Испытание и контроль.

Под испытанием понимают экспертное определение количественных и качественных характеристик свойств объекта в процессе различного вида воздействий на него при функционировании, при моделировании его функционирования.

Проверка соответствия объектов продукции установленным техническим требованиям называется техническим контролем.

Метрологические характеристики средств измерений.

ГОСТ 8.009-84 устанавливает номенклатуру нормированных характеристик средств измерения, которая независимо от вида измеряемых величин, принципа действия необходима для обоснованной оценки погрешности средств измерения.

Метрологическая характеристика – характеристика одного из свойств измерений, влияющая на результат измерения или его погрешность.

Нормированная метрологическая характеристика предполагает наличие нормативного документа на эту характеристику.

Стандарт предусматривает следующую номенклатуру метрологических характеристик:

1. характеристики, предназначенные для определения результатов измерений;

2. характеристики погрешностей средств измерений (суммарная погрешность, систематическая и случайная составляющие погрешности, погрешности вследствие гистерезиса);

3. характеристики чувствительности средств измерений к влияющим величинам (функция влияния и характеристики изменений под воздействием влияющих величин);

4. динамические характеристики – характеристики динамических средств измерений, отражающих зависимость выходного сигнала от изменения во времени входного сигнала (переходная характеристика, импульсная характеристика, АЧХ, фазовая характеристика, ЧХ);

5. характеристики свойств средств измерения, влияющие на погрешность от взаимовлияния средств измерений.

В стандарте для каждой характеристики установлен способ нормирования и форма представления, приведены рекомендации по выбору комплекса метрологических характеристик. Основные метрологические характеристики объединяют диапазон изменения и различные составляющие погрешности средств измерения. Для каждого типа средств измерения установлены свои метрологические характеристики.

Диапазон показаний – область значений шкалы, ограниченная начальным и конечным значениями.

Отметка шкалы – знак на шкале, соответствующий отдельному значению физической величины.

Деление шкалы – промежуток между двумя соседними отметками.

Цена деления шкалы – разность значений величины, соответствующая двум соседним отметкам.

Диапазон измерений – диапазон, в котором гарантированы погрешности измерения.

Классификация измерительных преобразователей.

Преобразователи классифицируют по принципу работы или практическому назначению. Чаще их подразделяют на первичные (датчики), унифицированные и промежуточные. Первичные преобразователи являются первыми в измерительной цепи. Они включают в себя чувствительный элемент и другие элементы, необходимые для преобразования входной величины в необходимый сигнал выходной величины (как правило, в электрическую величину). Датчик может состоять из одного или нескольких измерительных преобразователей, объединенных в единую конструкцию. На него воздействует непосредственно измеряемая величина.

Унифицированный преобразователь состоит из датчика и схемы согласования. Измеряемая величина преобразуется с использованием источника энергии в нормируемую выходную величину. Для современных преобразователей в электрические величины значение сигналов постоянного тока лежат в пределах 0-5мА или 0-20мА; для устройств со смещенным нулем - ±1мА - ±5мА или ±4мА - ±20мА. При необходимости граница диапазона регулирования может быть изменена: нижняя – до 5мА, верхняя – до 25мА. Допускается в устройствах с нормированными токовыми сигналами применение приборов с внутренним сопротивлением не более 1кОм. Нормированные значения диапазонов напряжения составляют 0±1В и 0±10В. При этом внутреннее сопротивление измерительных приборов не должно быть менее 1кОм. При использовании в качестве выходной величины частоты, рекомендуемый диапазон составляет 5-25Гц. В пневматических устройствах нормировано давление газа: от 0,02 до 0,1МПа.

Промежуточный преобразователь получает сигнал измерительной информации от предшествующего и передает последующему.

По характеру преобразования выходной величины преобразователи делят на линейные и нелинейные.

По принципу действия их делят на генераторные и параметрические. Выходная величина генераторных преобразователей – ЭДС, напряжение, ток или электрический заряд, функционально связанный с измеряемой величиной (например, ЭДС термопары). В параметрических преобразователях измеряемая величина вызывает пропорциональное ей изменение параметра электрической цепи.

По принципу действия преобразователи подразделяют на типы: резистивные, в которых измеряемая величина преобразуется в сопротивление; емкостные – измеряемая величина преобразуется в емкость; электромагнитные – измеряемая величина преобразуется в индуктивность; пьезоэлектрические – измеряемая величина преобразуется в электрический заряд; гальваномагнитные – магнитное поле преобразуется в ЭДС; тепловые - температура преобразуется в ЭДС или термосопротивление; оптоэлектронные – оптические сигналы преобразуются в электрические.

Основные характеристики датчиков: тип, диапазон измеряемой величины, диапазон рабочей температуры и погрешность в этом диапазоне, входное и выходное сопротивление, частотная характеристика.

Рассмотрим основное применение датчиков стандартного исполнения:

1. тензодатчики – используются для измерения силы, давления, перемещения, скорости, ускорения, параметров вибрации;

2. потенциометрические датчики – давление, перемещение, положение, скорость, ускорение;

3. трансформаторные датчики (линейный дифференциальный трансформатор) - аналогично потенциометрическим датчикам;

4. вихревые датчики – положение, перемещение, скорость;

5. магниторезистивные датчики – магнитные потоки, перемещение, положение;

6. емкостные датчики – все величины кроме магнитных свойств;

7. пьезоэлектрические датчики – динамические характеристики;

8. термопара – температура;

9. фотоэлементы – фотосопротивление, оптические величины, перемещение, положение, скорость, ускорение.

