Полезное:
Как сделать разговор полезным и приятным
Как сделать объемную звезду своими руками
Как сделать то, что делать не хочется?
Как сделать погремушку
Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами
Как сделать идею коммерческой
Как сделать хорошую растяжку ног?
Как сделать наш разум здоровым?
Как сделать, чтобы люди обманывали меньше
Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили?
Как сделать лучше себе и другим людям
Как сделать свидание интересным?
Категории:
АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
Засоби вимірювання
1.4.1 Засоби вимірювання за допомогою яких здійснюють вимірювання. 1.4.2 Метрологічні характеристики і класи точності засобів вимірювання. 1.4.3 Структура засобів вимірювання 1.4.4 Класифікація вимірювальних приладів
1.4.1 Засоби вимірювання, за допомогою яких здійснюють операції вимірювання
Як уже зазначалося, вимірювальну процедуру в цілому можна розділити на окремі вимірювальні операції — відтворення, перетворення і порівняння фізичних величин. Засоби вимірювання, за допомогою яких здійснюють окремі вимірювальні операції, поділяються на: міри, компаратори, вимірювальні перетворювачі. Міра — це засіб вимірювання, призначений для відтворення фізичної величини заданого розміру із заданою точністю. Отже, міра — це засіб вимірювання, на вхід якого надходить значення відтворюваної величини, тобто число Nx, а на виході — відтворена із заданою точністю величина XN (рис. 1.4.1.1). Міри поділяються на: еталони, зразкові та робочі. Еталони займають чільне місце серед мір, мають найвищу точність і призначені для відтворення та зберігання одиниць фізичних величин з метою передачі їх розміру зразковим мірам. Зразкові міри передають розмір фізичних величин робочим мірам, які призначені для визначення метрологічних характеристик засобів вимірювання. Крім того, міри поділяються на однозначні, якщо відтворюють фізичну величину одного розміру, і багатозначні, якщо відтворюють багато значень фізичної величини у деякому діапазоні. За родом фізичної величини найбільшого поширення в практиці вимірювання знайшли такі міри: міри електричного опору — вимірювальні котушки опору (однозначні) і магазини опорів (багатозначні); міри індуктивності та взаємної індуктивності, що називають вимірювальними котушками індуктивності та взаємної індуктивності, випускаються з класами точності від 0,5 до 0,05; вимірювальні конденсатори як однозначні міри ємності та магазини конденсаторів як багатозначні міри. Зокрема, вимірювальні конденсатори мають клас точності від 0,005 до 1; норРисьні елементи, що служать однозначною мірою ЕРС і напруги. Класи точності норРисьних елементів становлять від 0,0002 до 0,02; стабілізовані джерела живлення знайшли широке застосування останнім часом як міри ЕРС та напруги, клас точності яких може досягати значення 0,0001; вимірювальні генератори — це джерела змінного струму і напруги заданої форми. Частота і напруга вимірювальних генераторів регулюються в заданому діапазоні із заданою точністю. За формою сигналу вимірювальні генератори поділяються на генератори сигналів синусоїдних, імпульсних, шумових, сигналів спеціальної форми; калібратори напруги і струму — це стабілізовані джерела струму і напруги, на виході яких можна отримати низку каліброваних, тобто заздалегідь відомих значень сигналу із заданою точністю. Вимірювальний перетворювач — це засіб вимірювання, призначений для перетворювання, зберігання і передачі сигналу вимірювальної інформації у формі, яка недоступна для безпосереднього сприйняття спостерігачем. На вхід вимірювального перетворювача подається вхідна фізична величина X, а на виході отримуємо вихідну фізичну величину У
