Teorie měření a regulace

Transkript

1 Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb CW01 Teorie měření a regulace Úvod 0. ZS 2015/ Ing. Václav Rada, CSc.

2 Název předmětu CW01 - Teorie měření a regulace Studijní program Obor studia 1,5-letý navazující magisterský - Stavební inženýrství Stavebně materiálové inženýrství Výuku zajišťuje Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb VR - ZS 2009/2010

3 Ročník výuky 1. Semestr výuky Typ předmětu Zimní Povinný Způsob ukončení Klasifikovaný zápočet Počet kreditů 4 Forma a rozsah výuky (v hod.týdně) Přednášky: 2 Cvičení: 1 VR - ZS 2009/2010

4 ÚVOD ZÁKLADNÍ FAKTA tyto informace by měl slyšet a hlavně znát každý, kdo chce úspěšně připravit, vykonat i vyhodnotit a interpretovat svá měření měření je vědeckou disciplínou měření je nezbytnou složkou všech poznání skutečností (realit) zkoumaného procesu nebo zkoumaného objektu v přednáškách budou probírány teoretické základy a fyzikální principy používané při návrhu i realizaci měření + vlastních čidel, snímačů.

5 ÚVOD Trocha historie nikoho nezabije, jak pravil klasik a tak začněme zrovna moudrem tohoto, jednoho z klasických klasiků na svou dobu velice vzdělaným Janem Amosem Komenským ( ) a jeho větou, že v počtu, míře a váze věcí jsou skryta jejich tajemství.

6 ÚVOD jiný klasik GALILEO: Měřit všechno, co je měřitelné a pokoušet se, aby to co ještě není, se měřitelným stalo

7 METROLOGIE Měření je standardní vědní disciplína má své teorie a svoji praxi má své obecné i specifické problémy a jejich řešení (případně zůstávající otazníky) má svůj řád a pravidla i definované postupy má své standardy a definice má mezinárodní definice z nichž jsou odvozeny národní, včetně názvosloví a definičních hodnot atd. VR - ZS 2012/2013

8 METROLOGIE Měření je kvantitativní zkoumání jakýchkoliv vlastností předmětů, jevů, látek, procesů, obvykle porovnáváním s obecně přijatou a formulovanou jednotkou. Výsledkem měření je číslo vyjadřující poměr zkoumané veličiny k jednotce, spolu s uvedením této jednotky jejího názvu či zkratky.

9 METROLOGIE - CÍL a ÚČEL - prakticky Cílem měření je experimentální získávání objektivních a reprodukovatelných (i opakovatelných) informací (hodnot) o objektivních poznatcích a skutečnostech (stavech).

10 CÍL a ÚČEL - prakticky Pomocí měření se zjišťuje : hodnota měřené fyzikální veličiny. Zjišťuje se ( existuje a je platná ) v daném časovém okamžiku a v daném místě i prostředí včetně existujících doprovodných vlivů.. VR - ZS 2012/2013

11 ÚVOD Historický vývoj Vybrané historické body lidského poznání v oboru měření, které lze považovat za rozhodující - před: lety standardizace pro - délku, hmotnost, čas 300 lety se začalo vyhodnocovat měření při použití teorie chyb 30 lety se začalo vyhodnocovat měření při použití teorie nejistot

12 ÚVOD Už od starověku (přesněji, asi už od Pračlověka Janečka) nejen obchodníci měřili délky, plochy, čas, objemy a zejména váhy, většinou pomocí konvenčních jednotek místně uznávaných a více či méně přesně definovaných sáh, loket, uzel, libra, pinta, Jednotné soustavy měřicích jednotek s jejich definicemi a základní prvky legální metrologie byly nalezeny v historických pozůstatcích kultur Číny, Egypta, Aztécké a Incké říše, Mezopotámie,

13 ÚVOD Historický vývoj měření a používaných jednotek umožňujících určité srovnání výsledných hodnot určitě začal kdysi dávno problémem bylo, že byly (jednotky, názvy, obsah i definice) většinou velice regionální a byly platné na poměrně malém území Je jedno, co a jak v dávných dobách se měřilo od délky a času až po (např.) objemy a váhy.

