Bakalářská práce. Měření s podporou počítače. vypracoval: Miroslav Hartl vedoucí práce: Ing. Daniel Zuth obor: Aplikovaná informatika a řízení

Transkript

1 Bakalářská práce Měření s podporou počítače vypracoval: Miroslav Hartl vedoucí práce: Ing. Daniel Zuth obor: Aplikovaná informatika a řízení 2006

2

3 Strana 3 ZADÁNÍ ZÁVĚREČNÉ PRÁCE (na místo tohoto listu vložte originál a nebo kopii zadání Vaší práce) Strana 5

4

5 Strana 5 ANOTACE V předložené bakalářské práci je řešena problematika kalibrace elektronické váhy, složené z tenzometrického snímače. Kalibrace se provádí pomocí návazné sady závaží. Cílem práce je návrh a realizace jednoduché laboratorní úlohy, která využívá podporu výpočetní techniky. Návrh a sestavení pracoviště je omezeno již dodanými zařízeními či komponenty (snímač, váha, měřicí karta, napájecí zdroj a SW). Výsledkem je kompletní kalibrační protokol. ANNOTATION The contents of the presented bachelor work is a solution of the weighting-machine calibration with PC. The aim of this work is a suggestion and development of the working place where the calibration of the weighting-machine could be performed.

6

7 Strana 7 PODĚKOVÁNÍ Touto cestou děkuji Ing.Danielu Zuthovi a Ing.Františku Vdolečkovi, CSc. za jejich odbornou pomoc. PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že bakalářskou práci na téma Měření s podporou počítače jsem vypracoval samostatně s použitím doporučené odborné literatury, kterou jsem všechnu citoval v seznamu literatury a pod odborným vedením svého vedoucího bakalářské práce. V Brně

8

9 Strana 9 OBSAH Zadání závěrečné práce.. 3 Anotace. 5 Poděkování, prohlášení Úvod Národní metrologický systém ČR Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví Český metrologický institut Přidružené laboratoře ČMI Měření sil, hmotnosti a tlaku Měřicí obvod neelektrických veličin a jejich měření Snímače Chyby a nejistoty měření Chyby měření Rozdělení chyb měření Zdroje chyb měření Nejistoty výsledků měření Vyhodnocení nejistot metodou typu A Vyhodnocení nejistot metodou typu B Nejistoty kombinované a rozšířené Zdroje nejistot Korekce chyb a nejistot Metrologie hmotnosti, návaznost Státní etalony Návaznost Využití počítače při měření Současné měřící karty Software používaný při měření Control Web Realizace kalibračního pracoviště Zapojení pracoviště a jeho prvky Návrh a realizace aplikace v systému Control Web Kalibrační protokol Metodika práce s navrženou úlohou Instrukce pro měření Závěr...43 Seznam použité literatury...45 Seznam příloh...47

10

11 Strana 11 1 ÚVOD Tato práce pojednává o základech kalibrace či ověřování měřidel. V současnosti je nutné pro jednotnost a správnost měřidel zajistit jejich návaznost. Tato je zajištěna zákonem č. 505/1990 Sb., ve znění pozdějších přepisů. Zákon o metrologii definuje pojem návaznost měřidel jako zařazení daných měřidel do nepřerušené posloupnosti přenosu hodnoty veličiny počínající etalonem nejvyšší metrologické kvality pro daný účel. Proces návaznosti etalonů a pracovních měřidel je nazýván kalibrací. Při kalibraci pracovního měřidla se jeho metrologické vlastnosti porovnávají zpravidla s etalonem, popř. referenčním či certifikovaným materiálem. Je zde také poukázáno na možnost využití počítače při měření. Jaké jsou k dispozici měřící prostředky a zařízení a jejich možnosti. Výsledkem této práce je kalibrace elektronické obchodní váhy pomocí navázané sady závaží. Tento typ úlohy se vyskytuje poměrně často, neboť např. každá obchodní váha dle Vyhlášky Ministerstva průmyslu a obchodu ze dne 14. července 2000, musí projít povinným ověřováním každé 2 roky. Práce je zamýšlena jako modelová laboratorní úloha řešící právě kalibraci obchodní váhy.

12

13 Strana 13 2 NÁRODNÍ METROLOGICKÝ SYSTÉM ČR Národní metrologický systém je tvořen soustavou právních a technických předpisů, které vymezují postavení orgánů státní správy a dalších subjektů. Je také zaměřen na subjekty vyrábějícími, opravujícími a montujícími měřidla a uživateli samotných měřidel. Systém je vytvořen nad komplexem technických prostředků a zařízení. Základní oblasti, kde systém působí jsou: fundamentální metrologie je základem metrologického systému, zabývá se soustavou měřicích jednotek a státními etalony legální metrologie zabezpečuje jednotnost a správnost měření v regulované sféře podle platné právní úpravy průmyslová metrologie zaměřuje se na obsluhu měřidel v průmyslu, zajišťující předpoklady pro dosažení vysoké jakosti výrobků a služeb v širokém oboru měření a zkoušení. Obr. 1 Zjednodušené schéma národního metrologického systému ČR

14 Strana 14 Národní metrologický systém ČR Metrologii v ČR zabezpečuje Ministerstvo průmyslu a obchodu (MPO), které vypracovává návrhy koncepci v těchto činnostech řídí Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví (ÚNMZ) Český metrologický institut (ČMI) Český institut pro akreditaci (ČIA) Český normalizační institut (ČSNI) rozhoduje o opravných prostředcích proti rozhodnutí ÚNMZ zabezpečuje řízení státní politiky v oblasti metrologie zabezpečuje vypracování návrhů právních předpisů v oblasti metrologie Dalšími subjekty metrologického systému jsou: státní metrologická střediska (SMS) střediska kalibrační služby (SKS) autorizovaná metrologická střediska (AMS) výrobci a opravci měřidel uživatelé měřidel Vztahy mezi subjekty jsou znázorněny na obr.2. Obr. 2 Zúčastněné subjekty metrologického systému ČR

