Лекція 1. Засоби вимірювання і їх властивості
План
1.1. Класифікація засобів вимірювальної техніки
1.2. Державна система промислових приладів і засобів автоматизації
1.3. Класифікація вимірювальних приладів за узагальненими ознаками
1.4. Структура і параметри засобів вимірювальної техніки
1.1. Класифікація засобів вимірювальної техніки
Засоби вимірювальної техніки – технічні засоби, що викорис-товуються при вимірюваннях і характеризуються нормованими метрологічними властивостями.
За призначенням засоби вимірювальної техніки (ЗВТ) поділяються на міри, вимірювальні перетворювачі, вимірювальні прилади, вимірювальні установки і вимірювальні системи (рис.1.1).
Міри – засоби вимірювання призначені для відображення фізичної величини заданого розміру. Розрізняють однозначні і багатозначні міри.
Однозначні міри – відображають одне значення фізичної величини (наприклад нормальний елемент – значення ЕРС).
Багатозначні міри – відображають (плавно або дискретно) ряд значень однієї і тієї ж фізичної величини.
Міра необхідна для виконання порівняння з нею вимірюваної величини.
Вимірювальні перетворювачі – засоби вимірювань призначені для вироблення сигналу вимірювальної інформації у формі зручній для передачі, подальшого перетворення, обробки і (або) подальшого збереження, але яка не сприймається безпосередньо спостерігачем.
Принцип їх дії заснований на різних фізичних явищах. Вимірювальні перетворювачі перетворюють будь які фізичні величини х (електричні, неелектричні, магнітні) у вихідний електричний сигнал:
Y=f(x). (1.1)
Розрізняють перетворювачі безперервної величини у дискретну; первинні перетворювачі (датчики), до яких підводиться величина, що вимірюється; проміжні, що включені у вимірювальне коло після первинних;
Рис.1.1. Засоби вимірювань
– масштабні, що призначені для вимірювання значення величини у декілька разів;
– обернені, що включені у коло зворотного зв’язку;
– передаючі;
– порівняння, що призначені для порівняння величини, що вимірюється з мірою;
– вихідні;
До вимірювальних перетворювачів можна віднести перетворювачі змінної напруги у постійну, подільники струму, напруги, вимірювальні трансформатори напруги і струму, підсилювачі, компаратори, аналогово-цифрові перетворювачі, цифро-аналогові перетворювачі та інші.
Вимірювальні прилади – засоби вимірювань призначені для обробки сигналу вимірювальної інформації у формі доступній для безпосереднього сприйняття спостерігачем. Наприклад, у вигляді цифрового відрахунку на відрахунковому пристрої.
Вимірювальний прилад, показ якого являється безперервною функцією змін величини, що вимірюється, називається аналоговим вимірювальним приладом. Наприклад, електровимірювальний прилад з відрахунковим пристроєм у вигляді стрілки і шкали – аналоговий прилад.
Вимірювальний прилад, що автоматично виробляє дискретний (кодований) сигнал інформації, що вимірюється і подає покази у цифровій формі називається цифровим вимірювальним приладом.
У залежності від того, чи допускають вимірювальні прилади тільки зчитування показів, чи допускають зчитування і реєстрацію, або тільки реєстрацію показів, вони відносяться до показувальних, або до реєструючих вимірюваль-них приладів.
Використовуються регулюючі вимірювальні прилади, тобто прилади, що мають засоби для управління технологічним процесом.
Вимірювальні прилади, які виконують одне або декілька перетворень сигналу інформації, що вимірюється в одному напрямку у колі перетворень називаються приладами прямого перетворення.
Вимірювальні прилади, які мають коло зворотного перетворення сигналу, що вимірюється, називаються приладами зрівноважуючого перетворення, або приладами порівняння.
У залежності від використовуваних вузлів серед електровимірю-вальних аналогових приладів прямого перетворення виділяють групи приладів: електромеханічні, електромеханічні з перетворювачами і електронні.
За родом величини, що вимірюється електровимірювальні прилади ділять на наступні групи: амперметри (І), вольтметри (U), омметри (R) i т.д.
У залежності від степені усереднення величини, що вимірюється виділяють прилади: що дають покази миттєвих значень вимірювальної величини і прилади інтегруючі, покази яких визначаються інтегралом за часом, або іншої незалежної змінної від вимірювальної величини.