14 ÚVOD Jenže existuje problém - lidstvo měří od svých pra- a prvo- počátků takže nemůže existovat žádné pevné počáteční datum. Je jasné, že se měření - a vše co s ním souvisí - vyvíjelo nějakých pár set tisíc let. Stáří dnešní podoby měření je asi 200 let a úzce souvisí s průmyslovou revolucí.

15 ANOTACE téma předmětu Hlavní úkol předmětu: - poznat teoretické principy a zásady přístupu k problematice měření - jejich aplikací zabránit chybným nebo neúplným měřením - i špatným interpretacím výsledků - zajistit provádění regulérních (obhajitelných a interpretovatelných) měření - správně navrhnout a využít fyzikálních principů na kterých jsou snímače vymyšleny a vyvinuty - používat vhodné a problému odpovídající typy (druh, měřicí rozsah, přesnost, atd.). VR - ZS 2010/2011

16 ANOTACE téma předmětu K tomu je potřeba: - seznámit se nejen se základy teorie i praxe měření - získat znalosti potřebné pro analýzu situace, přípravu i řešení měření v praxi a pro odbornou komunikaci v tomto oboru - poznat příslušný a nezbytný matematický aparát - orientovat se v jeho použití - poznat základní principy snímačové techniky a jejího uplatnění v praxi.

17 ANOTACE téma předmětu Dále je potřeba seznámit se: - s měřicími řetězci a jejich navrhováním - s přípravou a realizací měření - s návrhem nasazení snímačů v technologických procesech i v jejich řízení - s možnostmi využití počítačů při získávání a následném zpracování informací - s využitím počítačů v experimentálních měřeních v laboratořích i v technologických procesech - s principem a vlivy i negativním působením průmyslového rušení a s odstraněním nebo omezením těchto negativních vlivů.

18 ANOTACE téma předmětu Měření jako vědní disciplína je nezbytnou složkou poznání stavů a vlastností daných procesů i samotných prvků a objektů. Na oblast měření fyzikálních veličin narazíme kdekoliv v průmyslu i v běžném občanském životě a pochopitelně i ve vědě a výzkumu (zejména v experimentálních částech). Každá oblast má své specifika a vyžaduje jiný přístup, pokud potřebuje aplikovat poznatky právě z oblasti měření fyzikálních veličin.

19 MĚŘENÍ TEORIE A PRINCIPY Měření je kvantitativní (číselné) zkoumání vlastností předmětů (jevů, procesů), obvykle porovnáváním s obecně přijatou jednotkou. Výsledkem měření je číslo (hodnota), které vyjadřuje poměr zkoumané veličiny k jednotce (jednotkové hodnotě) součástí je i nezbytné uvedené jednotky dané, měřené fyzikální veličiny. Význam měření je hlavně v tom, že: - charakterizuje měřenou veličinu významně přesněji než vágní (s fuzzy charakterem) kvalitativní údaje (např. dlouhý, vysoký, těžký), - dovoluje měření opakovat a porovnávat, - výsledek lze zpracovávat matematickými prostředky.

20 MĚŘENÍ TEORIE A PRINCIPY V širším slova smyslu, ve společenských vědách, v ekonomii aj. se měřením rozumí jakékoli kvantitativní zkoumání. Například dotazníkovým šetřením, jehož výsledky lze zpracovávat statisticky. Metaforicky se mluví o "měření sil", tj. přímém porovnání schopností, jako je tomu například v zápase.

