Презентація на тему:
Засоби вимірювальної техніки. Різновиди засобів вимірювальної техніки. Характеристики засобів вимірювальної техніки. Умови застосування засобів вимірювальної техніки. Повірка засобів вимірювальної техніки

Основи метрології, стандартизації та контролю якості Змістовний модуль – “основи метрології” Лекція №3 Засоби вимірювальної техніки. Різновиди засобів вимірювальної техніки. Характеристики засобів вимірювальної техніки. Умови застосування засобів вимірювальної техніки. Повірка засобів вимірювальної техніки к.т.н., доцент Яворський А.В.

Вимірювання здійснюють із застосуванням призначених для цього спеціальних технічних засобів - засобів вимірювальної техніки (ЗВТ). Ці засоби взаємодіють з об'єктом, внаслідок чого на їх входах отримують сигнали, які містять інформацію про вимірювану величину. Згідно із ДСТУ 2681-94 до ЗВТ належать засоби вимірювань (ЗВ) та вимірювальні пристрої (ВП). Особливістю засобів вимірювань є те, що з їх допомогою безпосередньо одержують результат вимірювання. До ЗВ належать вимірювальні прилади, вимірювальні канали, вимірювальні системи та вимірювальні устави. Вимірювальні пристрої (міри, вимірювальні перетворювачі, компаратори та обчислювальні компоненти) виконують лише одну з вимірювальних операцій і самостійно не забезпечують одержання результату вимірювання, а лише в сукупності з іншими пристроями чи засобами вимірювань.

Різновиди засобів вимірювальної техніки

Вимірювальний прилад Призначений для вироблення сигналу вимірювальної інформації у формі, доступній для безпосереднього сприйняття спостерігачем. Прикладами є вольтметр, лічильник тощо. Вимірювальний канал Це сукупність засобів вимірювальної техніки, засобів зв'язку та інших пристроїв, призначена для отримання вимірювальної інформації про одну вимірювальну величину.

Вимірювальні системи Вимірювальні системи - це сукупність вимірювальних каналів, інших засобів вимірювальної техніки і зв'язку, обчислювальних та інших технічних пристроїв, а також керуючих та обчислювальних програм, об'єднаних для отримання вимірювальної інформації про стан досліджуваного об'єкта загалом. Вимірювальні системи призначені для вимірювання не однієї величини, а сукупності величин, які характеризують стан об'єкта. Ці величини можуть бути як одного виду, так і різних видів, що характеризують різні властивості об'єкту. Вимірювальна система комерційного обліку нафти і нафтопродуктів

Вимірювальна установка Вимірювальна уставка - це сукупність функціонально об'єднаних вимірювальних приладів і пристроїв та інших технічних засобів, призначених для досліджень властивостей зразків матеріалів та метрологічної перевірки інших засобів вимірювальної техніки. Об'єктом досліджень у такому разі є засоби вимірювальної техніки (прилади, канали систем, сенсори та інші вимірювальні перетворювачі, міри тощо). Конструктивно вимірювальна уставка виконана переважно як одне ціле у вигляді стенда з необхідними пристроями під'єднання досліджуваних зразків, регулювання величин, відображення і документування результатів. Вимірювальна установка повірки газових лічильників

Міра - вимірювальний пристрій, що реалізує відтворення і (або) збереження фізичної величини заданого значення. Розрізняють однозначні та багатозначні міри (магазини). Однозначні міри відтворюють одне значення фізичної величини. Компаратори - це вимірювальні пристрої, за допомогою яких порівнюють вимірювану та відтворену мірою величини. Прикладом компаратора є терези для знаходження маси тіла його зрівноважуванням гирями відомої маси. Часто компаратор може бути сконструйованим разом з однозначною чи багатозначною мірою (для зрівноважування величин), а також масштабним перетворювачем та іншими пристроями, наприклад, нуль-індикатором, за яким встановлюють факт порівняння величин. У такий спосіб побудовані компаратори електричних опорів - мости постійного і змінного струмів, компаратори електричної напруги тощо.

