мерења омогућавају одржавање и аутоматизацију процеса производње као и побољшање квалитета и смањење цене производа.

Предмет мерења у аутоматици су, пре свега, процеси односно процесне величине. Зато ће, пре преласка на појмове у вези са мерењем, овим појмовима бити посвећена одређена пажња.

Процес је, у најопштијем смислу, трансформација масе, енергије и информација у неком уређају или систему.

Процесна индустрија представља оне индустријске гране које трансформишу велике количина енергије и прерађују велику количину материјала, због чега је процесна индустрија у највећој могућој мери аутоматизована. Ради се, пре свега, о производњи енергије и сировина, а у развијеном свету и одређених производа широке потрошње. Процесна производња се одвија у термоелектранама и топланама. У процесну индустрију спада и производња метала, хемикалија, нафтних деривата, папира, цемента, текстила, дувана и сл.

Процес карактеришу параметри и променљиве процеса.

Параметри процеса су величине које се у једном процесу не мењају, али од којих зависе статичке и динамичке карактеристике процеса. То су на пример: запремина складишта, снага агрегата односно инсталисана снага, капацитет производне линије односно могућности машина. Параметри процеса се одређују у инвестиционој фази тако да се у производном процесу узимају као познате константе и не мере се.

Променљиве процеса су величине које се у току процеса могу мењати, као на пример: влажност, температура, концентрација материјала, притисак, вискозитет, затим залихе, односно количина материјала и сл. Променљиве процеса су предмет текућих мерења у аутоматици.

Процес је стационаран ако се променљиве не мењају са временом без додатних спољних утицаја, а нестационаран ако се бар једна променљива мења са временом. На процес делују спољни утицаји који мењају поједине променљиве процеса и изазивају одступање од жељеног стационарног режима. Дејство ових утицаја назива се поремећај процеса и последица је промена квалитета производа. Поремећај процеса се установљава мерењем, а исправља регулационим деловањем.

Типични примери процеса у индустрији су: а) преношење количине кретања код механичких система и механизама; б) макроскопско преношење масе код кретања флуида и чврстог зрнастог материјала; в) преношење топлоте код размењивача топлоте, грејача и бојлера; г) енергетске трансформације код хидро и термо електрана; д) хемијске реакције код изотропних и анизотропних процеса.

Типичне процесне величине су: померај, брзина, убрзање, сила, притисак, проток, напон, струја, учестаност, pH вредност, влажност, температура, количина масе, састав материјала.

Кључне компоненте за мерења генерално, као и за мерења у аутоматици, јесу претварачи уопште, а посебно мерни претварачи, односно сензори.

Претварачи врше претварање једног облика енергије или сигнала у одређени захтевани други облик енергије или сигнала. Сам појам претварача (конвертора) веома је широк и генерално обухвата сваку промену облика енергије или сигнала. У пракси се, међутим, назив претварач користи за претварање једносмерне струје у наизменичну струју (DC/AC конвертори) - инверторски претварачи и претварање енергије једног напонски ниво у други - једносмерни претварачи. У информационим техникама, које се заснивају на обрадама сигнала, претварачи врше превођење сигнала из једног информационог облика у неки други (на пример аналогно дигитални претварачи) или из једног енергетског облика у други (на пример претварачи неелектричних у електричне сигнале).

Мерни претварачи су претварачи сигнала који врше претварање мерене величине у погодан сигнал који садржи мерне податке, односно мерну информацију. „Мерни претварач је уређај који прима информацију у облику физичке величине (његова улазна величина) и у складу са одређеним физичким законом претвара је у информацију у облику исте те или неке драге физичке величине” (дефиниција из метролошког речника). У мерној и регулационој техници користи се назив давач, мерни давач или трансдјусер (енгл. Transducer; нем. Messumformer, Geber). Постоји велики број различитих типова давача, који имају различите називе зависно од природе физичке појаве која је у основи њиховог функционисања: давач линеарног помераја, угла, брзине, убрзања; давач протока; давач температуре; давач притиска; давач нивоа и др. За мерне претвараче данас се највише одомаћио назив сензор.