15 Národní metrologický systém ČR Strana Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví (ÚNMZ) je organizační složkou státu v resortu Ministerstva průmyslu a obchodu a je zřízen zákonem ČNR č. 20/1993 Sb. o zabezpečení výkonu státní správy v oblasti technické normalizace, metrologie a státního zkušebnictví jako orgán státní správy pro předmětné činnosti. Hlavním posláním Úřadu je zabezpečovat především úkoly vyplývající ze zákonů České republiky upravujících technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví. Úřad zabezpečuje úkoly stanovené v: zákoně č. 20/1993 Sb., o zabezpečení výkonu státní správy v oblasti technické normalizace, metrologie a státního zkušebnictví, ve znění pozdějších předpisů, zákoně č. 22/1997 Sb., o technických požadavcích na výrobky a o změně a doplnění některých zákonů, ve znění pozdějších předpisů, zákoně č. 505/1990 Sb., o metrologii, ve znění pozdějších předpisů. Z pověření Ministerstva průmyslu a obchodu zajišťuje Úřad i další úkoly, např. zajišťuje funkci Informačního střediska Světové obchodní organizace (WTO) zastupuje Českou republiku v příslušných mezinárodních orgánech a organizacích a zabezpečuje úkoly z toho vyplývající připravuje návrhy na sjednání, změny a vypovězení mezinárodních veřejnoprávních smluv a koordinuje, popřípadě zabezpečuje plnění úkolů z těchto smluv vyplývajících zpracovává podklady k rozhodnutí MPO o pověření (popřípadě o zrušení pověření) právnické osoby zabezpečováním tvorby a vydáváním českých technických norem a ke zveřejnění tohoto pověření ve Sbírce zákonů ČR zpracovává návrhy právních předpisů z oblasti technické normalizace, metrologie a státního zkušebnictví 2.2 Český metrologický institut Český metrologický institut (ČMI) je základním výkonným orgánem českého národního metrologického systému. Zabezpečuje jednotnost a přesnost měřidel a měření ve všech oborech vědecké, technické a hospodářské činnosti. Zajišťuje především shodu realizace jednotek veličin v České republice s mezinárodně uznávanými etalony a přenos jednotek do praxe. Činnosti institutu: fundamentální metrologie, rozvoj a uchovávání státních etalonů rozvoj a mezinárodní porovnávání státních etalonů průmyslová metrologie, zabezpečení návaznosti měření, kalibrační služba legální metrologie, schvalování typů měřidel, ověřování stanovených měřidel, metrologický dozor

16 Strana 16 Národní metrologický systém ČR K předmětu činnosti ČMI patří mimo jiné: uchování a technický rozvoj státních a ostatních primárních etalonů, včetně přenosu hodnoty měřících jednotek na sekundární etalony, uchování sekundárních etalonů nejvyšších řádů a výkon státní metrologické kontroly měřidel ověřování stanovených měřidel státní metrologický dozor a dohled vědecká, vývojová a výzkumná činnosti v oblasti metrologie kalibrace měřidel v majetku nebo v užívání právnických a fyzických osob zabezpečování mezinárodní spolupráce v oblasti metrologie poskytování metrologických expertiz, vydávání osvědčení a odborných posudků poskytování technických metrologických výkonů schvalování typu tuzemských a dovážených měřidel řízení tvorby referenčních materiálů a jejich osvědčování registrace subjektů, které vyrábějí nebo opravují stanovená měřidla, popřípadě provádějí jejich montáž Česká republika je signatářem Metrické konvence od samého počátku (jako právní nástupce dřívějších státních útvarů). Český metrologický institut je členem (od r. 1996) sdružení EUROMET a podílí se na řešení společných projektů. ČMI je z pověření MPO signatářem Ujednání o vzájemném uznávání státních etalonů a certifikátů vydávaných národními metrologickými institucemi (MRA). Experti ČMI se podílí na práci organizací legální metrologie OIML a WELMEC. státní etalony kalibrační služby služby legální metrologie Obr. 3 Mapa služeb ČMI v ČR

17 Národní metrologický systém ČR Strana Přidružené laboratoře ČMI Přidružené laboratoře doplňují infrastrukturu metrologického systému na nejvyšší úrovni v České republice. Působí ve specifických oborech, kde některé aspekty slibují efektivnější uspokojení potřeb hospodářství, než zřízení příslušné laboratoře v ČMI. Přidružené laboratoře jsou zpravidla špičkovými pracovišti ve svém oboru. Řešení pomocí přidružené laboratoře se volí například tehdy, jestliže laboratoř pokrývá svými výkony potřeby omezeného počtu uživatelů, nebo se zabývá extrémními hodnotami veličin, nebo pracuje ve velmi specializovaném oboru. Soustava přidružených laboratoří není uzavřená. Schopnost přidružené laboratoře je prověřena akreditací podle ČSN EN ISO/IEC nebo posouzením expertní komisí ČMI. ČMI zastupuje laboratoř v činnostech souvisejících s Ujednáním MRA a s působením ve sdružení EUROMET. Laboratoř akceptuje prvky systému řízení jakosti ČMI související se státními etalony, klíčovými porovnání, prezentací CMC a s prací kontaktních osob EUROMET. Zavedení statutu přidružené laboratoře se opírá jednak o metrologickou legislativu (státní etalony), ale také o zájem laboratoří působit v této pozici v národním metrologickém systému a o zvláštní dohodu, kterou laboratoř uzavírá s Českým metrologickým institutem. Přidruženými laboratořemi jsou (rok 2003): Laboratoř státního etalonu času a frekvence ÚRE AV ČR Metrologické středisko VÚGTK Zdiby Metrologická laboratoř VŠCHT v Praze Kalibrační laboratoř imisí ČHMÚ

