MÉRÉS

1. MÉRÉS • A mérés olyan művelet, amely során a mérendő mennyiséget mértékegységével összehasonlítjuk. A méréshez mérőeszközt vagy mérőműszert használunk, amely tartalmazza az összehasonlítás alapját képező mértékegységet. Ezek alapján a mérőműszer fogalmán a következőket értjük. • A mérőműszer olyan működő szerkezet, amellyel valamilyen mennyiség nagyságát vagy a mennyiség abszolút értelembe vett értékének változását határozzuk meg.

2. Méréssel valamilyen fizikai mennyiséget határozunk meg. Bármely mennyiséget konkrétan egységekkel fejezhetünk ki. A méréshez egységül választott mennyiséget mértékegységnek nevezzük. Az a szám pedig, amely megmutatja, hogy a választott mértékegység hányszor van meg a mért mennyiségben, a mérőszám. • fizikai mennyiség = mértékegység x mérőszám 5 kg=1 kg x 5 (kilogramm x 5 ) • A mérőműszereinkkel végeredményben valamilyen fizikai mennyiség pillanatnyi értékét, vagy értékének változását mérjük.

3. SI mértékegység rendszer

6. Használatos műszereinket a működési elv és a szerkezeti kivitel alapján csoportosíthatjuk. A legáltalánosabban használatos műszer csoportosítása:

7. MŰSZEREK ELVI FELÉPÍTÉSE, MŰKÖDÉSE • Valamennyi műszer közös jellemzője, hogy a mérendő fizikai mennyiséget érzékeli, érzékelt mennyiség nagyságát (értékét) közvetíti. és ezt jelzi (mutatja). E működési fázisok alapján a mérőműszerek általában az alábbi főbb szerkezeti egységekből állnak: • érzékelő, • közvetítő, • kijelző

9. A mérőóra kizárólag „mechanikus" műszer, mivel az elmozdulást mechanikus úton érzékeli és jelzi. A lengő-tekercses műszer „villamos" műszer, az áram mágneses hatását érzékeli és a tekercs útján jut el a kitérés a jelző szerkezetre. • A csőrugós műszer folyadéktöltésű mechanikus műszer, amelynek lényegében két érzékelője van. A higanyos edény a hőérzékelő, míg a csőrugó a hőmérséklettel arányos nyomásváltozást érzékeli.

10. A műszerek működési elvét tovább vizsgálva a mérőórát illetve a lengőtekercses műszert közvetlen működésű, vagy helyszínen jelző, míg a csőrugós műszert távmérő(távmutató) műszernek tekinthetjük. • A távmérő műszerek közös jellemzője, hogy a műszer érzékelő része szerkezetileg térben távol, különállóan helyezkedik el a műszertől. Gyakorlatilag az érzékelőt „adónak", a műszert,,vevőnek" is felfoghatjuk, amelyeket „vezeték" kapcsol össze. A csőrugós műszerekben kapilláris cső a vezeték, villamos műszerben villamos vezeték.

11. Ha egy fizikai mennyiséget pl. a hőmérsékletet, valamilyen más mennyiség változása, pl. ellenállás-változás alapján mérünk, akkor lényegében a hőmérsékletváltozást ellenállás-változássá alakítjuk át. Azt a szerkezeti részt, amely az átalakítást végzi mérőátalakítónak nevezzük. • Egy műszer működési elvét általában az határozza meg, hogy a mérendő mennyiséget Milyen módon érzékeli, illetve közvetíti a jelző szerkezetre.

12. Az egyes műszertípusoknak olyan közös jellemzőik vannak, amelyeket a helyes működés céljából egységes alapelvek szerint alakítunk ki. Ilyen közösjellemzők : • a mért adatok jelzése, • a méréshatár.

13. Adatjelzés (kijelzés) • A mért fizikai mennyiség értékét a műszeren jól láthatóan jelezni kell, A mért mennyiség jelzését a műszer felhasználási területe alapján választjuk meg. A mért értéket a gyakorlati elnevezés alapján valamilyen skálán olvassuk le. • Skála a műszernek az a szerkezeti része amelyről a mért mennyiség pillanatnyi értékét olvassuk le.

14. A műszerek a leolvasás és a skálaosztás szerint különböző skálákkal készülnek. A mutatós műszereken beosztásos skálát, a kijelző műszerekben számjegyes vagy digitálisskálát használunk. • A beosztásos skálán egyenes vagy görbe vonal mentén elhelyezett osztásjelek vannak.