Сензор је компонента која мерену величину претвара у мерни сигнал погодан за даљу обраду, приказивање и управљање. Сензор је неизбежна и најкритичнија компонента у читавом мерном ланцу, а може садржати велики број разноврсних елемената и склопова.

Мерени сигнали су енергетски слаби сигнали и зато се елемент или део мерног давача који непосредно прима физичку величину и претвара је у величину погодну за мерење назива осетни елеменат, сензор или детектор (енг. sensor, detecting device, нем. Messfuler). Ми ћемо најчешће користити интернационални термин сензор. У табели 1.1 набројани су примери сензора са улазним и излазним величинама.

(Табела 1.1 - Примери сензора)

Основне карактеристике мерних претварача су: мерена величина, принцип претварања, осетљивост и временска константа, односно брзина реаговања. У табели 1.2 дат је преглед основних карактеристика неких мерних претварача.

(Табела 1.2 - Основне карактеристике неких мерних претварача)

1.2. МЕРНИ УРЕДЈАЈИ И СИСТЕМИ

Мерни уређај(што је леп домаћи израз) или мерни инструмент(што је чешће коришћен израз страног порекла) представља скуп компонената обједињених у једну целину који врши функцију мерења одређене физичке величине. За ближе упознавање основних елемената једног класичног мерног уређаја и мерног система може да користи општа блок шема приказана на слици 1.1. Дата блок показује принцип функционисања који остаје у важности и код савремених, интегрисаних програмираних мерних уређаја са уграђеним микрорачунаром. Код савремених уређаја који се називају софистицираним, односно интелигентним функције појединих подсклопова и модула класичних уређаја извршавају се програмски, односно софтверски.

Мерни систем је шири појам, који поред мерног уређаја, обухвата и његово окружење: мерни објект, систем за надзор, регулационе и друге елементе који учествују у меро—регулационом процесу.

Мерени објект садржи мерену физичку величину. Мерена физичка величина, како је већ речено, може бити количина материје, сила, притисак, температура, влажност, састав материјала, напон, струја, учестаност и др.

Систем за **надзор или *мониторинг ***(у иностраној терминологији) може бити непосредно човек или „интелигентна” машина.

Мерни уређај по правилу садржи сензоре, процесор за обраду сигнала, индикатор и калибратор.

Сензори су, како је већ речено, мерни претварачи који претварају мерену величину у електрични сигнал погодан за даљу обраду. Електрични сигнал се може добити непосредним претварањем мерене величине у електрични сигнал. У пракси се често користе сложенији претварачи код којих се мерена величина претвара у електрични сигнал посредно после више претварања. Тако се, на пример, Бурдонова цев користи за претварање притиска у померај, а затим се помоћу индуктивног претварача добије електромоторна сила.

Модули за обраду сигнала, односно процесори сигнала садрже појачаваче, филтре, интеграторе а у случају потребе и процесоре за сложене обраде сигнала који раде специјалним програмима.

(Слика 1.1. - Блок шема мерног уређаја и система)

Појачавачи сигнала се користе пошто претварачи обично дају сувише мале излазне величине да би се одмах могле користити и приказивати. Зато се сигнали од сензора прво појачавају, пре било које даље обраде. Појачавачи мерних сигнала некад се морају уграђивати непосредно уз сензор јер је сигнал који он даје толико мали да се, услед слабљења у току преноса, на улазу инструмента не би могао детектовати. Појачавач треба само да повећа интензитет сигнала а не сме да утиче на облик сигнал јер су у њему садржане информације о мереној величини. Промена облика сигнала услед утицаја паразитних сигнала, сметњи и утицаја параметара кола за обраду сигнала смањује или уништава информацију коју носи сигнал. Зависно од врсте сигнала и захтева под којим уређаји раде, примењују се одговарајући појачавачи. Постоје развијени појачавачи за скоро све врсте сигнала: механички, хидраулични, пнеуматски, оптички и електрични. Сви они користе потенцијал допунског енергетског извора. Ослобађање енергије допунског извора на оптерећењу контролише се улазним сигналом и одвија се по закону промене тог сигнала. Тако излазни сигнал појачавача представља, у суштини, промену интензитета ослобађања енергије допунског извора на потрошачу, односно оптерећењу, под утицајем улазног сигнала.

