Презентація на тему:
Засоби вимірювання

Л5 Засоби вимірювальної техніки (ЗВТ)

Зміст Засоби вимірювальної техніки 2 Структурні схеми засобів вимірювальної техніки і методи вимірювальних перетворень 47 Основні характеристики засобів вимірювальної техніки та їх нормування 60 Неметрологічні характеристики ЗВТ 92

Засоби вимірювальної техніки (ЗВТ) Технічні засоби, які використовуються при вимірюваннях фізичних величин і мають нормовані метрологічні характеристики

Засіб вимірювання (3В) - ЗВТ, який повністю реалізує процедуру вимірювання. За допомогою 3В можна одержати значення вимірюваної величини. До засобів вимірювань належать: вимірювальні прилади вимірювальні системи кодові та реєструвальні 3В вимірювальні канали.

Вимірювальний прилад - це засіб вимірювання, в якому створюється візуальний сигнал вимірювальної інформації. Залежно від способу відліку інформації поділяються аналогові цифрові реєструвальні.

Аналоговий вимірювальний прилад - вимірювальний прилад, у якому візуальний сигнал вимірювальної інформації представляється за допомогою шкали й покажчика.

Структурна схема електромеханічного приладу

Цифровий вимірювальний прилад –візуальний сигнал вимірювальної інформації представляється у вигляді цифр або символів на пристрої, що показує результати.

Структурна схема цифрового приладу

Реєструючий засіб вимірювання - засіб вимірювання для вимірювання й автоматичного запису значень вимірюваних величин, які можуть змінюватись у часі.

Види запису інформації на реєструючих приладах

Аналого-цифровий перетворювач - (кодовий засіб вимірювання) – засіб вимірювання, у якому створюється кодовий сигнал вимірювальної інформації.

Вимірювальний канал – сукупність засобів вимірювальної техніки, засобів зв'язку та інших технічних засобів, призначена для створення сигналу вимірювальної інформації про одну вимірювану фізичну величину.

Структурна схема вимірювального каналу

Вимірювальна система — сукупність функціонально об'єднаних вимірювальних, обчислювальних та інших допоміжних технічних засобів для одержання вимірювальної інформації, її перетворення та обробки для подання її споживачеві або для використання у системах автоматичного керування.

Вимірювальна система – сукупність вимірювальних каналів, вимірювальних пристроїв та інших технічних засобів, об'єднаних для створення сигналів вимірювальної інформації про декілька фізичних величин.

Функціональні пристрої вимірювальної системи

Класифікація вимірювальних систем Інформаційно-вимірювальні, контрольно-вимірювальні діагностично-вимірювальні системі

Завданням інформаційно-вимірювальної системи - є визначення розмірів вимірюваних величин - параметрів досліджуваного об'єкта, тобто кількісного оцінювання процесів, що відбуваються в об'єкті. Такі системи переважно використовують в наукових дослідженнях.

Контрольно-вимірювальна система крім кількісного оцінювання параметрів стану об'єкта, дає також якісну його характеристику: об'єкт (його параметри) в нормі чи ні.

Діагностично-вимірювальна система Якщо один чи декілька параметрів, що характеризують стан об'єкта, виходять за межі допуску, то виникає проблема встановлення причини такого стану. Результати діагностики отримують за допомогою відповідного збудження об'єкта і вимірювання та опрацювання його реакцій на ці збудження.

Вимірювальний пристрій ЗВТ, в якому виконується лише одна із складових частин процедури вимірювання (вимірювальна операція). Вимірювальні пристрої не забезпечують можливості здійснювати відлік інформації.

Вимірювальний пристрій До вимірювальних пристроїв належать: міри вимірювальні перетворювачі масштабні перетворювачі компаратори обчислювальні компоненти

Характеристики вимірювальних пристроїв

Міра – вимірювальний пристрій, що реалізує відтворення та (або) зберігання фізичної величини заданого значення.

Однозначна нерегульована міра - відтворює величину одного сталого розміру. Наприклад: нормальний елемент, конденсатор постійної ємності. Рівняння перетворення: XN = NX * qX = const ( NX , qX - const)

Зразкова котушка опору

Однозначна регульована міра відтворює у даний момент часу величину одного розміру. Зміна величини розміру у часі може бути детермінована або випадкова.

