Засоби вимірювальної техніки

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. Переважно вимірювальний канал складається з декількох блоків, серед яких найважливішими є:

• вимірювальний перетворювач (сенсор, С), який сприймає вимірювану величину і перетворює її у вихідну, придатну для подальшого перетворення і пере­силання;

• кондиціонер (нормалізатор) сигналу (КС), в якому відбувається низка вимірювальних операцій над вихідним сигналом сенсора для доведення цього сигналу (переважно електричної напруги) до рівня, придатного до подальшого аналого-цифрового перетворення;

• аналого-цифровий перетворювач (АЦП), що здійснює автоматичне перетворення розміру аналогового сигналу (переважно, електричної напруги) у її цифрове(числове)значення;

• інтерфейс (І) - це група технічних пристроїв (перетворювачів кодів, форму­вачів і модуляторів сигналів, з'єднувачів, кабелів тощо) і відповідних програм керування, які призначені для пересилання вимірювальної інформації між ЗВТ, обчислювальними, відліковими та реєструвальними пристроями.

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'єкта.

Наприклад, для вимірювання температури у різних просторових точках об'єкта (температурного поля у топці котлоагрегату) використовують багатока­нальну вимірювальну систему, що має однотипні елементи. Для дослідження параметрів двигуна внутрішнього згоряння застосовують вимірювальну систему з різними вхідними величинами: температура та тиск газів у циліндрі, напруга запалювання, швидкість обертів, витрата палива, потужність тощо.

Вимірювальна устава

Вимірювальна устава - 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 устава виконана переважно як одне ціле у вигляді стенда з необхідними пристроями під'єднання досліджуваних зразків, регулювання величин, відображення і документування результатів. Операції з досліджень матеріалів та метрологічної перевірки можуть здійснюватися вручну або з різним ступенем автоматизації, аж до повної. Тенденція розвитку ЗВТ є такою, що у перспективі функції устав переберуть на себе контрольно-вимірювальні системи.

Вимірювальні пристрої

Вимірювальний пристрій - ЗВТ, в якому виконується лише одна із складових частин процедури вимірювання (вимірювальна операція). Вимірювальні пристрої самостійно не забезпечують можливості отримувати результат вимірювання.

До вимірювальних пристроїв належать міри, вимірювальні перетворювачі, масштабні перетворювачі, компаратори та обчислювальні компоненти.

До них можна зарахувати (не цілком строго) також індикатори, гальванометри, нуль-органи (покажчики нуля), та інші пристрої відображення значень величин.

Міри. 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.

Набір однозначних мір утворює багатозначну міру, наприклад, магазин опору.

Вимірювальні перетворювачі. 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.

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.

Призначення показує фізичну величину, яку може вимірювати прилад. Принцип дії залежить від фізичних законів, які використані, щоб перетворити сигнал у потрібну форму. Наприклад, дія звичайного рідинного термометра розширення ґрунтується на ефекті теплового розширення тіл.

За способом відображення результатів прилади бувають такі, що показують і такі, що реєструють величину – записують у вигляді діаграми або друкують, записують на магнітний носій.

Якщо прилад не видає безпосередньо значення фізичної величини. він повинен мати градуювальну характеристику, яка є функцією вхідного сигналу від вихідного. Прикладом може бути вимірювання температури за допомогою термопари та мілівольтметру, шкала якого відградуйована в одиницях напруги. В умовах, коли вимірювана величина швидко змінюється, або тривалість процесу вимірювання мала, велике значення мають динамічні характеристики приладу, зокрема, його інерційність та перехідна функція. Якщо величина вхідного сигналу змінюється раптово, то покази приладу змінюються, як правило, поступово. Час, за який показ приладу практично зрівняється з величиною вхідного сигналу, є інерційністю приладу. Наприклад, зануривши термопару в рідкий метал, слід зчитувати показ вторинного приладу тільки через певний час.

Характеристики ЗВТ

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.

Основні метрологічні характеристики ЗВТ

Початкове і кінцеве значення шкали - це найменше і найбільше значення вимірюваної величини, що визначена на шкалі.