Филтар има функцију да одвоји мерени сигнал од других нежељених сигнала. Непожељни сигнали се обично означавају као сметње и шумови. Постоје развијени механички, пнеуматски и огроман број најразличитијих типова електричних филтара.

Интегратор има функцију да изврши одређену врсту усредњавања вредности мерног сигнала у циљу добијања дејства неке величине у одређеном интервалу времена или у циљу елиминисања сметњи. То је неопходно када је нека појава брзопроменљива и када нису толико битне тренутне вредности колико учинак на дужи период, односно средње вредности, као и у случају кад су сметње много краће па се њиховим усредњавањем смањује и њихов утицај.

А/Д претварач (конвертор) претвара аналогни сигнал у дигитални (цифарски) облик сигнала. Притом се тежи очувању свих вредности које представљају информацију ο мереној величини. Ово је разумљива потреба с обзиром на значај дигиталне технике не само за дату анализу и обраду мерних сигнала већ и у склопу регулационе петље управљачких система.

Обрађени мерни сигнал се прослеђује регулационом елементу, у случају аутоматизованог система, или на показни инструмент, у случају мануелног управљања.

Индикатори, показни уређаји или дисплеји имају функцију да у мерним системима дају мерни сигнал у визуелном облику и намењени су проматрачу, односно руковаоцу као крајњем кориснику. Аналогни начин приказивања је помоћу скала и графикона; писачи остављају трајне записе - hard copy - а на екранима (мониторима) се врше привремена посматрања и дигитални записи помоћу алфанумеричких приказивача.

Мерни уређај обично садржи на више места елементе за подешавање нуле и других карактеристика. У оквиру мерног уређаја често је уграђен посебан склоп који служи за калибрацију уређаја и означава се као калибратор.

Калибрација (баждарење) представља поступак утврђивања стварног положаја знакова (евентуално само извесних главних знакова) на мерилу у функцији одговарајућих вредности мерене величине. То је поступак који се обавља у току одржавања или припрема мерног уређаја за рад.

Мерни систем сачињава мерни уређај са окружењем. Мерни систем се углавном састоји од мерног уређаја, мерног објекта, регулационог елемента и проматрача који врши надзор.

Мерењем се обезбеђује осмишљена регулација у циљу одржавања система или процеса у постављено стање или пак промену тог стања по утврђеном програму. Зато мерни уређај представља саставни део система аутоматске регулације, што се може видети из опште блок-шеме дате на слици 1.2.

(Слика 1.2 - Мерни уређај у систему аутоматске регулације)

Мерни уређај, детаљније представљен на слици 1.1, а на слици 1.2 истакнут дебљим оквиром, мери вредност управљане променљиве на излазу процеса. Измерена вредност са излаза мерног уређаја пореди се компаратором који се назива детектор грешке са референтном вредношћу. Управљачки сигнал из детектора грешке води се на елементе који управљају одређеним процесним величинама.

Да би се видели примери система чија се структура може приказати блок шемом на слици 1.2, није потребно обилазити индустријску производњу. Њих је пуно у свакодневном животу. Довољно је поменути само фрижидер, електрични шпорет и термоакумулациону пећ. Код њих се помоћу термостата, који мере температуру, поставља и референтна вредност. Управљање се остварује преко прекидача који укључују или искључују енергетски извор. Поремећај, који се огледа у загревању или хлађењу средине, може се убрзано изазвати отварањем врата (фрижидера, пећнице, просторије).

У савременим мерним системима, као и у системима управљања користи се рачунар који врши функцију контролера. Контролер са рачунаром значајно проширује могућности и појединих компонената и система као целине. На слици 1.3 је дата општа блок-шема рачунара у систему аутоматског управљања.

