1. fejezet - Méréselmélet és méréstechnika

Tartalom
1.1. Mit és miért mérünk?
1.2. Mérés a gépészetben és a mechatronikában
Irodalmak

Miért éppen ilyen a fejezetcímben szereplő sorrend? A jegyzet tanulmányozása során mindenki számára világossá kell válnia, hogy alapos elméleti megfontolások nélkül igényes mérést nem lehet végezni. A mérési folyamat (ennek modelljét látni fogjuk egy későbbi fejezetben) minden egyes fázisa, tehát a modellalkotás , a mérési eljárás kiválasztása , a mérés kivitelezése és a kiértékelés feltételezi azokat az elméleti ismereteket, amelyeket a méréstudomány napjainkig felhalmozott. Ebbe a hatalmas, és más területekkel szorosan összefüggő ismeretanyagba szeretnénk e jegyzet keretei között betekintést nyújtani. A jegyzet tartalmi felépítésnél figyelembe vettük a mechatronikai mérnöki és gépészmérnöki BSc képzések számára összeállított Méréstechnika című [1.1.] elektronikus jegyzet anyagát, amely ugyancsak TÁMOP támogatással jött létre. A jelen jegyzet 2., 3., és 4. fejezetében azokat az ismereteket, amelyek a mérési tevékenység szempontjából alapvető jelentőségűek, röviden átismételtük, és kiegészítettük az MSc követelményeinek megfelelő ismeretanyagokkal.

1.1. Mit és miért mérünk?

Bernard Orth [1.2.] azt írja, hogy „A mérés, történetét és metodikáját tekintve a tudomány egyik alappillére. Egzakt mérések nélkül a gyakorlati tudományok, különösképpen a természettudományok, elképzelhetetlenek. A mérések elősegítik új tudományos elméletek kifejlődését, és a meglévők finomítását. Mérések segítenek az empirikus összefüggések felismerésében, és lehetővé teszik különböző elméletek valósággal történő összevetését.”

Nincs mérnöki területeken olyan tudományos igényű munka, diplomaterv, PhD dolgozat, vagy tudományos cikk, amelyben ne találkoznánk az elmélet és a gyakorlat összehasonlításával. A gyakorlati eredmények dokumentálása és az elméletek alátámasztása mérésekkel történik.

Mindennapjaink is elképzelhetetlenek a mérések nélkül, bár gyakran ez nem is tudatosodik. A konyhai tevékenységektől az egészségügyi szolgáltatásokon át a gépjárművek sebességméréséig életünk szinte minden percében jelen van valamilyen formában a mérés.

Ugyanakkor nem szabad azt gondolnunk, hogy a természet a mi saját fáradozásaink igénybevétele nélkül „tálcán kínálja” az ismereteket. Mielőtt egy ismeretlen, vagy többé-kevésbé ismert mennyiség mérésének nekilátunk, jó előre tisztázni, hogy az adott jellemző egyáltalán mérhető-e, és milyen hibák fogják befolyásolni a mérést? A méréselmélet többek között erre a két alapvető kérdésre próbál választ adni.

Méréselmélet alatt napjainkban a különböző tudományterületeken, szakterületeken létrejött olyan tudományos ismeretek összességét lehet érteni, amelyek lényegében a mérési problémák megoldásához szükséges eszköztárat képezik.

Minden szakterület a saját fejlődésével szoros kapcsolatban és azzal kölcsönhatásban, kialakította a saját mérési technikáját és a hozzá tartozó elméleti hátteret. Amíg a mérési módszerek tekintetében a diverzifikáció, a szakra jellemző specializáció a jellemző, addig megfigyelhető, hogy a méréselméleti háttér egyre több területen közeledik egymáshoz. A közeledés a modellezés területén mutatható ki leginkább, és ez a modellezés végső soron a jel-és rendszerelmélethez kötődik. A mérési eljárások általános megfogalmazásához szükséges matematikai apparátust tágabban a jel-és rendszerelmélet, valamint társtudományai (pl. becslés- és információelmélet) szolgáltatják. Jegyzetünkben a „méréselmélet” fogalom alatt, a fentiekre való hivatkozással, és a fenti meghatározás által biztosított szabadsággal élve, a gépészet és a mechatronika szempontjából fontos ismeretanyag kerül előtérbe. Ez nyilvánvalóan más témákat érint, mint egy olyan méréselméleti munka, amely a villamosmérnök, építőmérnök, vagy akár közgazdász képzés számára készült.

El kell fogadni továbbá, hogy a műszertechnika és a méréstechnika a fejlődése során produkálhat meglepő súlyponteltolódásokat, de akár új tudományos irányok is megjelenhetnek.