18

19 Strana 19 3 MĚŘENÍ SIL, HMOTNOSTI A TLAKU Měření lze považovat za proces, jehož výstupem je informace o určitém stavu objektu. Nositelem této informace je vždy příslušná forma energie nebo akumulace hmoty, která však často neumožňuje získat výstupní signál. Proto se tato energie, jakožto nositelka informace, přeměňuje na energii elektrickou pomocí měřicích obvodů. Síla, hmotnost a tlak jsou veličiny neelektrické, proto je nutné je převádět na veličiny elektrické. 3.1 Měřicí obvod neelektrických veličin a jejich měření Měřicí obvod zajišťuje sledování potřebných veličin měřicího procesu. Jeho základními prvky jsou snímač a převodník. Snímač mění neelektrickou veličinu na elektrickou. Jestliže snímač je schopen dodávat veličinu zpracovatelnou následujícími obvody měřicího systému, pak převodník odpadá. V opačném případě je nutné využít převodníku, který slouží pro převedení signálu ze snímače na signál normovaný, vhodný pro další zpracování následujícími obvody. Výstupním signálem s normovanými hodnotami je stejnosměrné napětí nebo proud v daných rozmezích stanovenými normami. Standardem je proud 4 až 20 ma a napětí 1 až 5 V. Požadavky na měření neelektrických veličin lze shrnout do těchto bodů: co největší přesnost sledování časového průběhu měřené veličiny vhodný průběh převodní charakteristiky časová stálost vlastností vhodná časová konstanta malá závislost na okolních parazitních vlivech co nejmenší vliv na měřený obvod spolehlivost jednoduchost konstrukce Měření neelektrických veličin elektrickou cestou má mnoho výhod: větší přesnost větší citlivost možnost dálkového měření vetší rychlost měření možnost záznamu měření výstupní signál v analogové nebo digitální formě možnost počítačového sběru dat z měření a jejich zpracování možnost měření na velkém počtu měřicích míst Nevýhody tohoto měření elektrickou cestou jsou: větší náklady na měřicí kanál větší náklady na údržbu měřicího zařízení vyšší kvalifikace obsluhy

20 Strana 20 Měření sil, hmotnosti a tlaku 3.2 Snímače Snímač je prvek, který je schopen sledovat měřenou neelektrickou veličinu a v závislosti na ní dodávat na výstupu veličinu elektrickou. Snímače můžeme rozdělit na: snímač aktivní (generátorové, vysílače) chovají se jako zdroj signálu snímač pasivní mění některý ze svých parametrů, který se pak dál zpracovává převodníkem a je jím měněn na signál normovaný Dále je můžeme dělit z hlediska snímané veličiny, a to: mechanické tepelné chemické a vakua záření magnetické speciální Podle způsobu měření na: dotykové bezdotykové Dle principu konstrukce na: odporové často používané, levné indukční kapacitní magnetické indukčnostní nejrozšířenější snímače neelektrických veličin piezoelektrické termoelektrické optoelektronické světelného záření generátorové Hallův emisní ionizační polarografické pyroelektrické elektrokinetické potenciometrické

21 Strana 21 4 CHYBY A NEJISTOTY MĚŘENÍ Žádné měření není úplně přesné, protože probíhá na přístrojích s omezenou přesností konstruovaných podle přibližných měřicích principů. V praxi jsou měření zatížena celou řadou různých šumů označovaných obyčejně jako chyby resp. systematická vychýlení. Tyto šumy pak způsobují rozptýlení měřených hodnot a jsou zdrojem nepřesnosti výsledků. Účelem měření je v nejjednodušším případě stanovení jedné (měřené) veličiny. Výsledky měření jsou pak vyjádřeny pomocí vhodného odhadu skutečné hodnoty a odpovídající míry nejistoty související s modelem působení chyb resp. vychýlením. 4.1 Chyby měření Absolutní chyba měření je rozdíl mezi výsledkem měření a (konvenčně) pravou hodnotou měřené veličiny. ( x) = x m xs (4.1) kde x m je hodnota naměřená x s je hodnota skutečná, (konvenčně) pravá. V praxi není možné pravou hodnotu měřené veličiny získat, proto ji nahrazujeme tzv. konvenčně pravou hodnotou, která se blíží pravé hodnotě s dostatečnou přesností. Konvenčně pravá hodnota se získá pomocí metod měření, které jsou řádově 3 až 10 krát přesnější. Relativní chyba je podíl chyby měření a pravé hodnoty měřené veličiny. ( x) xm xs δ( x ) = = 100 [%] (4.2) x x s s Rozdělení chyb měření Chyby měření se podle jejich působení na výsledek měření rozdělují na chyby systematické chyby náhodné chyby hrubé Systematické chyby Jsou takové chyby, jejichž hodnota se při konstantních podmínkách při měření nemění. Při změně podmínek se mění podle určité (známé) závislosti a svým způsobem systematicky ovlivňují výsledek měření. Tuto chybu nemůžeme charakterizovat na

22 Strana 22 Chyby a nejistoty měření základě opakovaných měření, na rozdíl od chyby náhodné. Z velké části ji lze určit a provést příslušné korekce, ovšem zjišťování a odstraňování bývá náročné a nákladné. Pro její výpočet se používá vztah pro výpočet absolutní chyby (4.1). Náhodné chyby Působí zcela nahodile, jsou těžko předvídatelné a nelze je vyloučit. Při opakovaném měření se mění jejich velikost i znaménko. Pro určení jejich velikosti se vychází z opakovaného měření s použitím statistických metod. V praxi se velmi často používá normální-gaussovo rozdělení. Výsledek měření je reprezentován aritmetickým průměrem získaným z naměřených hodnot, tj. x = n x i i= 1 (4.3) kde n je počet měření. Náhodnou chybu v klasické teorii chyb nejčastěji zastupuje směrodatná odchylka výběrového souboru s(x), méně často směrodatná odchylka aritmetického průměru s( x ), získané z následujících vztahů s ( x) = n i= 1 2 n 1 ( x ) ( x x) i = n i= 1 i n 1 2 (4.4) s ( x) ( x) s = n = n i= 1 ( x x) n i ( n 1) 2 (4.5) Obě směrodatné odchylky charakterizují, jak jsou výsledky měření náhodné chyby rozptýlené. Ve výsledku měření se náhodné chyby hodnotí nejistotou. Hrubé chyby Jsou zcela nevyzpytatelné a znehodnocují celý proces. Jsou to ty naměřené hodnoty, které se výrazně liší od ostatních hodnot. Často se proto ihned vyloučí z dalšího zpracování, pokud je to možné. Omezit je můžeme důsledným dodržováním měřících postupů, podmínek a pozorností obsluhy.