Якщо вхідна X і вихідна У фізичні величини різнорідні, то такий вимірювальний перетворювач називається вимірювальний перетворювач роду фізичної величини. Прикладом такого вимірювального перетворювача є термоперетворювач (термопара), вхідною величиною якого є температура, а вихідною — електрорушійна сила, у вимірювальних перетворювачах без перетворення роду фізичної величини вхідна X і вихідна У фізичні величини — однорідні. Наприклад, вхідною і вихідною величиною перетворювача амплітудних значень є напруга. Якщо залежність між вхідною X і вихідною У величинами вимірювального перетворювача нелінійна Y=f(x), то такі вимірювальні перетворювачі називаються функціональними вимірювальними перетворювачами, якщо ж залежність лінійна У=kХ і величини X і У — однорідні, то такі перетворювачі називаються масштабними вимірювальними перетворювачами і призначені для зміни розміру величини в задане число без зміни роду величини. Відношення розміру фізичної величини на виході масштабного перетворювача Хвих до розміру однорідної фізичної величини на вході Хвх називається коефіцієнтом перетворення. Прикладами масштабних перетворювачів можуть бути шунти для амперметрів, додаткові опори для вольтметрів, вимірювальні трансформатори струму, напруги та ін. Залежно від форми сигналу вимірювальної інформації на вході і виході вимірювальні перетворювачі є такі: аналогові; аналого-цифрові (АЦП); цифроаналогові (ЦАП); цифрові. Вимірювальний перетворювач, який безпосередньо взаємодіє з об'єктом вимірювання, називається первинним вимірювальним перетворювачем. Первинні вимірювальні перетворювачі, які розміщуються безпосередньо на об'єкті дослідження і віддалені від місця обробки інформації, називаються датчиками. Вимірювальну операцію порівняння фізичних величин виконують за допомогою засобу вимірювання, який називається компаратором. Іноді для нього застосовують термін — нуль-індикатор. У аналогових вимірювальних пристроях як нуль-індикатор застосовують гальванометри, які мають високу чутливість. На один вхід компаратора подається вимірювана величина X, або вихідна величина вимірювального перетворювача, а на другий вхід — однорідна величина ХN, відтворена мірою. Вихідний сигнал компаратора є логічним сигналом, який набирає двох значень: 1, якщо вхідні величини компаратора X та ХN — однакові, і 0, якщо вони різні:
Розглянуті засоби вимірювання здійснюють тільки окремі операції вимірювання і тому застосовуються, як правило, не окремо, а разом з іншими засобами. Засоби вимірювання, за допомогою яких здійснюють процедуру вимірювання Засобами вимірювання, в яких процедура вимірювання здійснюється повністю, є: вимірювальні прилади; інформаційно-вимірювальні системи (ІВС); вимірювально-обчислювальні комплекси (ВОК); вимірювальні установки. Вимірювальним приладом називають засіб вимірювання, призначений для вироблення сигналу вимірювальної інформації у формі, доступній для безпосереднього сприйняття спостерігачем. Вимірювальні прилади поділяються на аналогові і цифрові. Вимірювальний прилад, покази якого є неперервною функцією вимірюваної величини, називається аналоговим. Цифрові прилади дають покази у цифровій формі. Аналогові прилади у свою чергу поділяються на: електромеханічні; електромеханічні з перетворювачами; електронні. В електромеханічних приладах вимірювана величина перетворюється у механічне переміщення стрілки. Для розширення функціональних можливостей електромеханічні прилади комплектуються вимірювальними перетворювачами фізичних величин і тому дістали назву електромеханічні прилади з перетворювачами. Аналогові вимірювальні прилади, в яких для підвищення точності, чутливості, розширення діапазону тощо застосовують електронні пристрої, називаються електронними. Для дослідження складних об'єктів необхідно одночасно вимірювати багато фізичних величин, виконувати складну обробку інформації і тому використовують інформаційні вимірювальні системи. Інформаційна вимірювальна система — це об'єднання функціонально зв'язаних вимірювальних, обчислювальних та інших технічних засобів для отримання вимірювальної інформації, її перетворення та обробки. Останнім часом, у зв'язку з бурхливим розвитком обчислювальної та мікропроцесорної техніки, знайшли широке застосування вимірювально-обчислювальні комплекси, до складу яких входять комп'ютери. Вони є автоматизованими засобами вимірювання та обробки вимірювальної інформації. Для виконання масових технологічних вимірювань застосовуються вимірювальні установки. Вимірювальною установкою називають сукупність функціонально та конструктивно об'єднаних засобів вимірювання та допоміжних засобів, призначених для раціональної організації вимірювань.
