Демина Методы и средства измерений испытаний и контроля 2010

-СИ состоит только из измерительного преобразователя, выходной сигнал которого равен Y3;

-СИ содержит только меру, выходной сигнал которой равен Y2. В заключение отметим, что СИ могут работать в двух режимах:

статическом и динамическом. Статический режим – это такой режим работы СИ, при котором изменением измеряемой величины за время, требуемое для проведения одного измерения, можно пренебречь. В динамическом режиме такое пренебрежение недопустимо, поскольку указанное изменение превышает допустимую погрешность.

1.5.3. Классификация средств измерений

Средства измерения, используемые в различных областях науки и техники, чрезвычайно многообразны, но из этого множества можно выделить некоторые общие признаки, присущие всем средствам измерений независимо от области их применения. Эти признаки положены в основу различных классификаций средств измерений, которые будут рассмотрены ниже.

По роли, выполняемой в системе обеспечения единства изме-

рений, средства измерений делятся на:

-метрологические, предназначенные для метрологических целей – воспроизведения единицы и (или) хранения или передачи размера единицы;

-рабочие, предназначенные для измерений, не связанных с передачей размера единиц.

По условиям применения рабочие средства измерения могут быть:

-лабораторными, используемыми при научных исследованиях, проектировании технических устройств, медицинских измерениях;

-производственными, используемыми для контроля характеристик технологических процессов, контроля качества готовой продукции, контроля отпуска товаров;

-полевыми, используемыми непосредственно при эксплуатации таких технических устройств, как самолеты, автомобили, речные и морские суда и др.

К каждому виду рабочих СИ предъявляются специфические требования:

61

-к лабораторным – повышенная точность и чувствительность;

-к производственным – повышенная стойкость к ударновибрационным нагрузкам, высоким и низким температурам;

-к полевым – повышенная стабильность в условиях резкого перепада температур, высокой влажности.

По уровню автоматизации все средства измерений делятся на три группы:

-неавтоматические;

-автоматизированные;

-автоматические.

Неавтоматическое (ручное) средство измерений – средство измерений, с помощью которого человек выполняет измерение.

Примерами неавтоматических СИ являются: линейка, штангенциркуль, микрометр, вольтметр, амперметр.

Автоматизированное средство измерений – средство измерений, производящее в автоматическом режиме одну или часть измерительных операций.

Примерами автоматизированных СИ могут служить:

-барограф, прибор для измерения и регистрации результатов измерения атмосферного давления;

-электрический счетчик электроэнергии, производящий измерение и регистрацию данных нарастающим итогом.

Автоматическое средство измерений – средство измерений, производящее без непосредственного участия человека измерения и все операции, связанные с обработкой результатов измерений, их регистрацией, передачей данных или выработкой управляющего сигнала.

Автоматическое средство измерений, встроенное в автоматиче-

скую технологическую линию, нередко называют "измерительный автомат" или "контрольный автомат".

По уровню стандартизации средства измерений подразделяются на:

-стандартизованные;

-нестандартизированные.

Стандартизованное средство измерений – средство измерений, изготовленное и применяемое в соответствии с требованиями государственного или отраслевого стандарта.

62

Обычно стандартизованное средство подвергают испытаниям и вносят в Госреестр.

Перечень стандартизованных СИ разбит по видам измерений на 13 групп в соответствии с кодификатором групп средств измерений

(МИ 2314–2000):

-СИ измерения геометрических величин;

-СИ измерения механических величин;

-СИ измерения параметров потока, расхода, уровня объема вещества;

-СИ измерения давления, вакуумные измерения;

-СИ измерения физико-химического состава и свойств веществ;

-СИ измерения времени и частоты;

-СИ измерения электротехнических и магнитных величин;

-СИ измерения радиотехнических и радиоэлектронных вели-

чин;

-СИ измерения характеристик ионизирующих и ядерных констант;

-СИ виброакустических измерений;

-СИ оптические и оптико-физические измерения;

-СИ медицинского назначения;

-СИ теплофизических и температурных измерений.

Нестандартизованное средство измерений (НСИ) – средство измерений, стандартизация требований к которому признана нецелесообразной.

По отношению к измеряемой физической величине средства измерений делятся на:

-основные;

-вспомогательные.

Основное средство измерений – средство измерений той физической величины, значение которой необходимо получить в соответствии с измерительной задачей.

Вспомогательное средство измерений – средство измерений той физической величины, влияние которой на основное средство измерений или объект измерений необходимо учитывать для получения результатов измерений требуемой точности.