23 Chyby a nejistoty měření Strana 23 Výsledná chyba zapsat Touto chybou měření rozumíme součet systematické e a náhodné složky ε, což lze ( ) = e + ε x (4.6) a jeho maximální hodnotu je možné odhadnout jako ( x x ) + s (4.7) max = s 2 kde systematická složka je e = x x a náhodná složka je e = s, popř. e = 2s. s Součinitel rozšíření směrodatné odchylky souvisí s pravděpodobností pokrytí intervalu a typem rozdělení. Dvojka u Gaussova rozdělení přísluší často užívané 95% pravděpodobnosti Zdroje chyb měření Celý proces měření se setkává s celou řadou nedokonalostí a problémů, které se pak odráží na výsledcích měření a chybách. Podle původu je můžeme rozdělit do řady zdrojů. Chyby přístroje jsou dány nedokonalostí použitých meřících přístrojů, které mohou vznikat během výroby, montáže a opotřebením. Chyby instalace plynou z nedostatku zapojení, uložení a nastavení měřidel, ze zapojení paralelního, sériového. Chyby metody jsou dány z nedokonalosti použitých měřících metod, z použití přibližných hodnot fyzikálních konstant a nepřesných závislostí. Chyby pozorování jsou způsobené nedokonalostí smyslů pozorovatele nebo jeho soustředěním. Chyby vyhodnocení vznikají zpracováním naměřených hodnot (použitím přibližných vztahů, zaokrouhlováním, nedostatečným vyčíslením konstant). Vlivy prostředí chyby, které vnáší do měření nedokonalost a nestálost parametrů prostředí, jejich kolísání a negativní vliv na jednotlivé součásti měření. 4.2 Nejistoty výsledků měření Pojem nejistota je označením pro parametr související s výsledkem měření a charakterizující rozsah hodnot, které je možno racionálně přiřadit k měřené veličině. Nejistoty vychází z teorie pravděpodobnosti, týká se jich i rozdělení pravděpodobnosti, které jsou: normální rozdělení (Gaussovo) rovnoměrné pravoúhlé trojúhelníkové (Simpsonovo)

24 Strana 24 Chyby a nejistoty měření bimodální (trojúhelníkové) lichoběžníkové bimodální (Diracovo) Nejistota se skládá z několika dílčích složek. Ke stanovení jejich velikosti jsou k dispozici tyto dvě metody: metoda typu A statistické zpracování naměřených údajů metoda typu B jiné než statistické zpracování naměřených údajů Z těchto dvou metod se určí nejistota kombinovaná, která je součtem čtverců nejistot vyhodnocených metodou typu A a B. Celá metodika určování nejistot je dosti komplikovaná Vyhodnocení nejistot metodou typu A Tato metoda vychází ze statistické analýzy opakované série měření. Je-li n nezávislých stejně přesných pozorování, bude odhad výsledné hodnoty y regentován hodnotou výběrového průměru (aritmetického průměru), spočteného stejně jako u případu chyb podle vztahu (4.3). Nejistota příslušná k odhadu y se určí jako směrodatná odchylka této výsledné hodnoty, tedy výběrového průměru (4.4). Nejistota se zde zpravidla značí u A (y) a s použitím vztahu (4.5) je možné napsat u n 2 ( ) ( ) ( ) ( ) yi y s y i= 1 A y = s y = = (4.8) n n ( n 1) Tato nejistota je způsobena kolísáním naměřených údajů. V případě malého počtu měření (n<10) je hodnota určená pomocí vztahu (4.8) málo spolehlivá. Potom by bylo třeba tuto nejistotu odhadnout metodou typu B na základě jiných informací, než jsou současně naměřené hodnoty Vyhodnocení nejistot metodou typu B Tato metoda je založena na jiných než statistických přístupech k analýze série pozorování. Metodou B je možné odhadnout i vliv náhodných chyb, např. při kalibraci využitím minulých řešení. Standardní nejistota se odhaduje pomocí racionálního úsudku na základě všech možných a dostupných informací. Nejčastěji se používají: údaje výrobce měřící techniky, zkušenosti z předchozích sérií měření, zkušenosti s vlastnostmi chování materiálu a techniky a poznatky o nich, údaje získané při kalibraci z certifikátů, nejistoty referenčních údajů v příručkách.

25 Chyby a nejistoty měření Strana 25 Při určování nejistoty metodou typu B se vychází z dílčích nejistot jednotlivých zdrojů u B (z j ). Je-li známa maximální odchylka j-tého zdroje nejistoty z j max, určí se nejistota u B (z j ) podle vztahu u B ( z ) j z j max = (4.9) k kde k je součinitel vycházející ze zákona rozdělení, kterých se příslušný zdroj nejistoty řídí, pro normální rozdělení je k = 2 nebo k = 3, pro rovnoměrné k = 3 = 1,73. Někdy již tato hodnota standardní nejistoty u B (z j ) může být známa z kalibračního certifikátu měřidla. Stanovení součinitele k vychází z rozdělení pravděpodobnosti. Obr. 4 Rozdělení pravděpodobnosti [5] Nejistota vyhodnocovaná metodou typu B se převede do zcela nové podoby a získávají tak charakter směrodatné odchylky. S nejistotami se pak nadále pracuje.