Діапазон вимірювань – та частина діапазону показів ЗВ, для якої пронормовані границі допустимих похибок, Найменше і найбільше значення діапазону вимірювань називають нижньою і верхньою границею вимірювань.

На рис. 2.2 зображена шкала вольтметра, в якого =0, =50 В, а діапазон показів становить 0…50 В. Нижня границя вимірювання =10 В, верхня – =50 В, а діапазон вимірювань становить 10…50 В.

Верхня границя вимірювання практично завжди збігається з верхньою границею показів ЗВ , тобто , а нижня границя вимірювання не завжди збігається з початковим значенням шкали ЗВ , як, зокрема, на рис. 3.1. Інтервал показів між позначками … є неробочим і не входить в діапазон вимірювань ЗВ. У таких випадках нижню границю вимірювання ЗВ позначають спеціальною крапкою (див. рис. 3.1).

Рис. 3.1. Шкала вольтметра

Варіації 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 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.

Вимірювальне зусилля приладу - це сила, що створюється приладом при контакті з виробом і діє по лінії вимірювання. Воно, як правило, викликається пружиною, яка забезпечує контакт чутливого елемента приладу, наприклад, вимірювального наконечника, з поверхнею вимі­рюваного об'єкта. При деформації пружини має місце зміна зусилля: різниця між найбільшим та найменшим значеннями - це максимальне коливання вимірювального зусилля.

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. Клас точності, хоч і характеризує сукупність метрологічних характеристик даного засобу вимірювання, однак не визначає одно значно точність вимірювань, оскільки остання залежить від методу вимірювання і умов їх виконання.

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.

Роботоздатність ЗВТ - такий стан ЗВТ, за якого він здатний виконувати свої функції згідно з вимогами НДТ.

Відмова - це порушення роботоздатності ЗВТ. Розрізняють раптову відмову, коли ЗВТ повністю втрачає свою 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 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.

Класифікація засобів вимірювальної техніки залежно від метрологічних функцій

Всі результати вимірювань повинні виражатися в узаконених одиницях і мати певну точність, яка визначається метрологічними характеристиками використаних ЗВ. У зв'язку з цим всі засоби вимірювальної техніки підлягають державній і відомчій перевірці, яка полягає в контролі їх метрологічних характеристик на відповідність вимогам нормативно-технічних документів (Державних стандартів -ДСТУ, методичних вказівок, технічних умов тощо) та у визначенні придатності їх для використання за призначенням.

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. Еталони електричних одиниць - ампер, вольт, ом, генрі та 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).

Умови застосування засобів вимірювальної техніки (умови вимірювань)

Повірка засобів вимірювальної техніки

Повірка засобів вимірювання – це визначення їх похибок і придатності для використання за прямим призначенням. Первинна повірка здійснюється після виготовлення або ремонту, періодична – через встановлений інтервал часу; позачергова – за необхідністю до закінчення міжповірочного інтервалу; інспекційна повірка – при здійсненні державного метрологічного нагляду; експертна – при виникненні спірних питань.

ДСТУ 2708:2006 Метрологія. Повірка засобів вимірювальної техніки. Організація і порядок проведення .

Напрямки забезпечення єдності вимірів

Характеристики вимірювальних приладів

До основних характеристик вимірювального приладу можна віднести клас точності, варіацію показів, чутливість приладу, його надійність, час встановлення показу тощо

Але слід розрізняти відмінність аналогових та цифрових приладів, приладів різних вимірювальних систем тощо, для яких характерні свої особливості та відповідні характеристики.

К л а с т о ч н о с т і - це узагальнена характеристика приладу, що визначена межами допустимих основних та додаткових похибок.

Межі допустимих змін показів від впливу зовнішніх факторів для будь-якого приладу встановлюються в залежності від класу точності згідно стандартам на окремі види приладів. Клас точності може бути позначений цілим або дробовим числом.

Розрізняють наступні класи точності

0.02 0.05 0.1 0.2 0.5 1 1.5 2.5 4

У приладів, в яких клас точності позначений одним числом, основна приведена похибка в робочому діапазоні, що записується у відсотках, не перевищує значення, відповідного класу точності.