15. A skálaosztások alapján megkülönböztetünk lineáris és nem lineáris osztású skálákat. • A lineáris skála osztásközei egyenlőek (mint a mérőórán) a nem lineáris skálák osztásközei valamilyen függvény szerint változnak. Leggyakoribbak; a logaritmikus skálák, ezek osztásközei a logaritmus függvény szerint csökkenőek, illetve az exponenciális skálák amelyek osztásközei az exponenciális függvény szerint növekednek

16. MÉRÉSI HATÁR • A skálák teljes terjedelmét jelzési tartománynaknevezzük. A jelzési tartományon belül azt a szakaszt, ahol a mérőműszer hibája az előírt feltételek mellett egy megengedett érték alatt marad mérési tartománynak nevezzük. A mérési tartomány kezdő és végső határa alsó-, felső mérési határ. Természetesen előfordul, hogy a műszer jelzési tartománya egyben a mérési tartomány is. • A különböző elven működő műszereken előfordul, hogy a skála nem közvetlenül a merendő mennyiségnek megfelelően készül. Ilyenkor a műszeren feltüntetjük azt a számot, amellyel a leolvasott értéket meg kell szoroznunk, hogy a mérendő mennyiség valóságos értékét kapjuk.

17. MŰSZEREK MÉRÉSTECHNIKAI JELLEMZŐI • Ahhoz, hogy egy adott műszer kielégítse a mérés során támasztott igényeket; a felhasználásra és kialakításra vonatkozóan alapvető méréstechnikai jellemzőket kell meghatároznunk, A fontosabb méréstechnikai jellemzők az alábbiak: • érzékenység, • pontosság, • mozgékonyság, • túlterhelhetőség, • energiaszükséglet (fogyasztás), • csillapítás.

18. Érzékenység • Érzékenység a műszerek fontos jellemzője. Értéke egy olyan tört szám, amely megmutatja a mérendő mennyiség egységére vonatkoztatott mutató kitérését; • Egy műszer annál érzékenyebb, minél kisebb mérendő mennyiség hoz létre nagy mutató­kitérést.

19. Pontosság • Pontossága mérőműszerek egyik legfontosabb jellemzője. A mérőműszerek pontosságán azt értjük, hogy egy adott mérendő mennyiség mért értékei annak helyes értékétől egy előre meghatározott értéknél kevesebbel térnek el. • A mérőműszer pontosságát a gyakorlatban a műszer megengedett hibája jellemzi. • Ugyanis egy műszer akkor pontos, ha a róla leolvasott érték (Em)egyezik a mérendő mennyiség (Ev) valós értékével, azaz Em = Ev. • A gyakorlatban ezt a követelményt kielégíteni nem lehet.

20. Ezért a műszerre egy előre meghatározott ,,hibát" engedünk meg, amely a mért és valódi érték különbsége a valódi értékre vonatkoztatva. • A hibát %-ban kifejezve: • A mérőműszereket hibahatáruk szerint pontossági osztályokba sorolják. A pontossági osztály azt jelenti, hogy az egyes műszertípusok esetén mekkora lehet a hiba a végkitérés százalékában. Ezt nevezzük a végkitérés hibahatárának.

21. A pontossági osztályba sorolás

22. Mozgékonyság • Mozgékonyság az a jellemző, amely a mérendő mennyiség legkisebb változásakor, a leolvasott értékben már észrevehető változást hoz létre. • Így pl. egy mérleg 100 kg terhelés közelében 0,1 és 0,2 kg súlyváltozás esetén mozdulatlan marad, de 0,3 kg túlsúlyra elmozdul, akkor a mérleg mozgékonysági jellemzője (küszöbértéke) 0,3 kg.

23. Túlterhelhetőség • Túlterhelhetőség annyit jelent, hogy a műszer „rövid ideig" egy meghatározott túlterhelés következtében sem szenved semmiféle maradó alakváltozást.

24. Energiaszükséglet (fogyasztás) • Energiaszükséglet (fogyasztás) a műszerrel mért érték jelzéséhez szükséges energia. • Ha pl. egy árammérőt vizsgálunk a teljesítmény P=I2xR összefüggéséből következik, hogy a mért értéket az ellenállás befolyásolja, tehát a műszert kis belső ellenállásúra készítjük. Ezáltal kicsi a fogyasztása. Ugyanis ha egy műszer „nagy fogyasztású", azaz a mérendő mennyiségből saját működtetésére sok „energiát" vesz fel, ez a mérés eredményét meghamisítja. Sok műszernél az összfogyasztás elhanyagolható, míg más műszereknél a saját energia­szükségletet külső energiaforrásból pótoljuk.

