Συστήματα Μέτρησης και Αισθητήρες [Θ] (ECE_Κ550)

Η διαδικασία της μέτρησης, που εξασφαλίζει την αντικειμενικότητα και την ακρίβεια των ενεργειών του μηχανικού, έχει πλέον ξεφύγει από το περιβάλλον του εργαστηριακού χώρου και έχει αποκτήσει ενεργή αποστολή στις βιομηχανικές εφαρμογές, αλλά και στην καθημερινότητα. Επιτελεί, μεταξύ άλλων, την επιτήρηση καλής λειτουργίας μιας διαδικασίας, τον έλεγχο ποιότητας, την ακρίβεια διαδικασιών παραγωγής, την ανάλυση παραμέτρων και την οδήγηση χειρισμών και διεργασιών με στόχο τη ρύθμιση και τη βελτίωση της λειτουργίας διαφόρων συστημάτων. Η ανάπτυξη της τεχνολογίας και των συστημάτων μετρήσεων χαρακτηρίζεται από συνεχώς αυξανόμενο αριθμό παραμέτρων προς μέτρηση και από απαίτηση για συνεχή βελτίωση ποιότητας και ακρίβειας. Η ανάπτυξη της ηλεκτρονικής και της πληροφορικής συνέβαλλαν σε μεγάλο βαθμό προς την κατεύθυνση αυτή, αφού σήμερα πολύπλοκες λειτουργίες μπορούν να υλοποιηθούν σε ολοκληρωμένα κυκλώματα και συστήματα.

Το μάθημα ξεκινά με μία εισαγωγή στο πεδίο των αισθητήρων και των συστημάτων μέτρησης και ελέγχου φυσικών παραμέτρων. Στη συνέχεια, περιγράφονται βασικές μέθοδοι και μονάδες απεικόνισης και καταγραφής δεδομένων μετρήσεων, καθώς και συστήματα συλλογής και επεξεργασίας δεδομένων μετρήσεων. Μελετώνται τεχνικές ρύθμισης και προσαρμογής των σημάτων που παρέχονται από αισθητήρες για την ορθή διασύνδεση τους με μονάδες απεικόνισης και καταγραφής, αλλά και κυκλώματα διασύνδεσης των αισθητήρων με συστήματα συλλογής και επεξεργασίας. Εξετάζονται επίσης, οι αρχές λειτουργίας και η τεχνολογία διαφόρων αισθητήρων μέτρησης παραμέτρων, όπως θερμοκρασία, μετατόπιση, προσέγγιση, ταχύτητα, επιτάχυνση, μηχανική τάση, δύναμη, βάρος, όγκος, στάθμη, πίεση. Στα πλαίσια του μαθήματος παρουσιάζονται χαρακτηριστικές περιπτώσεις εφαρμογών μετρήσεων και ελέγχου.

Οι διαλέξεις του μαθήματος καλύπτουν τις ακόλουθες θεματικές ενότητες:

1. Εισαγωγή στους αισθητήρες και στα συστήματα μέτρησης και ελέγχου: αισθητήρες και εφαρμογές τους, χρήση αισθητήρων σε συστήματα μέτρησης και ελέγχου, συστήματα μέτρησης, συστήματα ελέγχου ανοικτού βρόχου, συστήματα ελέγχου κλειστού βρόχου, μέση τιμή και τυπική απόκλιση μετρήσεων, κατανομή μετρήσεων.

2. Χαρακτηριστικά αισθητήρων και συστημάτων μέτρησης: εύρος λειτουργίας, ακρίβεια, τύποι σφαλμάτων, γραμμικότητα, ευαισθησία, διακριτική ικανότητα, υστέρηση, επαναληψιμότητα, νεκρή ζώνη, απόκριση, ολίσθηση, καθυστέρηση, χρόνος λειτουργίας, αξιοπιστία, ευστάθεια.

3. Απεικόνιση και καταγραφή δεδομένων μετρήσεων: εισαγωγή στις μονάδες απεικόνισης και καταγραφής, αναλογικές μονάδες απεικόνισης (μετρητής ή όργανο κινητού πηνίου, μετρητής αντίστασης, μετρητής κινητού οπλισμού, παλμογράφος), ψηφιακές μονάδες απεικόνισης (με διόδους φωτοεκπομπής, LED, με υγρούς κρυστάλλους, LCD), μονάδες καταγραφής: κινητού πηνίου, σερβομηχανισμού, σχεδιογράφος (plotter) XY, υπεριώδους φωτός, θερμικές.

