Вимірювальні сигнали

Вимірювальні сигнали

Вимірювальні сигнали

Спочатку наведемо визначення сигналу взагалі.

Сигнал - це фізичний процес, властивості якого визначаються взаємодією між матеріальним об'єктом та засобом його дослідження.

Сигнали характеризуються параметрами.

Параметр сигналу - одна з властивостей, яка є фізичною величиною.

Параметри сигналів розділяють на інформативні та неінформативні.

Інформативний параметр сигналу - параметр сигналу, який функціонально зв'язаний з досліджуваною (вимірюваною) величиною або ж має задане значення.

У протилежному випадку параметр сигналу є неінформативним.

Окремий вид сигналів складають вимірювальні сигнали, що виконують функцію взаємозв'язку між об'єктом вимірювання та засобом (засобами) вимірювальної техніки (рис. 1.2).

Вимірювальним сигналом називають сигнал, один чи декілька параметрів якого є інформативними.

Розрізняють вхідні вимірювальні сигнали та сигнали вимірювальної інформації.

Вхідний вимірювальний сигнал - це вимірювальний сигнал, який подається на вхід засобу вимірювальної техніки з виходу об'єкта вимірювання чи джерела вимірювального сигналу або з виходу останнього на вхід об'єкта вимірювання.

Вимірювальний сигнал, що утворюється на виході джерела вимірювального сигналу, називають зразковим сигналом. Під зразковим сигналом розуміють вимірювальний сигнал, один чи декілька параметрів якого мають задані значення.

Сигнал вимірювальної інформації - це вимірювальний сигнал, який представляє вимірювальну інформацію на виході засобу вимірювальної техніки.

Сигнали вимірювальної інформації розділяють на візуальні та кодові. Візуальним називають сигнал вимірювальної інформації, який сприймається оператором візуально. Кодовим називають сигнал вимірювальної інформації, який представляється заданим кодом і призначається для сприйняття технічними засобами.

1.3.4. Процедура вимірювання та вимірювальні операції

Вимірювання виконуються за процедурою, яка визначається методикою виконання вимірювань.

Процедура вимірювання - це послідовність вимірювальних операцій, що забезпечує вимірювання згідно з обраним методом.

Таким чином, процедура вимірювання складається з вимірювальних операцій.

Вимірювальна операція - це операція з фізичними величинами або їх значеннями під час вимірювання.

До вимірювальних операцій належать: відтворення фізичної величини, порівняння фізичних величин і вимірювальне перетворення.

Відтворення фізичної величини - вимірювальна операція, що полягає у створенні та (чи) зберіганні фізичної величини заданого значення.

Порівняння фізичних величин - вимірювальна операція, що полягає у порівнянні двох розмірів (значень) однорідних фізичних величин.

Вимірювальне перетворення фізичних величин - вимірювальна операція, під час якої одна фізична величина перетворюється в іншу, функціонально з нею зв'язану.

Фізичний ефект, на якому ґрунтується вимірювальне перетворення, називають принципом вимірювального перетворення.

Вимірювальні перетворення поділяють на перетворення без зміни роду та зі зміною роду вихідної фізичної величини, а також на лінійні та нелінійні за видом функціональної залежності (лінійна чи нелінійна) між початковою величиною й тією величиною, що одержують після перетворення. Одним з поширених видів лінійного перетворення фізичної величини є масштабне вимірювальне перетворення, під яким розуміють лінійне вимірювальне перетворення фізичної величини без зміни її роду.

1.4. Засоби вимірювальної техніки

1.4.1. Визначення і різновиди засобів вимірювальної техніки

Засоби вимірювальної техніки є обов'язковим елементом будь-якого процесу вимірювання. Більш того, вони значною мірою визначають його якість, оскільки саме ЗВТ забезпечують зберігання одиниць вимірювань і їх порівняння з розміром вимірюваної величини, тобто виконання основних вимірювальних операцій. Проте в ряді практичних випадків для здійснення вимірювального експерименту, крім ЗВТ, необхідні й інші технічні засоби, які забезпечують, зокрема, підтримання умов виконання вимірювань, збирання, зберігання і передавання вимірювальної інформації, виконання обчислень тощо.

На теперішній час вимірювальна техніка - це величезний парк різноманітних ЗВТ з різними технічними і метрологічними характеристиками. Особливо важливими для процесу вимірювання є метрологічні характеристики, тому що вони впливають на результат і похибку вимірювання. Всі метрологічні характеристики ЗВТ підлягають нормуванню, під яким розуміють задання номінальних значень і границь допустимих відхилень реальних метрологічних характеристик ЗВТ від номінальних значень (див. § 3.1). Засоби вимірювальної техніки можна використовувати для виконання вимірювань тільки за умови, коли відомі їхні метрологічні характеристики. Ця вимога настільки важлива, що вона введена у визначення засобу вимірювальної техніки.

