Muratov_V_G_Metrologia_tekhnol_izmer_i_pribor

Еталон порівняння застосовують для звірення еталонів, що перебувають в органах метрологічної служби і які не можна транспортувати для прямого звірення один з одним.

Робочі еталони сприймають розмір одиниці ФВ від вторинних еталонів і служать для передачі його менш точним робочим еталонам нижчого розряду і далі робочим ЗВТ, які застосовують для повсякденних технічних вимірювань.

Еталон-копія (вторинний)

Еталон порівняння (вторин.)

Робочий еталон 1-го розряду

Робочий еталон 2-го розряду

Робочий еталон 3-го розряду

Робочий еталон 4-го розряду

Робочі ЗВТ (технічні)

Рис. 1.2 Структура Державної повірочної схеми

Після розпаду СРСР усі основні еталони залишилися в Росії. Еталони, що були в Україні, за роки незалежності були доповнені новими розробками. Держстандарт України (Наказом № 117 від 12.03.99 р.) завершив юридичне оформлення складу Національної

еталонної бази. В 1999 році в Україні вже було 35 Державних (первинних і спеціальних), та 56 вторинних і робочих еталонів одиниць вимірювання, прийнятих у якості вихідних [9]. Зараз в Україні існує повноцінна еталонна база геометричних, механічних, електричних, магнітних, акустичних, теплофізичних, оптико-фізичних величин, характеристик фізико-хімічного складу і властивостей речовин, іонізуючих випромінювань і ядерних констант, часу і еталонних частот.

БільшістьДержавнихеталонівзберігаєтьсявДНПО«Метрологія», вторинних і робочих еталонів — в УкрЦСМ (м. Київ). Інші — у Харківському, Донецькому, Білоцерківському, Івано-Франківському і Севастопольському ЦСМС. Один з еталонів (№ 22) «Установка для створення і передачі одиниць вологості зерна і продуктів його переробки» зберігається в Одеському ЦСМС.

Державні повірочні схеми базуються на вітчизняних еталонах і видаються у вигляді стандартів України (наприклад, ДСТУ 338-96 «Державна повірочна схема для засобів вимірювання маси»). Відповідно до Міжурядової угоди країн СНД в Україні використовуються Міждержавні повірочні схеми (в основному на основі Російських стандартів).

Усі повірочні схеми діляться на державні і локальні. Державні повірочні схеми поширюються на всі ЗВТ даного виду, наприклад, прилади тиску, що використовуються в Україні. Локальні повірочні схеми призначені для метрологічних органів міністерств і підлеглих їм організацій. Крім того, може складатися локальна схема на ЗВТ, що використовуються на конкретному підприємстві. Наприклад, схема повірки технічних манометрів за допомогою існуючого повірочного стенда..

Усі локальні повірочні схеми повинні відповідати вимогам співпідпорядкованості, яка визначена Державними повірочними схемами (рис. 1.2). Державні повірочні схеми розробляються науководослідними інститутами Держстандарту України, власниками державних еталонів. Державні повірочні схеми затверджуються Держстандартом України, а локальні — відомчими метрологічними службами або керівництвом підприємств.

Для передачі розміру одиниць ФВ робочим ЗВТ з метою їх повіркитериторіальніметрологічніорганиУкраїнизатверджуютьлокальні повірочні схеми для конкретних випробувальних лабораторій

підприємств, де повіряють (калібрують) певні типи ЗВТ. Локальні повірочні схеми при цьому розробляють самі підприємства або територіальні органи Держстандарту.

Повірочна схема являє собою креслення, текстову частину, як правило, у неї не включають. На кресленні вказують засоби вимірювальної техніки, охоплювані ними значення фізичних величин, похибки, конкретні методи повірки. Найменування методів повірки містять у кола або горизонтальні овали, які розміщують між найменуваннями об’єктів повірки і робочих еталонів, від яких передається розмір одиниці.