Вимірювальний перетворювач (ВП) - вимірювальний пристрій, що реалізує вимірювальне перетворення. До вимірювальних перетворювачів, зокрема, належать масштабні ВП та ВП неелектричних величин. Масштабний ВП здійснює масштабне перетворення фізичної величини без зміни роду. Наприклад, подільник напруги, підсилювач напруги, вимірювальні трансформатори, вимірювальний шунт тощо. ВП неелектричних величин (сенсори) - це перетворювачі роду ФВ, вони перетворюють неелектричну величину, наприклад, температуру, в електричний сигнал (термоелектричний перетворювач). Тензорезистор перетворює механічну деформацію у зміну електричного опору. Масштабні вимірювальні перетворювачі Вимірювальні перетворювачі неелектричних величин

Обчислювальні компоненти Обчислювальні компоненти - це пристрої, за допомогою яких здійснюють необхідні обчислювальні процедури над первинними результатами вимірювань для отримання остаточних результатів. Залежно від обсягу та складності виконуваних операцій ці компоненти можуть бути різної складності - від найпростіших мікропроцесорів, універсальних комп'ютерів аж до найскладніших спеціалізованих процесорів сигналів та мультипроцесорних систем. Важливим елементом обчислювального компонента є його програмне забезпечення, а з метрологічного погляду -програма (чи програми) опрацювання результатів вимірювань. Приклад побудови вузла обліку природного газу

Аналогові і цифрові засоби вимірювальної техніки Аналогові і цифрові прилади відрізняються способом отримання результату вимірювання. В аналогових приладах значення вимірюваної величини перетворюється в кутове чи лінійне переміщення покажчика (стрілки чи світлової плями). Таке переміщення є механічним аналогом розміру вимірюваної величини. Числове значення величини одержується безпосередньо за участю експериментатора, який здійснює відлік за шкалою приладу. У цифрових приладах значення величини отримується автоматично відразу у вигляді числового значення з відповідною одиницею. Експериментатор безпосередньо не бере участі у формуванні відліку.

Залежно від метрологічних функцій всі засоби вимірювальної техніки діляться на еталони, робочі та зразкові. Робочий засіб вимірювальної техніки - засіб, який використовується для практичних вимірювань, але не служить для перевірки інших засобів вимірювань. Зразковий засіб вимірювання - засіб, який служить для перевірки по ньому інших засобів вимірювань і офіційно затверджений як зразковий. До зразкових засобів вимірювальної техніки належать також зразкові речовини і стандартні зразки. Робочий манометр Зразковий манометр

Еталон – це засіб вимірювання, що забезпечує відтворення і зберігання одиниці вимірювань одного чи декількох значень, а також передачу розміру цієї одиниці іншим засобам вимірювальної техніки. Еталони для безпосередніх вимірювань фізичної величини не застосовуються, а використовуються для передачі розміру одиниць іншим засобам вимірювань. Робочий еталон вищої точності одиниць об'ємної та масової витрати води в діапазонах (0,012-320) м3 /год і (12-320000) кг/год Державний еталон одиниці сили світла і освітленості Державний еталон одиниці маси

Схема видів еталонів За точністю відтворення розмірів одиниць і за службовим призначенням еталони поділяються на дві групи: первинні і вторинні. Первинним називають еталон, якій забезпечує відтворення розміру фізичної величини з найвищою в державі точністю. Вторинним називають еталон, що відтво-рює розмір одиниці фізичної величини по первинному та періодично звіряється з ним.

Види еталонів Первинні еталони. Якщо еталон відтворює одиницю з найбільш високою в країні точністю, то він називається первинним. Первинні еталони основних одиниць відтворюють одиницю відповідно до її визначення. Спеціальний еталон відтворює одиницю в особливих умовах, в яких пряма передача розміру одиниці від існуючих еталонів технічно неможлива з необхідною точністю (високий тиск, температура і т. ін.). Він замінює в цих умовах первинний еталон. Державний еталон – офіційно затверджений первинний еталон, який забезпечує відтворення одиниці вимірювань та передачу її розмі ру іншим еталонам з найвищою у країні точністю; це первинний або спеціальний еталон, офіційно затверджений як вихідний для країни (в окремих випадах може бути використаний спеціальний еталон). Інак ше державний еталон – це офіційно затверджений первинний еталон як вихідний для держави.