25. Csillapítás • Csillapítás egyes műszerek működésében (villamos műszerek, mérlegek) igen fontos. Követelmény, hogy a műszer lengő rendszere rövid időn belül megálljon.

26. Műszerhibák • Műszerhibán azt értjük, hogy egy fizikai mennyiség valóságos értéke a műszerrel mért értéktől eltér. A műszerhibák nem tévesztendők össze sem a műszerek osztálypontosságával, azaz a végkitérés hibaszázalékával, sem pedig a mérés során előfordulható hibákkal. • A műszerhibák a következők; • Skálahiba: akkor keletkezik, ha a mérőműszeren levő osztásjelek nem a megfelelő helyen vannak, ill. a skála beállítása helytelen.

27. Irányváltási hiba: akkor keletkezik, ha valamilyen mennyiség értéke a kisebb érték felől megközelítve más, mint nagyobb érték felől. (Irányváltási hibát mutatós műszerek esetén pl. a csapsúrlódás vagy csúcshiba is okozhat). • Nullahiba:akkor keletkezik, ha a műszer indexe terheletlen (nyugalmi) állapotban nem tér vissza a skála kiindulási (null) pontjára. • A fenti hibákat összegezve kapjuk az úgynevezett alaphibát, mely kisebb kell hogy legyen mint az osztályba sorolás alapján megengedett hiba (osztálypontosság). • A felsorolt műszerhibák megváltoztatják a mérés eredményét, ezért a műszereket gyártó vállalatok arra törekednek, hogy ezeket a hibákat a legkisebb értékre csökkentsék.

28. MÉRÉSI HIBÁK, ELTÉRÉSEK • A mérés során előforduló hibák ismerete lényeges, a műszert felhasználók számára. A gyártó okmánnyal bizonyítja, hogy helyes használat esetében kielégíti-e a vonatkozó előírásokat. (Ez nem hitelesítés! Hitelesítést csak az OMH Országos Mérésügyi Hivatal végezhet.). • A mérési gyakorlatban előforduló hibák lehetnek; • rendszeres hibák vagy véletlen hibák.

29. Rendszeres hibáknak azokat a hibákat nevezzük, amelyek nagysága és előjele a mérés során meghatározható. A rendszeres hiba forrása sokféle lehet, ezek közül a leggyakoribbak a következők; • Környezeti hibák; a hőmérséklet, a nedvesség, a rázkódás stb., amelyek a mérés előírt körülményeit változtatják meg. Ezek közül legjelentősebb a hőmérsékleti hiba, ezért lényeges az előírt hőmérséklet megtartása (az alaphőmérséklet mutatós műszereknél +20 °C). • Személyi hibák; a látáshiba, a becslési hiba és a parallaxishiba, amelyek az észlelő személy fizikai, szellemi adottságainak, figyelmetlenségének, fáradtságának stb. következtében keletkeznek. A leggyakoribb személyi hiba forrása a parallaxis hiba, amely a helytelen leolvasási irányból adódik.

30. A rendszeres hibákat meghatározhatjuk, ha a kérdéses műszeren mért értéket a mérési tartomány egy vagy több pontján összehasonlítjuk egy pontosabb műszerrel. • A rendszeres hiba ismeretében a mért értéket a hiba ellenkező előjellel vett értékével helyesbítenünk kell. Ezt a gyakorlatban ,,korrekciónak" nevezzük.

31. Véletlen hibák közé azokat a hibákat sorolhatjuk, amelyeknek sem nagysága, sem előjele nem határozható meg. Keletkezésük okai bizonytalanok, értékük állandóan változik. • A véletlen hibák úgy keletkeznek, hogy ugyanazon személy, ugyanazon a tárgyon az. adott műszerrel, azonos feltételek között eltérő mérési eredményeket kap. Ilyenkor méretszóródásról beszélünk, mivel a mért értékek bizonyos határok közé esnek.