Засіб вимірювальної техніки - це технічний засіб (або стандартний зразок), який застосовується під час вимірювань і має нормовані (задані) метрологічні характеристики.

Засоби вимірювальної техніки розподіляють на типи.

Тип засобу вимірювальної техніки - сукупність засобів вимірювальної техніки однакового призначення, які мають однаковий принцип дії, однакову конструкцію та виготовлені за однією технологічною документацією.

Вимоги до ЗВТ, як правило, регламентуються нормативною документацією. Такі ЗВТ називають стандартизованими. Засоби вимірювальної техніки, вимоги до яких не регламентуються відповідно до нормативної документації, називають нестандартизованими.

Залежно від області (масштабу) застосування відрізняють ЗВТ загального застосування і спеціальні (сервісні) ЗВТ. До ЗВТ загального застосування належать ЗВТ, які розробляються і випускаються для загальнодержавного і відомчого застосування. Спеціальні (сервісні) ЗВТ мають вузькоцільове призначення, розробляються і використовуються в системі технічного обслуговування конкретного об'єкта або групи об'єктів вимірювання. Вони можуть бути вбудованими (вмонтованими) і зовнішніми. До ЗВТ, умонтованих в об'єкти вимірювання, ставляться ті самі вимоги щодо захищеності від зовнішніх впливів, які установлені для даного об'єкта з урахуванням застосованих у них засобів захисту.

Усі ЗВТ можна розподілити на дві основні групи за такими ознаками: функціональне призначення та метрологічне забезпечення.

1.4.2. Різновиди засобів вимірювальної техніки за функціональним призначенням

За функціональним призначенням розрізняють три різновиди ЗВТ: засоби вимірювань, вимірювальні пристрої і еталони (рис.1.3).

Засіб вимірювань - засіб вимірювальної техніки, який реалізує процедуру вимірювань.

Вимірювальний пристрій - засіб вимірювальної техніки, в якому виконується лише одна із складових частин процедури вимірювань (вимірювальна операція).

Рис. 1.3. Класифікація засобів вимірювальної техніки

Визначення еталона і його різновиди наведені в підп. 1.4.3.

Засоби вимірювань поділяють на вимірювальні прилади, кодові засоби вимірювань, реєструвальні засоби вимірювань, вимірювальні канали, вимірювальні системи і вимірювальні інформаційні системи.

Вимірювальний прилад - засіб вимірювань, в якому створюється візуальний сигнал вимірювальної інформації.

Класифікація вимірювальних приладів наведена в підп. 1.4.4.

Кодовий засіб вимірювань (аналого-цифровий перетворювач) - засіб вимірювань, в якому створюється кодовий сигнал вимірювальної інформації.

На наш погляд (на відміну від ДСТУ 2681-94), поняття кодового засобу вимірювання і аналого-цифрового перетворювача (АЦП) не є ідентичними. Перше з них значно ширше, ніж друге, оскільки поняття коду (і кодового сигналу) значно ширше за поняття цифрового коду. Тому АЦП слід віднести до вимірювальних пристроїв. Крім того, в такому розумінні кодові засоби вимірювань охоплюють цифрові вимірювальні прилади, і останні треба розглядати як різновид кодових засобів вимірювань.

Реєструвальний засіб вимірювань - засіб вимірювань, в якому реєструється сигнал вимірювальної інформації.

Реєструвальні ЗВ забезпечують можливість автоматичного документування результатів вимірювань шляхом їх запису в аналоговій формі (самописні ЗВ, наприклад сейсмографи, барографи, світлопроменеві осцилографи) або друкування в цифровій формі (наприклад, цифрові вимірювальні прилади, сполучені з цифродрукувальним пристроєм). При цьому може відображатися залежність вимірюваної величини у функції часу (наприклад, перехідний процес в електричному колі) або у функції іншої величини (частотні характеристики динамічних об'єктів та ін.).

Вимірювальний канал - сукупність засобів вимірювальної техніки, засобів передавання і зберігання інформації та інших технічних засобів, функціонально об'єднаних для створення сигналу вимірювальної інформації про одну вимірювану фізичну величину.

Вимірювальна система - сукупність вимірювальних каналів, окремих засобів вимірювальної техніки, засобів збирання, передавання і зберігання інформації та інших технічних засобів, функціонально об'єднаних для створення сигналів вимірювальної інформації про декілька вимірюваних фізичних величин.

Вимірювальна інформаційна система - сукупність вимірювальних каналів, окремих засобів вимірювальної техніки, контролю і діагностики, засобів збирання, передавання, зберігання і обробки інформації, інших технічних засобів, функціонально об'єднаних для створення сигналів вимірювальної та інших видів інформації.