Як приклад на рис. 1.3 наведена Державна повірочна схема для ЗВТ вологості зерна і продуктів його переробки. Вона базується на тому, що всі засоби вимірювання параметрів, що характеризують якість зерна і застосовані в розрахункових операціях, підлягають обов’язковому державному нагляду. Схема починається з еталона вологостізерна(№22), якийвключаєтриеталоннівакуумно-теплові установки. Еталон відтворює і зберігає одиницю масової частки вологи зерна і продуктів його переробки, а також через зразкові засоби вимірювання передає її розмір робочим ЗВТ шляхом безпосереднього звірення з похибкою δ = ± 0,02 %. Робочі еталони першого розряду передають розмір масової частки вологи еталонам другого розряду методом безпосереднього звірення або прямого виміру з похибкоюδ= ± 0,05 %. Зразкові ЗВТ 2-го розряду передають розмір зазначеної одиниці шляхом звірення або прямого вимірювання з похибкою δ = ± 0,05 %. Перераховані на схемі методи і засоби вимірювання вологості розглянуті у розділі 17.

1.10. Вимірювання, контроль і випробування

1.10.1. Засоби вимірювальної техніки та їхні елементи

Засоби вимірювальної техніки застосовують на виробництві для одержання і перетворення інформації про параметри технологічних процесів, енергоресурсів, сировини і продукції.

ЗВТ встановлюють у місцях вимірювання (за місцем) як, наприклад, скляні термометри, або на деякому видаленні від об’єкта — у щитах і пультах контролю і керування. В останньому випадку створюють ланцюг вимірювання — вимірювальний

канал, у який можуть входити вимірювальні прилади, вимірювальні перетворювачі та інші допоміжні прилади, функціонально об’єднані у вимірювальну систему, деякі варіанти якої показані на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Структурні схеми вимірювальних каналів

Перетворення вимірювальної інформації в системі здійснюється за допомогою її носіїв — вимірювальних сигналів (електричних, оптичних, пневматичних та ін.) Параметри цих сигналів, використовувані для передачі розміру фізичної величини (ФВ) Хі,

називаються інформативними параметрами, інші параметри —

неінформативними. Наприклад, якщо вимірювальний сигнал — змінний струм, а його основна частота пропорційна вимірюваної ФВ, то ця частота може бути обрана в якості інформативного параметра. Стосовно елементів системи сигнали бувають вхідними

й вихідними.

Вимірювальним приладом ( ȼɢɉ) називається ЗВТ, призначене для вироблення вимірювального сигналу у формі, зручній для безпосереднього сприйняття спостерігачем, наприклад: лінійка, скляний термометр, стрілочний або цифровий вольтметр і т.д.

Вимірювальним перетворювачем називається ЗВТ, призначене для вироблення вимірювального сигналу у формі, зручній для передачі, перетворення, обробки або зберігання, але що не піддається безпосередньому сприйняттю спостерігачем. Залежно від призначення вимірювальні перетворювачі діляться на наступні основні групи.

Первинний вимірювальний перетворювач (ПП) — датчик,

який установлюють на об’єкті і до якого підведена вимірювана ФВ, тобто, він — перший у вимірювальному ланцюзі (рис. 1.4) Приклад ПП — термопара. Частина ПП, що перебуває під безпосереднім впливом вимірювальної величини (наприклад, «гарячий спай» термопари) називається чутливим елементом.