4. Συστήματα συλλογής και επεξεργασίας δεδομένων μετρήσεων: ψηφιακά συστήματα μέτρησης, βασική δομή και αρχιτεκτονικές συστημάτων συλλογής και επεξεργασίας δεδομένων μετρήσεων, συστήματα που βασίζονται σε μικροεπεξεργαστή, συστήματα που βασίζονται σε Η/Υ, κάρτες DAQ (data acquisition boards), διεπικοινωνία συστημάτων μέτρησης, συστήματα διαύλου πεδίου (fieldbuses), έξυπνοι αισθητήρες.

5. Ρύθμιση σημάτων και προσαρμογή με τεχνικές παθητικών κυκλωμάτων: ρύθμιση και προσαρμογή σήματος, ρύθμιση σήματος με ποτενσιόμετρο, ρύθμιση σήματος με γέφυρα Wheatstone, προσαρμογή για μέγιστη μεταφορά τάσης, προσαρμογή για μέγιστη μεταφορά ισχύος με ή χωρίς μετασχηματιστή.

6. Ρύθμιση σημάτων και προσαρμογή με τεχνικές ενεργητικών κυκλωμάτων: ενεργητικά κυκλώματα, τελεστικός ενισχυτής, ιδανικός τελεστικός ενισχυτής, ενισχυτής αντιστροφής και μη αντιστροφής, απομονωτής, ενισχυτής άθροισης, ενισχυτής διαφοράς, ενισχυτής οργανολογίας, ολοκληρωτής, διαφοριστής, μετατροπέας ρεύματος σε τάση, μετατροπέας τάσης σε ρεύμα, συγκριτής τάσεων.

7. Κυκλώματα για ψηφιακά συστήματα μέτρησης και συστήματα συλλογής και επεξεργασίας δεδομένων μετρήσεων: αναλογικοί διακόπτες και αναλογικοί πολυπλέκτες, κυκλώματα δειγματοληψίας και συγκράτησης (sample and hold), εισαγωγή στους μετατροπείς A/D και D/A και βασικά χαρακτηριστικά τους, μετατροπέας D/A ισοζυγισμένων αντιστάσεων, μετατροπείς D/A κλίμακας R-2R λειτουργίας τάσης και ρεύματος, μετατροπέας A/D κλιμακωτής ανόδου, παράλληλος μετατροπέας A/D, μετατροπέας A/D διαδοχικών προσεγγίσεων, μετατροπέας A/D ολοκλήρωσης.

8. Μέτρηση θερμοκρασίας: θερμόμετρα διαστολής υγρού και μετάλλου, διμεταλλικό έλασμα, διμεταλλικό θερμόμετρο, διμεταλλικός θερμοστάτης, θερμόμετρο ηλεκτρικής αντίστασης (RTD), θερμίστορ, θερμοηλεκτρικό φαινόμενο και θερμοζεύγος, θερμόμετρα ακτινοβολίας, οπτικό πυρόμετρο νήματος, πυρόμετρο υπέρυθρου.

9. Μέτρηση παραμέτρων κίνησης Ι: εισαγωγή στη μέτρηση παραμέτρων κίνησης (μετατόπιση, προσέγγιση, ταχύτητα, επιτάχυνση, μηχανική τάση, βάρος), μέτρηση γραμμικής μετατόπισης (ωρολογιακό μικρόμετρο, γραμμικό ποτενσιόμετρο, γραμμικός διαφορικός μεταβλητός μετασχηματιστής - LVDT, πυκνωτής μεταβλητού εμβαδού), μέτρηση γωνιακής μετατόπισης (περιστροφικό ποτενσιόμετρο, αυξητικός και απόλυτος οπτικός κωδικοποιητής).

