Новини освіти і науки:

G+

Тлумачний словник
Авто
Автоматизація
Архітектура
Астрономія
Аудит
Біологія
Будівництво
Бухгалтерія
Винахідництво
Виробництво
Військова справа
Генетика
Географія
Геологія
Господарство
Держава
Дім
Екологія
Економетрика
Економіка
Електроніка
Журналістика та ЗМІ
Зв'язок
Іноземні мови
Інформатика
Історія
Комп'ютери
Креслення
Кулінарія
Культура
Лексикологія
Література
Логіка
Маркетинг
Математика
Машинобудування
Медицина
Менеджмент
Метали і Зварювання
Механіка
Мистецтво
Музика
Населення
Освіта
Охорона безпеки життя
Охорона Праці
Педагогіка
Політика
Право
Програмування
Промисловість
Психологія
Радіо
Регилия
Соціологія
Спорт
Стандартизація
Технології
Торгівля
Туризм
Фізика
Фізіологія
Філософія
Фінанси
Хімія
Юриспунденкция

Вимірювані величини, засоби|кошти| і методи їх вимірювань

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАСОБІВ ВИМІРЮВАННЯ

Процеси ОМТ, супроводжуються|супроводжуються| зміною розмірів; форми, температури, механічних і інших фізичних властивостей, структури і фазового стану|достатку| оброблюваного металу, тобто характеризуються вельми|дуже| великою кількістю геометричних, кінематичних, енергосилових і інших параметрів.

Величини, які швидко змінюються найдоцільніше вимірювати|виміряти| електричними методами із застосуванням мало інерційних реєструючих пристроїв|устроїв|. При функціональному аналізі зв'язків між декількома змінними потрібний їх синхронний|синхрон| запис, який можна здійснити за допомогою світло променевого| осцилографа, магнітографа, кінозйомки, відео зйомки обо їх комбінацій.

Величини, що підлягають вимірюванню|виміру|, і призначені для цього основні вимірювальні прилади і інструменти приведені в таблиці 1.

Таблиця1 Вимірювані величини і вимірювальні прилади в процесах дослідження ОМТ

Вимірювані величини

Апаратура

Для перетворення неелектричних величин у зручну для передачі і сприйняття форму використовують різні фізичні явища, що володіють досить строгими|суворими| закономірностями. До таких явищ відносяться наступні|слідуючі| ефекти:

1) резистивний — зміна активного опору металів, напівпровідників і інших провідних середовищ|середи| під дією механічної напруги|напруження|, температури, магнітного поля, світлового і радіоактивного випромінювання і т. д.;

2) зміна електричної ємкості|місткості| при зміні проміжку між електродами або діелектричної проникності речовини, що заповнює цей проміжок;

3) зміна магнітного опору ланцюгу|цепу| унаслідок|внаслідок| зміни геометричних параметрів або магнітної проникності її елементів під дією механічних величин і явище електромагнітної індукції при русі провідника в магнітному полі;

4) п'єзоелектричний — електризація кристалічних матеріалів під дією механічної напруги|напруження|;

5) наведення електричного заряду на електроді, що переміщається поблизу діелектрика, що володіє постійною поляризацією|;

Основні переваги електричних методів вимірювання|виміру| наступні|слідуючі|:

2) дистанційність| вимірювання|виміри|;

3) надзвичайно широкий діапазон зміни чутливості приладів;

4) мала інерційність, отже, висока швидкодія приладів;

6) простота устаткування|обладнання| і малі габарити вимірювальних пристроїв|устроїв|;

7) широка можливість|спроможність| уніфікувати вузли вимірювальної апаратури, застосовуючи стандартні прилади, що серійно випускаються|устрої|;

8) зручність програмування і автоматизації експериментальних досліджень за допомогою ЕОМ і мікропроцесорів.