Види еталонів Вторинні еталони створюються і затверджуються в тих випад ках, коли це необхідно для організації повірочних робіт, для збережен ня і меншого зносу державного еталона. Еталон-копія – це вторинний еталон, призначений для збережен ня одиниці й передачі її розміру робочим еталонам. Еталон порівняння – це вторинний еталон, призначений для порів няння еталонів, які з тих чи інших причин не можуть бути безпосеред ньо порівняні один з одним. Еталон-свідок – це вторинний еталон, призначений для перевірки збереження державного еталона, для заміни на випадок пошкодження або втрати. Еталон-свідок використо-вується лише тоді, коли держав ний еталон є невідтворним. Робочий еталон – це вторинний еталон, призначений для збере ження одиниці і передачі її розміру зразковим засобам вимірювання найбільш високої точності. Він призначений для повірки чи калібру вання засобів вимірювальної техніки.

Державний первинний еталон одиниці об'єму та об'ємної витрати газу ДЕТУ 03-01-96 Діапазон витрат: 4 - 200 м3/год Невизначеність вимірювання: 0,10%

Вторинний еталон одиниці об'єму та об'ємної витрати газу ВЕТУ 03-01-01-08 Діапазон витрат: 0,016 - 16 м3 / год Невизначеність вимірювання: 0,15%

Вихідний еталон одиниці об'єму та об'ємної витрати газу РКДУ 0,44 Діапазон витрат: 20 - 1600 м3/год Невизначеність вимірювання: 0,16%

Метрологічна послідовність передачі розмірів фізичних одиниць від еталонів до робочих засобів вимірювальної техніки

Повірочна схема для віскозиметрів

Зразкова речовина - міра у вигляді речовини з відомими властивостями, які відтворюються, якщо дотримано умови приготування, що вказані у затвердженій специфікації (чиста вода, чисті метали, неметали, сплави). Стандартний зразок — міра для відтворення одиниць величин, що характеризують властивості або склад речовин і матеріалів (зразок феромагнітного матеріалу, легованої сталі тощо). Стандартні зразки шорсткості Стандартні зразки твердості Стандартні зразки для контролю якості нафтопродуктів

Характеристики засобів вимірювальної техніки Нормовані метрологічні характеристики ЗВТ. На відміну від інших технічних засобів, ЗВТ обов'язково мають так звані нормовані метрологічні властивості (характеристики) (НМХ), серед них діапазон вимірювань, клас точності, швидкодія, чутливість, умови застосування тощо. Ці характеристики використовують для оцінювання результатів вимірювань та встановлення параметрів якості виконаних вимірювань. Нормування характеристик здійснюють як уніфіковано для засобів певного типу, так і індивідуально для окремих екземплярів. їх вказують у нормативно-технічній документації на засіб. Метрологічними є ті характеристики ЗВТ, які впливають на результат та точність вимірювання. Від точності метрологічних характеристик при виготовленні ЗВТ і стабільності їх під час експлуатації ЗВТ залежить точність результату вимірювання.

Характеристики засобів вимірювальної техніки Початкове і кінцеве значення шкали - це найменше і найбільше значення вимірюваної величини, що визначена на шкалі ЗВТ. Діапазон вимірювань – та частина діапазону показів ЗВТ, для якої пронормовані границі допустимих похибок, Найменше і найбільше значення діапазону вимірювань називають нижньою і верхньою границею вимірювань. Шкала вольтметра, в якого діапазон показів становить 0…50 В. Нижня границя вимірювання Хн=10В, верхня Хв =50 В, а діапазон вимірювань становить 10…50 В.

Характеристики засобів вимірювальної техніки Варіація показів - це різниця показів приладу, що відповідають даній точці діапазону вимірювань при двох напрямках повільних вимірювань показів приладу. Стабільність засобу вимірювання - це якість засобу вимірювання, що відображає незмінність в часі його метрологічних характеристик. Порогом чутливості засобу вимірювання називається мінімальне значення вхідної величини, що розрізняється приладом. Для цифрових приладів поріг чутливості співпадає з вагою кванта. Для аналогових – може і не співпадати з ціною поділки і залежить від кваліфікації оператора, який, наприклад може впевнено розрізняти частки поділки.

