Розділ 2. Засоби вимірювання

Види засобів вимірювання

Для практичного вимірювання одиниці величини застосовуються технічні засоби, що називаються засобами вимірювання. До засобів вимірювання відносяться: міри, вимірювальні перетворювачі, вимірювальні прилади, вимірювальні установки і системи, вимірювальні приналежності.

Міра -засіб вимірювання, призначений для відтворення фізичних величин заданого розміру. До даного виду засобів вимірювання відносяться гирі, кінцеві міри довжини і т.п. На практиці використовують однозначні і багатозначні міри, а також набори і магазини мір. Однозначні міри відтворюють величини тільки одного розміру (гиря). Багатозначні міри відтворюють кілька розмірів фізичної величини. Наприклад, міліметрова лінійка дає можливість виразити довжину предмета в сантиметрах і в міліметрах.

Набори і магазини являють собою об'єднання (сполучення) однозначних або багатозначних мір для одержання можливості відтворення деяких проміжних або сумарних значень величини. Набір мір являє собою комплект однорідних мір різного розміру, що дає можливість застосовувати їх у потрібних сполученнях. Наприклад, набір лабораторних гир. Магазин мір - сполучення мір, об'єднаних конструктивно в одне механічне ціле, у якому передбачена можливість за допомогою ручних або автоматизованих перемикачів, зв'язаних з відліковим пристроєм, з'єднувати складовий магазин міри в потрібному сполученні. На такому принципі улаштовані магазини електричних опорів.

До однозначних мір відносять стандартні зразки і стандартні речовини. Стандартний зразок - це належним чином оформлена проба речовини (матеріалу), що піддається метрологічної атестації з метою встановлення кількісного значення визначеної характеристики. Ця характеристика (або властивість) є величиною з відомим значенням при встановлених умовах зовнішнього середовища. До таких зразків відносяться, наприклад, набори мінералів з конкретними значеннями твердості (шкала Мооса) для визначення цього параметра в різних мінералів. Стандартним зразком є зразок чистого цинку, що служить для відтворення температури 419,527°С за міжнародною температурною шкалою МТШ-90.

При користуванні мірами варто враховувати номінальне і дійсне значення мір, а також погрішність міри і її розряд. Номінальним називають значення міри, зазначене на ній. Дійсне значення міри повинне бути зазначене в спеціальному свідченні як результат високоточного вимірювання з використанням офіційного еталона.

Різниця між номінальним і дійсним значеннями називається погрішністю міри. Величина, протилежна за знаком погрішності, являє собою поправку до зазначеного на мірі номінального значення. Оскільки при атестації (перевірці) також можуть бути погрішності, міри підрозділяють на розряди (1-го, 2-го і т.д. розрядів) і називають розрядними еталонами (зразкові вимірювальні засоби), що використовують для перевірки вимірювальних засобів. Величина погрішності міри є основою для поділу мір на класи, що звичайно застосовується до мір, уживаним для технічних вимірювань.

Вимірювальний перетворювач - це засіб вимірювання, що служить для перетворення сигналу вимірювальної інформації у форму, зручну для обробки або збереження, а також передачі в пристрій, що показує, але не піддається безпосередньому сприйняттю спостерігачем.

Вимірювальні перетворювачі або входять у конструктивну схему вимірювального приладу, або застосовуються разом з ним, але сигнал перетворювача не піддається безпосередньому сприйняттю спостерігачем. Наприклад, перетворювач може бути необхідний для передачі інформації в пам'ять комп'ютера, для посилення напруги і т.д. Перетворену величину називають вхідною, а результат перетворення - вихідною величиною. Основною метрологічною характеристикою вимірювального перетворювача вважається співвідношення між вхідною і вихідною величинами, яка називається функцією перетворення.

Перетворювачі підрозділяються на первинні (безпосередньо сприймаючі вимірювану величину), передаючі, на виході яких величина здобуває форму, зручну для реєстрації або передачі на відстань; проміжні, що працюють у сполученні з первинними і не впливають на змінювання роду фізичної величини.

Вимірювальні прилади - це засоби вимірювання, що призначені для одержання вимірювальної інформації у формі, доступній для безпосереднього спостереження.

Отже, прилад повинний являти собою сукупність декількох перетворювачів і обов'язково мати вихідний пристрій.

За характером показань ці прилади можуть бути показуючими і аналоговими, а за принципом дії – приладами прямої дії, порівняння, інтегрування і підсумовування.

Прилади прямої дії відображають вимірювану величину на пристрої, що показує, який має шкалу градуювань в одиницях цієї величини. Зміни роду фізичної величини при цьому не відбувається. До приладів прямої дії відносять, наприклад, амперметри, вольтметри, термометри і т.п.

Прилади порівняння призначаються для порівняння вимірюваних величин з величинами, значення яких відомі. Такі прилади широко використовуються в наукових цілях, а також і на практиці для вимірювання таких величин, як яскравість джерел випромінювання, тиск стиснутого повітря й ін.