За характером установки на місці прилади бувають: стаціонарними, що призначені для жорсткого кріплення і переносними, що не призначені для жорсткого кріплення.
У залежності від степені захищеності від кліматичних дій прилади виконуються звичайними, пиле-, водо-, бризкозахищеними, герметик-ними, вібро-, ударостійкими та іншими.
Для виконання масових технологічних вимірювань використо-вуються вимірювальні установки.
Вимірювальною установкою називається сукупність функціо-нально і конструкційно об'єднаних засобів вимірювання і допоміжних пристроїв, що призначені для раціональної організації вимірювань.
Електровимірювальні установки використовують наприклад, для градуювання і повірки електровимірювальних приладів, вимірювання потужності у трифазних колах і ін.
Вимірювальна система – сукупність засобів вимірювання і допоміжних пристроїв, з'єднаних між собою каналами зв’язку і призначена для видачі сигналів вимірювальної інформації у формі зручній для автоматичної обробки, передачі і використання в автоматичних системах керування.
Вимірювальну систему, в якій передбачена можливість представлення інформації оператору, називають інформаційно-вимірювальною системою (ІВС).
Всі засоби вимірювання за виконуваними метрологічними функціями поділяють на зразкові і робочі.
Зразкові ЗВ призначені для повірки з їх допомогою інших робочих 3В.
Робочі ЗВ - використовують для виконання всіх вимірювань, крім вимірювань, що пов'язані з повіркою і з передачею розміру одиниць величин.
Міри електричних величин. Міри електрорушійної сили є зразкові і робочі. Вони є насиченими та ненасиченими і мають класи точності:
– насичені кл. 0,0005; 0,001; 0,002; 0,005 ЕРС при t=20 C від 1,018590-1,018700.
– ненасичені кл. 0,002; 0,005; 0,01; 0,02 ЕРС при t=20 C від 1,019000-1,019600.
Високі метрологічні показники нормальних елементів забезпечуються технологією їх виготовлення. Нормальні елементи використовуються як робочі міри ЕРС при компенсаційних методах вимірювання.
Міри електричного опору. Зразковими і робочими мірами електричного опору в колах постійного і змінного струму є вимірювальні котушки і магазини опорів.
Міри індуктивності і взаємоіндуктивності. Існують вимірювальні котушки, варіометри і магазини, що мають класи точності: 0.01; 0.02; 0.05; 0.1; 0.2; 0.5; 1.5.
Мірами ємності служать вимірювальні конденсатори і магазини ємності, які є набором вимірювальних конденсаторів, що конструктивно об'єднані з перемикаючими пристроями. Магазини ємності виготовляються таких класів: 0.05; 0.1; 0.2; 0.5; 1.0.
1.2. Державна система промислових приладів і засобів автоматизації ґ
Підвищення вимог до якості і кількості ЗВТ для потреб народного господарства при обмежених виділеннях ресурсів привело до системного підходу при створенні ЗВТ.
Роботи в цьому напрямку привели до створення Державної системи промислових приладів і засобів автоматизації.
Державна система промислових приладів і засобів автоматизації визначається як сукупність виробів призначених для використання у промисловості в якості технічних засобів автоматичних і автоматизованих систем контролю, вимірювання, регулювання і управління технологічними процесами, інформаційно-вимірювальних систем (ІВС), а також для контролю, вимірювання і регулювання окремих параметрів.
Методологічну основу державної системи промислових приладів і засобів автоматизації складає система державних стандартів, які встановлюють загальні технічні вимоги, вимоги до вхідного і вихідного сигналу, правила інформаційної сумісності і конструктивного виконання.
Технічну основу державної системи промислових приладів і засобів автоматизації складають агрегатні комплекси, кожен з яких представляє собою сукупність технічних засобів, упорядкованих за функціями і параметрами.
До основних видів сумісності відносяться конструктивна і інформаційна.
Інформаційна сумісність – забезпечується уніфікацією вхідних і вихідних сигналів і використанням стандартних інтерфейсів.
Інтерфейс представляє собою систему уніфікованих зв’язків і сигналів – конструктивних, логічних, фізичних, за допомогою яких технічні засоби з’єднуються один з одним і проводять обмін інформацією.