26 Strana 26 Chyby a nejistoty měření Nejistoty kombinované a rozšířené V praxi se jen málokdy vystačí s jedním nebo druhým typem nejistoty samostatně. Proto je zapotřebí stanovit výsledný efekt kombinovaných nejistot měření obou metod typů, A i B. Kombinovaná nejistota veličiny y se označuje u C (y) a určuje se jako odmocnina součtu čtverců obou metod nejistot typu A a B podle vztahu u 2 C ( y) = u ( y) + u ( y) popř. u ( y) u ( y) + u ( y) A B C = (4.10) Tam, kde nevystačí standardní nejistoty, je nutno použít jejich rozšířeného tvaru s pomocí koeficientu k r. Původní kombinovaná nejistota (s k r = 1) představuje interval s pravděpodobností asi 68%. Aby bylo dosaženo lepšího pokrytí, je nutno volit k = 2 pro rozšíření na pravděpodobnost 95% nebo k = 3 pro pravděpodobnost 99,7%. Rozšířená nejistota je pak dána vztahem U(y) = k r u C (y) (4.11) A B kde U(y) je rozšířená nejistota, k r je koeficient rozšíření a u C (y) je standardní nejistota kombinovaná Zdroje nejistot Zdroji nejistot jsou veškeré jevy, které jakkoliv ovlivňují jednoznačné určení výsledku měření a tím vzdalují naměřenou hodnotu od skutečné. Na nejistoty působí skutečnost, zda jde o metody přímé nebo nepřímé, zda je použito měřících přístrojů analogových nebo číslicových, použití různých filtrů, vzorkovačů a dalších prostředků v celé trase přenosu a úpravy měřícího signálu. K nejistotám přispívají i rušivé vlivy prostředí. Nejčastěji se vyskytující zdroje nejistot: neúplná definice měřené veličiny nedokonalá realizace definice měřené veličiny nevhodný výběr přístroje, nereprezentativní výběr vzorku nevhodný postupu při měření nedostatečně známé účinky podmínek prostředí nebo jejich nedokonalé měření subjektivnost odečítání z analogových přístrojů omezená rozlišovací schopnost přístrojů, práh rozlišení nepřesnost etalonů a referenčních materiálů nepřesné hodnoty konstant a jiných parametrů získaných z externích zdrojů a používaných v algoritmu zpracování údajů linearizace, aproximace, interpolace nebo extrapolace při vyhodnocení změny při opakovaných měřeních měřené veličiny v očividně stejných podmínkách

27 Chyby a nejistoty měření Strana Korekce chyb a nejistot Pokud poznáme negativní vlivy na měření, můžeme s výhodou korigovat podstatnou část systematických vlivů. To platí nejen o klasických systematických chybách, ale i o nejistotách, zejména pak o nejistotách vyhodnocovaných pomocí metod typu B. Odstranění, či alespoň zmírnění jejich negativních vlivů na výsledek měření se projeví značným zpřesněním. Názorně to přibližuje obr. 5 z literatury [5]. Obr. 5 Zpřesnění výsledků měření pomocí korekce systematických vlivů [5] Všeobecně je známo, že korekce je chyba s opačným znaménkem, takže pro získání správného výsledku měření je třeba od naměřené hodnoty odečíst chybu, nebo naopak k ní přičíst korekci.

28

29 Strana 29 5 METROLOGIE HMOTNOSTI, NÁVAZNOST 5.1 Státní etalony Státní etalon je etalon, uznaný oficiálním (národním) rozhodnutím za etalon, poskytující základ určování hodnot jiných etalonů téže veličiny v dané zemi. Kompetentním orgánem schvalujícím státní etalony ČR je Úřad pro normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví. České státní etalony uchovává zpravidla Český metrologický institut, ale ÚNMZ tím může pověřit i další subjekty. Všechny pověřené subjekty mimo ČMI jsou na mezinárodní úrovni ve věcech týkajících se státních etalonů reprezentovány ČMI v rámci Ujednání o vzájemném uznávání státních etalonů a (kalibračních) certifikátů, vydávaných národními metrologickými instituty. Etalon je definován jako závaží 1 kg ze slitiny platina a iridia, jehož hodnota hmotnosti je určená navázáním na mezinárodní prototyp kilogramu, který je uložen v BIMP Mezinárodním úřadu pro váhy a míry v Sévres u Paříže. Etalon je realizován jako Pt Ir prototyp 1 kg, číslo 67. Forma etalonu rovnostranný válec. Státní etalon hmotnosti ČR má hodnotu 1 kg + 0,165 mg a nejistotu 0,004 mg. Obr. 6 Etalon hmotnosti 5.2 Návaznost Návaznost je vlastnost výsledku měření nebo hodnoty etalonu dokumentující vztah k uvedeným referencím, zpravidla státním nebo mezinárodním etalonům, přes nepřerušený řetězec porovnání, jejichž nejistoty jsou uvedeny. Pro průmysl v Evropě zajišťují návaznost státní metrologické instituty a akreditované laboratoře.

30 Strana 30 Metrologie hmotnosti, návaznost Obr. 7 Návaznost etalonů a měřidel v ČR [7]

31 Strana 31 6 VYUŽITÍ POČÍTAČE PŘI MĚŘENÍ V dnešní době je počítač nezbytným pomocníkem při měření. Jeho výhodou je možnost údaje naměřené měřící kartou dále zpracovávat, uchovávat a vyhodnocovat, případně ještě někam posílat. Prvky měřicího pracoviště jsou PC, měřicí karta, která zpracovává či převádí měřená data a snímač, který je základním prvkem celého měřicího procesu. Mimo tento fyzický hardware je také zapotřebí vhodného software, který dokáže hodnoty z měřící karty získat, zpracovat a zobrazovat do námi čitelné podoby. 6.1 Současné měřící karty Měřicí kartu můžeme k PC připojit pomocí rozhraní ISA, PCI, RS-232, USB nebo i dálkově přes síťová rozhraní. Mezi důležité parametry karet patří jejich rozlišovací schopnost, napěťový rozsah, typ A/D (analogově digitálního) převodníku, vzorkovací kmitočet. Standardními hodnotami bývá rozlišení bitů, rozsah max. ±10V, typ A/D postupná aproximace, vzorkovací kmitočet 12 Hz až 1 MHz dle použití. Vzorkovací kmitočet může být garantovaný, tzn. je zaručen na každém kanálu nebo negarantovaný, tj. že se vztahuje na celou kartu a na jednotlivých kanálech se dělí. V současnosti je na trhu dostatek firem, které se zabývají měřícím hardwarem a nabízejí tak velmi široké uplatnění nejen v automatizaci. Mezi zahraniční společnosti patří např. National Instruments, která nabízí nejen hardware, ale i software a to nejen pro počítače, ale i např. pro PDA. Mezi další špičkové výrobce patří společnost Advantech. Obr. 8 NI DAQPad-6015, USB multifunkční DAQ Obr. 9 NI DAQCard-6024E, PCMCIA