Рачунар се користи за мерење и управљање процесом који обухвата неколико улазних сигнала као што су температура, притисак, проток, који су по природи аналогни. Аналогни сигнали се помоћу А/Д претварача прво преводе у дигитални облик. Мултиплексер, којим се управља из рачунара, има улогу да временски распореди сигнале. Преко једног серијског улаза и једног А/Д претварача могуће је проследити више сигнала. Сигнали који носе информацију о вредности измерене величине обрађују се у рачунару. Рачунар ради са програмима за управљање који користе измерене вредности улазних сигнала за генерисање излазних управљачких сигнала. Излазни сигнали рачунара који су у дигиталном, односно цифарском облику преводе се помоћу Д/А (дигитално - аналогних) претварача у аналогне сигнале да би могли да делују на крајње извршне елементе као што су вентили и мотори. Тастатура служи за манипулацију рачунаром који врши функцију контролера.

(Слика 1.3 - Рачунар у функцији контролера у систему аутоматског управљања)

Савремени мерни уређаји, односно инструменти садрже уграђене микрорачунаре. Они могу да извршавају специјализоване програме и раде као виртуелну инструменти. Појам виртуелан означава нешто што се чини да функционише као стварно а у ствари је привидно, односно симулација (на пример: енглеска краљица се вози златним кочијама, слави јој се рођендан на три континента и понаша се као да има апсолутну власт, а у суштини све је симулација и привид због традиције и туризма).

Виртуелни инструмент је програмирани уређај или рачунарски систем који одрађује функцију одређеног специјализованог, класичног инструмената чија слика може да се види на екрану. Виртуални инструменти практично имају само сензоре класичних реалних инструмента док све остале функције, као што су обраде сигнала, програмски одрађује рачунар.

1.3 ОПШТЕ КАРАКТЕРИСТИКЕ МЕРНИХ УРЕЂАЈА

Мерни уређаји (мерила) у првом реду се описују преко својих функционалних карактеристика. Постоје утврђене одређене опште карактеристике преко којих се инструменти описују и пореде, те класификују њихове могућности или перформансе. Те карактеристике се могу сврстати у две групе: статичке и динамичке.

1.3.1 СТАТИЧКЕ КАРАКТЕРИСТИКЕ

Статичке карактеристике описују мерни уређај у стационарним радним условима кад инструмент следи динамику контролисаног процеса, односно кад брзина промене мерене величине не изазива деформацију мерног сигнала. Када се исказују статичке карактеристике сматра се да су мерни сигнали спори или временски независни. Најважније статичке карактеристике су: тачност, прецизност, резолуција, праг осетљивости, статичка осетљивост, линеарност, хистерезис, дрифт, улазна импеданца и излазна импеданца.

Тачност мерила је својство које карактерише способност мерила да показује вредности блиске правој вредности мерене величине. Означимо са $V_{\text{t}}$ праву вредност (енг. труе валуе), а са $V_{\text{m}}$ мерену вредност. Сада се тачност може изразити процентуално преко грешке инструмента, и то на два начина: као проценат одступања од праве вредности, $\left(V_{\text{m}}-V_{\text{t}}\right)\cdot 100\,V_{\text{t}}$ и као проценат одступања од пуне скале $\left(V_{\text{m}}-V_{\text{t}}\right)\cdot 100/V_{\text{ms}}$, при чему је $V_{\text{ms}}$ максимална вредност скале. Треба водити рачуна о томе која се дефиниција наводи јер се у супротном може створити забуна ο којој класи инструмента је реч. Тако на пример, грешка од 1 % пуне скале за волтметар опсега до 1000 V значи да ће мерену вредност од 100 V инструменат показати у интервалу од 90 V до 110 V. Ако је, међутим, речено да је један проценат одступања од праве вредности онда ће показивање волтметра бити у интервалу 99 V до 101 V. Дакле, прва дефиниција подразумева строжији критеријум. Тачност зависи од унутрашњих ограничења у конструкцији инструмента, као и од недостатака у мерном поступку.

Прецизност је мера поновљивости мерења, односно способности инструмента да за исти улазни сигнал покаже исту вредност мерене величине. Једноставно речено, иста вредност се мери више пута и посматра показивање инструмента. Резултати мерења се групишу у околини праве вредности, каже се да су растурени око праве вредности.

Прецизност се изражава у процентима као однос броја поновљених мерења код којих су показивања у оквиру задате тачности (повољни исходи) и укупног броја поновљених мерења. Најпрецизнији би био инструмент који би за исту улазну вредност стално показивао исти резултат. Прецизност није искључиво условљена тачношћу. И инструмент са мањом тачношћу може да буде прецизан. Прецизност зависи од случајних грешака.