Датчики в измерительных установках используются с погрешностью 1-2%, для задач контроля – 2-3%. В последние десятилетия широко развиваются интеллектуальные датчики, оптоволоконные датчики, многокоординатные датчики распознавания образов. На стандартные датчики разработана нормативно-техническая документация.

Схемы включения преобразователей для получения электрической величины во многом определяют метрологические свойства измерительных приборов и установок. Условно их можно разделить на приборы прямого и компенсационного преобразования.

В схемах прямого преобразования результат измерений величины получается после ряда последовательных преобразований. Приборы достаточно просты, но имеют относительно невысокие метрологические характеристики (см. рисунок).

Входящая величина Х преобразуется в электрическую величину Э. Эту величину в общем случае можно преобразовать в измерительной цепи ИЦ. Далее величина может усиливаться в усилителе УС. Затем она поступает на отсчетное устройство ОУ, регистрирующее значение входной величины. Функция преобразования средства измерений получается путем последовательной подстановки функции каждого элемента. Чувствительность определяется произведением чувствительности отдельных элементов цепи. Для увеличения чувствительности прибора нужно увеличить чувствительность отдельных элементов. Одновременно увеличивают чувствительность в ряде случаев к воздействию влияющих величин, которые приводят к появлению дополнительных погрешностей. Погрешности будут тем больше чем меньше чувствительность элементов к дополнительным факторам в отличие от чувствительности к основным факторам. Для средств измерения важным может являться порог чувствительности, который определяется максимальным изменением значения входной величины, которое можно обнаружить с помощью данного средства измерения. Абсолютная погрешность средства с последовательным соединением равна алгебраической сумме преобразованных к выходу погрешностей всех входящих в него преобразователей. Приведенная погрешность средства равна сумме приведенных погрешностей составляющих, а приведенная среднеквадратическая погрешность определяется квадратичным суммированием.

В измерительных установках широкое распространение получили схемы дифференциального включения преобразователей, которые позволяют существенно повысить метрологические характеристики таких средств. Основу таких схем составляет вычитающий преобразователь. Это преобразователь с двумя входами, выходная величина которого представляет из себя нечетную функцию разности двух одноименных сигналов (см. рисунок).

Каналы, как правило, одинаковы. Они включают в себя одинаковые элементы. Один из них рабочий преобразователь, второй – не рабочий. Если одноименные физические величины имеют постоянное значение и оба канала имеют одинаковые линейные функции преобразования, чувствительность дифференциального преобразователя в два раза выше преобразователя по прямой схеме. Погрешности обоих каналов обычно считаются равными. При этом аддитивные погрешности обоих каналов взаимно компенсируются. Мультипликативная погрешность зависит от уровня входного сигнала тем меньше чем меньше измеряемая величина и чем стабильнее линейность функции преобразования.

В средствах измерения, использующих метод компенсационного преобразования (с применением отрицательной обратной связи), удается значительно уменьшить как аддитивную, так и мультипликативную погрешности. Применение обратной связи позволяет создать средства, обладающие малыми статическими и динамическими погрешностями. Структурная схема такого средства с компенсацией измеряемой величины на выходе приведена на рисунке. Входящая неэлектрическая величина Х после ее преобразования поступает в виде электрического сигнала U_х на один из входов вычитающего преобразователя; на другой вход подается напряжение U_k, полученное на выходе из компенсационной цепи КЦ. Компенсационная цепь приводит в действие выходное напряжение усилителя с таким расчетом, чтобы разность ΔU была достаточно малой. Мерой измеряемой неэлектрической величины является сигнал Y_вых, воздействующий на компенсационную цепь КЦ. Измеритель в данном случае является механическим устройством. Например, реохордом, включенным в цепь моста или компаратора. Общая погрешность измерения складывается только из погрешностей измерительного преобразователя, измерительной и компенсационной цепей. Исключение погрешностей этих узлов может быть достигнуто также с помощью компенсационных схем. Существуют схемы с частичной компенсацией погрешности. Структурная схема приведена на рисунке.

В структурной схеме обратный преобразователь преобразует выходную электрическую величину в неэлектрическую однородную с измеряемой. Разность между входной и преобразованной величинами преобразуется в электрическую величину, которая затем усиливается. Вся цепь прямого преобразования оказывается охваченной обратным преобразованием. Погрешность всех преобразующих звеньев практически исключается. Общая погрешность измерения складывается только из погрешности измерителя и обратного преобразователя. Следовательно, по сравнению с предыдущим случаем вместо погрешности прямого преобразователя появляется погрешность обратного преобразователя. Включение преобразователя в мостовые схемы определяется, как правило, требованиями к чувствительности и линейности функции преобразования. Различают три способа включения преобразователей:

1) включение в одно плечо моста;

2) включение в противоположное плечо;

3) включение в два соседних плеча.

Включение одного преобразователя предполагает большую степень нелинейности, достигающей 2-3%.

Включение двух преобразователей в противоположные плечи применяют, если хотят увеличить чувствительность схемы. Недостатком является большая степень нелинейности, достигающая 7-10%.

При включении в два соседних плеча получают преобразователь дифференциального типа со всеми положительными свойствами.