32 Strana 32 Využití počítače při měření Obr. 10 NI PXIe-ExpressCard8360 Ale i Česká republika má své špičkové zástupce, je to zejména společnost Moravské přístroje a.s.. Mezinárodní společnost Dewetron u nás zastupuje Dewetron Praha (nabízí i produkty firmy National Instruments). Mezi další dodavatele produktů firem Advantech, Logic Instrument, Blazepoint a IRTS patří společnost Future Engineering. Future Engineering a Moravské přístroje nabízejí nejen dodávku produktů, ale i kompletní návrh, analýzu a realizaci informačních systémů. Obr. 11 PCM-3370Z-J0A1 CPU PC/104 modul Obr. 12 DEWE-ORION-1624 A/D board

33 Využití počítače při měření Strana Software používaný při měření Obr. 13 DEWE-5000 Na trhu je velké množství SW pro měření, např. Flukeview, Dewesoft, Matlab. Mezi nejrozšířenějšími v automatizaci u nás je LabVIEW a Control Web. Společnost National Instruments se může chlubit aplikacemi LabVIEW a Measurement Studio 8.0. Obr. 14 LabVIEW Z českých společnosti zabývajících se tvorbou softwaru lze jmenovat Moravské přístroje a.s. (Moravian Instruments Inc.), která vyvinula software Control Web (starší označení bylo Control panel). V tomto SW je zpracována i moje aplikace pro kalibraci elektronických vah. Software od společnosti Moravské přístroje využívají známé firmy, např. Škoda Mladá Boleslav, JE Dukovany a je u nás poměrně rozšířený.

34 Strana 34 Využití počítače při měření 6.3 Control Web 5 Obr. 15 Struktura aplikace řízení energetiky ŠKODA automobilová a.s. Control Web je Programový systém rychlého vývoje aplikací pro průmysl, laboratoře, školy,... Vizualizace a řízení technologických procesů v reálném čase Most mezi technologií a informačním systémem podniku Rozhraní člověk-stroj Přímé řízení strojů a technologií Simulace, výzkum, vývoj a výuka (třeba Lékařská fakulta Karlovy Univerzity) Podpora hardware Control Web je důsledně navrhován jako systém nezávislý na hardware S patřičným ovladačem komunikuje s jakýmkoliv průmyslovým zařízením (PLC, I/O moduly, měřicí karty, virtuální zařízení, např. WWW server apod. Architektura ovladačů je otevřená a pečlivě dokumentovaná, každý může implementovat vlastní ovladač Podpora otevřených protokolů a standardů ASCII komunikace po sériové lince Znakový protokol využívá velké množství jednoduchých zařízení OPC Data Access

35 Využití počítače při měření Strana 35 GSM modemy, SMS zprávy, GPRS, DDE, NetDDE HTTP přístup k WWW serverům, HTML, ODBC/SQL, COM/ActiveX, OPC Modicon Modbus, Modbus/TCP Široká interoperabilita díky podpoře standardních protokolů a formátů dat Schopnost práce v distribuovaném prostředí Control Web Runtime ( tlustý klient ): aplikace dokáže sdílet data po síti, volat vzdálené metody, vzdálená přístup, synchronizace dat, aplikace server/klient, P2P Přístup k aplikaci přes WWW rozhraní ( tenký klient ): Control Web obsahuje zabudovaný HTTP server, umí vytvářet serverové aplikace pro klienty PC, ale i mobilních telefonů, lze nastavovat požadavky na přístup (HTML, Java, ActiveX,...) Podpora platforem Jsou podporovány všechny Win32 platformy: Windows 9X/Me, XP Embedded, 2000, Windows CE na standardním x86 PC i na RISC systémech Trvalý provoz Control Web je určen pro trvalý spolehlivý provoz 24 hodin, 7 dní v týdnu má interní velmi přísné testy, které prověřují každou jednotlivou alokaci paměti a její párovou dealokaci pracuje na kritických aplikacích i firmy Moravské přístroje Škálovatelnost a neomezená programovatelnost Control Web nemá žádná vnitřní omezení týkající se počtu komunikujících kanálů, počtu panelů, přístrojů v panelech, připojených PLC a jiných ovladačů (ale existují omezení daná kapacitou paměti, rychlostí procesorů, propustností linek) Zabudovaný programovací jazyk s real-time rozšířeními dovoluje realizovat zcela libovolné řídicí sekvence a algoritmy Programové API jednotlivých komponent dovoluje jejich plně programové řízení Atributy kanálů umožňují precizně řídit komunikaci a časování (QoS, Round-triptime, timeout,...) Bezpečný programový model Aplikační program nemá přímý přístup k paměti, eliminuje problémy s neplatnými ukazateli Zabraňuje nestabilitám způsobeným nevracením paměti (memory leaks), ošetření chyb ve výrazech (dělení nulou, indexování mimo rozsah pole, přetečení, podtečení, ztráta přesnosti, ) Možnost testování výskytu chyby a její programové ošetření

36 Strana 36 Využití počítače při měření Řízení přístupu uživatelů Kompletní systém přístupových práv uživatelů, uživatelé mají přiděleny úrovně oprávnění, programová detekce přihlášení / odhlášení operátora Stejný systém přístupových práv lze rozšířit i na aplikace zpřístupněné prostřednictvím WWW rozhraní Ochrana investic Systémy Control Panel / Control Web udržují vzestupnou kompatibilitu aplikací již více jak 10 let Nové verze přináší významná vylepšení a rozšíření architektury, současně ale dovolují načíst aplikaci předchozí verze Aplikace vždy uchovávána v podobě zdrojového textu (možnost automatického generování aplikace) Podpora zákazníků Technická podpora neomezená a zdarma pro všechny zákazníky po dobu životnosti produktu Školení pro vývojové pracovníky, školení v prostorách firmy Moravské přístroje pro malé skupiny Kompletní a podrobná dokumentace Přes 1000 stran výkladu a referencí Dokumentace rozdělena na 6 dílů Standardní formáty CHM a PDF dovolují prohlížení dokumentace i mimo integrované vývojové prostředí, případně vytištění části nebo celé dokumentace Snadná a rychlá tvorba aplikací Vývoj nesmí být drahý a musí být rychlý, aplikace je často nasazena jednou nebo jen několikrát, další nasazení vyžadují modifikace Zákazník nechce čekat měsíce (nebo roky) na doladění systému, odstranění chyb Programátoři nemají čas studovat nové architektury, nové vývojové nástroje, chtějí použít co už znají Integrované vývojové prostředí Tvorba aplikace drag-and-drop, komponenty (virtuální přístroje) aplikace přetahovány z palety, modifikace parametrů v dialogových oknech Přístrojový inspektor modifikuje specifické parametry daného virtuálního přístroje K tvorbě aplikace není zapotřebí znalost programování Funkce aplikace řízena parametry a výrazy Programovací jazyk je k dispozici pro řešení náročnějších požadavků zákazníků Grafický vývoj aplikací