Характеристики засобів вимірювальної техніки Точність засобу вимірювальної техніки, який обирають для задач вимірювання залежить від допустимої похибки вимірювання. Клас точності засобу вимірювання - це узагальнена його характеристика, визначена границями припустимих і додаткових похибок, а також іншими властивостями засобів вимірювання, що впливають на їх точність і визначаються стандартами на окремі види засобів вимірювання. ЗВТ привласнюють клас точності, який обирають з ряду (1; 1,5; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6)·10n, де n=1; 0; -1; -2…, і вказують на корпусі ЗВТ. Для більшості ЗВТ клас точності визначається, як відношення допустимої абсолютної похибки вимірювання до верхньої границі діапазону вимірювання, виражене у відсотках.

Характеристики засобів вимірювальної техніки Приклад Якщо вольтметр має діапазон вимірювання від 0 до 7,5 В, а допустима похибка 0,09 В то основна приведена до діапазону вимірювання похибка дорівнює а клас точності (результат округлення до більшого числа із стандартного ряду) буде 1,5. Позначення класу точності на шкалах ЗВТ

Абсолютна гранична (максимальна) похибка може бути визначена через клас точності (зведену похибку) за виразом . У всьому діапазоні вимірювання граничне значення абсолютної похибки залишається постійним. Абсолютна похибка окремого ЗВТ в межах діапазону вимірювання не може перевищувати граничного значення, що визначене класом точності.

Характеристики засобів вимірювальної техніки Інші (неметрологічні) характеристики ЗВТ. Крім метрологічних характеристик, застосовуючи ЗВТ, важливо знати їх неметрологічні характеристики, зокрема, надійність, електричну міцність та опір ізоляції, стійкість роботи, до різних впливів, габаритні розміри, масу, економічність тощо. Надійність ЗВТ- це його здатність зберігати свої характеристики у заданих межах за певних умов експлуатації упродовж заданого часу. Основними показниками і характеристиками надійності ЗВТ є роботоздатність, параметри відмов, безвідмовність, справність, довговічність тощо.

Характеристики засобів вимірювальної техніки Інші (неметрологічні) характеристики ЗВТ. Безвідмовність - властивість ЗВТ зберігати роботоздатність упродовж заданого інтервалу часу у певних умовах експлуатації. Показником безвідмовності є напрацювання на відмову. Напрацювання - це тривалість роботи ЗВТ в годинах, циклах або обсяг роботи, а напрацювання на відмову - відношення напрацювання ремонтованого ЗВТ до кількості відмов протягом цього напрацювання. Довговічність - властивість ЗВТ зберігати роботоздатність і задану ефективність в часі. Показниками довговічності є термін служби і ресурс. Термін служби - це календарна тривалість експлуатації ЗВТ, а ресурс - напрацювання до граничного стану, за якого подальша експлуатація ЗВТ повинна бути припинена. Економічність ЗВТ- простота конструкції та виправдана економічна вартість.

Умови застосування засобів вимірювальної техніки (умови вимірювань) До умов вимірювань належить сукупність величин, які не є вимірюваними, але впливають на точність засобів вимірювальної техніки, змінюючи результати вимірювання. Ці величини називають впливними (впливаючими) величинами. Передовсім це характеристики навколишнього середовища, в якому відбувається вимірювання, або кліматичні величини: температура, вологість, тиск, магнітне поле, радіоактивне випромінювання, вібрації тощо, а також характеристики живлення ЗВТ, наприклад, нестабільність напруги живлення, її частота тощо. Під час вимірювань умови необхідно контролювати і враховувати їх вплив на результати вимірювання і характеристики їх якості (похибки чи невизначеність).