21 Témata vybrané oblasti, kterými se předmět zabývá Metrologie - Názvosloví Soustava fyzikálních jednotek SI (ČSN/EN) Informace Signál - Digitalizace Citlivost - Přesnost Chyby Nejistoty měření Statické a dynamické vlastnosti Spolehlivost - Životnost Postup experimentu Principy snímačů Měřicí systémy Bezpečnost práce Elektromagnetická kompatibilita - rušení

22 METROLOGIE Jedním ze základních kamenů teorie měření je metrologie, čili nauka (vědní disciplína) o jednotkách, fyzikálních rozměrech a matematických definicích fyzikálních jednotek a o jejich popisných definicích (včetně stanovení použitých příslušných definičních konstant a jejich hodnot s maximálním počtem platných cifer) i vzájemných vztazích.

23 METROLOGIE metrologie, čili nauka (vědní disciplína) o jednotkách, o jejich definicích i vzájemných vztazích. metrologie je obor zabývající se mírami pro stanovení velikosti různých technických a fyzikálních veličin metrologie je obor zabývající se snímači, příslušenstvím (vč. kabeláže, konektorů, zdrojů, ) přístroji a měřicími zařízeními.

24 METROLOGIE metrologie je vědní obor zabývající se zejména, měřením. metrologie poskytuje základ umožňující porovnávat výsledky měření a zkoušek, např. definováním měřicích jednotek zajišťováním metrologické návaznosti s deklarovanou nejistotou výsledků měření.

25 METROLOGIE - zákony Současné a v praxi používané členění metrologie v EU respektuje praktické potřeby běžných měření (členění je celá řada, podle charakteru členící funkce a navazujících potřeb): - vědecká metrologie hlavním oborem jsou etalony (jejich definice, určení realizace, údržba a skladování + organizace) - průmyslová metrologie hlavním oborem je správné a bez-problémové fungování měřicích přístrojů a systémů v průmyslu (výroba, zkušebnictví, obchod), i v ostatních oborech VR - ZS 2009/2010

26 METROLOGIE V základu se metrologie člení na fundamentální a užitnou, ta se dále člení na legální a průmyslovou. fundamentální metrologie (dříve označovaná jako vědecká) se zabývá soustavou měřicích jednotek a etalony hlavním oborem je nejvyšší dosažitelnou přesnost v dané oblasti (v daném oboru konkrétního lidského konání) průmyslová metrologie, zaměřená v širokém oboru měření a zkoušení na obsluhu měřidel v průmyslu, zajišťuje podmínky nutné k dosažení vysoké jakosti

27 METROLOGIE V základu se metrologie člení na fundamentální a užitnou, ta se dále člení na legální a průmyslovou. legální metrologie zabezpečuje jednotnost a správnost měření v regulované sféře podle platné právní úpravy v daném státě hlavním oborem je přesnost a spolehlivost měření (vč. funkce, testování, cejchování,.) nejen v průmyslu, ale i v ekonomice, zdravotnictví, BOZP, PO, ŽP, atd.

28 METROLOGIE - zákony Fundamentální metrologie zajímavá je svým členěním (běžně uváděným v odborné literatuře) zahrnuje různé oblasti (obory) do souvislostí a vzájemných vztahů, které mnohdy nejsou na první pohled zřejmé: - obor hmotnosti síla, tlak, váha, objem, hustota, viskozita - obor elektromagnetizmu elektrické veličiny (napětí od malého po velmi vysoké, stejnosměrný a střídavý proud, odpor, potenciál,, nízkofrekvenční a vysokofrekvenční proud,.) a magnetické veličiny (magnetický tok, nasycenost, ) VR - ZS 2009/2010

29 METROLOGIE - zákony Fundamentální metrologie - obor fyzických rozměrů délkové a úhlové míry, přímočarost, rovinnost, rovnoběžnost, fyzické tvary předmětů, jakost povrchu, drsnost, obor fyzických rozměrů délkové - obor časomíry a vše co s ním souvisí a co na něm závisí - obor ionizujícího záření a vše co s ním souvisí (dozimetrie, ionizace, radioaktivní zdroje, alfa a gama záření, fotometrie, atd.) - a další obory např. sdružený obor kmitání = akustika a světlo (elektromagnetické kmitání), vibrace,. VR - ZS 2009/2010

30 METROLOGIE Legální metrologie (asi jako první z uvedených) zřejmě vznikla původně z potřeby zajistit poctivé obchodování, zejména v oblasti měření délky a objemu a vážení. primárně se zabývá měřidly, která podléhají metrologické kontrole - jejím hlavním cílem je zabezpečit ekonomickým subjektům (vědě, výrobě i trhu) správné výsledky měření, hlavně jsou-li měřidla použita při úředních nebo obchodních transakcích.