Конструктивна сумісність досягається використанням уніфіко-ваних типових конструктивів.
У наш час розвиток державної системи промислових приладів і засобів автоматизації тісно пов'язаний зі створенням процесорних ЗВ. Ці засоби потребують розвинутого математичного забезпечення.
1.3. Класифікація вимірювальних приладів за узагальненими ознаками
Найбільш поширеними ЗВТ являються вимірювальні прилади (ВП) .
Вимірювальні прилади представляють собою різне поєднання вимірювальних перетворювачів, що виконують певні функції і відрахункових пристроїв. Структурна схема ВП показує функціональну взаємодію основних його перетворювачів.
За фізичними явищами, на яких заснована робота ВП, їх можна розділити на електровимірювальні і електронні прилади. Електровимірювальні прилади являються електромеханічними, їх класифікація залежить від способу перетворення електромагнітної енергії. Електронні вимірювальні прилади представляють собою складні пристрої, які містять у собі велику кількість перетворювачів, що виконують функції генерації, підсилення, випрямлення, перетворення електричних сигналів певної форми, аналогового сигналу у дискретний і навпаки, порівняння та інше. Електронні прилади розробляються на активних елементах (транзисторах, мікросхемах) і на пасивних елементах (резисторах, конденсаторах, котушках індуктивності).
За характером і видом вимірювальних величин електронні ВП поділяються на 22 підгрупи, які умовно можна об'єднати у п'ять груп [2]:
1. Вимірювальні генератори – малопотужні джерела сигналів.
2. Спеціальні елементи вимірювальних кіл (послаблювачі сигналів, фазообертачі).
3. Прилади призначені для вимірювання значень фізичних величин, параметрів і характеристик сигналів.
4. Прилади призначені для вимірювання характеристик і параметрів компонентів, що входять у електронні кола.
5. Вимірювальні установки і системи.
Прилади розрізняють за рядом загальних ознак:
За видом вихідної інформації (аналогова, цифрова).
За схемою перетворення (прямої дії, порівняння).
За способом видачі вимірювальної інформації (показуючі, реєструючі).
За характером установки на місці використання (стаціонарні, переносні).
За степенем захищеності (звичайні, пиле-, водо- і бризкозахищені, герметичні й інші).
Електромеханічні електровимірювальні прилади класифікують за принципом дії:
Магнітоелектричні – М;
Електродинамічні – Д;
Електромагнітні – Е;
Електростатичні – С;
Прилади з термоперетворювачами – Т.
1.4. Структура і параметри засобів вимірювальної техніки
Принцип дії і види схем. У засобах вимірювання можуть відбуватися перетворення вимірювальної інформації, погоджені між собою так, щоб забезпечити певне перетворення вхідного сигналу у вихідний. Принцип дії засобу вимірювань визначається характером основних перетворень вимірювальної інформації.
Елемент засобу вимірювань, призначений для реалізації певного етапу перетворень, називається перетворювальним. Сукупність всіх відповідно з'єднаних перетворювальних елементів цього засобу вимірювань утворює його вимірювальне коло. Частина першого перетворювального елемента у вимірювальному колі, яка перебуває під безпосередньою дією вимірюваної величини, називається чутливим елементом. Наприклад, резистивний елемент термометра опору.
Вимірювальні кола засобів вимірювань умовно зображаються у вигляді відповідних структурних, функціональних і принципових схем. Структурною називається схема засобу вимірювань (його окремої частини), яка відображує основні частини вимірювального кола, їх призначення і взаємозв'язок. Схема, яка крім структури вимірювального кола пояснює ще й функціонування окремих його ділянок (певні процеси в них), називається функціональною. Схема засобу вимірювань (його частини), яка містить повний склад елементів вимірювального кола і пояснює принцип дії та взаємозв'язки між ними, називається принциповою (повною).
Структурні схеми засобів вимірювань прямого і зрівноважувального перетворень. Структурний елемент вимірювального кола (перетворювальний елемент засобу вимірювань, його частина або сам засіб вимірювань, що входить до складу вимірювального кола поряд з іншими) умовно подано на рис.2.2, де Х1 і Х2 – відповідно вхідна і вихідна величини структурного елемента.
