М-4.1. Поняття про засоби вимірів

М-4. ЗАСОБИ ВИМІРІВ

Контрольні питання

7. Охарактеризувати види вимірів. Різниця між прямим і іншими видами вимірів.

8. Охарактеризувати методи вимірів.

Засіб вимірів (ЗВ) - технічний засіб, що використовується при вимірах і який має унормовані метрологічні властивості. В цьому визначенні за ГОСТ 16263-70 підкреслюється важливість для вимірювального приладу мати чітко обумовлені в документації на цей прилад властивості і характеристики, що забезпечують необхідну точність, і зіставлення вимірів, виконаних даним приладом. До засобів вимірів відносять міри, вимірювальні прилади, перетворювачи, установки і системи.

Міра - засіб виміру, призначений для відтворення ФВ заданого розміру. Наприклад, гиря - міра, відтворююча масу певної величини, вимірювальний резистор - міра електричного опору. На порівнянні вимірної величини з мірою заснована більшість засобів вимірів, тому майже всі ЗВ зберігають або відтворюють одиниці ФВ. Міри поділяються на однозначні і багатозначні.

Однозначна міра - відтворює ФВ одного розміру. Вона відтворює або одиницю виміру, або деяке певне числове значення ФВ. Наприклад, конденсатор постійної ємності, гиря. Із однозначних мір набирають набори мір. Набор мір - спеціально підібраний комплект мір, що застосовуються не тільки зокрема, але і в різноманітних сполученнях з метою відтворення ряду одноіменних величин різноманітного розміру (наприклад, набір гирь).

Багатозначна міра - відтворює ряд однойменних величин різноманітного розміру. Наприклад, лінійка з міліметровими поділками, конденсатор змінної ємності.

Для використання в вимірах ЗВ повинно мати специфічну особливість - робити видимим значення вимірюваної величини. Таким чином потрібен вимірювальний прилад - засіб вимірів, призначений для вироблення сигналу вимірювальної інформації в формі, доступній для безпосереднього сприймання спостерігачем. Результати вимірів приладами видаються їх лічильними пристроями. Слідує відрізняти відлік (число по шкалі приладу) від показання вимірювального приладу, яка є значенням величини, що визначається по лічильному пристрою і висловлюється в прийнятих одиницях цієї величини. Показання може бути висловлене як:

х _n= N – c або x _n= N _дiл × c _дiл

Де N - вiдлiк; c - постійна засобу виміру (в одиницях вимірюваної величини); N _дiл - число подiлок шкали; c _дiл - ціна ділення шкали. Приклад визначення показання вольтметру наведений на рис. 4.1.

В залежності від засобу утворення показань вимірювальні прилади поділяються на прилади, що показують, і реєструючі. Прилади, що показують, діляться, в свою чергу, на аналоговi і цифровi.

Аналоговi прилади - вимірювальні прилади, показання яких є безперервною функцією зміни вимірюваної величини. Це найчастіше стрiлочнi прилади з лічильним пристрієм, що складається із шкали і покажчика (стрілки), зв'язаного з рухомою частиною приладу.

Цифровi прилади - автоматично виробляють дискретнi сигнали вимірювальної інформації, якi подають у цифровiй формі. Вiдлiк у них виконується механічним або електронним лiчильним пристроєм. Позитивною якістю таких приладів у порівняннi зі стрiлочними є автоматизація процесу вимірів, що виключає виникнення похибок через помилки оператора. Такі прилади все частіше замінюють стрiлочнi, що відзеркалює зміни в приладобудуваннi і перехід на електронні (мiкропроцесорнi) технології, а також орієнтацію на підключення приладів до ЕОМ.

Рис. 4.1. Характеристики шкали і показання приладу
(N = 28, c = 1 В; N _дiл = 14 дів., c _дiл = 2 В).

Реєструючі прилади - забезпечують автоматичну реєстрацію (запис) показань. Самопишущi прилади видають показання у формі діаграм, прилади, що друкують - результати вимірів у цифровiй формі на паперовій стрiчцi. Реєструючі прилади широко використовуються для безперервної реєстрації ФВ, що змінюються в часі (наприклад, температура, тиск тощо.).