1.2. Mérés a gépészetben és a mechatronikában

Az előzőek szerint a szerzők tehát feltételezik, hogy e jegyzet olvasója BSc tanulmányai során már megismerte és használta a Méréstechnika című elektronikus jegyzetet [1.1.] . Az alapvető ismereteket ennek ellenére szükségesnek látjuk összefoglalni, mert az alapképzésben tanult ismeretekre szeretnénk alapozni. Az említett munka négy nagy ismeretkört tartalmaz. Az elsőben a metrológiai alapismeretekről van szó, és a valószínűség számítás segítségével a mérési eredmény megadásának szabályairól. A második témakör az időben változó mennyiségek, a harmadik a geometriai mennyiségek mérése. A negyedik csoport a mérésügyi szabályozásokat és a minőségbiztosítás alapismereteit mutatja be.

A gépész és a mechatronikai mérnök jellemzően az alábbi területeken fejt ki mérési tevékenységeket:

  • Mérőeszköz kalibrálás, hitelesítés

  • Műszaki ismeretszerzés (ez a legszélesebb terület)

  • Minőség-ellenőrzés - minőségbiztosítás

  • Folyamatirányítás

  • Automatizálás

A mérőeszközökkel kapcsolatos tevékenységek az első helyen szerepelnek, hiszen eszközök nélkül lehetetlen egy mérés kivitelezése. Látnunk kell ugyanakkor, hogy a felsorolásban másodikként szereplő „műszaki ismeretszerzés” kiemelt jelentőséggel bír. Ez a legalapvetőbb mérési-mérnöki tevékenység, mert számtalan és igen eltérő jellegű a mérési feladat a tervezés, az anyagtudomány, a gyártás, a gépészeti folyamatok, energetika, stb. területén.

A teljesség igénye nélkül , néhány kiválasztott gépészeti és mechatronikai területen, példákkal illusztráljuk azt, hogy az időben változó mennyiségek mérésének igénye miként vezet ezeken a szakterületeken a bevezetőben említett jel-és rendszertechnikai matematikai apparátus szükségszerű alkalmazásához.

A modern gépiparban a gyártóeszközök - gyártóberendezések elképzelhetetlenek valamilyen szintű automatizáltság és robotika nélkül. Az önműködő, és várhatóan egyre bonyolultabb adaptív rendszerek szerves része a méréstechnika. Mind a klasszikus gépészeti berendezések, mind pedig a mechatronikai rendszerek lényege és középpontja az összetett mechanikai, elektromechanikai, stb. dinamikus rendszer (szabályozott rendszerekben a „szabályozott szakasz”).

A dinamikus rendszerekkel kapcsolatban két féle megközelítést látunk az (1.1. ábra) ábrán.

A mérés szerepe a modern gépészetben
1.1. ábra - A mérés szerepe a modern gépészetben


A hagyományos gépészeti kérdésfelvetés, a klasszikus műszaki mechanikai megfogalmazásban baloldalon látható. Ebben a megközelítésben azokat a válaszokat keressük, amelyeket valamilyen, a rendszert, berendezést érő külső-belső gerjesztés hatására kapunk. A „kimeneti” mennyiségek ellenőrző mérése itt is elengedhetetlen. Ezzel szemben a jobboldali ábrarészen látható mechatronikai rendszer esetében a kérdésfelvetés és a válasz sorrendje pont fordított. A gépészeti, mechatronikai rendszer válaszai, kimenetei vannak előírva, és arra keressük a megoldást, hogy a középpontban álló összetett rendszert hogyan lehet az előírt válaszokra „rákényszeríteni”. Ennek előfeltétele a szabályozás, amelyhez viszont alapkövetelmény a szabályozott jellemzők időben folytonos mérése, visszacsatolás, vagy visszacsatolások formájában. A modern, mesterséges intelligenciával ellátott gépészeti berendezések ezért nem nélkülözhetik a méréstechnikát.

A gyártástechnológia, gyártásautomatizálás területén napjainkban az egyik legalapvetőbb mechatronikai rendszer a szabályozott pozícionáló. Ez szerves része minden NC és CNC gépnek, mérőgépnek és hasonló berendezésnek. Ezek a pozicionálók lehetnek egyszerű, kaszkád szabályozó rendszerek. Napjaink korszerű szabályozástechnikájára és mechatronikájára az un. állapotszabályozás jellemző. Annyi közös mindkét változatban, hogy az állapot-visszacsatolások (többnyire) ugyancsak méréssel történnek. A „többnyire” kifejezés azért szerepel, mert pozíció mérések alapján, elvileg, számítással is meghatározható például a mozgó gépszerkezet sebessége. Elvileg, mert ez a módszer hibákkal jár, és korlátozza két tetszőlegesen beállított pozíció közötti távolság beállíthatóságát. A pozíciószabályozásban a szabályozott szakasz többnyire elektromechanikus, hiszen az általában egyenáramú szervomotort, hajtóművet, tengelykapcsolót és egy golyósorsós mozgás-átalakítót foglal magába, de alkalmaznak lineáris motorral történő mozgatást is. A szabályozott kimenőjel (előírt kimenet, lásd: 1.1. ábra) a pozicionáló (asztal) elmozdulása. A mozgatás egyszerű, nyílt láncú vezérléssel is megoldható valamilyen szintű pontossággal, de ebben az esetben nem lenne visszajelzés a mozgatott eszköz valóságos helyzetéről. Szabályozás segítségével javítható a dinamika és csökkenthető a maradó hiba . A szabályozás visszacsatolása, nevezetesen a visszacsatoló tag szolgáltatja a helyzettel kapcsolatos információt. Ha a hivatalos nevén alapjelként előírt érték, és az asztal megmért, aktuális pozíciója nem egyeznek, akkor a szabályozó tag a különbségi jel feldolgozása után „parancsot” küld a szervomotornak a különbség megszüntetésére, és ez természetesen a különbség előjelét figyelembe véve, a megfelelő irányban fog bekövetkezni.