Структурні елементи вимірювального кола можна з'єднувати послідовно, паралельно, зустрічно-паралельно, змішано. Спосіб з'єднання при відповідному функціональному призначенні структурних елементів визначає метод вимірювального перетворення. Розрізняють методи прямого, зрівноважувального і комбінованого перетворень.
Пряме перетворення вимірювальної інформації характерне тим, що воно відбувається тільки в одному напрямку – від входу до виходу вимірювального кола, без зворотного зв'язку (рис.1.3).
Зрівноважувальне перетворення полягає в тому, що вимірювана величина зрівноважується іншою величиною тієї самої фізичної природи. Існує два види зрівноважувального перетворення: слідкуюче (з від'ємним зворотним зв'язком) і розгортальне (автономне).
У засобах вимірювання слідкуючого перетворення (рис.1.4) вимірювана величина Х зрівноважується величиною Хк=bY, де b – коефіцієнт зворотного зв'язку. На вхід кола прямого перетворення надходить різниця DХ=Х-Хк, яка завдяки великому коефіцієнту підсилення К цього кола і глибокому від'ємному зворотному зв'язку зводиться до такого рівня, коли можна прийняти Х=Хк і за значенням Хк відшукати величину Х.
У засобах вимірювання розгортального перетворення (рис.1.5,а) Хк утворюється автономним джерелом компенсуючої величини (ДКВ) і змінюється автоматично за певним законом (рис,1.5,б). В момент компенсації, коли DХ=X-Хк=0, спрацьовує нуль-орган (НО), який видає сигнал про рівність X=Хк на вихідний відліковий пристрій (ВП).
Комбіноване перетворення поєднує особливості прямого і зрівноважувального перетворення.
Функція і коефіцієнт перетворення, чутливість і поріг чутливості. Зв'язок між вхідною X і вихідною Y величинами вимірювального пристрою можна подати функцією перетворення:
Y=F(X), (1.2)
яка в загальному випадку нелінійна.
Рис.1.2. Зображення структурного елемента вимірювального кола
Функція перетворення, що присвоєна певному вимірювальному пристрою, називається номінальною функцією Fном(Х) або градуюваль-ною характеристикою (рис.1.6). Реальна функція перетворення відрізняється від номінальної, що спричиняє похибки перетворення.
Рис 1.3. Структурна схема засобу вимірювального прямого перетворення
Рис 1.4. Структурна схема засобу вимірювання слідкуючого зрівноважування
На основі Y і Yном визначається коефіцієнт перетворення К(X)=Y/Х і номінальний коефіцієнт перетворення Кном(Х)=Yном/X. Очевидно, що Кном(X)=const тільки тоді, коли Кном лінійна і проходить через початок системи координат (графік 2 на рис. 1.6).
В загальному випадку X і Y є величинами різної фізичної природи. За допомогою Кном(Х) вихідна величина Y зводиться до входу, внаслідок чого дістаємо зведену функцію перетворення:
(1.3)
В загальному випадку X і Y є величинами різної фізичної природи.
Рис 1.5. Розгортальне зрівноважувальне перетворення:
а – структурна схема; б – часова діаграма;
Рис 1.6. Графіки номінальних функцій перетворення
За допомогою Кном(Х) вихідна величина Y зводиться до входу, внаслідок чого дістаємо зведену функцію перетворення:
(1.4)
на основі якої можна знайти обернену зведену функцію перетворення:
(1.5)
похідна від функції перетворення, тобто:
(1.6)
або в скінченних приростах:
(1.7)
називається чутливістю вимірювального пристрою. Таке визначення свідчить про те, що чутливість характеризує міру реагування вимірю-вального пристрою на дію вхідної величини. Якщо функція перетво-рення лінійна, то чутливість стала, а якщо, крім цього, графік Fном(Х) проходить через початок системи координат, то номінальна чутливість дорівнює номінальному коефіцієнту перетворення. А коли функція перетворення нелінійна, то чутливість є функцією вхідної величини і пов'язана з коефіцієнтом перетворення залежністю:
(1.8)
Звідси, знаючи К(Х), завжди можна знайти S(Х), але не навпаки. Значить, коефіцієнт перетворення є більш інформативною характери-тикою вимірювального пристрою, ніж чутливість.