10. Μέτρηση παραμέτρων κίνησης ΙΙ: ταχομετρικές γεννήτριες, μέτρηση προσέγγισης (μικροδιακόπτες, αισθητήρας μεταβλητής μαγνητικής αντίστασης, ανιχνευτής φαινομένου Hall, οπτικοί αισθητήρες προσέγγισης), μέτρηση επιτάχυνσης (επιταχυνσιόμετρο σεισμικής μάζας, πιεζοηλεκτρικό επιταχυνσιόμετρο), μετρητής μηχανικής τάσης (πιεζοαντίσταση), μέτρηση δύναμης και βάρους (κυψελίδα φόρτισης, ζυγοί ισορροπίας, ζυγός ελατηρίου με γραμμικό ποτενσιόμετρο).

11. Μέτρηση στάθμης: μέθοδοι μέτρησης στάθμης, δοχείο παρατήρησης, ράβδος βυθομέτρησης, μηχανικός και ηλεκτρικός μετρητής πλωτήρα, βελόνα χωρητικότητας, βελόνα αγωγιμότητας, μετρητής υπερήχων, μετρητής φυσαλίδων, μέτρηση στάθμης με αισθητήρες πίεσης.

12. Μέτρηση πίεσης: μέθοδοι μέτρησης πίεσης, μανόμετρα υγρού, σωλήνας Bourdon, φυσητήρας με ποτενσιόμετρο ή LVDT, χωρητικοί και πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες πίεσης, αισθητήρες πίεσης με μετρητές μηχανικής τάσης, βαρόμετρα.

13. Χαρακτηριστικές περιπτώσεις συστημάτων μέτρησης και ελέγχου.

Οι εργαστηριακές ασκήσεις του μαθήματος περιλαμβάνουν τα ακόλουθα αντικείμενα:

Μελέτη μετατροπέων αναλογικού σήματος σε ψηφιακό και αντιστρόφως (A/D, D/A converters, μελέτη χαρακτηριστικών αισθητήρων θερμοκρασίας (θερμοζεύγος, θερμίστορ) και μέτρησης θερμοκρασίας με αυτούς, μελέτη αισθητήρων μετατόπισης (γραμμικός μεταβλητός διαφορικός μετασχηματιστής, LVDT) και μελέτη πιεζοαντίστασης (μετρητή μηχανικής τάσης) και μέτρηση καταπόνησης.

Με την επιτυχή ολοκλήρωση του μαθήματος ο φοιτητής / τρια θα:

Σε επίπεδο γνώσεων:

• περιγράφει τη βασική δομή και τις βασικές ιδιότητες των συστημάτων μέτρησης και ελέγχου,
• γνωρίζει τα βασικά χαρακτηριστικά των συστημάτων μέτρησης / ελέγχου και των αισθητήρων,
• περιγράφει τη λειτουργία και θα αναγνωρίζει τη χρησιμότητα παθητικών και ενεργητικών κυκλωμάτων ρύθμισης και προσαρμογής
   σημάτων που προέρχονται από αισθητήρες,
• αναγνωρίζει τους διάφορους τύπους μετατροπής αναλογικών σημάτων σε ψηφιακά και αντιστρόφως και θα γνωρίζει την
   αναγκαιότητα της χρησιμοποίησή τους στα συστήματα μέτρησης,
• γνωρίζει τις αρχές λειτουργίας και την τεχνολογία κατασκευής αισθητήρων για τη μέτρηση διάφορων φυσικών παραμέτρων
   (θερμοκρασία, μετατόπιση, προσέγγιση, ταχύτητα, επιτάχυνση, μηχανική τάση, βάρος, όγκος, στάθμη, πίεση κ.ά.),
• διακρίνει βασικές μεθόδους και συστήματα απεικόνισης και καταγραφής δεδομένων μετρήσεων,
• περιγράφει τη δομή διάφορων συστημάτων συλλογής και επεξεργασίας δεδομένων μετρήσεων και θα γνωρίζει τα επιμέρους
   κυκλώματα από τα οποία αυτά αποτελούνται.