Резолуција представља најмањи прираштај мерене вредности коју инструмент са сигурношћу може детектовати. Другим рецима, то је степен финоће са којом се може извршити мерење.

Резолуција се изражава крајњом, односно најмањом цифром коју инструмент може да покаже. Инструмент који може да детектује најмању могућу промену на улазу има највећу резолуцију.

Праг осетљивости се дефинише као минимална вредност на улазу испод које инструмент не може детектовати мерени сигнал, односно испод које се не појављује излазни сигнал. Резолуцију и праг осетљивости не треба везивати за нулте вредности, већ за релативне вредности.

Статичка осетљивост (назива се још и фактор скале или појачање) мерила за дату вредност мерене величине, изражава се количником прираштаја излазног сигнала према променама улазног сигнала. У случају линеарне зависности излазног сигнала од улазног, статичка осетљивост је константа, а променљива је уколико је ова зависност нелинеарна. Статичка осетљивост се одређује у процесу утврђивања улазно-излазне карактеристике инструмента (процес статичке калибрације).

Линеарност инструмента изражава степен одступања улазно-излазне карактеристике од линеарне зависности. Даје се у процентима, обично за најнеповољнији случај односно за пуни отклон скале. Ова карактеристика је важна јер се увек тежи линеарној законитости и линеарним скалама, а непознавање одступања од линеарности се директно пресликава као грешка мерења.

Хистерезис се дефинише као величина грешке мерила до које долази на излазу за дату вредност улаза када се тој вредности прилази било повећањем било смањењем мерене величине. Изазивају га еластичне деформације, заостаци магнетске енергије или ефекти трења.

Улазно-излазна карактеристика у облику затворене криве назива се хистерезисна петља; она сугерише да уређај има хистерезисна својства. То је код мерења непожељна појава, која изазива грешку, и зато се траже начини да се елиминише.

Дрифт (одступање, померај) се дефинише као спора промена, односно нестабилност излаза за дати улаз због промене параметара средине, најчешће услед утицаја промена температуре и нестабилности компонената. Дрифт постоји у читавом опсегу, али се најлакше препознаје и елиминише дрифт нуле (код већине инструмената је остављена могућност корекције дрифта).

Улазна импеданца представља однос напона и струје на улазним прикључцима мерног уређаја. То је важан параметар електричних инструмената, јер одређује начин прилагођења и прикључивања на мерни објект. Она показује колико је инструменту потребно енергије за побуду, односно колико оптерећење он представља мерном објекту.

Излазна импеданца представља однос напона и струје на излазним прикључцима извора мерног сигнала. Извори мерног сигнала могу бити претварачи неелектричних величина у електричне - трансдјусери или излази инструмената предвиђени за прикључивање драгих уређаја за даљу обраду и меморисање сигнала.

Из вредности улазне и излазне импеданце може се закључити колико се прикључивањем инструмента нарушава постојеће фактичко стање мереног објекта. Када се ради о нискоенергетским процесима и сензорима, тежи се што већој улазној импеданци да би се елиминисала улазна струја, односно да би инструмент што мање оптерећивао мерни претварач и мерени објект. Често се захтева веома мало оптерећење са стране инструмента, односно веома велика улазна импеданца. Зато су развијени специјализовани електронски инструменти са улазном отпорношћу која иде до $10^{10}\;\Omega$ (електрометри). Када се захтева највећа предаја енергије од мереног објекта, прилагођава се по снази и тада излазна импеданца претварача треба да буде једнака улазној импеданци инструмента. Код мерења струје тражи се да улазна отпорност инструмента тежи нули.

Статичке карактеристике одређују техничке могућности, квалитет, још се каже и класу, мерног уређаја. Карактеристике мерних уређаја, нарочито оне које се односе на тачност мерења, имају велики значај не само у техничком већ и у општедруштвеном погледу. То је очигледно када се има у виду размена материјалних добара. Зато мерни уређаји, посебно они који се налазе у јавном промету, подлежу друштвеној контроли, односно законским прописима. Ови прописи директно регулишу примену и одржавање, а индиректно и конструкцију мерних уређаја.