32. A méretet ebben az esetben a mérési sorozat átlagának kiszámításával határozzuk meg úgy hogy a mérési sorozat tagjainak (x1. x2, ... xn) számtani középértékét vesszük: A mérési sorozat átlagának számításakor a kiugró minimum- és maximumértékeket nem vesszük figyelembe. A mérés során előfordulhatnak úgynevezett „durva hibák”. Ezek erős környezeti hatásra vagy nagyfokú személyi tévedésre vezethetők vissza. A durva hiba a mért értéket nagymértékben megváltoztatja.

33. A nyomás (p) • Egy A felületre egyenletesen és merőlegesen erő hatását nyomásnak p nevezzük (1.ábra). • 1 Pa nyomást hoz létre egy 1 m2 sík felületre egyenletesen és merőlegesen ható 1 N nagyságú erő. 1 Pa = 1 N/m2 (1. ábra).

34. 1 bar = 100 000 Pa = 0,1 MPa 1 mvo = 0,1 bar

35. Nyomásfajták • Atmoszférikus (légköri) nyomást pamb (amb = ambiens, körülvevő) • Abszolút nyomást pabs (abs = absolutus, független) • Túlnyomást pe vagy p, (e = excedens, átlépő). • Az atmoszférikus (légköri) nyomás függ az időjárástól, értéke tengerszinten 0,990 bar = 980 mbar és 1,040 bar -1040 mbar között ingadozik. • Az atmoszférikus nyomás a levegő súlya következtében jön létre. A levegő sűrűsége a földfelszín közelében 1,29 kg/m3, 10 km magasságban 0,34 kg/m3.

36. Nyomások értelmezése

37. Nyomás megadása • Vonatkoztatási nyomáshoz képest adjuk meg, amely általában az atmoszférikus nyomás. • A pozitív (túlnyomás), pl. p, = 3 bar. a légkör nyomásánál 3 bar-ral nagyobb nyomást jelöl. • A negatív (depresszió), p, = -0,4 bar, a légkör nyomásánál 0,4 bar-ral kisebb nyomást jelöl. • Az abszolút nyomás nullpontja (vonatkoztatási pontja) a tökélete­sen légüres tér nyomása (p, = -1 bar)

38. A nyomás mérése • Az alkalmazott nyomásmérő berendezések két csoportra oszthatók: közvetlen nyomásmérőkre és közvetett (rugalmas alakváltozás, elektromos) nyomásmérőkre. • Közvetlen nyomásmérők. A közvetlen nyomásmérők általánosan elterjedt változata a közlekedő­edények elvén alapuló folyadékoszlopos nyomásmérők.

39. U-csöves műszerek A műszer alapja az U alakban hajlított üvegcső, melyet egy bizonyos magasságban valamilyen folyadékkal töltünk. Az U alakban hajlított cső lényegében egy közlekedő edény, melynek két szárában a folyadék­oszlopok magassága egyenlő. Az ilyen műszereket a gyakorlatban a nyomás vagy a vákuum mérésére használjuk. Működési elvük a fizikából ismert hidrosztatikus nyomáson alapszik.

40. Amennyiben az U-cső egyik szárában a folyadékra túlnyomás (p) hat, ez a másik szárban felnyomja a folyadékot és így (h) szintkülönbség keletkezik. Ekkor a túlnyomás egyensúlyban van a h magasságú folyadékoszlop súlyával. Fizikából ismerjük hogy a folyadékoszlop nyomása egyenesen arányos a magassággal és a folyadék sűrűségével(ς). Ebből következik, hogy a mérendő nyomás éppen a kettő szorzatával egyenlő; ha a sűrűséget g/mm3-ben, a magasságot mm-ben helyettesítjük, akkor a nyomást g/mm2- ben kapjuk: • p = h ς g • A magasságkülönbséget az U-csövek mellett elhelyezett skáláról olvashatjuk le. Amennyiben a skála 0 osztása középen helyezkedik el, a magasságot úgy olvassuk le. hogy az U-cső szárában a 0-tól számított különbségeket összeadjuk. A gyakorlatban a leolvasást úgy egyszerűsítjük, hogy a skálát eltolhatóra készítjük.

42. A műszerek skálaosztása általában olyan, hogy közvetlenül a nyomást olvashatjuk le vízoszlop mm -ben (v.o. mm), higany oszlop mm-ben (Hgmm).. • A műszer nyomáskülönbség (differencia) mérésére is alkalmas. Ilyenkor az egyik nyomás az egyik a másik nyomás a másik cső folyadékfelszínére hat, ezáltal kapjuk a (h)magasságkülönbséget, vagyis p nyomáskülönbség a p1 – p2 = h ςg összefüggésből adódik.