В системах автоматичного контролю і регулювання різноманітних технологічних процесів широко використовуються вимірювальні перетворювачі - засоби вимірів, що служать для ви­роб­лення вимірювальної інформації у формі, зручній для передачі, подальшого пе­ре­тво­рен­ня, обробки і зберігання, але яка не піддається безпосередньому сприйманню спостері­га­ча. В системах, котрі контролюються ЕОМ, ці прилади перетворюють величину, що вимі­рю­єть­ся, в цифровi дискретнi сигнали, які записуються і аналізуються на ЕОМ. Якщо розглядати більш широко, то за принципом вимірювального перетворювача побудовані практич­но всі ЗВ, оскільки здійснюють перетворення вхідної вимірюваної величини в вихід­ну (вимірювальний сигнал). Одна із основних вимог до вимірювальних перетворювачей - це най­точ­ніше передавання інформації, тобто повинні бути мінімальні утрати інформації, що забезпечують мінімальні похибки.

За засобом визначення значення ФВ, що вимірюється, прилади розподіляються на дві групи:

1. Прилади прямої дії - дозволяють отримати значення ФВ, що вимірюється, безпосередньо на лiчильному пристрою. Такі пристрої складаються із елементів, що здійснюють перетворення вимірюваної величини в сигнал певного виду, а також підсилення цього сигналу, якщо це необхідно для переміщення рухомого покажчика лiчильного пристрою. Наприклад, термометри, амперметри тощо.

2. Прилади порівняння - прилади, що засновані на безпосередньому порівнянні вимірюваної величини з величиною (мірою), значення якої відомо. Наприклад, важільні ваги, компенсаційні вимірювальні ланцюги. Особливістю таких приладів є те, що похибки вимірів за їхньою допомогою визначаються в основному погрішністю мір, з якими порівнюються вимірювані величини. Тому застосування більш точних мір підвищує точність вимірів.

Різноманітні вимірювальні прилади, перетворювачі і міри можуть об'єднуватися в вимірювальні системи, що призначені для вироблення сигналів вимірювальної інформації у формі, зручній для автоматичної обробки, передачі і використання в автоматичних системах управління, т.б. системах зі зворотним зв'язком. В таких системах вимірювальна інформація служить для корегування вимірюваних величини і підтримання параметрів технологічного процесу у встановлених межах.

М-4.2. Характеристики засобів вимірів

При усій різноманітності засобів вимірів, вони мають загальні властивості і характеристики, що дозволяють, з одного боку, виділити групи схожих ЗВ, а з іншого боку, виявити відмінності між аналогічними ЗВ. Основними характеристиками ЗВ за ГОСТ 16263-70 є:

1. Принцип дії - фізичний принцип, який покладено в основу побудови засобів виміру даного типу. Принцип дії часто буває відбитий в назві засобу вимірів, наприклад: важільний тензометр, термоелектричний термометр.

2. Діапазон вимірів - галузь значень вимірюваної величини, в межах якої вимірює прилад і для якої нормовані допустимі похибки приладу. Знання похибки ЗВ необхідно для отримання результату виміру.

3. Похибка - різниця між показанням ЗВ і істинним значенням вимірюваної величини. Оскільки істинне значення невідомо, на практиці розглядають відхилення показання від дійсного (дуже точно виміряного) значення.

4. Чутливiсть - це відношення зміни сигналу D L на виході вимірювального приладу до викликаючої його зміни вимірюваної величини D A:

З формули слідує, що чим меншу зміну вимірюваної величини відмічає прилад, тим вище його чутливість, тобто вона обернено пропорційна ціні поділки шкали.

5. Клас точності - узагальнена характеристика ЗВ, яка визначається межами похибок приладу, а також іншими властивостями ЗВ, що впливають на точність.

6. Нормованi метрологiчнi характеристики - комплекс характеристик, установлюваних в документації на ЗВ конкретного типу у відповідності до ГОСТ 8.009-84.

7. Стабільність - якість ЗВ, що відбиває незмінність в часі його метрологічних властивостей і характеристик.

Метрологiчнi характеристики ЗВ - характеристики властивостей засобів вимірів, що впливають на результати вимірів і їх точність. Вони є показниками якості і технічного рівня усіх ЗВ. Для забезпечення точності і єдності вимірів метрологічні характеристики ЗВ нормуються в нормативно-технічній літературі на ЗВ кожного типу. Нормування передбачає завдання для характеристики норми, тобто номінального значення або меж, усередині яких вона повинна знаходитися. Кількісно метрологічні характеристики задаються межами похибок, які вони вносять в результат вимірів. Ці значення нормуються для нормальних і робочих умов використання ЗВ.