Σε επίπεδο δεξιοτήτων

• εκτιμά και να αξιολογεί τα χαρακτηριστικά των αισθητήρων και των συστημάτων μέτρησης,
• εφαρμόζει τις γνώσεις που απέκτησε ώστε να επιλέγει τα κατάλληλα κυκλώματα ρύθμισης και προσαρμογής σημάτων, ανάλογα με
   την εφαρμογή που πρόκειται να υλοποιηθεί,
• είναι εξοικειωμένος/νη με τη λειτουργία και τη χρήση διάφορων τύπων μετατροπέων σήματος,
• αναλύει τις προδιαγραφές ενός συστήματος μέτρησης, ώστε να επιλέγει τα κατάλληλα γι’ αυτό, εξαρτήματα (αισθητήρες,
   κυκλώματα ρύθμισης και μετατροπής κ.ά.),
• αναλύει τη λειτουργία ενός συστήματος μέτρησης,
• εξηγεί με σαφήνεια τη λειτουργία των αισθητήρων για τη μέτρηση διάφορων φυσικών παραμέτρων,
• είναι εκπαιδευμένος/νη στη χρήση βασικών μεθόδων και συστημάτων απεικόνισης και καταγραφής δεδομένων μετρήσεων,
• είναι εξοικειωμένος/νη με μεθόδους και συστήματα συλλογής και επεξεργασίας δεδομένων μετρήσεων και μεθόδους και πρότυπα
   διασύνδεσης συστημάτων μέτρησης και επεξεργαστή ή υπολογιστή.

Σε επίπεδο ικανοτήτων

• αναπτύσσει (σχεδίαση και υλοποίηση) συστήματα για τη μέτρηση διάφορων φυσικών παραμέτρων,
• πειραματίζεται με εφαρμογές προηγμένων αισθητηρων,
• συνδυάζει αισθητήρες φυσικών παραμέτρων με τα κατάλληλα κυκλώματα ρύθμισης, συλλογής, δειγματοληψίας και συγκράτησης,
   μετατροπής και διασύνδεσης, ώστε να πληρούνται οι προδιαγραφές των συστημάτων μέτρησης για διάφορες εφαρμογές,
• επιλύει προβλήματα που ανακύπτουν κατά την ανάπτυξη συστημάτων μέτρησης,
• χρησιμοποιεί όργανα μέτρησης και εργαλεία λογισμικού για συλλογή και επεξεργασία δεδομένων μετρήσεων σε βιομηχανικό
   περιβάλλον.

P. Elgar, Αισθητήρες μέτρησης και ελέγχου, Εκδόσεις Τζιόλα, 2003.
K. Καλαϊτζάκης, Ε. Κουτρούλης, Ηλεκτρικές μετρήσεις και αισθητήρες, Εκδόσεις Κλειδάριθμος, 2010.
Κ. Καλοβρέκτης, Ν. Κατέβας, Αισθητήρες μέτρησης και ελέγχου, Εκδόσεις Τζιόλα, 2018.
Ν. Σταθόπουλος, Μετρήσεις: Ηλεκτρονικά συστήματα μετρήσεων και αισθητήρια, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Αράκυνθος, 2017.
Α. Γαστεράτος, Σ. Μουρούτσος, Ι. Ανδρεάδης, Τεχνολογία μετρήσεων - Αισθητήρια, Εκδόσεις Τσότρας, 2013
Σ. Μπουλταδάκης, Ι. Καλόμοιρος, Υλικό και λογισμικό μετρήσεων, Εκδόσεις Τζιόλα, 2009.
Α.E. Parr, Industrial control handbook, Industrial Press, 2000.
W. Nawrocki, Measurement systems and sensors, Artech House, 2005.
J. Fraden, Handbook of modern sensors, Springer, 2004.

Συναφή επιστημονικά περιοδικά (Related academic journals)

IEEE Transactions on Instrumentation and Measurements.
IEEE Sensor Journal
Measurement: Sensors, Elsevier
Sensors Review: The International Journal of Sensing for Industry, Emerald
Measurement Science and Technology, IOP Science

Διαθέσιμα ηλεκτρονικά βιβλία

Λ. Μπισδούνης, Συστήματα μέτρησης και αισθητήρες, Θεωρία και ασκήσεις, Λ. Μπισδούνης, Τμήμα ΗΜΜΥ, Πανεπιστήμιο Πελοποννήσου, 2021.
Α. Γαστεράτος, Σ. Μουρούτσος, Γ. Ανδρεάδης, Τεχνική των μετρήσεων, Τμήμα ΗΜΜΥ, Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης, 2006.