Зміст 1.4.2 Метрологічні характеристики і класи точності засобів вимірювання
Засобами вимірювання вважаються ті технічні засоби, для яких нормовано метрологічні характеристики. Метрологічними характеристиками засобів вимірювання називаються характеристики, необхідні для визначення результату вимірювання та його точності. Метрологічні характеристики поділяються на кілька груп. 1. Характеристики, призначені для визначення результатів вимірювання. Функція перетворення (статична характеристика) вимірювального перетворювача або вимірювального приладу з неіменованою шкалою — це функціональна залежність між інформативними параметрами вихідного сигналу У і вхідного сигналу X: Y=f(X). Ціна поділки шкали аналогового вимірювального приладу (або міри) — різниця тих значень величини, які відповідають двом сусіднім позначкам шкали. Чутливість вимірювального приладу (S) — відношення приросту вихідного сигналу ∆У до приросту вхідного сигналу ∆ Х: S= ∆ У/ ∆ Х. Діапазон вимірювань — межі значень вимірюваної величини, для якої нормовані допустимі похибки. 2. Характеристики похибки засобу вимірювання. Найважливішою характеристикою засобу вимірювання є похибка, яку вносить засіб вимірювання в результат вимірювання, тобто похибка засобу вимірювання. Про похибку засобів вимірювання, її види та способи нормування йтиметься далі детальніше. 3. Характеристики чутливості засобів вимірювання до величин, які впливають на результат вимірювання, та умов, в яких виконуються вимірювання (функції впливу). Для кожного засобу вимірювання визначаються норРисьні умови вимірювання, тобто умови, за яких величини, що впливають на результат вимірювання, не виходять за межі так званої норРисьної області значень. Наприклад, норРисьний діапазон значень температури становить (20±5)°С, атмосферного тиску — це 760 мм рт. ст., напруга мережі живлення має (220±5) В. Основною похибкою засобу вимірювання називають похибку вимірювання в умовах, прийнятих за норРисьні. Якщо величини, що впливають на результат вимірювання, відхиляються за межі норРисьних значень, то виникає додаткова похибка засобів вимірювання. Робочим або розширеним діапазоном називається діапазон значень впливових величин, для яких нормується додаткова похибка. Коефіцієнтом впливу називається відношення приросту ∆У вихідної величини вимірювального приладу до приросту впливової величини ∆ξi:: 4. Характеристики взаємодії засобів вимірювання з об'єктом дослідження та навантаженням. Такими характеристиками є вхідний Zвх та вихідний Zвих повні опори засобу вимірювання. Чим більший вхідний повний опір засобу вимірювання, тим менший вплив цього засобу на протікання процесів в об'єкті вимірювання. Вихідний повний опір особливо важливо врахувати в тому разі, коли засоби вимірювання з'єднані каскадно. Тоді зі зменшенням вихідного повного опору даного засобу вимірювання зменшуватиметься вплив цього засобу на наступні. 5. Динамічні характеристики засобів вимірювання нормуються для динамічного режиму роботи, тобто для роботи зі змінною вимірюваною величиною і визначають інерційність засобів вимірювання. Динамічні характеристики поділяються на повні та часткові. Динамічна характеристика, за допомогою якої можна повністю визначити зміни вихідного сигналу за відомим вхідним сигналом, називається повною. До повних динамічних характеристик належать такі характеристики засобу вимірювання: - перехідна та імпульсна характеристики; - амплітудно-частотна та фазочастотна характеристики; - передаточна функція. Частковими динамічними характеристиками є параметри повних динамічних характеристик. Прикладами часткових характеристик є тривалість реакції засобу вимірювання, коефіцієнт заспокоєння, власна резонансна частота та інші. 6. Неінформативні параметри сигналів. Ця група метрологічних характеристик встановлює допустимі діапазони значень параметрів сигналів, які безпосередньо не пов'язані з вимірюваною величиною, але можуть впливати на точність вимірювань. Точність вимірювання є однією з найважливіших метрологічних характеристик засобу вимірювання. Клас точності — це узагальнена характеристика точності засобів вимірювання, яка визначає межі допустимих основної і додаткової похибки. Державними стандартами встановлено такі види позначення класу точності засобів вимірювання: 1. Засоби вимірювання, у яких переважає адитивна складова похибки, характеризуються гранично допустимим значенням зведеної похибки, поданої у відсотках. У цьому випадку клас точності позначається у вигляді числа з десятковою комою, наприклад 1,5; 0,5; 0,02. Таким чином, якщо клас точності деякого засобу вимірювання позначено, наприклад, 0,5, то це означає, що гранично допустиме значення зведеної похибки γгр.д, виражене у відсотках, дорівнює 0,5, тобто