Нормальні умови застосування ЗВ - умови, при яких можна нехтувати залежністю метрологічних характеристик від зміни значення величин, що впливають, зумовлених умовами середи і таких, що викривляють дані приладів. Для багатьох типів ЗВ нормальними умовами вважаються: робоча температура - (20±5)°С, відносна вологість- (65± 5)%, напруга - 220В ± 10%. Для цих умов нормується основна похибка ЗВ.

Робочі умови застосування ЗВ відрізняються від нормальних більш широким діапазоном зміни значень величин, які впливають (температури, вологості тощо). Для цих умов нормується додаткова похибка ЗВ, яку ще називають поправкою.

Метрологiчнi характеристики можна розбити на групи:

1. Характеристики, призначені для визначення показань ЗВ. До них відносяться: функція перетворення вимірного перетворювача, значення міри, ціна поділки шкали; для деяких ЗВ може визначатися градуіровочна характеристика - залежність між значеннями величини на виході і вході засобу вимірів, складена у виді таблиці або формули. Для конкретних ЗВ нормуються межі, в яких повинна знаходитися індивідуальна метрологічна характеристика цієї групи для відповідних умов застосування.

2. Характеристики якості показань - точності і правильності. Точність показання визначається його середньоквадратичним відхиленням. Правильність забезпечується внесенням поправки, установлюваної при метрологічній атестації ЗВ. При унормуванні поправки встановлюють межі, в яких вона повинна знаходитись у всіх ЗВ даного типу. Точність показання нормується зазначенням гранично допустимого значення середнього квадратичного відхилення, що допускається.

3. Характеристики чутливости ЗВ до величин, що впливають. До них відносяться функції впливу і поправки на змінення метрологічних характеристик, викликаних змінами величин в робочих межах (робочої галузі). Характеристики чутливости нормуються тільки для робочих умов вимірів. Для ЗВ даного типу нормуються номінальні упосереднені функції впливу і межі допустимих відхилень функції впливу у окремих примірників ЗВ даного типу.

4. Динамічні характеристики ЗВ - це характеристики властивостей ЗВ, які виявляються в тому, що на вихідний сигнал цього ЗВ впливають значення вхідного сигналу і будь-які зміни цих значень в часі, наприклад: перехідна характеристика, частотна характеристика та ін. Більшу важливість мають для ЗВ, при вимірі параметрів, що використаються процесів, що змінюються в часу. Нормуються аналогічно характеристикам чутливості.

5. Характеристики взаємодії ЗВ з об'єктами або приладами на вході і виході ЗВ. Вони нормуються для кожного типу ЗВ. Прикладом такої характеристики є погрішність амперметру через вплив його внутрішнього опору на загальний опір ланцюга, в котрому здійснюється вимір.

6. Неі н формативнi параметри вихідного сигналу, що забезпечують нормальну роботу приладів, подключених до даного ЗВ, що найчастіше є вимірним перетворювачем. Наприклад, при комутації з ЕЛМ дуже важливо забезпечити синхронізацію сигналів в часі, для цього необхідно точно нормувати тимчасові характеристики дискретних сигналів від перетворювача. Такі характеристики нормуються конкретно для кожного типу ЗВ.

В залежності від типу ЗВ, особливостей їх використання, відповідальності вимірів нормуються не всі перелічені метрологічні характеристики, а їх певний набір. При випуску ЗВ і експлуатації засобів вимірів необхідно періодично перевіряти метрологічні характеристики, що входять в набір, т.б. виконувати перевiрку, оскільки використання приладу допускається тільки при відповідності цих характеристик значенням, заданим в нормах, і документації на прилад.

Слід відрізняти норму метрологічних характеристик від нормованих метрологічних характеристик, установлених шляхом дослідження властивостей конкретного примірника ЗВ. Норма - це вимога до метрологічних властивостей ЗВ, вона встановлюється цілком певно і поняття «імовірність» до неї незастосовно. Нормірована метрологічна характеристика - це характеристика ЗВ, знайдена експериментально і регламентована в її технічній документації, правильність якої виготівник ЗВ і метролог і чна служба, що здійснила перевірку ЗВ, гарантують з деякою імовірністю (вірогідністю).

Література

[11]

[13], стор. 11-65.

[14], стор. 4-40.

[15], стор. 16-49.

Дата добавления: 2015-04-30