2. Засоби й методи вимірювань

Всі вимірювання виконують за допомогою технічних засобів, які мають нормовані погрішності й називаються засобами вимірювань. Вони є матеріальною основою вимірювань фізичних величин. Сукупність прийомів використання принципів і засобів вимірювань називається методом вимірювань.

До основних видів засобів вимірювань відносять міри, вимірювальні перетворювачі, вимірювальні прилади, інформаційно-вимірювальні системи.

Міра - засіб вимірювань, призначене для відтворення одного або декількох відомих значень фізичної величини. Наприклад, гиря - міра маси, температурна лампа – міра яскравісної або колірної температури, вимірювальна колба - міра об'єму. Перераховані міри відтворюють одне значення фізичної величини, тобто є однозначними. До цих мір відносять також зразкові речовини. Міри, що відтворюють кілька значень фізичної величини (наприклад, лінійка, конденсатор змінної ємності, змінний опір), називають багатозначними. Поряд з мірами існують магазини мір, тобто їхні набори, у яких міри об'єднані в єдине конструктивне ціле із пристроєм для їхнього з'єднання в різних сполученнях (магазин опорів, магазин індуктивностей).

Фізичні величини вимірюють мірами методом порівняння. У деяких випадках використовують метод протиставлення (наприклад, вимір маси на рівноплечих вагах гирями) або метод збігу (вимірювання довжини лінійкою).

Вимірювальний перетворювач - засіб вимірювань, призначений для вироблення сигналу вимірювальної інформації у формі, зручної для передачі, подальшого перетворення, обробки й зберігання, але не піддається безпосередньому сприйняттю спостерігачем.

Ці перетворювачі є складовими частинами приладів і вимірювальних систем. По місцю, що займається в приладах, вимірювальні перетворювачі розділяють на первинні, проміжні, масштабні.

Первинним перетворювачем називається пристрій, до якого підводиться безпосередньо вимірювана фізична величина, тобто він знаходиться першим у вимірювальному колі. Часто такі перетворювачі називають датчиками (наприклад, термоелектричний термометр, звужуючий пристрій витратоміра).

Перетворювач, що займає у вимірювальному колі місце після первинного, називають проміжним.

Перетворювач, призначений для зміни величини в задану кількість разів, називають масштабним або підсилювальним (наприклад, вимірювальний трансформатор струму, дільник напруги, вимірювальний підсилювач), а призначений для дистанційної передачі сигналу вимірювальної інформації - передавальний (наприклад, індуктивний або пневматичний перетворювач).

Останнім часом у зв'язку із застосуванням у вимірювальній техніці різних ЕОМ і мікропроцесорів дістали поширення аналого-цифрові (АЦП) і цифро- аналогові перетворювачі (ЦАП). Перші перетворювачі слугують для перетворення аналогових сигналів у цифрові, що змінюються дискретно в часі з постійним кроком, другі – для перетворення дискретних за часом сигналів в аналогові. У теплотехнічних вимірах найчастіше застосовують АЦП.

Нелінійна залежність в, перетворювачах допускається у виняткових випадках.

Вимірювальний прилад - засіб вимірювань, призначений для вироблення сигналу вимірювальної інформації у формі, придатної для безпосереднього сприйняття спостерігачем. Цей вид засобів вимірювань найчастіше використовують при експлуатації енергетичного обладнання. На відміну від міри вимірювальний прилад не відтворює значення вимірюваної величини, вона підводиться до приладу ззовні. Прилад видає в процесі вимірювань числове значення величини.

Вимірювальний прилад, показання якого є безперервною функцією змін вимірюваної величини, називають аналоговим, а прилад, показання якого представлені у вигляді цифр - цифровим.

За способом побудови вимірювальної схеми розрізняють прилади прямої дії, порівняння, автоматичної компенсації.

Для аналогових вимірювальних приладів характерні відлікові пристрої, що складаються зі шкали й покажчика.

Сукупність послідовно нанесених оцінок, що відповідають ряду значень вимірюваної величини, називають шкалою. Відстань між двома сусідніми позначками називають довжиною поділки шкали, а різниця між значеннями цих позначок – ціною поділки шкали.

Область показань шкали, обмежену її кінцевим і початковим значеннями, називають діапазоном вимірювань, а найбільше й найменше значення діапазону – відповідно верхньою й нижньою межами вимірювань.

Числові позначки на шкалах звичайно позначають розмір вимірюваної величини.

Іноді на шкали наносяться відсотки або їхні частки.

Нанесення позначок на шкалу за дійсним значенням вимірюваної величини називають градуюванням. Значення величини, позначені на шкалі приладу, зазвичай кратні п'яти.

У цифрових вимірювальних приладах (ЦВП) шкала й вказівник відсутні. Результат вимірювання зчитують по цифрах вихідного коду.

Однією з найважливіших характеристик вимірювального приладу є чутливість - відношення зміни сигналу на виході вимірювального приладу до викликаючої її зміни вимірюваної величини.

Іншою важливою характеристикою вимірювального приладу є варіація показань - варіація виникає через тертя в опорах рухливих частин прибору, гістерезису пружин і пружних елементів. При експлуатації приладу варіація збільшується. Найбільше значення варіації показань не повинне перевищувати припустимої похибки приладу.

Для оцінки погрішності приладів використовується така узагальнена характеристика, як клас точності. Якщо межі основної погрішності, що допускається, задані абсолютною погрішністю в одиницях вимірюваної величини, клас точності приладу позначають «Кл 1» або «Кл 2». У цьому випадку він носить умовний характер і не має зв'язку з конкретним значенням погрішності приладу. Чим менше клас точності прибору, тим він точніше.

Набагато частіше для нормування погрішності приладу використовують клас точності К, пов'язаний з конкретним значенням абсолютної погрішності , де Х_N — нормоване значення шкали приладу. Це значення приймається рівним: верхній межі вимірів (Хв) — для приладів з однобічною шкалою; арифметичній сумі верхньої й нижньої меж вимірів |Х_Н|+|Х_В| - для приладів із двосторонньою шкалою; різниці верхньої й нижньої меж (Хв — ХН) — для приладів з безнульовою шкалою; значенню X_N, зазначеному в паспорті,— для приладів фізико-хімічного аналізу речовин, ЦВП.

Клас точності приладу задається будь-яким числом з розмірного ряду (1; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0) 10n, де n=1; 0; -1; -2.

Електровимірювальні прилади поділяються на дві основні групи:

• Прилади безпосередньої оцінки, які дають чисельне значення вимірювальної величини по їх відліковому пристрої, наприклад амперметр, вольтметр і т.д.

• Прилади порівняння, необхідні для порівняння вимірювальної величини з мірою, напр. вимірювальний міст.

За видом вимірювальної величини електровимірювальні прилади поділяються на амперметри, вольтметри, ватметри, лічильники електричної енергії, фазометри та ін.

По принципу дії електровимірювальні прилади поділяються на системи: магнітоелектрична, електромагнітна, електродинамічна, випрямляюча, феродинамічна, індукційна, вібраційна та ін. Вибір системи вимірювального приладу для вимірювання визначається її властивостями, які повинні відповідати вимогам, пред’явленим до вимірювань і умов, в яких вони проводяться.