2.2. Електричні засоби|кошти| вимірювань|вимірів|

Мірою називають засіб, призначений для відтворення фізичної величини заданого розміру. Розрізняють однозначні засоби (опір, ємкість), багатозначні (реостат, конденсатор змінної ємкості) і набори мір (магазини опорів, ємкостей і ін.).

Вимірювальний прилад — засіб вимірювання, призначений для вироблення сигналу вимірюваної інформації (сигналу, функціонально пов'язаного з вимірюваною фізичною величиною) у формі, доступній для безпосереднього сприйняття спостерігачем. Прилади бувають аналогові і цифрові, показуючі і реєструючі (самописці), такі, що підсумовують (ватметри) і інтегруючі (лічильники електроенергії), безпосередньої оцінки і порівняння (мости, потенціометри) і ін. Залежно від призначення прилади ділять на метрологічні, універсальні, виробничі, експлуатаційні і спеціальні. Градуюють прилад в прийнятих одиницях вимірювання фізичної величини, тобто, виготовляючи прилад, використовуючи міру.

Вимірювальний перетворювач є пристроєм, призначеним для вироблення сигналу вимірником інформації у формі, зручній для передачі, подальшого перетворення, обробки і (або) зберігання, але непіддатливою безпосередньому сприйняттю спостерігачем. За допомогою різних вимірювальних перетворювачів можна перетворювати одні неелектричні величини в інших (пружні елементи), неелектричні величини в електричні (тензорезистори|, термопари, тахогенератори), електричні в неелектричні (мікросхеми, гальванометри, електромагніти) і, нарешті|урешті|, електричні в електричні (трансформатори, потенціометри, перетворювачі Хола і т. п.).

Датчиком називається засіб вимірювання, що є конструктивною сукупністю вимірювальних перетворювачів, зокрема перетворювач виду енергії сигналу, розміщену в зоні дії впливаючих чинників об'єкту і сприймаючу від нього природно закодовану інформацію. По характеру електричних величин, що отримуються на виході, датчики ділять на генераторні та параметричні.

Вимірювальна установка це сукупність вимірювальних приладів, перетворювачів і допоміжних пристроїв, призначену для вироблення сигналів вимірюваної інформації у формі, зручній для сприйняття безпосереднім спостерігачем, і розташовану в одному місці. До складу типової установки для електричного вимірювання неелектричних величин входять (рис. 1): датчик, лінія зв'язку, вимірювальний ланка, підсилювач і реєструючий прилад. Стрілками показаний напрям проходження сигналу х через установку (х називають входом, у – виходом установки).

Датчики, що входять до складу вимірювальних установок, розрізнють по двох основних ознаках; за видом виконуваної функції (датчики сили, датчики переміщення і т. п.) і закладеному в них принципу перетворення неелектричної величини в електричну (ємкісні|місткість|, індуктивні, п'єзоелектричні і ін.). Обидві ознаки входять у назву датчика, наприклад: ємкісний|місткість| датчик тиску|тиснення|, індуктивний датчик переміщення і тому подібне.

Рис. 2.1 Структурна схема установки для електричного| вимірювання| неелектричної| величини|

декілька параметрів, що змінюються. При необхідності у вимірювальній установці використовують одночасно показуючий і реєструючий прилади.

Вимірювальна система (ВС) є сукупністю засобів вимірювань і допоміжних пристроїв, сполучених між собою каналами зв'язку, призначену для вироблення сигналів вимірюваної інформації у формі, зручній для автоматичної обробки, передачі і (або) використання в автоматичних системах управління. ВС знаходять застосування при великому об'ємі експериментальної інформації, що вимагає автоматизації і програмування досліджень.

