1.4 Загальні відомості про методи і засоби вимірювань

Про кількість та фізичну різноманітність неелектричних величин можна зробити висновок хоча б з Міжнародної системи одиниць, яка містить 6 основних (довжина, маса, час, термодинамічна температура, кількість речовини та сила світла), дві додаткові (плоский кут та тілесний кут), а також близько 150 похідних одиниць неелектричних величин.

Сьогодні доводиться вимірювати сотні неелектричних величин, зокрема параметрів технологічних процесів. Це:

• величини, що характеризують простір та час (геометричні роз­міри, час, параметри руху);

• механічні величини (маса та сила, а також величини, котрі характеризують їх прояв у просторі та часі, такі, як момент сили, тиск, механічні напруження тощо);

• теплові величини, які характеризують тепловий стан тіл, їх зміну в просторі та часі (наприклад, температура, кількість теплоти, тепло­провідність);

• світлотехнічні та енергетичні характеристики світла (сила світла, світловий потік, яскравість та відповідно енергетична сила світла, потужність випромінювання, енергетична яскравість);

• акустичні величини, тобто величини, що характеризують різні сторони хвильового руху в пружних середовищах (звуковий тиск, гучність звуку, акустичний шум тощо);

• величини фізичної хімії, що характеризують фізично-хемічні властивості речовин (хімічний склад, густина розчину, масова чи молярна концентрація, концентрація іонів водню);

• величини, що характеризують іонізуюче випромінювання.

О сновні неелектричні величини, їх визначення та одиниці наведені в додатку (таблиця Д1).

Питома вага вимірювань тих чи інших фізичних величин дуже різна. За даними, що наводяться в літературі, обсяг вимірювань різних неелектричних величин в окремих галузях техніки у відсотках до загальної кількості вимірювань, що проводяться в даній галузі, можна наближено проілюструвати рис. 1.1.

В середньому в різних галузях промисловості відзначається при­близно така частка вимірювань різних фізичних величин: температура -50, витрати (масові та об'ємні) - 15, тиск - 10, рівень - 5. маса - 5, електричні та магнітні величини - 4, інші -11% (див. рис. 1.2).

В икористання переважно електричних методів вимірювань неелектричних величин зумовлено великою кількістю вимірювань таких величин, розки­даністю досліджуваних об'єктів у просторі, необхідністю автоматизації управління при централізованому отриманні вимірювальної інформації, обробці останньої та виробленні сигналів для зворотної дії на об'єкт дослідження. Електричні сигнали найпридатніші як для вимірювань, так і для обробки та передачі на відстані.

Вимірювання неелектричних величин електричними вимірюваль­ними засобами стає можливим внаслідок попереднього перетворення досліджуваних неелектричних величин у функціонально зв'язані з ними електричні величини за допомогою відповідних вимірювальних пере­творювачів. Отже, для вимірювання неелектричних величин електрич­ними методами передбачається наявність первинного вимірювального перетворювача неелектричної величини в електричну, вторинного електричного вимірювального приладу, а також пристроїв їх спряження (ліній зв'язку, вимірювальних підсилювачів, пристроїв гальванічної розв'язки вимірювальних кіл, пристроїв корекції похибок) тощо.

Всі методи вимірювань неелектричних величин можна розділити на контактні та безконтактні. При контактних методах вимірювань первинний перетворювач безпосередньо контактує з досліджуваним об'єктом. Ці методи порівняно нескладні у реалізації і забезпечують високу чутливість, а також можливість локалізації точки вимірювання в саме в тому місці технологічного процесу, яке, наприклад, є найінформативнішим. Необхідно, однак, відзначити, що при контактному методі спостерігається зворотна дія вимірювального перетворювача на пара­метри досліджуваного об'єкта, що може призвести до значних неточнос­тей результату вимірювань. Крім цього, іноді є неможливим здійснити безпосередній контакт вимірювального перетворювача з досліджуваним об'єктом.

При безконтактних вимірюваннях первинний перетворювач без­посередньо не контактує з досліджуваним об'єктом і не впливає на його параметри. Однак на результати вимірювань в даному випадку значно впливає довкілля, яке відділяє досліджуваний об'єкт від первинного перетворювача.

Незалежно від того, контактний чи безконтактний метод вимірю­вань використовують для вимірювань неелектричних величин, як вже відзначалося, перевага надається саме електричним вимірюванням неелектричних величин, до основних переваг яких належать:

• універсальність, яка полягає в можливості вимірювань декількох чи навіть великої кількості неелектричних величин (при використанні відповідних первинних вимірювальних перетворювачів та комутатора) за допомогою одного електричного вимірювального засобу;

• простота автоматизації вимірювань внаслідок того, що електрич­ні кола можуть виконувати логічні операції;

• можливість забезпечення високої чутливості, необхідної точності та швидкодії, обумовлена гнучкістю їх структур та простотою підсилен­ня електричних сигналів;

• дистанційність, що полягає в можливості вимірювань параметрів досліджуваних об'єктів практично на будь-якій від них відстані завдяки можливості передачі електричних сигналів через проводи лінії зв'язку чи через випромінювання електромагнітних хвиль.

Особливості вимірювань неелектричних величин електричними засобами зумовлюють не лише переваги таких вимірювань, їм властиві також певні недоліки. Серед них – похибки первинних перетворювачів, пов'язані з проблемами перетворення одного виду енергії (неелек­тричної) в інший (електричну). Серед них, насамперед, похибки невідтворюваності та нестабільності функції перетворення первинного перетворювача, її нелінійність. Треба мати на увазі, що серед всіх решти похибок вимірювального тракту похибки первинних перетворювачів домінують.

Реалізація такої переваги електричних засобів, як дистанційність, тобто віддаленість первинного перетворювача від вторинної вимірю­вальної апаратури, супроводжується похибками лінії зв'язку, головною з яких є вплив опору лінії та його зміна під впливом зовнішніх чинників, що впливає на передачу вихідних сигналів первинного перетворювача як прямо, змінюючи сумарний опір вимірювального кола, так і непрямо, зменшуючи завадостійкість тракту перетворення. Остання обставина особливо ускладнює перетворення сигналів низького рівня, якими є переважна більшість вихідних сигналів генераторних первинних пере­творювачів неелектричних величин в електричні.

Точність перетворення електричних сигналів низького рівня обме­жується також наявністю внутрішніх завад, що виникають у вимі­рювальних колах внаслідок різноманітних паразитних контактних термо-ЕРС та шумів (зокрема, інфранизькочастотних) підсилювальних пристроїв, необхідних для збільшення рівня вихідних сигналів первин­них перетворювачів до значень, достатніх для забезпечення необхідної точності вимірювання. Під час роботи з параметричними перетворю­вачами, які вимагають для отримання вимірювальної інформації додат­кових джерел електричної енергії, можна, використовуючи ці джерела енергії, суттєво збільшити вихідні електричні сигнали первинних пере­творювачів і ослабити вплив зовнішніх чинників на результати вимірювань.