31 CÍL a ÚČEL - prakticky Pomocí měření se zjišťuje : hodnota měřené fyzikální veličiny. Zjišťuje se ( existuje a je platná ) v daném časovém okamžiku a v daném místě i prostředí. Z hlediska její stabilnosti či změny: - je statická - nebo dynamická.. VR - ZS 2012/2013 >

32 CÍL a ÚČEL - prakticky - statická = s časem neměnná, pokud nepůsobí vnitřní nebo vnější vlivy, které ji mění přičemž změna je buď jednorázová nebo velice pomalá (tady je ošidné určení pomalosti, ale je to dáno celkovým chováním veličiny nebo působících vlivů v delším či dlouhém časovém období - dynamická v čase proměnná, přičemž změna je vždy velmi rychlá.. VR - ZS 2012/2013

33 CÍL a ÚČEL - prakticky Hodnota měřené fyzikální veličiny: - se zjišťuje přímo - nebo pomocí získaných (naměřených) hodnot jiné fyzikální veličiny, která je následným, přesně definovaným (a neměnným) matematickým postupem přepočtena na hodnoty požadované fyzikální veličiny -.. VR - ZS 2012/2013

34 CÍL a ÚČEL - prakticky Hodnota měřené fyzikální veličiny je potřebná jako: - informace pro řídící a rozhodovací činnosti - informace o stavu zařízení, průběhu procesu, kontrole vlastností - diagnostika stavu i poruch a závad - informace z následného zjišťování příčiny poruchy či závady selhání provozu apod. - bezpečnostní informace - a řada dalších... VR - ZS 2012/2013

35 METROLOGIE Význam a důležitost měření spočívá v tom, že: - výsledky měření charakterizují měřenou veličinu významně přesněji než obecně kvalitativní údaje (např. dlouhý, vysoký, těžký, malý, tlustý) - využitím definované jednotky lze různá měření srovnávat - principiálně dovoluje měření opakovat a porovnávat - výsledek lze zpracovávat matematickými prostředky a výpočetní technikou - je nezbytné zejména při vědeckých bádáních, ale i při výrobě, v medicíně, atd., atd.

36 METROLOGIE Bylo by nesmyslné si myslet, že měření, jednotky veličin, metodiky a celkově obor teorie měření se od té goba nepoužívalo a že se nevyvíjelo,. V našem současném slova smyslu se do technického i vědeckého používání měření dostalo teprve v novověku mj. i popisem, definováním a úředním zveřejněním konvenčních jednotek a řady definic a metodik. S tím souvisí i stále se rozšiřující globalizace výroby, trhů i vědeckého bádání.

37 METROLOGIE Praktické použití konvenčních jednotek umožnil první pokus o mezinárodní standardizaci vybraných tj. základních a nejpoužívanějších jednotek, který udělala až Francouzská revoluce - viz dále. Velice rychle se přišlo na to, že jednotka musí být stanovena velice přesně, nezaměnitelně a precizně přitom je dosažitelná i ověřitelná opakovaně i když ne jednoduše a snadno - a tedy i levně a s minimem potíží. Proto i první definice patří do kategorie konvenčních.

38 METROLOGIE Za počátek celosvětového sjednocování měřicích jednotek, a tím i metrologie, jak je známa v současné době, lze pokládat vypracování a zavedení desetinné metrické soustavy jednotek v rámci Francouzské revoluce a její uzákonění ve Francii v roce Postupně metrickou soustavu uznávaly další státy, čímž vznikla poptávka po shodě v širším mezinárodním měřítku.