2.3 Статичні характеристики засобів|коштів| вимірювань|вимірів|

Для подальшого викладу введемо деякі визначення:

Вхідна величина х - механічна величина діюча на датчик і перетворювана останнім в електричний сигнал. Вихідна величина у - фізична величина, що отримується на виході засобу вимірювання в результаті перетворення, посилення та інших трансформацій. Вона може виразитися у вигляді відхилення стрілки показуючого приладу, відхилення променя осцилографа і тому подібне

Характер вимірюваної величини може бути статичним або динамічним. Статичним називають вимірювання в тому випадку, якщо вимірювана величина за час, протягом якого проводять відлік, практично не міняється. Вимірювання називають динамічним, якщо за час вимірювання величина істотно міняє своє значення.

Однією з основних характеристик засобу вимірювань є його статична чутливість, визначувана як відношення зміни сигналу на виході засобу вимірювань Δу до його зміни вхідної вимірюваної величини Δх, тобто:

(2.1)|

При достатньо малих прирощеннях у і x будемо мати:

S= Δy/Δx = dy/dx (2.2)

.; (2.3)

Перемноживши ліві і праві частини|частки| цих виразів, отримаємо|одержуватимемо|

(2.4)

тобто чутливість вимірювальної установки дорівнює похідній|добутку| чутливостей| її елементів.

Поріг чутливості визначають як мінімальну зміну вхідної величини, що викликає помітну зміну вихідної величини.

Межа перетворення — максимальне значення вхідної величини, яке може бути ще сприйняте датчиком без спотворень і без пошкоджень датчика або інших структурних елементів засобу вимірювань.

Динамічним діапазоном вимірювання є діапазон вхідних величин, вимірювання яких відбувається без помітних спотворень і тягнеться від максимального (граничного) значення до мінімального, обмеженого порогом чутливості або рівнем перешкод.

Градуювальна характеристика засобу вимірювань — це залежність між значеннями величини на виході і вході, складена у вигляді таблиці, графіка або формули.

Основна похибка - різниця між значеннями вихідної величини, що виміряна і номінальним, визначеним в нормальних умовах. За нормальні умови приймають наступний стан навколишнього середовища: температура +25±10°С; атмосферний тиск 1000±40 ГПа; відносна вологість 65±15%; вібрації, електричні і магнітні поля відсутні.

Відповідно до ГОСТ 16263-70 під абсолютною похибкою розуміють різницю між показами засобу вимірювань і дійсним значенням вимірюваної величини. Так, якщо дійсне значення величини дорівнює х, а виміряне значення х_в то абсолютна похибка Δх визначається за виразом:

(2.5)

Повнішою характеристикою засобу вимірювань є відносна похибка у_х:

(2.6)

Відносна похибка є функцією вимірюваної величини x, у зв'язку з чим неможливо вказати одиничну точкову характеристику засобу вимірювань, яка б якось характеризувала похибку. Тому вводять поняття приведеної похибки під якою розуміють відношення максимального значення абсолютної похибки до максимального значення вимірюваної величин тобто:

(2.7)

При лінійній залежності у = Sх між вхідною x і вихідною у величинами можна записати:

(2.8)

де S - коефіцієнт перетворення засобу вимірювань, рівний в даному випадку його чутливості.

(2.9)

де - коефіцієнт перетворення, в загальному випадку що є функцією вимірюваної величини x і сукупності впливаючих величин

- початкове значення вихідного сигналу (при x = 0), в загальному випадку що також є функцією величин . У компактнішій формі рівняння (2.9) можна записати як

y = Sx + b (2.10)

маючи на увазі, що S і b - складні функції багатьох аргументів.

Графічно функція перетворення засобу вимірювань зображається прямою (рис. 2.2). Нахил прямої Sx відповідає чутливості (коефіцієнту перетворення) засобу вимірювань.

у = Sx ± (2.11)

Рис. 2.2 Області невизначеності результатів вимірювань|вимірів| за рахунок аддитивної (а), мультиплікативної (б) похибок і їх

сумісного|спільного| прояву|вияву| (в)

Отже, при x=0 ордината у=± . З рівняння (2.11) виходить, що помилки такого роду не залежать від вхідної величини. По сталій термінології їх називають адитивними, тобто отриманими в результаті складання. Похибка такого роду утворює зону невизначеності в результаті зсуву статичної характеристики вгору або вниз на величину без зміни форми і нахилу цієї характеристики.