1.3.2. ДИНАМИЧКЕ КАРАКТЕРИСТИКЕ

Динамичке карактеристике показују начин реаговања мерног уређаја (одзив) на динамику мереног процеса (побуде), односно зависност излазног сигнала од брзине промена мереног улазног сигнала. Динамичке карактеристике се математички изражавају преко такозване преносне функције која се добија као однос излазног и улазног сигнала у функцији учестаности. Графички се преносна функција може представити зависношћу амплитуде и фазе излазног сигнала у функцији учестаности. Динамичке карактеристике се одређују тако што се на улаз мерног уређаја прикључују сигнали познатог облика и спектра, а на излазу се посматрају одговарајући излазни сигнали. На основу поређења и уочених промена, одређује се понашање уређаја и за произвољне мерене сигнале.

Уопштено посматрано, сваки уређај поседује инерцију. Због тога увек постоје брзине промена које инструмент не може да следи и изнад којих се излазни сигнали смањују и нестају. Поред инерције, уређаји поседују мање или више изражена резонантна својства. Резонанца се код мерних уређаја манифестује у порасту излазног сигнала у одређеном опсегу брзине промена улазног сигнала. У циљу постизања независности излазног сигнала од брзине промене улазног сигнала, што значи остваривања фреквентно равне амплитудске карактеристике уређаја, предузимају се конструктивне мере за пригушење резонанце.

Обзиром на динамичку карактеристику, инструменти могу бити са фреквентним одзивом нултог, првог, другог и вишег реда, зависно од највишег степена који се појављује у изразу за преносну функцију (опширније о овоме у предмету Основи аутоматског управљања). На примеру мерних инструмената са скалом, ова подела се може схватити на следећи начин. Код инструмената са одзивом нултог реда казаљка би, по прикључењу мереног напона, муњевито скочила и зауставила се на показну вредност на скали инструмента. Код инструмената првог реда, казаљка коначном брзином долази до показне вредности и ту стане. Код инструмената са фреквентним одзивом друго реда, казаљка иде одређеном брзином до показне вредности, али се на њој не заустави одмах већ тек после одређеног броја осцилација у њеној околини.

1.3.3. ПОУЗДАНОСТ

Описане карактеристике су важне за функционисање мерних уређаја и о њима размишљају конструктори у току пројектовања, инвеститори у току набавке и руковаоци у току примене и одржавања мерних уређаја. Постоји још једна важна карактеристика коју у новије време стављају као први захтев конструктори, помињу инвеститори и у току експлоатације прате руковаоци. То је поузданост мерног уређаја.

Поузданост се најчешће изражава преко средњег времена између два отказа или помоћу учестаности отказа $\lambda$. На сл. 1.4 приказана је типична крива промене учестаности отказа $\lambda$ током радног века једног уређаја.

(Сл. 1.4 - Зависност учестаности отказа од времена)

Са развојем војне и космичке технологије поузданост је постала посебна научна област.О теорији поузданости је већ написано много књига, а излази и више специјализованих стручних часописа који обрађују проблеме везане за остваривање веће поузданости уређаја. Мерна техника је прва област где су решења теорије поузданости нашла практичну примену. Разлог лежи у томе што мерни инструменти спадају у групу најскупљих уређаја и што у аутоматизованим процесима њихов отказ много кошта.

Основни осећај о поузданости, односно повећању поузданости уређаја може се стећи на основу следећих елементарних разматрања којима се обично бави конструктор. Прво се тражи поузданост компонената од којих се прави уређај, а затим се гледају технички захтеви у погледу енергетских оптерећења, односно напрезања и других радних услова. На основу тога се ради прорачун поузданости и откривају критични делови у погледу учестаности отказа. Најједноставнији поступак за повећањепоузданости је дуплирање критичних делова у уређају а некад и читавих склопова. Када су у питању показни инструменти на веома важним местима, уместо једног инструмента постављају се три. Код очитавања два инструмента може да дође до забуне који инструменат тачно показује, а у случају три показна инструмента као тачна вредност се прихвата која је иста код два инструмента.