39 METROLOGIE Metrická konvence je základní mezinárodní smlouva v oboru měření - byla zformulována a následně mezinárodně přijata - vytvořila prostor pro vznik mezinárodních i nadnárodních metrologických orgánů a národních metrologických institutů a systémů odvozených od jejich legitimity. Cílem Metrické konvence bylo vytvořit univerzální dekadickou soustavu jednotek tak, jak to vyžadoval rozvoj vědy, výroby a obchodu ve druhé polovině 19. století.

40 METROLOGIE Metrická konvence - byla uzavřena 20. května 1875 zástupci vlád sedmnácti zemí, včetně tehdejšího USA či Rakouska-Uherska. Znamenala zavedení jednotné metrické soustavy jednotek do svých národních hospodářství. Používání metrické soustavy bylo v Rakousku-Uhersku uzákoněno s platností od 1. ledna V roce 1922 se členem stalo i Československo a v roce 1993 po svém vzniku i Česká republika. V současnosti Metrickou konvenci podepsalo 56 členských a 42 přidružených států.

41 METROLOGIE Smlouvou z roku 1875 byl dán základ ke vzniku příslušných orgánů Mezinárodního úřadu pro váhy a míry (Bureau International des Poids et Mesures BIPM), Generální konference pro váhy a míry (Conférence Générale des Poids et Mesures CGPM) a Mezinárodního výboru pro váhy a míry (Comité international des poids et mesures CIPM). Česká republika je jako nástupnický stát Československa a před ním Rakouska-Uherska signatářem metrické konvence od samého počátku.

42 METROLOGIE Měřidla podléhající metrologické kontrole by měla garantovat správné výsledky měření v provozním režimu v průběhu celého období používání v mezích stanovených povolených chyb. Více informací v přednášce o legislativě.

43 JAKOST K metrologii nedílně patří i oblast jakosti a kvality -. protože bez měření je tato oblast pouhou chimérou a popsaným papírem, bez efektu projevujícího se v denní realitě. Takže do komplexu úvodních slov nezbytně patří i slova o jakosti a pár jí uplatňovaných zásad: VR - ZS 2010/2011

44 JAKOST Základem je evropská norma ČSN EN ISO 9000:2001 systém managementu jakosti - požadavky Jakost lze chápat jako soubor inherentních znaků plnících dané požadavky jsou vyžadovány jako závazné, povinné / zároveň garantující jisté parametry, vlastnosti a užitkové symptomy. VR - ZS 2010/2011

45 JAKOST V Evropském hospodářském prostoru i v ostatních vyspělých zemích je známa pod zkratkou: QSM Quality Systém Management Systém řízení jakosti Garanci za funkčnost a vlastnosti systému, za sestavování a vydávání norem a jiných předpisů, kontrolu a aktualizaci, doplňování a opravy, atd. má organizace ISO Mezinárodní organizace pro normalizaci ( VR - ZS 2010/2011

46 JAKOST Každá organizace, která se chce v systému garancí jakosti existovat a tím pro své okolí (spolupracující organizace včetně zákazníků) dávat najevo svou kvalitu, včetně záruk jejího udržení, musí mít zpracovány příslušné dokumenty a podnikové směrnice / tzv. Politiku jakosti zakotvenou v příslušných dokumentech. VR - ZS 2010/2011

47 JAKOST CERTIFIKACE Vnější symptomy jsou zejména: Je to postup, který přezkoušením třetí stranou, která kladný výsledek formou certifikačního auditu vydá písemně, garantuje dané vlastnosti výrobku, procesu či služby. Třetí strana k provádění těchto auditů musí mít právoplatnou akreditaci, specificky vázanou k daným kontrolujícím a testujícím úkonům. Slouží k posílení důvěry ve vztahu výrobce (případně dodavatel) * zákazník. VR - ZS 2010/2011