У загальному випадку умови застосування ЗВТ поділяються на три категорії відповідно до їх впливу на метрологічні характеристики ЗВТ, в першу чергу - на похибки: нормальні, робочі, допустимі. У межах нормальних умов впливні величини мають нормальні значення чи знаходяться в границях нормального інтервалу значень Діапазони можливих значень впливаючої величини – температури навколишнього середовища

Нормальне значення [нормальний інтервал значення] впливної величини - це значення [інтервал значень] впливної величини, для якого (в межах якого) нормується основна похибка засобів вимірювальної техніки. Робочі умови застосування ЗВТ - за яких значення виливних величин знаходяться в границях робочої зони. Робоча зона значень впливної величини - це зона, що встановлюється для засобів вимірювальної техніки, в межах якої за необхідністю нормуються додаткові похибки цих засобів. Робоча зона має біль широкі значення впливової величини, чим нормальна. У межах робочої зони виникає додаткова похибка, яка нормується виробником ЗВТ на одиницю впливаючої величини, наприклад, 0,1% / оС , і визначається відповідно до величини відхилення. Наприклад, для температури, що перевищує або менша на 5оС за температуру нормальних умов, додаткова похибка ΔД складе ΔД = 0,1%/ оС х5оС = 0,5% . У допустимих умовах користування виробник не гарантує відповідність метрологічних характеристик ЗВТ заявленим.

Приклад знаходження оцінки додаткової складової інструментальної похибки на прикладі впливу тільки однієї (але найважливішою і, на щастя, яка найбільш легко визначається) ВВ - температури. Припустимо, після виконання експерименту по класу точності міліамперметра знайдена його основна інструментальна похибка ∆0=±1,0мА; температура в ході експерименту була зафіксована +28°С. Температурний коефіцієнт в паспорті на прилад визначений таким чином: «... додаткова похибка на кожні 1°С відмінності від номінальної температури +20°С дорівнює основної похибки в межах зміни температури навколишнього середовища від 0 до +50°С» . Тоді граничне значення додаткової абсолютної, похибки ∆Д в даному випадку визначається наступним чином:

Повірка і калібрування ЗВТ

Класифікація методів вимірювань Методи безпосереднього порівняння Під методами безпосереднього оцінювання розуміють методи вимірювань, що ґрунтуються на застосуванні засобів вимірювань (приладів, систем чи установок) і, якщо необхідно, вимірювальних перетворювачів, а значення вимірюваної величини знаходять за їх показами. До методів безпосереднього оцінювання належать також вимірювання, у яких разом з вимірювальними приладами використовують вимірювальні перетворювачі.

Методи порівняння з мірою Це методи, які ґрунтуються на обов’язковому використанні міри та пристрою порівняння (компаратора) як окремих ЗВТ і, якщо необхідно, вимірювальних перетворювачів, а значення вимірюваної величини встановлюють за показами міри при відповідному спрацюванні компаратора. За результат вимірювання величини приймається показ регульованої міри.

Метод заміщення Метод заміщення – це метод різночасового порівняння вимірюваної величини з мірою, в якому компаратором служить вимірювальний прилад (ВП), причому спочатку запам’ятовується ефект дії вимірювальної величини на ВП, а потім цей ефект відновлюється через дію на вхід приладу зразкової величини з виходу регульованої міри.

Комбіновані методи Суть комбінованого методу полягає в тому, що у вимірюванні беруть безпосередньо участь як вимірювальний прилад, так і міра, а результат вимірювальної величини визначають за показами міри і приладу. Такі методи ще називають методами неповного зрівноважування та різницевими (диференційними) методами. Результат вимірювання величини знаходять як алгебраїчну суму показів міри та приладу.

Методи збігу Ці методи використовуються для вимірювання величини простору (вимірювання довжини) чи часу (вимірювання інтервалів часу, періоду, частоти) і полягають у тому, що різниця між ефектами, викликаними дією на компаратор вимірюваної та зразкової величини, визначається за збігом відповідних поділок шкал (вимірювання довжини) чи періодичних сигналів (вимірювання часових параметрів). Типовими прикладами такого методу вимірювань є вимірювання довжини штангенциркулем з ноніусом (метод ноніуса), метод подвійного збігу, а також вимірювання частоти стробоскопом (стробоскопічний метод).

Метод одного збігу (ноніуса) Це метод з одноразовим порівнянням вихідних міток (величин) двох багатозначних мір, кожна з яких має інші відстані між мітками (імпульсами під час вимірювання часу), причому нульові мітки цих мір зміщені між собою на розмір вимірюваної величини. Числове значення результату вимірювання визначається номерами міток двох шкал, які збігаються.