43. Mikromanométerek • Számos üzemi mérés célja olyan csekély nyomás vagy vákuum meghatározása, amelyek csak tizedmilliméteres vízoszlop. értékében fejezhetők ki (pl. a huzat erősségének mérése fűtőterekben és szellőző berendezésekben). • A mikromanométer lényegében egy edényből és az abból kiálló csőből áll. A cső lehet állandó vagy változtatható hajlásszögű. A cső és az edény közlekedőedényszerűen kapcsolódik egymáshoz

44. Ennél a műszernél a nyomást, illetve a magasságot (h) nem ismerjük, mivel a cső, illetve a cső melletti skála ferde. Viszont ha ismerjük a cső hajlásszögét (α) és a csőben nyomás vagy vákuum hatására felnyomott folyadékoszlop hosszúságát (l), akkor a magasságot (h) h = l x sinα Összefüggésből kiszámíthatjuk, és ezzel a nyomás, vagy vákuum értéke a p=h x ς x g ismert összefüggésbe helyettesítve p = l x sinα ς g meghatározható

45. Közvetett nyomásmérők • Rugalmas alakváltozáson alapuló nyomásmérők • A legtöbb nyomásmérő műszer a nyomás hatására létrejövő rugalmas alakváltozás alapján működik. Előnyük a kis méret, a tetszőleges működési helyzet, mechanikai rezgéseknek ellenálló kivitel, nagy mérési tartomány, leolvasáshoz nagyméretű skála készíthető, és nagy mérési pontosság. A rugóelemes nyomásmérők mérési tartománya néhány Pa nyomástól több száz MPa-ig tejed. Ezek lehetnek csőrugós, szelencés és membrános nyomásmérők.

46. Csőrugós műszerek • A műszer érzékelőszerve rendszerint ovális keresztmetszetű, 270°-os körívben hajlított, egyik végén zárt cső, amelyet rugótestbe forrasztunk (hegesztünk). A körívben hajlított csőnek az a tulajdonsága, hogy ha belső terét nyomás alá helyezzük, a cső igyekszik kiegye­nesedni és kör kereszt metszetet felvenni. Ilyenkor, ha a cső egyik végét rögzí­tettük, a szabadon elmozduló zárt vég mozgása a nyomással arányos.

47. A csőrugós műszerek rázkódással és lökésszerű igénybevételekkel szemben igen érzékenyek. Ha a műszerre ható rázás rezgésszáma egyezik a csőrugó önrezgésszámával, vagy annak fele, ill. kétszerese, a csőrugó vége oly mértékben rezeg, hogy a mért értéket nem lehet leolvasni. • A műszer túlnyomásra (túlterhelésre) is igen érzékeny, mert ekkor maradó, alakváltozás jön létre.

48. Membrános műszerek • Kisebb nyomás, illetve vákuum méréséhez a csőrugónál érzékenyebbek a membrán műszerek. • Ezeket max. 10 bar-ig terjedő nyomás mérésér használjuk. • Legegyszerűbb kivitelű a lemezmembrános műszer. Az érzékelő szerv körkeresztmetszetű hullámosított lemez, amelyen a hullámosítás a rugalmas kitérés növelését célozza

49. Elektromos nyomásmérők (távadók) • Piezoelektromos mérőjel-átalakító Erőt alakítanak át villamos feszültséggé. Működésük a piezoelektromos hatáson alapszik. Szigetelőkristályokból kivágott hasábok egyes felületein erő hatására villamos töltések jelennek meg. Pl.: kvarckristály. • Kapacitív mérőjel-átalakító Két lemezből álló kondenzátorok. A mérendő jellemző hatására változik a közöttük lévő levegőréteg. A távadó korrózióálló acélból készült mérőcella.

50. Hő és hőmérséklet • A hő (hőmennyiség) az energia egyik formája, mégpedig a molekulák mozgási energiájának a mértéke. Minél hevesebb a molekulák mozgása, annál melegebb a test. • A hőmérséklet az anyag hőállapotát, az anyagban foglalt hőenergiát jellemző mennyiség. • Hőmérséklet • A hőmérséklet az anyagok hőállapotának jellemzője. A hőmérséklet számszerű kifejezője a hőfok. Az adott hőmérséklet tartományban az anyagok hőmérsékletét hőfokskálán mérjük. • A hőmérséklet SI mértékegysége a Kelvin ( K ).