37 Strana 37 7 REALIZACE KALIBRAČNÍHO PRACOVIŠTĚ Cílem této práce je návrh a realizace kalibračního pracoviště, které je zamýšleno jako pracovní úloha. Tato úloha ověřuje měřidla elektronické obchodní váhy. Práce navazuje na práci [6], kde již byla řešena mechanická konstrukce váhy, konstrukce zesilovače a napájecího zdroje. K měřící kartě Advantech PCL 818L je připojena svorkovnice PCLD 8115 pomocí kabelu PCL Bylo nutné vytvořit SW aplikaci pro ovládání pracoviště. Pro tvorbu aplikace byl vybrán programovací systém Control Web 5 od společnosti Moravské přístroje. Tento SW jsem si vybral proto, že byl na pracovišti již nainstalován a spolu s měřicí kartou připraven k použití. 7.1 Zapojení pracoviště a jeho prvky Měřicí pracoviště se skládá z několika zařízení. Jsou jimi elektronická váha, přístroj ZZ 2001 (obsahující napájecí zdroj a zesilovač), svorkovnice PCLD 8115, PC s měřicí kartou PCL 818L a SW Control Web 5, tiskárna. Obr. 17 Schéma měřícího pracoviště

38 Strana 38 Realizace kalibračního pracoviště Obr. 18 Kalibrační pracoviště Váha je zkonstruována podle dokumentace váhy, kterou nabízí firma HBM. Konstrukce je uvedena v příloze č.1. Jejím základem je tenzometrický snímač PW4FC3 firmy HBM (Hottinger Baldwin Messtechnik), jehož technické parametry jsou uvedeny v příloze č.2. Snímač je použit pro pracovní rozsah 0 až 3,5 kg. Obr. 19 Elektronická váha

39 Realizace kalibračního pracoviště Strana 39 Přístroj ZZ 2001 se skládá z napájecího zdroje a zesilovače, který zesiluje nedostatečný signál z tenzometrického snímače. Jeho schéma zapojení je v příloze č.3. Napájecí zdroj má výstupní napětí +5V a ±12V. Schéma zdroje je uvedeno v příloze č.4. Obr. 19 Přístroj ZZ 2001 Parametry měřící karty Advantech PCL 818L jsou uvedeny v příloze č.5. Stolní počítač se skládá z těchto periferií s parametry: procesor Intel Pentium 467 Mhz 192 MB RAM HDD WD64AA 6GB VGA Magnum/Xpert 2000 OS Windows XP Professional SP2 SW Control Web 5 SP8a Obr. 20 Svorkovnice PCLD 8115

40 Strana 40 Realizace kalibračního pracoviště 7.2 Návrh a realizace aplikace v systému Control Web Vlastní aplikaci jsem v tomto velmi příjemném prostředí vytvořil z již předdefinovaných přístrojů, které jsou standardně obsaženy v Control Webu. Při komunikaci s měřící kartou skrze kanály je využito ovladačů. Aplikace využívá tabulku (kalibrační protokol), do které jsou zapisována data ze vstupní proměnné (kanálu) z měřící karty. Tabulka je vytvořena v programu InCalc, který je součástí Control Webu. Tabulka pak pomocí InCalcu sama aktualizuje a vyhodnocuje grafy. Zápis do tabulky jsem vyřešil přidáním skriptu, který je spouštěn stiskem tlačítka ZAPIŠ HODNOTU. Požadavek na tlačítko o 1 krok ZPĚT byl úspěšně implementován. Aplikace je sestavena pro kalibraci měřidel o hodnotách 1 kg, 2 kg a 3 kg. Pro každou hodnotu je vytvořen zvlášť program a příslušná tabulka kalibrační protokol Kalibrační protokol Protokol obsahuje tabulku naměřených hodnot, včetně vypočtených chyb a nejistot. Nejistota A je počítána podle vztahu (4.8). Nejistota typu B má hodnotu 0,013 kg. Tato hodnota byla stanovena na základě předešlých experimentů a měření. Po mém dotazu jsem byl ujištěn, že se jedná o skutečnou hodnotu nejistoty B a nikoliv o nejistotu rozšířenou. Nejistota kombinovaná je počítána podle vztahu (4.10) a nejistota rozšířená podle vztahu (4.11), přičemž koeficient rozšíření byl zvolen k = 2, pro pravděpodobnost 95%. Protokol dále obsahuje grafy kalibrační a korekční křivky a graf nejistot. Všechny grafy vychází z naměřených hodnot. Obr. 21 Hlavní okno aplikace

41 Strana 41 8 METODIKA PRÁCE S NAVRŽENOU ÚLOHOU Zapojení uvedení měřící soustavy do chodu: zkontrolujeme zapojení podle schématu měřícího pracoviště zapneme přístroj ZZ 2001 zapneme počítač na počítači z Plochy otevřeme kalibrační aplikaci pro 1, 2 nebo 3 kg (aplikace nese název např. 1_kg.cw pro kalibraci 1 kg) aplikaci v prostředí Control Web spustíme klávesou F5 zkontrolujeme správné nastavení aretace váhy provádíme vlastní měření podle instrukcí popsaných v kapitole 8.1 této práce 8.1 Instrukce pro měření Po spuštění aplikace uživatel zapíše hodnoty, kdo měření provádí a při jakých referenčních podmínkách (teplota a tlak vzduchu). Pro zapsání hodnot do protokolu se stiskne ZAPIŠ VSTUPNÍ DATA, přičemž dojde i k automatickému zápisu dne, kdy je měření prováděno. Skutečná hodnota zobrazuje hodnotu v kg, kterou má být váha zatížena. Měřená hodnota ukazuje hodnotu, kterou snímač právě snímá. Po nastavení daného zatížení se stiskem tlačítka ZAPIŠ HODNOTU data zapíší do kalibračního protokolu. Tento krok se opakuje tak dlouho, dokud není tabulka naměřených hodnot v protokolu zaplněna. Probíhá 5x zatěžování a odlehčování váhy. Při chybě či omylu uživatele je možné se vrátit ZPĚT o 1 krok. Po dokončeném měření lze zapsat závěr kalibrace. Tlačítko TISK PROTOKOLU vytiskne kalibrační protokol na výchozí tiskárnu operačního systému. Vytisknou se 4 strany. Stisknutím ULOŽ PROTOKOL je kalibrační protokol uložen do souboru Kalibracniprotokol 1kg.TBW, který pak lze otevřít v programu InCalc a případně jej dodatečně editovat. Tento soubor se nachází v adresáři, kde se nachází samotná aplikace.