де Хном — номінальне значення вимірюваної величини. Знаючи клас точності, можна визначати гранично допустимі значення абсолютних та відносних похибок вимірювання. Наприклад, потрібно визначити абсолютну та відносну похибку результату вимірювання струму 68,6 мА за допомогою амперметра класу 0,2 з номінальним значенням 75 мА. Оскільки клас точності амперметра — це зведена похибка у відсотках, то абсолютне значення похибки визначається як
Відносна похибка вимірювання
Таким чином, абсолютна похибка результату вимірювання струму 68,6 мА не перевищує ±0,15 мА, а відносна похибка не перевищує ±0,22 %. Результат вимірювання можна записати у такому вигляді: I=(68,60±0,15) мА. 2. Засоби вимірювання, в яких переважає мультиплікативна похибка, що характеризуються граничним допустимим значенням відносної похибки, поданої у відсотках. Клас точності в такому разі позначається у кружечку цифрою з десятковою комою, наприклад
Визначимо для прикладу абсолютну та відносну похибки результату вимірювання напруги 0,786 В цифровим вольтметром класу
Відносну похибку вимірювання легко визначити, оскільки клас точності — це
гранично допустиме значення відносної похибки у відсотках, тобто δ=0,02 %. Абсолютна похибка вимірювання Результат вимірювання напруги цифровим вольтметром доцільно подати у вигляді U=(0,78600±0,00016)В. 3. Клас точності засобів вимірювання, в яких адитивна та мультиплікативна складові похибки рівновеликі, позначається двома десятковими цифрами, розділеними косою рискою — с/d, наприклад клас 0,5/0,2; с=δ+γ — сума гранично допустимих значень відносної мультиплікативної та зведеної адитивної похибки засобу вимірювання; d=γ — гранично допустиме значення зведеної адитивної похибки засобу вимірювання. Для прикладу визначимо абсолютну та відносну похибки результату вимірювання опору Rx=84,5кОм омметром, клас точності якого 0,5/0,2 і номінальне значення Rном=100кОм. Відносна похибка вимірювання для приладу з таким класом точності визначається за формулою
Абсолютна похибка вимірювання
Результат вимірювання опору омметром становить: Rх=(84,50±0,46)к0м.
Зміст 1.4.3. Структури засобів вимірювання
У сучасних засобах вимірювання здійснюються різноманітні і багатоетапні перетворення сигналів вимірювальної інформації. З подальшим розвитком виробництва, зростанням вимог до точності, чутливості і діапазону об'єкти вимірювання стають все складнішими і, як наслідок, ускладнюється структура вимірювальних пристроїв. Щоб проаналізувати складні перетворення сигналів у вимірювальних пристроях, доцільно перетворення сигналів поділити на низку простих елементарних операцій над вимірювальними сигналами. Кожній такій операції відповідає ланка структури, яка графічно зображає дану операцію над вхідним сигналом для отримання вихідного сигналу. Тоді складний, багатоетапний, розгалужений процес перетворення інформації у вимірювальному пристрої адекватно зображається графічно у вигляді структурної схеми або просто структури вимірювального пристрою. Зображення обробки інформації у вимірювальних пристроях за допомогою структурних схем дає змогу уточнити і полегшити аналіз і синтез вимірювальних пристроїв. За структурою вимірювальні пристрої можна поділити на два типи: прямого перетворення (прямої дії); врівноважувального (компенсаційного) перетворення, або структуру з оберненим зв'язком. Такий поділ є умовним, оскільки структури реальних вимірювальних пристроїв, як правило, є комбінацією двох типів структур.
Засоби вимірювання прямого перетворення. Як видно з рисунка 1.4.3.2, вимірювальні перетворювачі увімкнені послідовно один за одним і утворюють тракт передачі сигналу від входу до виходу. Сигнал послідовно, етап за етапом перетворюється і на виході має форму, доступну для безпосереднього сприйняття експериментатором.