Середня лінія Sx на рис. 2.2 є статичною характеристикою засобу вимірювань для нормальних зовнішніх умов. Похибка від зміни чутливості приводить до зміни нахилу статичної характеристики (а в загальному випадку і її форми), причому цей нахил може змінюватися як в один, так і в інший бік від градуювальної характеристики (рис. 2.2, б). Область, обмежена прямими S'x і S"x, є областю невизначеності. Якщо абсолютне значення зміни чутливості буде: або то абсолютна похибка вимірювання в цьому випадку виразиться рівністю:

(2.12)

Помилка вимірювання, як очевидно, пропорційна вхідній величині. Такі похибка називають мультиплікативними, тобто отриманими в результаті множення.

(2.13)

поточне значення абсолютної похибки поточне значення відносної похибки .

Узагальнена метрологічна характеристика засобу вимірювань - клас точності. Він визначає межі всіх похибок, що допускаються, а також всі інші властивості, що впливають на точність засобу вимірювань. Для засобів вимірювань, межі похибок що допускаються, виражають у вигляді відносних або приведених похибок. ГОСТ 13600-68 встановлює наступний ряд чисел: 1•10 ; 1,5•10 ; 2•10 ; 2,5•10 ; 4•10 ; 5•10 ; 6•10 де n= 1; 0; -1; -2 і тому подібне. Числа цього ряду і дають позначення класів точності. Для засобів вимірювань, у яких основну похибку нормують у вигляді межі приведеної похибки, клас точності чисельно дорівнює цій межі, тобто .

Відхилення рухомої частини приладу у є функцією не тільки вимірюваної величини х, але і інших побічних не вимірюваних величин: температури t°, напруга живлення U і ін.:

(2.14)

Під час вимірювань побічні величини можуть змінюватися. Якщо ці зміни малі, то

(2.15)

Часткові похідні ... є чутливості засобу вимірювань до побічних величин. Очевидно, що вплив змін побічних величин ... на відхилення у буде тим менше, чим більше чутливість засобу вимірювань до вимірюваної величини x.

Додаткова похибка - це погрішність, що викликається зміною зовнішніх умов. Вона є відносною зміною вихідної величини у відсотках, віднесеною до зміни зовнішнього чинника на певну величину (наприклад, температурна похибка 2,5% на 10°С і т. п.).

Відповідно до характеру|вдачі| причин виникнення додаткові похибки можна розділити на систематичні і випадкові.

Систематичні похибки - це похибки, що мають детермінований функціональний зв'язок з джерелом, що їх викликає, причому і сама функція і її аргумент відомі.

Випадкові похибки - похибки, поява яких викликана сукупною дією декількох впливаючих (що дестабілізують) чинників, функціональний зв'язок яких з джерелом похибок не можна виявити через їх невідомість і велику кількість. Чіткі межі між цими видами похибок провести досить складно, оскільки в різних вимірювальних ситуаціях похибки можуть перерозподілитися між розглянутими групами. Так, якщо датчик тиску експлуатують в широкому діапазоні температур і його температурна характеристика відома, то похибка від зміни температури вважають за систематичну і її однозначно можна враховувати за наслідками вимірювань. Якщо ж температура невідома і змінюється випадково, то ввести поправку неможливо. В цьому випадку температурна похибка датчика переходить в розряд випадкових.

2.4 Динамічні характеристики засобів|коштів| вимірювань|вимірів|

При стрибкоподібному законі вимірювана величина миттєво набуває постійного значення (рис. 2.3, а). Закон зміни відхилення у рухомої частини приладу при стрибкоподібному законі зміни вимірюваної величини x називається перехідною (тимчасовою) характеристикою засобу вимірювань. Можливі характеристики засобу вимірювань залежно від його конструктивних особливостей приведені на рис. 2.3, б - г. Конструюючи прилад або установку, прагнуть забезпечити процес такою перехідною характеристикою, при якій відхилення у досягає сталого значення за мінімальний час (час запізнювання).