Οργάνωση διδασκαλίας

Η διδασκαλία του μαθήματος, οργανώνεται ως εξής:

• Διαλέξεις (3 ώρες εβδομαδιαίως)
• Εργαστηριακές ασκήσεις (1 ώρα εβδομαδιαίως)
• Εκπόνηση εργασιών σχετικών με το εργαστηριακό μέρος του μαθήματος (μία εργασία ανά εργαστηριακή άσκηση).

Τρόπος παράδοσης

Το θεωρητικό μέρος του μαθήματος διδάσκεται με δια ζώσης διαλέξεις κατά το χειμερινό εξάμηνο.
Το εργαστηριακό μέρος του μαθηματος διεξαγεται στο χώρο του αντίστοιχου εργαστηρίου σε ομάδες των 16 ατόμων (2 φοιτητές ανά εργαστηριακό πάγκο που περιλαμβάνει τις κατάλληλες εκπαιδευτικές διατάξεις και τα απαιτούμενα όργανα μέτρησης)

Χρήση τεχνολογιών πληροφοφικής & επικοινωνιών

Στα πλαίσια του μαθήματος γίνεται χρήση τεχνολογιών πληροφοφικής & επικοικοινωνιών και παρέχονται:

• Παρουσιάσεις θεωρίας και ασκήσεις, οι οποίες έχουν αναρτηθεί από την αρχή του εξαμήνου στο eClass.
• Υποστήριξη μαθησιακής διαδικασίας μέσω της πλατφόρμας eClass (για επικοινωνία μέσω μυνημάτων και forum, για διανομή
  σημειώσεων διδασκαλίας, ασκήσεων, ηλεκτρονικών βιβλίων και συμπληρωματικού υλικού, ανακοινώσεις, χρήσιμους συνδέσμους
  και βιβλιογραφία).

Η αξιολόγηση των φοιτητών προκύπτει από την επίδοσή τους στο θεωρητικό μέρος του μαθήματος (70%) και από την επίδοσή τους στο εργαστηριακό μέρος του μαθήματος (30%).

Η αξιολόγηση των φοιτητών στο θεωρητικό μέρος του μαθήματος απο τη συμμετοχή τους σε τελική γραπτή εξέταση που περιλαμβάνει επίλυση προβλημάτων / ασκήσεων και ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής με διαβαθμισμένη δυσκολία. Η επιμέρους βαθμολογία κάθε θέματος της εξέτασης είναι διαθέσιμη.

Η αξιολόγηση των φοιτητών στο εργαστηριακό μέρος του μαθήματος προκύπτει από τη συμμετοχή τους στη διεξαγωγη των εργαστηριακών ασκήσεων (υποχρεωτική παρουσία), την επίδοσή τους στην εκπόνηση των αντίστοιχων εργασιών και την επίδοσή τους σε τεική εξέταση που περιλαμβάνει πρακτικό μέρος και απόκριση σε σχετικά ερωτήματα.

Η συμμετοχή των φοιτητών στην τελική γραπτή εξέταση του θεωρητικού μέρους του μαθήματος προϋποθέτει την εκπλήρωση των υποχρεώσεών τους (παρουσία στις εργαστηριακές ασκήσεις και υποβολή των αντίστοιχων εργασιών) στο εργαστηριακό μέρος του μαθήματος.

Θεωρητικό μέρος του μαθήματος:

Λάμπρος Μπισδούνης, Kαθηγητής
Εργαστήριο Αναλογικών Ηλεκτρονικών Κυκλωμάτων, 1ος όροφος, Κτήριο Α1
Τηλ. 2610 369293
E-mail: bisdounis@uop.gr
Ιστοσελίδα: http://econ.uop.gr/~bisdounis

Εργαστηριακό μέρος του μαθήματος:

Γεώργιος Σουλιώτης, Επικουρος καθηγητής
1ος όροφος, Κτήριο Α1
Τηλ. 2610 369257
E-mail: gsoul@uop.gr

Ανδρέας Κατσαΐτης, Τεχνικός εργαστηρίων
Εργαστήριο Αναλογικών Ηλεκτρονικών Κυκλωμάτων, 1ος όροφος, Κτήριο Α1
Τηλ. 2610 369349
E-mail: katsaitis@uop.gr