Tehát mérés és mérőrendszer nélkül egy ilyen szabályozókör nem elképzelhető.A gyártástudományban az NC és CNC berendezéseket az ipari robotok „kategóriájába” sorolják, nem alaptalanul. A szerelő és hegesztő robotok, a gyártócellák egy része ugyancsak szabályozott mozgású mechanikai egységekből épül fel. Vannak természetesen vezérelt berendezések is ezek között, de ezek manipulációs pontossága korlátozott.

A szabályozás, és a vele járó mérés már rég megjelent a gépszerkezetek területén is. Kétségtelen, hogy a klasszikus gépészet régi törekvése a sok gondot okozó súrlódások leküzdése, csökkentése. A csapágyak mágneses tehermentesítése régről ismert módszer, de a komolyabb igényeket kielégíteni képes mágneses csapágyazás csak szabályozás segítségével valósítható meg. Az elektromágneses tér segítségével aktívan csapágyazott forgó tengely tulajdonképpen elektromágnesek vaskörének záró elemét képezi. Az elektromágnesektől való távolságot induktív, vagy más típusú útadóval mérik, és amennyiben az előírt távolság valamilyen irányban megváltozik, az ellen-oldali elektromágnes - a mágneses gerjesztés növelése révén – visszahúzza a tengelyt a helyes pozícióba. A tengely helyzetét nem csupán radiális, hanem axiális irányban is szabályozzák, ez utóbbi szabályozókörének visszacsatoló ágában egy váll két oldalán elhelyezkedő útadók mérőjelei szolgáltatják a helyzet-információt, és ugyancsak elektromágnesek biztosítják a szükséges erőket. A tengely, forgás közben „lebeg” az aktív mágneses mezőben.

A gépészetben a mérés természetesen nem csupán szabályozókörökben jelenik meg, hanem a minőség-ellenőrzés számtalan formájában, például geometriai mennyiségek mérése során. Kihagyhatatlan a felsorolásból az áramlásmérés, a nyomásmérés, a hőmérsékletmérés, vagy éppen a zaj-és rezgésmérés . A műszaki mechanikában sokszor gondot jelent a rezgő felületek „letapogatása” (szkennelése) úgy, hogy a mérendő rendszert a mérőberendezés, vagy a jelátalakító ne befolyásolja. Ez kisméretű tárgyak esetében különösen fontos, de nem mellékes a mérési pontok száma sem, ha az érzékelőt minden mérési ponton külön kell rögzíteni. A mért adatok feldolgozása (spektrum analízis, stb.) hagyományos mérőeszközökkel gyakran igen nehézkes, sőt extrém kis méretek esetén gyakran egyáltalán nem megoldható feladat. A lézer-optika ma már megoldást nyújt ezekre a problémákra is, még ha nem is olcsón. A lézer Doppler-effektus fizikai elvén alapuló rezgéssebesség-mérő érintésmentes (terhelésmentes), kiváló felbontású és hatalmas mérési tartományú mérést tesz lehetővé. Példaként egy katalógusban olvashatjuk [1.3.] , hogy a rezgés amplitúdója, azaz elmozdulás (relatív is) mérése 2·10-12 m – 10 m tartományban, míg a rezgéssebesség mérése 50 nm/s – 30 m/s tartományban lehetséges. A megfigyelt jelek frekvencia analízise természetesen lehetséges a mérőrendszerrel.

Irodalmak

[1.1.] Huba , A., Czifra, Á., Drégelyi-Kiss, Á., Galla, J.né, Kis, F., és Petróczky , K.. Méréstechnika. TÁMOP-4.1.2-08/A/KMR-0029 Elektronikus jegyzet. 2013.

[1.2.] Orth, B. . Einführung in die Theorie des Messens.

[1.3.] Polytec Waldbronn, Laser Doppler Vibrometer Termékismertető . 2008.