Проміжний перетворювач займає у вимірювальному ланцюзі місцепісляпервинногоіпризначенийдляздійсненнявсіхнеобхідних перетворень (посилення, підсумування, диференціювання і таке інше). Прикладом проміжного перетворювача служить нормуючий перетворювач (НП), призначений для нормалізації вимірювального сигналу — тобто, приведення його до діапазону значень, встановленому Українськими і міжнародними стандартами в якості уніфікованих. Для струмових сигналів це діапазони: [0 … 5 ; 4 … 20] мА, для сигналів напруги: [0 … 10] мВ, [0 … 10] В, частоти: [4 … 10] кГц та ін. Використовуючи нормуючі перетворювачі, легко синтезувати вимірювальні системи, погоджуючи при проектуванні їх елементи по виду і рівню вимірювальних сигналів. Для сигналізації неприпустимих відхилень вимірюваної ФВ часто застосовують датчикиреле (ДР), що складаються із ПП і проміжного перетворювача. Приклад: біметалічний датчик–реле температури, чутливий елемент якого (біметалічна пластина) зі зміною вимірюваної температури згинається, замикаючиаборозмикаючиелектричніконтактиланцюга сигнальної лампи. При цьому загорається (гасне) відповідний напис на сигнальному табло.

У комп’ютерних системах аналоговий сигнал від ПП спочатку нормалізують, потім за допомогою аналого-цифрового перетворювача (АЦП) перетворюють у кодовий і вводять в ЕОМ. Для зворотного перетворення сигналу використовують цифро-аналогові перетворювачі (ЦАП).

Подальше перетворення, обмін вимірювальною та ін. інформацією між функціональними елементами системи здійснюють у цифровій формі. Для з’єднання елементів системи використовують стандартні інтерфейси.

Інтерфейс — це сукупність правил (протоколів) і програмного забезпечення процесу обміну інформацією між функціональними елементами системи, що складає логічний рівень інтерфейсу, та

сукупність технічних засобів їх сполучення й вимірювальних та інших сигналів (фізичний рівень інтерфейсу). У вимірювальних системах часто застосовують такі стандартні промислові інтерфейси як RS-232, RS-422, RS-485, протоколи Modbus, Profibus, Ethernet,тощо.

Перетворювачінтерфейсупризначенийдляперетворенняінтерфейсу одного типу в іншій при сполученні функціональних елементів системи з різнотипними інтерфейсами.

Передавальний перетворювач (наприклад, радіопередавач) призначений для дистанційної передачі сигналу вимірювальної інформації.

Вторинний вимірювальний прилад (ВП) або вторинний при-

лад — ЗВТ, призначене для роботи в комплекті з ВиП (шкальними й бесшкальными), а також з деякими видами ПП і проміжних перетворювачів.

Вимірювальні прилади бувають аналоговими, показання яких є безперервною функцією вимірюваної ФВ, і цифровими, показання яких є дискретними і представлені в цифровій формі. Розрізняють також показуючі і реєструючі ВиП. Результат вимірювання показуючого ВиП визначають за допомогою відлікового пристрою або цифрового табло, а в реєструючих ВиП передбачають запис показань на діаграмному папері або за допомогою спеціального запам’ятовуючого пристрою.

Відліковий пристрій показуючих аналогових ВиП складається зі шкали і покажчика (стрілочного або світлового). Відмітки шкали (рис. 1.5), у яких проставлені числові значення, називаються число-

вими (оцифрованими) відмітками шкали. Проміжок між двома сусідніми відмітками шкали називають поділкою шкали. Різниця значень ФВ, що відповідають двом сусіднім відмітками шкали, називають ціною поділки шкали. Шкала з постійною ціною поділки називається рівномірноюшкалою. Найменше значення вимірюваної ФВ, зазначененашкалі, називаєтьсяпочатковимзначеннямшкали,

найбільше значення — кінцевим значенням шкали, а область зна-

чень, укладена між ними — діапазоном показань ЗВТ. Область значень вимірюваної ФВ, для яких нормовані допустимі похибки,

називається діапазоном вимірювання. Звичайно в технічних ЗВТ ці діапазони збігаються. Межами вимірювання називаються найбільше і найменше значення діапазону вимірювання. Шкали ЗВТ

бувають односторонніми (одна з меж дорівнює нулю), наприклад: [0…100] °С, двосторонніми(знулемнашкалі), наприклад: [-50…0… +100 ] °C і безнульовими, наприклад: [200…600] °C.