Рис 1.7. До пояснення понять сталої приладу і ціни поділки шкали
Поріг чутливості (реагування) вимірювального пристрою – це мінімальна зміна вхідної величини, яка може бути ним явно виявлена. Із збільшенням чутливості за інших рівних умов поріг чутливості зменшується.
Розмірність чутливості є відношення розмірностей вихідної і вхідної величин, а поріг чутливості має розмірність вхідної величини.
Показ, відлік, стала засобу вимірювань і ціна поділки шкали. Значення величини, яке знаходиться по відліковому пристрою в прийнятих одиницях, називається показом засобу вимірювань. Показ можна виразити як:
(1.9)
або
(1.10)
де N – відлік (число неіменоване, відлічене за відліковим пристроєм або одержане лічбою послідовних відміток чи сигналів);
С – стала засобу вимірювання числа, іменована в одиницях вимірюваної величини;
NП – число поділок, відлічених за відліковим пристроєм;
СП – ціна поділки шкали (різниця значень величин, які відповідають двом сусіднім відміткам шкали).
Шкала засобу вимірювання, як частина його відлікового пристрою, це сукупність відміток і чисел відліку або інших символів, що відповідають ряду послідовних значень величини, в одиницях якої дістають покази засобу вимірювань. Якщо довжина поділок (відстань між осями сусідніх відміток) і ціна поділки сталі вздовж шкали, то шкала рівномірна. Шкала з поділками різної довжини або з різною ціною поділки, називається нерівномірною.
Відмінність понять сталої приладу С і ціни поділки шкали Сп пояснює рис.2.7, з якого видно, що найбільший відлік Nmax=30, а відлік, що відповідає положенню стрілки, становить N=16. Якщо найбільший показ Umax=30 В, то стала приладу:
а показ, що на рисунку відповідає положенню стрілки:
На цій шкалі максимальне число поділок Nmax=15под, а положенню стрілки відповідає Nп=8 под. Отже, ціна поділки:
а показ:
Числові значення С і Сп залежать від кінцевого значення шкали в даному діапазоні вимірювань. Якщо в іншому діапазоні вимірювань:
Umax=60В, то: С=60В/30=2В
і Сп=60В/15 под=4В/под.
Числові значення сталої приладу і ціни поділки шкали збігаються тільки тоді, коли кількість поділок чисельно дорівнює відліку, незалежно від того, рівномірна шкала чи нерівномірна, однодіапазонний прилад чи багатодіапазонний.
Запитання
1. Дайте визначення засобам вимірювальної техніки (ЗВТ).
2. Як розділяються засоби вимірювань за призначенням?
3. Як поділяються міри фізичних величин?
4. Наведіть приклади багатозначних мір фізичних величин.
5. Дайте визначення вимірювальним перетворювачам.
6. Що таке первинні вимірювальні перетворювачі?
7. Що таке вторинні вимірювальні перетворювачі?
8. Що таке масштабні вимірювальні перетворювачі?
9. Дайте визначення вимірювальним приладам.
10. Навести приклади аналогових вимірювальних приладив.
11. Що являє собою цифровий вимірювальний прилад?
12. Дайте визначення регулюючим вимірювальним приладам.
13. Як поділяються електровимірювальні прилади по родом вимірювальних величин?
14. Дайте визначення вимірювальним установкам.
15. Дайте визначення вимірювальним системам.
16. Що являє собою інформаційна-вимірювальна система?
17. Як поділяються засоби вимірювань за виконуваними мет-рологічними функціями?
18. Дайте визначення робочим засобам вимірювань.
19. Які існують міри індуктивності і взаємоіндуктивності?
20. Що являє собою Державна система промислових приладів і засобів автоматизації (ДСП)?
21. Що складає методологічну основу ДСП?
22. Чим забезпечується інформаційна сумісність в ДСП?
23. Що представляють собою електронні вимірювальні прилади?
24. Що таке метрологічні характеристики засобів вимірювань?
25. Що являє собою функція перетворення вимірювального приладу?
26. Як визначається чутливість вимірювального приладу?
27. Що являє собою варіація показів вимірювального приладу?
28. Що представляє собою область робочих частот вимірюваль-ного приладу?
29. Як визначається швидкодія для цифрових приладів?
30. Що таке надійність засобів вимірювань?