Однозначна регульована міра Наприклад: цифро-аналоговий перетворювач код-напруга. Рівняння перетворення: XN = NX * qX = var ( NX(t) - var , qX - const)

Важільний магазин опору реалізує однозначну регульовану міру

Багатозначна нерегульована міра відтворює одночасно декілька однорідних величин із заданими сталими розмірами. Наприклад: подільник напруги з багатьма постійними відводами, що живиться від одного джерела Рівняння перетворення XN = NX * qX = var ( NX - var , qX - const)

Багатозначна регульована міра відтворює одночасно декілька однорідних величин, розміри яких можуть змінюватися. В цій мірі здійснюється і „просторовий” і „часовий” розподіл. Рівняння перетворення: XN = NX *K(t)*qX = var ( NX - var , K(t) – var, qX - const)

Вимірювальні перетворювачі Пристрої, що реалізують вимірювальні перетворення Вимірювальне перетворення фізичної величини – вимірювальна операція, при якій вхідна фізична величина перетворюється у вихідну, що функціонально з нею пов'язана.

Первинний вимірювальний перетворювач, сенсор – вимірювальний перетворювач, що першим взаємодіє з об'єктом вимірювання. Генераторний перетворювач – перетворювач, вихідні сигнали якого мають енергетичні властивості (напруга, струм, електрорушійна сила тощо). Параметричний перетворювач – перетворювач, який змінює параметри вхідного сигналу (опору, ємності, індуктивності тощо).

Масштабні перетворювачі Масштабне перетворення – лінійне вимірювальне перетворення вхідної величини без зміни її роду. В результаті масштабного перетворення вхідна величина перетворюється в однорідну вихідну, розмір якої пропорційний в К разів розмірові вхідної: X1 = KМП * X.

Коефіцієнт масштабування KМП є основною характеристикою масштабного перетворення і може приймати значення: KМП < 1 - послаблення KМП > 1 - підсилення KМП = 1 - повторення

Класифікація масштабних перетворювачів

Компаратор (пристрій порівняння) Компаратор – вимірювальний пристрій, що реалізує порівняння однорідних фізичних величин. Порівняння – вимірювальна операція, що полягає у відображенні співвідношення між розмірами двох однорідних фізичних величин відповідним висновком: більша, менша чи однакова за розміром. Порівняння величин широко застосовується у різноманітних процедурах вимірювання, контролю, управління тощо.

Класифікація засобів вимірювальної техніки Залежно від метрологічних функцій всі засоби вимірювальної техніки діляться на еталони, робочі та зразкові.

Державний еталон одиниці вимірювання — засіб вимірювальної техніки або комплекс засобів вимірювальної техніки, що забезпечує відтворення і (або) зберігання одиниці фізичної величини для передачі її розміру іншим засобам вимірювальної техніки, які стоять нижче за схемою перевірки, за офіційно затвердженим порядком.

Державний еталон одиниці вимірювання Еталони електричних одиниць – ампер вольт ом генрі фарада

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.

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).

Структурні схеми засобів вимірювальної техніки

Схеми ЗВТ Структурна - відображає його основні функціональні частини, їх призначення та взаємозв'язок. Функціональна - поряд із структурою вимірювального кола пояснює функціонування окремих його ділянок. Принципіальна - відображає повний склад елементів вимірювального кола ЗВТ, їх зєднання та дає уявлення про принцип дії ЗВТ.

Структурна схема засобів вимірювальної техніки прямого перетворення

Структурна схема засобів вимірювальної техніки зрівноважульного (компенсаційного) перетворення

Структурна схема засобів вимірювальної техніки комбінованого або змішаного перетворення

Пряме перетворення Рівняння перетворення де кі - коефіцієнти перетворення відповідних перетворювальних елементів (вимірювальних блоків) ЗВТ; n - кількість перетворювальних елементів.