Динамічні властивості засобів вимірювань, для яких характерний періодичний затухаючий перехідний процес (рис. 2.3, г), математично описуються диференціальними рівняннями другого порядку. Так, рух механічної системи, на яку діє величина і де вихідною є величина описують рівнянням:

, (2.16)

де m - рухома маса системи; x - переміщення; F - коефіцієнт заспокоєння; W - жорсткість; P(t) - збурююча сила. При обертальному русі рухомої частини, коли вхідною дією є момент M(t), а вихідний кут повороту диференціальне рівняння руху має вигляд:

, (2.17)

де J-момент інерції рухомої частини.

Рис. 2.3 Графік зміни вхідного сигналу (а) і перехідні

характеристики приладу (б, в, г)

Для послідовного R-, L-, C-контура з вихідною величиною U(t) диференціальне рівняння запишеться у вигляді:

, (2.18)

де q - поточне значення заряду.

У операторній формі ці рівняння можна записати так:

(2.19)

звідки

(2.20)

де F/m = h; W/m = .

При синусоїдальній дії зв'язок між комплексами вхідної Р і вихідної x величин можна описати співвідношенням:

, (2.21)

де S - чутливість коливальної системи.

Виразимо співвідношення і через початкові параметри коливальної ланки:

(2.22)

Тоді у відносних одиницях частоти комплексну чутливість коливальної системи другого порядку можна охарактеризувати залежністю

(2.23)

Вирази|вираження| часткової і фазової характеристик відповідно мають вигляд:

(2.24)

(2.25)

Оскільки при величина |S|=Sо=1/W можна записати частотну характеристику у відносних координатах по обох осях:

(2.26)

де М - відносний коефіцієнт передачі, чисельно рівний відношенню коефіцієнта передачі на частоті до коефіцієнта передачі на частоті = 0.

Такий запис зручний тим, що в цей вираз не входить жоден параметр ланки. Тому вираз (2.26) описує у відносних координатах і коливальні ланки з будь-якими m, F, W.

Типове сімейство частотних характеристик для коливальних ланок другого порядку з різним ступенем заспокоєння приведено на рис. 2.4, а. Помітно, що такі ланки перетворять сигнал без динамічної погрішності тільки при = 0, тобто при частоті = 0. Із зростанням частоти відповідно зростає і погрішність перетворення. Її можна оцінити як різницю між фактичним значенням відносного коефіцієнта передачі М і одиницею:

. (2.27)

Залежність фазових спотворень (зрушення фаз) від частоти називається фазочастотною характеристикою засобу вимірювань. Для коливальної системи з однією мірою свободи такі характеристики показані на рис. 2.4, б. Із зменшенням сили опору криві прагнуть до граничної кривої, що зазнає розриву в точці тобто при резонансі.

Якщо значення незначне, то при вимушені коливання майже збігаються по фазі із зовнішньою силою, а при знаходяться з нею в протифазі.

З|із| викладеного ясно, що, маючи засоби замплітудно-частотними і и|характеристиками завжди можна вибрати засіб вимірювань|вимірів|, що задовольняє умовам вимірювання|виміру| із|із| заданою допустимою динамічною погрішністю. Але|та| для цього потрібно знати частоту або спектр частот вимірюваного процесу. В деяких випадках досить визначити максимальну частоту процесу, що можна зробити на основі гармонійного аналізу графіка процесу.

Для неспотвореного запису процесу x(t) з максимальною частотою потрібно, щоб прилад в діапазоні частот від нуля до мав амплітудно- і фазочастотну характеристики, близькі до ідеальних (амплітуднье спотворення, що допускаються, не більше 10%). Цей діапазон частот, в межах якого динамічна погрішність приладу не перевищує допустимого значення (див. рис. 2.3) називають смугою пропускання частот. Чим ширше смуга пропускання частот У приладу, тим менше його інерційність, тим більше швидкі зміни вимірюваної величини можна записати без спотворень.