Примером вспомогательного СИ может служить термометр для измерения температуры газа в процессе измерений объемного расхода этого газа.

63

Классификация по роли в процессе измерения и выполняемым функциям является основной и представлена на рис. 1.12.

1.5.4. Элементарные средства измерений

Как было показано на рис. 1.12, элементарные средства измерений предназначены для реализации отдельных операций прямого измерения. К ним относятся:

-меры,

-измерительные преобразователи,

-средства сравнения (компараторы).

Каждое из них, взятое по отдельности, не может осуществить операцию измерения.

1.5.4.1. Мера физической величины

Мера физической величины – средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.

Операцию воспроизведения величины заданного размера можно формально представить как преобразование цифрового кода N в заданную физическую величину Хм, основанное на единице данной физической величины [Q]. Поэтому уравнение преобразования меры запишется в виде Хм = N[Q].

Выходом меры является квантованная аналоговая величина Хм заданного размера, а входом следует считать числовое значение величины N (рис. 1.13).

Различают следующие разновидности мер:

-однозначная мера – мера, воспроизводящая физическую величину одного размера (например, гиря 1 кг, калибр, конденсатор постоянной емкости);

-многозначная мера – мера, воспроизводящая физическую величину разных размеров (например, штриховая мера длины, масштабная линейка, конденсатор переменной емкости);

64

65

Рис. 1.12. Классификация средств измерений по их роли в процессе измерения и выполняемым функциям

Рис. 1.13. Обозначение меры в структурных элементах (а) и функция преобразования многозначной меры (б)

-набор мер – комплект мер разного размера одной и той же физической величины, предназначенных для применения на практике как в отдельности, так и в различных сочетаниях (например, набор концевых мер длины, набор гирь, набор калибров);

-магазин мер – набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях (например, магазин электрических сопротивлений, магазин индуктивностей).

Кроме того, меры подразделяются на возимые и встроенные в средства измерений.

Сравнение с мерой выполняют с помощью специальных технических средств – компараторов (рычажные весы, измерительный мост и т.д.).

Степень совершенства меры определяется постоянством размера каждой ступени квантования [Q] степенью многозначности, т.е. N воспроизводимых известных значений ее выходной величины. С наиболее высокой точностью посредством мер воспроизводятся основные физические величины: длина, масса, частота, напряжение

иток.

1.5.4.2. Измерительные преобразователи

Измерительный преобразователь (ИП) – техническое средство с нормативными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи.

66

Измерительный преобразователь предназначен для выполнения одного измерительного преобразования. ИП или входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы и др.), или применяется вместе с какимлибо средством измерения.

Примеры

1.Термопара в термоэлектрическом термометре.

2.Измерительный трансформатор тока.

3.Электропневматический преобразователь.

Работа измерительного преобразователя протекает в условиях, когда помимо основного сигнала Х, связанного с измеряемой величиной, на него воздействует множество других сигналов Zi, рассматриваемых в данном случае как помехи. Важнейшей характеристикой ИП является функция (уравнение) преобразования, которая описывает статические свойства преобразователя и в общем случае записывается в виде Y=F(Х, Zi).

В подавляющем большинстве случаев стремятся иметь линейную функцию преобразования. Функция Y(Х) идеального ИП при отсутствии помех описывается уравнением Y = kX. Она линейна, стабильна и проходит через начало координат.

Измерительные преобразователи классифицируются по ряду признаков.

По местоположению в измерительной цепи измерительные преобразователи делятся на первичные и промежуточные.

Первичный измерительный преобразователь – измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, т.е. первый преобразователь в измерительной цепи измерительного прибора (установки, системы).

В одном средстве измерений может быть несколько первичных преобразователей.

Примеры

1.Термопара в цепи термоэлектрического термометра.

2.Ряд первичных преобразователей измерительной контролирующей системы, расположенных в разных точках контролируемой среды.

67

Промежуточные измерительные преобразователи располага-

ются в измерительной цепи после первичного преобразователя.

По характеру преобразования входной величины измеритель-

ного сигнала ИП подразделяются на линейные и нелинейные. Линейный преобразователь – это измерительный преобразователь, имеющий линейную связь между входной и выходной величинами. Их важной разновидностью является масштабный ИП, предназначенный для изменения размера величины или измерительного сигнала в заданное число раз. У нелинейных ИП связь между входными и выходными величинами нелинейная.