До таких приладів відносяться переважно аналогові (стрілочні) та самопишучі прилади.

Клас точності приладів, в яких адитивна та мультиплікативна складова основної похибки між собою рівні, позначається двома числами.

В а р і а ц і я показів приладу - це найбільша різниця показів при одному й тому ж значенні вимірювальної величини. Вона визначається при плавному підході стрілки до випробуємої мітки шкали при русі стрілки, один раз - від початкової, інший раз - від кінцевої мітки на шкалі.

Варіація показів характеризує степінь стійкості показів при одних та тих же умовах вимірювання, однієї й тієї ж величини. Вона приблизно дорівнює подвоєнному значенню похибки від тертя, так як причиною варіації в більшості випадків є тертя механізму вимірювального приладу.

Ч у т л и в і с т ю електровимірювального приладу до вимірювальної величини називається похідна від переміщення стрілки по вимірювальній величині.

Переміщення стрілки, що виражається в поділках або міліметрах шкали, для більшості приладів визначається перш за все, кутом відхилення рухомої частини, та залежить від типу відрахункового механізму, його характеристик (довжини шкали, числу поділок, стрілкового або світлового вказівника).

У приладів з рівномірною шкалою (характерно для вимірювання постійних величин струму або напруги тощо) чутливість є величиною постійною.

Чутливість приладу має розмірність, яка залежить від характеру вимірювальної величини, тому коли користуються цим терміном кажуть «чутливість по струму», «чутливість по напрузі» тощо.

Величина, обернена чутливості називається ц і н о ю п о д і л к и. Вона дорівнює числу одиниць вимірювальної величини, що приходиться на одну поділку шкали.

Під ч а с о м в с т а н о в л е н н я п о к а з у (зупинки механізму відрахунку) слід розуміти той проміжок часу, що проходить з моменту зміни вимірювальної величини до моменту, коли вказівник (відрахункова стрілка) займе положення, що буде відповідати новому значенню вимірювальної величини.

Але якщо врахувати, що всім приладам характерна деяка похибка, то час, який займає переміщення вказівника в межах допустимої похибки приладу, не представляє інтересу.

Під часом встановлення показу електровимірювального приладу розуміють проміжок часу, що відбувся з моменту підключення або зміни вимірювання величини, коли відхилення вказівника від встановленого значення не перевищує 1.5 % довжини шкали.

Час встановлення показу електровимірювальних приладів для більшості приладів не перевищує 4 с.

Ц и ф р о в і п р и л а д и характеризуються ч а с о м в и м і р ю в а н н я, під яким розуміють час з моменту зміни вимірювальної величини або початку циклу вимірювання до моменту отримання нового результату по відрахунковому пристрою з нормованою похибкою.

Під н а д і й н і с т ю електровимірювального приладу розуміють здатність зберігати задані характеристики при певних умовах роботи впродовж тривалого часу. Якщо значення однієї або декількох характеристик виходить за задані межі, то кажуть - «прилад відказав».

Кількісною мірою надійності є мінімальна ймовірність безвідказної роботи в заданому проміжку часу та умовах роботи.

Й м о в і р н і с т ю б е з в і д к а з н о ї р о б о т и називається ймовірність того, що впродовж визначеного часу безперервної роботи не відбудеться ні жодного відказу. Час безвідмовної роботи вказаний в паспорті приладу. Часто користуються наближеним значенням цього показнику, що визначається відношенням кількості приладів, що продовжують безвідмовно працювати до загальної кількості приладів.

До показника надійності відносять також с е р е д н і й ч а с б е з в і д м о в н о ї р о б о т и приладу, що визначається як середнє арифметичний час справної роботи кожного приладу.

При серійному виробництві, невелика частина відбирається для випробування на надійність. Показники надійності, визначені по результатам цих випробувань, привласнюють всій серії приладів.

Г а р а н т і й н и м с т р о к о м називають період часу, впродовж якого завод-виробник гарантує справну роботу виробу при дотриманні правил експлуатації.