Исправан рад инструмената, а тиме и коректност производног процеса, зависи не само од начина рада већ и од одржавања. Поступак одржавања укључује преглед, дијагностику (установљавање кварова) и сервисирање (поправка) мерних уређаја. У савременој организацији одржавања истиче се превентивно одржавање (спречавање отказа). Оно укључује разматрање поузданости уређаја и предузимање одређених мера у циљу смањења учестаности отказа, као и калибрацију у циљу одржавања задате тачности мерних резултата.

1.4. МЕТОДЕ МЕРЕЊА

Мерна метода описује начин на који се третирају физичке појаве, принципе упоређивања мерене величине са мером и поступак коришћења мерних уређаја у току процеса мерења. Постоје различите мерне методе и њихове класификације од којих ће овде бити наведене најзначајније.

Метода непосредног процењивања (одбројавања) састоји се од непосредног очитавања резултата на мерном уређају са скалом или бројчаником са означеним јединицама физичке величине. Овај метод је веома прост и најчешће се користи.

Метода упоређивања даје тачније резултате али је сложенија од непосредног процењивања и зато се првенствено користи у лабораторијским условима. Вредност физичке величине се одређује упоређивањем мерене величине са величином која производи меру у процесу сваког мерења. Разликују се диференцијална и нулта метода, метода замене, метода директног поређења и метода супротстављања.

Диференцијална метода или метода разлике базира се на уређају који производи познату величину $X_{0}$, пореди је са непознатом величином $X$ и приказује разлику $\Delta X$. Ова метода подразумева постојање енергетског извора и једнозначне мере. Тачност методе се повећава умањењем разлике величина које се упоређују. Пример је мерење учестаности хетеродинском методом, при чему се мерена фреквенција упоређује са неком блиском, тачно одређеном фреквенцијом а разлика се на погодан начин означава.

Нулта метода је посебан случај диференцијалне методе којом резултујуће дејство мерене и познате величине доводи уређај поређења до нуле. Пример су мерни мостови, или мерење учестаности са нултим избијањем.

Код методе замене, мерена величина се замењује познатом као еталоном који по вредности одговара замењеној. Користи се за прецизно мерење отпорности, индуктивности и капацитивности.

Метода директног поређења се користи да би се повремено проверила тачност неког инструмента у односу на његов еталон.

Метода супротстављања се састоји у једновременом дејству мерене и познате величине на уређај за упоређивање чијом се индикацијом утврђује њихов међусобни однос.

Мерења се према начину налажења бројног резултата мерења могу бити непосредна, тј. директна и посредна, тј. индиректна.

Код непосредног мерења тражена вредност физичке величине се налази непосредним поређењем са одговарајућом мерном јединицом (нпр. мерење дужине метром, струје амперметром, напона волтметром).

Код посредног мерења тражена вредност физичке величине се налази на основу познатих физичких законитости и веза између тражене величине и аргумената величина које се добијају непосредним мерењем; на пример, одређивање електричне отпорности претходним одређивањем напона и струје и коришћењем обрасца $R=U/I$.

Према броју посматрања (очитавања) мерење може бити једнократно и статистичко. Статистичко мерење подразумева вршење вишеструких посматрања (очитавања).

Према карактеру зависности измерене величине од времена, мерења се деле на статичка (мерена величина остаје константна у току мерног процеса) и динамичка (мерена величина се мења у току мерног процеса).

Према условима које одређују степен тачности резултата разликују се мерења са максимално могућом тачношћу остварљивом при постојећем нивоу технике, контролно испитна мерења, код којих грешка не треба да пређе неку унапред задату вредност и техничка мерења, код којих је тачност резултата мерења одређена карактеристикама мерних уређаја.

КОНТРОЛНА ПИТАЊА

1. Шта је мерење и каква је сврха мерења?

2. Шта се подразумева под мерењима у аутоматици?

3. Како се може дефинисати процес и које се процесне величине јављају у индустрији?

 

4. Шта је то сензор?

5. Како се могу представити мерни уређај и мерни систем?

6. Где је место мерног уређаја у систему аутоматског управљања?

7. Шта је то виртуелни инструмент?

8. Које су основне карактеристике мерних уређаја?

9. Које су основне мерне методе?

10. Како се дефинише поузданост?