По виду входных и выходных величин измерительные преобра-

зователи делятся на:

-аналоговые (АП), преобразующие одну аналоговую величину в другую аналоговую величину;

-аналого-цифровые (АЦП), предназначенные для преобразования аналогового измерительного сигнала в цифровой код;

-цифроаналоговые (ЦАП), предназначенные для преобразования цифрового кода в аналоговую величину.

Конструктивно обособленный первичный ИП, от которого поступают сигналы измерительной информации, называется датчиком. Датчик может быть вынесен на значительное расстояние от СИ, принимающего его сигналы. Например, датчики запущенного метеорологического радиозонда передают информацию о температуре, давлении, влажности и других параметрах атмосферы.

Если преобразователи не входят в измерительную цепь и их метрологические свойства не нормированы, то они не относятся к измерительным. Таковы, например, силовой трансформатор в радиоаппаратуре, термопара в термоэлектрическом холодильнике.

Аналого-цифровые преобразователи

При аналого-цифровом преобразовании1) входной сигнал связан с выходным следующей зависимостью:

VA ≈ VR (b1 2−2 + b2 2−2 + b3 2−3 + ... + bn 2−n ),

где VA – напряжение на аналоговом входе, VR – опорное напряжение, b1, b2 , b3 ,..., bn – цифровые выходы, n – число таких выходов.

1) Аналого-цифровое преобразование состоит из трех процедур: дис-

кретизации по времени, квантования по уровню и кодирования.

68

Все эти выходы вместе и составляют двоичное слово, соответствующее величине аналогового сигнала.

Так как выходной сигнал преобразователя растет ступенчато (рис. 1.14), то и вышеприведенное уравнение имеет знак ≈ . Термин квантование используется для обозначения преобразования непрерывного аналогового сигнала в ступенчатый дискретный выходной сигнал. Каждая ступенька или уровень напряжения такого выходного сигнала называется уровнем квантования. Интервал квантования – это разность уровней напряжения между двумя соседними ступеньками. Интервал квантования равен выходному сигналу, создаваемому младшим значащим битом двоичного входного слова. Так как квантованный сигнал может меняться только ступенчато, то возникает погрешность АЦП, называемая погрешностью квантования, которая изменяется в диапазоне плюс – минус половина интервала квантования Q, т.е. ± 0,5Q. Эта погрешность квантования может рассматриваться как шум, добавленный к аналоговому напряжению, поэтому его иногда также называют шумом квантования. Погрешность квантования или шум квантования могут быть уменьшены при использовании преобразователя, работающего с большим количеством разрядов.

Рис. 1.14. Аналоговый сигнал и его цифровой эквивалент

Длина двоичного слова определяется дискретностью (разрешением) элемента, т.е. самым маленьким изменением сигнала VA ,

которое приведет к изменению выходного сигнала. Если аналого-

69

цифровой преобразователь работает с длиной слова, равной n разрядам, то изменение от 0 до 1 в bn разряде и есть минимальное изменение выходного сигнала, и, следовательно, дискретность может быть определена как: дискретность = VR 2−n.

Максимальное значение аналогового напряжения, или полный диапазон шкалы, определяется словом, у которого все разряды установлены в 1, т.е.,

максимальное значение VA =VR (1×2−1 +1×2−2 +1×2−3 +... +1×2−n ).

Значение в скобках равно (1 − 2−n ), следовательно:

максимальное значение VA =VR (1 − 2−n ).

Для длины слова более четырех разрядов выражение в скобках определяется значением, очень близким к единице, поэтому максимальное значение аналогового напряжения практически определяется величиной опорного напряжения.

Время преобразования аналого-цифрового преобразователя – это время, которое необходимо преобразователю для создания на выходе двоичного слова после того, как на его вход поступил аналоговый сигнал.

Существует несколько методов построения аналого-цифровых преобразователей. Метод последовательного приближения (ме-

тод поразрядного взвешивания) заключается в том, что приблизи-

тельно 1000 раз в секунду производится съем значений входного аналогового напряжения. Одновременно преобразователь вырабатывает напряжение, значение которого сравнивается с величиной входного напряжения. Если между этими сигналами будет существовать рассогласование, то напряжение преобразователя будет увеличено на величину, равную напряжению младшего разряда. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока напряжение, вырабатываемое преобразователем, не будет соответствовать входному напряжению. Таким образом, выходной сигнал преобразователя определяется количеством шагов приближения. Метод линейно возрастающего напряжения (метод одностадийного интегриро-

вания) заключается в преобразовании сигнала напряжения во временной сигнал. В начале процесса измерений преобразователь начинает вырабатывать линейно возрастающее напряжение (рис. 1.15), которое постоянно сравнивается с входным напряжени-

70