2.5. Структурні схеми засобів|коштів| вимірювань|вимірів|

(2.28)

де Р - сила (вхідна величина пружного елементу); - відносна деформація (вихідна величина пружного елементу); Е — модуль подовжньої пружності. Перетворити деформацію пружного елементу на електричний сигнал можна за допомогою резистивних, ємкісних, індуктивних, п'єзоелектричних і інших перетворювачів.

Представляючи датчики для електричного вимірювання неелектричних величин у вигляді послідовного ланцюга вимірювальних перетворювачів, можна встановити, що більшість датчиків сил, деформацій, моментів і інших механічних величин мають практично однакову структурну схему. Так, в структурній схемі тензорезисторного датчика сили (рис. 2.5, а) вимірювана сила P пружним елементом перетвориться в деформацію яка сприймається

Рис. 2.5 Структурні схеми датчиків сили:

а - тензорезисторного|; б - індуктивного

тензорезистором і перетвориться в зміну опору тензорезистора. Це зміна у вимірювальному ланцюзі перетвориться у вихідну напругу . Заміна вимірювального перетворювача резистора, наприклад, індуктивним дозволяє отримати іншу обширну групу датчиків - індуктивних (рис. 2.5, б). Подібну структурну схему можуть мати і датчики з іншими принципами перетворення механічної величини в електричну - ємкісні, реостатні, магнітопружні і різного типу генераторні перетворювачі.

Розглядаючи|розглядувати| фізичні процеси у всіх відомих вимірювальних перетворювачах, можна, в кожному випадку встановити зв'язок між вихідною і вхідною величинами:

(2.29)

Математичний (або графічний) опис цього зв'язку носить назвуа функції. Аналогічна характеристика для засобу вимірювань в цілому називається функцією перетворення засобу вимірювань.

Залежно від виду зв'язку між окремими вимірювальними перетворювачами розрізняють два основні види структурних схем засобів вимірювань — прямого перетворення і перетворення, що врівноважує (компенсаційного).

Засіб вимірювань, виконаний відповідно до структурної схеми рис. 2.6, а, є засобом вимірювань прямого перетворення, Його чутливість визначається твором чутливості окремих перетворювачів і може бути знайдена як відношення вихідної величини до вхідної (для лінійної функції перетворення):

(2.30)

Останнім часом все ширше упроваджуються|запроваджують| в практику засоби|кошту| вимірювань|вимірів| врівноважуючого|зрівноважувати| перетворення (рис. 2.6, б). Їх відмітна особливість полягає у тому, що разом з ланцюгом прямої трансформації в них є і зворотний ланцюг. Він включає перетворювач зворотного зв'язку (ПЗЗ) зі чутливістю і може в загальному випадку складатися з декількох вимірювальних перетворювачів та охоплювати будь-яке бажане число перетворювачів, що стоять в ланцюзі прямого перетворення. Це додатковий ланцюг забезпечує перетворення вихідної величини прямого перетворення в однорідну з вхідною величиною (частіше - електричною в неелектричну).

Функція перетворення ділянки ланцюга із зворотним зв'язком (рис.2.6, б).

де - чутливість ланцюга врівноважуючого перетворення; - чутливість ланцюга прямого перетворення, охопленим ланцюгом зворотного перетворення; - чутливість зворотного перетворення.

Введення в структурну схему зворотного перетворювача зменшує погрішність ланцюга прямого перетворення. При погрішність ланцюга врівноважуючого перетворення визначається тільки погрішністю ланцюга зворотного перетворення, тому ланцюг має бути дуже стабільною.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Основні етапи дослідження	\|	СУТНІСТЬ СТРАТЕГІЧНОГО ПЛАНУВАННЯ

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.017 сек.