Рис. 1.5. Шкала вимірювального приладу

1.10.2. Пізнавальні операції вимірювання, контролю і випробування

В основі операцій вимірювання, контролю і випробування багато спільного — одержання інформації про об’єкт у результаті фізичного експерименту. Їхня відмінність визначається цілями і формою експерименту.

Одержання і перетворення інформації здійснюють за допомогою інформаційних процедур відтворення, порівняння, вимірювального перетворення, масштабування та ін.

Відтворення величини заданого розміру — найважливіша опера-

ція процесу вимірювання, що полягає в створенні вихідного вимірювальногосигналуіззаданимрозміромінформаційногопараметра. ЗВТ для відтворення ФВ заданого розміру називають мірою.

Порівняння — це операція визначення співвідношення між розмірами однорідних величин зазвичай з метою одержання відповіді «більше-менше» або «приблизно рівні». Порівняння часто здійснюють вирахуванням величин, створюючи різницеву величину ε, знак якої містить інформацію про співвідношення між величинами.

Вимірювальне перетворення — операція перетворення вхідного сигналу у вихідний, інформативний параметр, у якого із заданою точністю функціонально пов’язаний з інформативним параметром Х вхідного сигналу і аналітично представляється рівнянням:

Масштабування (посилення) — операція перетворення вхідного сигналу в однорідний вихідний, розмір інформаційного параметру якого пропорційнийрозміруінформаційногопараметрувхідногосигналу. Масштабування — це окремий випадок вимірювального перетворення, коли

де коефіцієнт (посилення) К є основною характеристикою перетворення. В и м і р ю в а н н я встановлює кількісне (числове) значення А вимірюваної величини Х у певних одиницях вимірювання (міри) U з

похибкою , тобто

На рис. 1.6-а наведена структурна схема вимірювань, виконуваних простим порівнянням із мірою М вимірюваної величини Х, наприклад,

вимірювання довжини лінійкою. Результат вимірювання X відрізняється від дійсного значення Х на величину ±Δ.

На рис. 1.6 б показана структурна схема іншого методу вимірювання — зі зрівноважуванням, що застосовують, наприклад, у рівноплечих вагах. Це багаторазово повторювана операція визначення маси Х тіла, коли шляхом зміни маси гир X («Zі» — збільшуючи і «Zі»

— зменшуючи) домагаються зрівноваження чашок ваг. У момент рівноваги, коли розбаланс ваг ε = 0, маса гир Xз похибкою дорівнює масі Х тіла, що зважується. Ця схема відрізняється від попередньої наявністю негативного зворотного зв’язку, у який входять операції прийняття і реалізації рішення «Z» про зміну відтвореної величини.

Вимірювання можуть виконуватися не тільки послідовно в часі, але й паралельно в просторі, як, наприклад, операція аналого-цифрового перетворення зчитування (рис. 1.6в) Тут за допомогою одночасних вимірювань (за схемою рис. 1.6 б) визначають зміст «Zі» усіх розрядів числа X, яке записано в елементі цифрової мікросхеми [3].

Рис. 1.6. Структурні схеми операцій вимірювання: а) — порівняння із мірою; б) — зі зрівноважуванням; в) — паралельні вимірювання

К о н т р о л ь встановлює якісне значення характеристики Х контрольованої∩величини, виражаючи її ступінь приналежності (подія) полю допусків X властивостей або станів об’єкта контролю:

Контроль являє собою операцію вимірювання з обов’язковим ухваленням рішення типу «придатний — дефектний» або «зна-

чення ФВ у нормі — значення неприпустиме».

Типова схема операції контролю наведена на рис. 1.7. Контроль являє собою сукупність процедур сприйняття (органолептичного сприйняття органами почуттів) або вимірювального перетворення (при автоматичному сприйнятті) контрольованої ФВ Х, відтворення меж поля допуску Y , порівняння результатів перетворення величин Х, Y і ухвалення рішення «Z» за результатами порівняння.