42

43 Strana 43 9 ZÁVĚR V programovacím prostředí Control Web se mi programovalo velmi příjemně. Byl jsem příjemně překvapen množstvím vytvořených přístrojů a jejich možnostmi. Pozitivně na tomto SW vidím přehledné rozdělení veškerých proměnných a jednoduché nastavování přístrojů. Taky jsem využil přístupu ke zdrojovému kódu vlastní aplikace a vytváření svých programů a skriptů, které jsou využity v samotné aplikaci pro zápis do tabulky. Závěrem byla ověřena činnost realizovaného pracoviště a vyhodnocen vzorový protokol, který je v příloze č.6. Program i HW vykazuje dobré vlastnosti jak dokazují naměřené hodnoty. Domnívám se, že cíl práce byl splněn, a že navržený model kalibračního pracoviště je funkční a přispěje k podpoře názorné laboratorní úlohy. Vlastní aplikace je otevřená a lze ji do budoucna jakkoli upravovat a doplňovat o další funkce. Například je možno doplnit úpravu hodnoty nejistoty vyhodnocené metodou typu B, možnost uložení kalibračního protokolu do uživatelem zvoleného adresáře, případně rozšířit či upravit kalibrační protokol podle aktuálně platné legislativy a jiné.

44

45 Strana 45 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY [1] Poliščuk, R.: Titulní strana závěrečné práce, 2006, [2] Poliščuk, R.: Šablona pro tvorbu závěrečné práce, 2006, [3] Neustupa, Z.: Technické prostředky ASŘ. [HTML dokument]. Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava, Fakulta hornicko geologická, [cit ]. Dostupný z: [4] Vdoleček, F.: Technická měření, Brno [PDF dokument]. Vysoká škola technická v Brně, Fakulta strojního inženýrství, [cit ]. Dostupný z: [5] Chudý, V.; Palenčár, R.; Kureková, E.; Halaj, M.: Meranie technických veličín, 1.vydání: Vydavatelstvo STU, ISBN [6] Škapa, S.: Počítačové vyhodnocení kalibrace. Brno, s., 7 s. příloh. Diplomová práce na Fakultě strojního inženýrství Vysokého učení technického v Brně na Ústavu automatizace a informatiky. Vedoucí diplomové práce Ing. František Vdoleček, CSc. [7] Český metrologický institut [online]. 2006, [cit ]. Dostupné z: [8] Moravské přístroje, a.s. [online]. 2006, [cit ]. Dostupné z: [9] Future Engineering, a.s. [online]. 2006, [cit ]. Dostupné z: [10] National Instruments Corporation [online]. 2006, [cit ]. Dostupné z: [11] Dewetron worldwide, spol. s.r.o. [online]. 2006, [cit ]. Dostupné z: [12] Vojáček, A.: Měření notebookem aneb různé PCMCIA měřící karty. HTML, , [cit ]. Dostupné z: [13] Dokumentace SW Control Web [online] , [cit ]. Dostupné z: [14] Vyhláška Ministerstva průmyslu a obchodu ze dne 14. července 2000 [15] Zákon č. 505/1990 Sb., ve znění pozdějších předpisů [16] Firemní literatura a katalogy společnosti HBM Hottinger Baldwin Messtechnik

46

47 Strana 47 SEZNAM PŘÍLOH Příloha č.1 Výkresová dokumentace váhy Příloha č.2 Parametry tenzometru PW4FC3 Příloha č.3 Schéma zapojení zesilovače Příloha č.4 Schéma zapojení napájecího zdroje Příloha č.5 Parametry měřící karty Advantech PCL 818L Příloha č.6 Kalibrační protokol

48

49 Příloha č.1 Výkresová dokumentace váhy

50

51 Příloha č.2 - Parametry tenzometru PW4FC3

52

53 Příloha č.3 Schéma zapojení zesilovače

54

55 Příloha č.4 Schéma zapojení napájecího zdroje

56

57 Příloha č.5 Parametry měřící karty Advantech PCL 818L Specifications PCL 818L Analog Input (A/D converter) Channels: 16 single-ended or 8 differential, switch selectable Resolution: 12 bits Input ranges (bipolar, VDC): ±0.625, ± 1.25, ±2.5, ±5 or ±1.25, ±2.5, ±5, ±10 All input ranges are software programmable. Overvoltage: Continuous ±30 V max. Conversion type: Successive approximation Conversion rate: 40 KHz max. Accuracy: ±(0.01% of reading), ±1 bit Linearity: ±1 bit Trigger mode: Software trigger, on-board programmable pacer trigger or external trigger Ext. trigger: ITL compatible. Load is 0.4 ma max. at 0.5 V and ma max. at 2.7 V Data transfer: Program, interrupt or DMA Analog output (D/A converter) Channels: 1 channel Resolution: 12 bits Output range: 0 to +5 (+10) V with on-board -5 (-10) V reference. Max. ±10 V with external DC or AC reference Reference: Intemal:-5V or -10 V External DC or AC: ± 10 V max. Conversion type: 12bit monolithic multiplying Linearity: ±0.5 bit Output drive: ±5 ma max. Settling time: 5 microseconds

58

59 Příloha č.6 Kalibrační protokol

60

61

62