У залежності від призначення прилади поділяють на універсальні, призначені для вимірювання однакових фізичних величин різних об'єктів, і спеціальні, призначені для вимірювання параметрів виробу одного типу.

У залежності від принципу дії вимірювальної системи, прилади поділяються на механічні, оптичні, оптико-механічні, пневматичні, електричні і т.п.

У залежності з прийнятою термінологією прості прилади з механічним принципом дії вимірювальної системи називаються вимірювальним інструментом (мікрометр, штангенциркуль).

Усі вимірювальні прилади складаються з чуттєвого елемента, що знаходиться під безпосередньою дією фізичної величини, вимірювального механізму і відлікового пристосування. Відлікове пристосування приладу, що показує, має шкалу і покажчик, що виконаний у вигляді стрілки (матеріального стрижня) або променя світла (світлового покажчика). Шкала має сукупність позначок і проставлених біля деяких з них чисел відліку, що відповідає рядові послідовних значень величини.

Ціна розподілу шкали – це різниця значень величини, що відповідає двом сусіднім позначкам шкали. Початкове і кінцеве значення шкали – це найменше і найбільше значення вимірюваної величини, що позначено на шкалі.

Допоміжні засоби вимірювання – це сукупність різних допоміжних елементів, призначених для роботи разом з вимірювальним приладом (наприклад, різні шунти для розширення шкали приладу). Вони необхідні для обчислення виправлень до результатів вимірювання, якщо потрібна високий ступень точності. Наприклад, термометр може бути допоміжним засобом, якщо показання приладу достовірні при строго регламентований температурі; психрометр - якщо строго застерігається вологість навколишнього середовища.

Варто враховувати, що вимірювальні приладдя вносять певні погрішності в результат вимірювань, що пов'язані з погрішністю самого допоміжного засобу.

Вимірювальні установки і системи - це сукупність засобів вимірювання, об'єднаних за функціональною ознакою з допоміжними пристроями, для вимірювання однієї або декількох фізичних величин об'єкта вимірювання. Звичайно такі системи автоматизовані і забезпечують уведення інформації в систему, автоматизацію самого процесу вимірювання, оброблення і відображення результатів вимірювання для їх сприйняття користувачем.

Вимірювальні інформаційні системи – це засоби вимірювання, призначені для автоматичного представлення інформації у вигляді, зручному для використання в системах керування і регулювання.

У залежності від призначення розрізняють 4 різновиду вимірювальних систем:

1. вимірювальна система (ВС), призначена для встановлення кількісних характеристик об'єкта;

2. система контролю (СК), призначена для установлення відповідності параметрів об'єкта нормам або вимогам до характеристик об'єкта;

3. система діагностики (СД), призначена для встановлення причин несправностей і їхньої локалізації в об'єкті;

4. система розпізнавання (СР), призначена для встановлення приналежності даного об'єкта до деякого класу зразків об'єкта.

Сьогодні широко застосовуються цифрові вимірювальні перетворювачі. У них інформація про вимірювану величину піддається квантуванню за рівнем, дискретизації за часом і кодуванням спочатку у виді коду двійкової системи числення, а потім десяткової системи. Таким чином, вихідна величина відображається на цифровому відліковому пристрої. Представлення вимірювальної інформації у виді коду забезпечує можливість її реєстрації й обробки, тривалого збереження в запам'ятовуючих пристроях і введення в ЕОМ для обробки.

З моменту своєї появи (70-і роки ХХ століття) цифрова вимірювальна техніка розвивалася в двох напрямках: створення автономних цифрових вимірювальних приладів і цифрових вимірювальних перетворювачів. У сучасних цифрових вимірювальних приладах широко застосовуються мікропроцесор – пристрій, що складається з однієї, рідко декількох інтегральних схем (БІС) і виконує ряд функцій центрального процесора програмувальної обчислювальної машини.

Складність задач контролю, автоматизації експерименту, обробки інформації і привела до появи нового різновиду засобів вимірювання – вимірювально-обчислювальних комплексів (ВОК).

ВОК орієнтований на автоматизацію технологічних процесів виробництва, експериментальних установок, приладових стендів і обчислювальних засобів. ВОК створюються на базі обчислювальних комплексів, що випускаються серійно, (ЕОМ) і програмно-керованих пристроїв зв'язку з об'єктом. Останнім часом широкий розвиток одержали ВОК, що виконані на базі мікропроцесорів.

ВОК – це автоматизований засіб вимірювання електричних величин, на основі якого можливе створення вимірювальної інформаційної системи шляхом приєднання до входу вимірювальних сигналів датчиків вимірюваних величин з уніфікованим електричним вихідним сигналом і генерація на основі програмних компонентів ВОК програм обробки інформації і керування експериментами, орієнтованими на рішення конкретних задач. ВОК призначені в основному для побудови на їхній основі наступних систем:

- автоматизованих систем управління технологічним процесом (АСУТП);

- систем автоматизації випробувань і наукових досліджень виробів і об'єктів промисловості (САНД);

- систем автоматизованої перевірки засобів вимірювання;

- автоматизованих вимірювальних інформаційних систем.