Сумарна систематична похибка схеми прямого перетворення де - часткова похідна функції Υ по і-му аргументу, яку називають коефіцієнтом впливу похибки і-го аргументу Δі на сумарну похибку

Відносна систематична похибка схеми прямого перетворення де - відносна систематична похибка і-го перетворювального елемента

Зрівноважувальне перетворення Компенсуюча величина формується в колі відємного зворотного зв'язку, коефіцієнт перетворення якого дорівнює β. У такому разі

Звідки отримуємо де к - коефіцієнт перетворення прямого кола; β - коефіцієнт перетворення кола зворотнього зв'язку.

Якщо значення коефіцієнта перетворення k прямого кола велике, різниця вхідного X і компенсуючого Хк сигналів ΔΧ=0 і виконується рівність Х= Хк. Вихідний сигнал засобу вимірювання у такому разі

Систематична похибка де і систематичні похибки коефіцієнтів перетворення прямого кола та зворотного зв'язку.

Відносна похибка де та відносна систематична похибка коефіцієнта перетворення прямого кола та кола від'ємного зворотного зв'язку.

Якщо значення k велике, добуток і похибка перетворювача прямого кола зменшиться в разів.

Використовуючи в колі від'ємного зворотного зв'язку високоточні та стабільні елементи, наприклад, резистори, за схемою зрівноважувального перетворення можна створити ЗВТ високої точності.

Основні характеристики засобів вимірювальної техніки та їх нормування

Метрологічні характеристики - характеристики ЗВТ, які нормуються для визначення результату вимірювання та його похибки. - характеристики, які впливають на результат і точність вимірювань.

Нормування метрологічних характеристик ЗВТ полягає у раціональному виборі та законодавчому затвердженні їх номенклатури (переліку), встановленні номінальних значень та допустимих відхилень реальних метрологічних характеристик ЗВТ від їх номінальних значень.

Номенклатура метрологічних характеристик ЗВТ встановлена “ГОСТ 8.009-84 ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений.”

Характеристики, призначені для визначення результату вимірювання функція перетворення ЗВТ; номінальне значення однозначної або номінальні значення багатозначної міри ціна поділки шкали вимірюваного приладу або багатозначної міри; вид вихідного коду, кількість розрядів коду, ціна одиниці найменшого розряду цифрових засобів вимірювань;

Характеристики основної похибки ЗВТ систематичної складової похибки випадкової складової похибки

Характеристики чутливості ЗВТ до впливних величин (характеристики додаткових складових похибки ЗВТ): функція впливу; зміни значень метрологічних характеристик ЗВТ, спричинені змінами їх величин у встановлених межах;

динамічні характеристики ЗВТ; характеристики взаємодії ЗВТ з об'єктами дослідження та навантаження; неінформативні параметри вихідного сигналу ЗВТ.

Їз вказаного переліку для конкретного ЗВТ вибирають такі метрологічні характеристики, які необхідні для визначення результату та похибки вимірювання. Ці характеристики регламентуються державними стандартами та іншими нормативно-технічними документами на цей ЗВТ.

Функція перетворення (істинна функція перетворення) ЗВТ - це функціональна залежність між інформативним параметром вихідного сигналу та інформативним параметром Х вхідного сигналу: Y = F (X). Може бути задана аналітично (рівнянням), таблично або графічно.

Засобу вимірювальної техніки присвоюється номінальна функція перетворення Y = Fн (X). Її ще називають градуювальною характеристикою ЗВТ

Типові функції перетворення

Похибки перетворення Виникають внаслідок різниці між Y = F (X) та Y = Fн (X)

Коефіцієнт перетворення

Номінальний коефіцієнт перетворення

Діапазон вимірювань Хк - Хп, де Хк, Хп - верхня і нижня границі вимірювання.

Чутливість ЗВТ відношення зміни вихідного сигналу ΔY до зміни вхідного сигналу ΔΧ, що викликала цю зміну вихідного сигналу

Якщо функція перетворення задана аналітично, то чутливість визначається як похідна від неї Розмірність чутливості - це відношення розмірностей вихідного та вхідного сигналів

Поріг чутливості найменша зміна вхідного сигналу , що викликає помітну зміну вихідного сигналу. Поріг чутливості має розмірність вхідного сигналу.