Розглянемо, як залежать параметри вимірювального пристрою в цілому від параметрів окремих ланок і зв'язків між ними. Чутливість вимірювального пристрою (S) — коефіцієнт перетворення дорівнює добутку чутливостей окремих ланок структури:
S=S1·S2·…·Sn
Отже, структуру прямого перетворення доцільно застосовувати тоді, коли необхідно отримати максиРисьну чутливість вимірювального пристрою. Частотний діапазон вимірювального пристрою обмежений частотним діапазоном найбільш інерційної ланки. Здебільшого такою ланкою є первинний вимірювальний перетворювач (датчик, сенсор). Отже, вимоги щодо частотного діапазону вторинних вимірювальних перетворювачів, які утворюють канал прямого перетворення, можна знизити. Мультиплікативна похибка вимірювального пристрою зумовлена відхиленням коефіцієнтів перетворення вимірювальних перетворювачів від номінальних. Відносна мультиплікативна похибка вимірювального пристрою δ дорівнює сумі мультиплікативних похибок δ i вимірювальних перетворювачів: δ=δ1+δ2+…+δn
Адитивна похибка спричинюється такими явищами, як дрейф нуля вимірювальних перетворювачів, дією шумів і завад тощо. Адитивну похибку можна зобразити як додатковий сигнал, що діє на вході вимірювального перетворювача. Щоб оцінити вплив цих додаткових сигналів і їх внесок в адитивну похибку приладу, зведемо ці сигнали до входу. Дія всіх додаткових сигналів еквівалентна дії такого сигналу на вході: Δx=Δx1/S1+Δx2/(S1S2)+…+Δxn/(S1S2…Sn) Засоби вимірювання врівноважувального перетворення. Структура вимірювальних пристроїв врівноважувального перетворення складається з двох каналів: прямого перетворення і зворотного. Чутливість вимірювального пристрою залежить від чутливості каналів прямого і зворотного перетворень. Чутливість каналу прямого перетворення дорівнює добутку чутливостей окремих вимірювальних перетворювачів: S=S1S2…Sn Аналогічне співвідношення можна записати і для каналу зворотного перетворення: β=β1β2…βm Сигнал на виході каналу зворотного перетворення виражається через вихідний сигнал вимірювального пристрою у і чутливість каналу зворотного зв'язку: xβ=β·y Унаслідок компенсації вхідного сигналу х сигналом х β на вхід каналу прямого перетворення надходить різниця (декомпенсація) цих сигналів Δx=x-xβ=x-β·y Некомпенсація сигналівΔ х перетворюється каналом прямого перетворення у вихідний сигнал y=S·Δx
Якщо у формулу підставити вираз дляΔ х, то отримаємо
Чутливість засобу вимірювання компенсаційного перетворення Sβ=у/х виражається через чутливості каналів прямого S і зворотного β перетворень за формулою
Якщо Sβ»1, що здебільшого завжди виконується, то чутливість вимірювального пристрою Sβ, охопленого зворотним зв'язком, не залежить від чутливості S прямого каналу, а в основному обернено пропорційна чутливості р каналу зворотного зв'язку:
подільник напруги на високостабільних резисторах, значення яких відомі з високою точністю, а β — це коефіцієнт ділення подільника, то чутливість вимірювального пристрою Sβ, охопленого зворотним зв'язком, можна задавати з високою точністю і стабільністю. Частотний діапазон засобу вимірювання в цілому можна значно розширити, порівняно з каналом прямого перетворення, оскільки справджується співвідношення: добуток чутливості на частотний діапазон — величина стала: SβΔf≡const. Таким чином, зменшення чутливості Sβ засобу вимірювання у цілому, порівняно з чутливістю S каналу прямого перетворення, приводить до рівноцінного розширення частотного діапазону вимірювального пристрою, охопленого зворотним зв'язком, тобто, маючи запас за чутливістю, можна розширювати частотний діапазон, а отже, швидкодію вимірювальних пристроїв. Мультиплікативна похибка вимірювального пристрою компенсаційного перетворення визначається відхиленням чутливостей (коефіцієнтів перетворення) окремих ланок каналів прямого Si і зворотного βj перетворення від номінальних значень Si0 βj0:
ΔS=Si-Si0; Δβ=βj-βj0
Відносні мультиплікативні похибки каналів прямого і зворотного перетворень дорівнюватимуть:
Відносна мультиплікативна похибка вимірювального пристрою в цілому
За умови Sβ»1 вираз значно спрощується:
Таким чином, мультиплікативна похибка каналу прямого перетворення зменшується у 1+Sβ разів, а мультиплікативна похибка каналу зворотного перетворення входить до складу загальної мультиплікативної похибки з коефіцієнтом одиниця. Адитивна похибка. Адитивні похибки окремих ланок каналу прямого Δxs1, Δxs2, …, Δxsn і зворотного Δxβ1, Δxβ2, …, Δxβn перетворень можна трактувати як додаткові сигнали, що діють на входах окремих ланок (див. рис. 1.4.3.4). Зведена до входу адитивна похибка вимірювального пристрою в цілому виражається через адитивні похибки окремих ланок як Аналіз адитивних похибок вимірювальних пристроїв компенсаційного перетворення свідчить, що: по-перше, чим ближче до входу знаходиться ланка каналу прямого перетворення, тим більший її внесок у загальну адитивну похибку, тому особливу увагу під час конструювання слід приділяти вхідним вимірювальним перетворювачам; по-друге, введення зворотного зв'язку не зменшує адитивних похибок каналу прямого перетворення.
Зміст 1.4.4 Класифікація вимірювальних приладів
Серед усіх видів ЗВТ найбільшого поширення набули вимірювальні прилади. Вони різноманітні за призначенням, принципом дії, метрологічними та експлуатаційними характеристиками. Тому їх можна класифікувати за багатьма ознаками, але з погляду подальшого викладу доцільно обмежитись розглядом найзагальніших класифікаційних ознак. За формою вимірювальної інформації, що міститься в інформативному параметрі вихідного сигналу, вимірювальні прилади поділяються на аналогові та цифрові. Аналоговим називається прилад, інформативний параметр вихідного сигналу якого є фізичним аналогом вимірюваної величини - інформативного параметра вхідного сигналу. Наприклад, переміщення рухомої частини електродинамічного вольтметра - аналог середнього квадратичного значення вимірювальної напруги. Цифровим називається прилад, вихідний сигнал якого цифровий, тобто містить інформацію про значення вимірюваної величини, закодовану в цифровому коді. Покази аналогових приладів також цифрові, але їх аналогові вихідні сигнали квантує і кодує у цифровому коді сам спостерігач (експериментатор) під час відліку показів, а в цифровому приладі - операції виконуються автоматично. Вимірювальний прилад, що допускає тільки відлік показів, називається показуючим, а прилад, в якому передбачена автоматична фіксація вимірювальної інформації, - реєструючим. Залежно від виду фіксації реєструючі прилади поділяються на самописні та друкуючі. Самописний прилад (самописець) записує вимірювальну інформацію в аналоговій формі у вигляді діаграми, а друкуючий друкує вимірювальну інформацію в цифровій формі. Залежно від виду значення вимірюваної величини, тобто інформативного параметра вхідного сигналу, відрізняють прилади миттєвих та інтегральних (середнє за модулем, середнє квадратичне) значень, а також інтегруючі та підсумовуючі прилади. Інтегруючий прилад інтегрує вхідний сигнал за часом або іншою незалежною змінною. Наприклад, лічильник електричної енергії інтегрує миттєву потужність за часом. Підсумовуючим називається прилад, покази якого функціонально пов'язані з сумою двох або декількох величин, що підводяться до нього різними каналами, наприклад ватметр для вимірювання потужності декількох генераторів. Класифікаційними ознаками вимірювальних приладів служать вимірювана величина або її одиниця, що відображаються в назві вимірювального приладу, наприклад, вологомір або гігрометр, висотомір або альтметр, частотомір або герцметр, вольтметр, мілівольтметр тощо. Електровимірювальні прилади, що дозволяють вимірювати дві і більше різних за фізичною природою величини, називають комбінованими приладами або мультиметрами, а прилади, що придатні для вимірювань у колах постійного і змінного струмів - універсальними приладами.
Зміст
|