48 JAKOST Cíl systému jakosti: - je dosažení požadovaných, potřebných, žádoucích, vynucených odběrateli nebo výrobci a dodavateli vlastností - musí to být pravidelně kontrolováno, udržováno, servisováno, aktualizováno a prověřováno - tzn. musí být pravidelně prokazováno, že akreditace (její obsah a náplň) je funkční a je schopná garantovat prováděné činnosti pravidelně musí být obnovována její platnost VR - ZS 2010/2011

49 JAKOST Součástí systému jakosti: - jsou i Technické požadavky na výrobky, které obsahují soupisy parametrů, jak je definovat, specifikovat, kontrolovat, jak je uplatňovat (aplikovat) v praxi, jak je provazovat s ostatními výrobky, atd. - od musí být výrobky tzv. regulované sféry = kontrolované oblasti opatřeny certifikační značkou CE (Conformité Européenne Evropská shoda) legislativa viz přednáška o legislativě.

50 JAKOST Součástí systému jakosti: - od musí být výrobky tzv. regulované sféry = kontrolované oblasti (tj. výrobky, které mohou ohrožovat, poškozovat zdraví) opatřeny certifikační značku CE (Conformité Européenne Evropská shoda) VR - ZS 2010/2011

51 BEZPEČNOST První Předpisy a normálie ESČ rok Od roku 1950 je pojem bezpečnost elektrických zařízení přesně definována normou ČSN : Bezpečnost elektrická. Tato norma podléhá vývoji oboru i změnám praxe a použití při kontinuální aktualizaci. Normy stanoví nejzákladnější pravidla bezpečnosti elektrických zařízení a práce s nimi. VR - ZS 2010/2011

52 BEZPEČNOST Normy ukládají povinnosti (úkoly) zejména: - používat pouze bezpečnostně testovaná a schválená zařízení - používat pouze nepoškozená zařízení (zejména kabely) - pravidelně provádět předepsané kontroly a ověřování - opravy pouze v odborných a ověřených institucích - při konstrukci zařízení dbát všech předpisů, norem a pravidel bezpečnosti provozu elektrických zařízení - pravidelně a odborně školit pracovníky. VR - ZS 2010/2011

53 Studijní pomůcky K předmětu CW01 existuje OPORA - 4 moduly informace a principy k teorii měření - 1 modul základní informace k teorii regulace K předmětu CW01 existuje dostatečně bohatá a neustále různými autory doplňovaná literatura česká, anglická, německá a další jazykové zdroje, která je k dispozici v nejrůznějších knihovnách (pokud ji nechcete přímo zakoupit v některé prodejně technické literatury) na webu předmětu CW01 je uveden dosti obsáhlý (přesto nutno říci) reprezentativní vzorek. VR - ZS 2010/2011

54 Studijní pomůcky literatura - základní Zehnula, K.: Snímače neelektrických veličin, SNTL, Praha, 1977 Matyáš, V., Zehnula, K., Pala, J.: Měřicí technika, SNTL Praha, 1983 Beran, Vl.: Měření neelektrických veličin, ZČU Plzeň, 1993 Ďaďo, S., Kreidl, M.: Senzory a měřicí obvody, Monografie, ČVUT Praha, 1996 Haasz, Vl., Sedláček, M.: Elektrická měření, skriptum, ČVUT Praha, 1997 Tůmová, O., Čtvrtník, V., Girg, J.: Elektrická měření - měřicí metody, skriptum, ZČU Plzeň, 2000 Ripka, P., Ďaďo, S., Kreidl, M., Novák, J.: Senzory a převodníky, 1. vydání Praha: Vydavatelství ČVUT, ISBN OPORA: Rada, V., CW01 - TEORIE MĚŘENÍ A REGULACE, VUT v Brně - FAST, 2008, 4 moduly. VR - ZS 2012/2013

55 a to by mohlo být k úvodu vše P 1 - úvod

56 . VR - ZS 2012/2013