Потужність яку споживає ЗВТ, залежить від його вхідного опору та характеризує ступінь взаємодії ЗВТ та досліджуваного об'єкта. Актуальним є зменшення потужності споживання ЗВТ, оскільки вона призводить до спотворення режиму контрольованого кола і виникнення методичної похибки.

Час встановлення показів проміжок часу від моменту стрибкоподібної зміни вхідного сигналу до моменту встановлення показу відлікового пристрою із заданою точністю.

Час вимірювання час від початку зміни вимірюваної величини до встановлення показу на відліковому табло з нормованою точністю. Вказується для цифрових приладів

Частотний діапазон ЗВТ визначається тим діапазоном частот вхідного сигналу, за якого характеристики точності ЗВТ знаходяться в допустимих межах. Верхня і нижня границі діапазону частот нормуються для кожного ЗВТ технічними умовами.

Шкала 3В сукупність позначок (відміток) і проставлених біля деяких з них чисел відліку або інших символів, що відповідають ряду послідовних значень величини, в одиницях якої отримують покази.

Шкала 3В Якщо довжина поділок (відстань між осями сусідніх позначок) є сталою вздовж всієї шкали, то така шкала є рівномірною. Шкала з поділками різної довжини називається нерівномірною (нелінійною)

Показом X ЗВТ (вимірювального приладу, багатозначної міри) називають значення вимірюваної або відтвореної величини X, яке встановлене за допомогою відлікового пристрою у вигляді шкали з вказівником, перемикачів з позначками, цифрового табло тощо.

Відлік є абстрактним (неіменованим) числом ( Nв ), зчитаним з відлікового пристрою або отриманим підрахунком послідовних позначок чи сигналів. Найбільше число, яке можна зчитати з відлікового пристрою, називається максимальним відліком NВ тах .

Ціна поділки 3В ( СПод ) дорівнює різниці значень величини X, тобто двом сусіднім позначкам шкали хі+1 та хі СПод = хі+1 - хі

Сталу 3В визначають як відношення границі вимірювання приладу або максимального значення багатозначної міри Xк (напруги Uк, струму Ік , потужності Рк тощо) до максимального відліку NBmax і є іменованим числом в одиницях величини X:

Показ X, відлік Nв, стала С засобу вимірювань і ціна поділки шкали Спод пов'язані між собою співвідношенням:

Вказані на шкалі найменше і найбільше значення величини X називають відповідно початковим Хп і кінцевим Хк значеннями шкали 3В. Інтервал значень шкали 3В, обмежений початковим і кінцевим її значенням називається діапазоном показів.

Діапазоном вимірювань частина діапазону показів 3В, для якої пронормовані границі допустимих похибок Найменше і найбільше значені діапазону вимірювань називають нижньою Хн і верхньою Хв границею вимірювань.

Шкала вольтметра

Неметрологічні характеристики ЗВТ

Надійність ЗВТ- здатність зберігати свої характеристики в заданих межах за певних умов експлуатації протягом заданого часу. Основними показниками і характеристиками надійності ЗВТ є роботоздатність, відмова, безвідмовність, справність, довговічність тощо.

Роботоздатність ЗВТ - такий стан ЗВТ, за якого він здатний виконувати свої функції згідно з вимогами нормативно-технічних документів (НДТ).

Відмова це порушення роботоздатності ЗВТ. Розрізняють раптову відмову, коли ЗВТ повністю втрачає робочу здатність, наприклад, внаслідок обриву кола, та поступову відмову, коли із старінням ЗВТ його метрологічні характеристики виходять за допустимі межі.

Безвідмовність властивість ЗВТ зберігати роботоздатність протягом заданого інтервалу часу у певних умовах експлуатації. Показником безвідмовності є напрацювання на відмову.

Напрацювання - це тривалість роботи ЗВТ в годинах, циклах або обсяг роботи Напрацювання на відмову - відношення напрацювання ремонтованого ЗВТ до кількості відмов упродовж 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 Ресурс — напрацювання до граничного стану, за якого подальша експлуатація ЗВТ повинна бути припинена.

Економічність ЗВТ — простота конструкції та виправдана економічна вартість.