Відзначимо, що в науково-технічній літературі використовуються різноманітні терміни, подібні до вимірювальної системи або до вимірювальної інформаційної системи, наприклад: вимірювальна установка, вимірювально-обчислювальна система, вимірювально-обчислювальний комплекс, вимірювальна контролююча система, вимірювальна керуюча система. Усі вони, по суті, є різновидом вимірювальних систем та вимірювальних інформаційних систем і забезпечують автоматизацію процесів вимірювання, обробки і відображення результатів вимірювання, контролю і діагностики, а іноді введення вимірювальної інформації в автоматизовані системи управління.

Вимірювальні пристрої за функціональним призначенням поділяють на міри, компаратори, вимірювальні перетворювачі і обчислювальні компоненти.

Міра фізичної величини - вимірювальний пристрій, що реалізує відтворення та (або) зберігання фізичної величини одного або декількох заданих значень.

Розрізняють однозначні і багатозначні міри, набори і магазини мір.

Однозначною називається міра, яка відтворює фізичну величину одного значення (наприклад, нормальний елемент, зразкова котушка опору). Багатозначна міра забезпечує відтворення фізичної величини декількох значень (наприклад, штрихова міра довжини, конденсатор змінної ємності).

У ряді випадків для розширення можливостей відтворення фізичної величини різних значень використовують набори однозначних мір, різні комбінації яких дозволяють одержати потрібне значення фізичної величини. Прикладом набору мір є набори плоско паралельних кінцевих мір довжини. Якщо набір мір конструктивно об'єднаний в єдиний блок, то він називається магазином мір (наприклад, магазин електричних опорів, магазин індуктивностей, магазин ємностей).

Окремим видом мір є стандартні зразки.

Стандартний зразок - міра у вигляді речовини або матеріалу зі встановленими в результаті метрологічної атестації значеннями однієї або декількох фізичних величин, що характеризують властивості або склад цієї речовини чи матеріалу.

Розрізняють стандартні зразки властивостей і стандартні зразки складу.

Компаратор - вимірювальний пристрій, що реалізує операцію порівняння однорідних фізичних величин.

Компаратори можуть виконуватися у вигляді технічних засобів або спеціально створених середовищ. Вони широко використовуються не тільки у вимірювальних приладах, але й для звіряння еталонів і мір однорідних фізичних величин або ж показів вимірювальних приладів, наприклад: компаратор електрорушійної сили; частотний компаратор; температурне поле, що створюється термостатом для звіряння показів термометрів; рідина з відомою густиною, яка використовується для звіряння ареометрів і т.д. Компаратори, строго кажучи, не є класичними ЗВТ, тому вони не мають загальноприйнятих метрологічних характеристик. Їх основною характеристикою є чутливість або поріг чутливості. Одночасно вони істотно впливають на точність виконуваних за їх участю вимірювань, оскільки результати порівняння часто становлять основу для прийняття рішення про метрологічну справність ЗВТ при повірках. Компаратори конструктивно можуть виконуватися у вигляді автономних приладів. У цьому випадку їм надають букво-цифрове позначення, наприклад, компаратор частоти типу Ч7-12.

Вимірювальний перетворювач вимірювальний пристрій, що реалізує операцію вимірювального перетворення.

Поняття вимірювального перетворення використовується в усіх без винятку галузях вимірювальної техніки, ставши одним з основних початкових положень. Вимірювальні перетворення складають етапи вимірювального процесу _ від сприйняття фізичної величини до формування і подання її числового значення в тій чи іншій формі. З цієї точки зору можна виділити такі основні операції одержання і передавання вимірювальної інформації:

а) первинне сприйняття і виділення вимірюваної фізичної величини з одночасним формуванням сигналу вимірювальної інформації;

б) функціональне перетворення сигналу вимірювальної інформації;

в) подання вимірювальної інформації у тій чи іншій формі сповіщення (число, кодовий сигнал, діаграма і т.д.).

Послідовне перетворення вимірювальних сигналів є практично єдиним методом, на основі якого може бути побудований будь-який вимірювальний канал (приладу, установки або системи). Тому вимірювальний канал можна подати як ланцюг вимірювальних перетворювачів. Такий підхід в основному і використовується як при аналізі, так і при синтезі вимірювальних каналів ЗВТ.

Вимірювальні перетворювачі знаходять самостійне застосування, а також як основні компоненти входять до складу інших ЗВТ. Вони поділяються на різновиди за двома ознаками: за місцем у вимірювальному ланцюзі та за видом здійснюваного перетворення. За першою ознакою розрізняють первинні й вторинні (проміжні) вимірювальні перетворювачі.

Первинний вимірювальний перетворювач (сенсор) вимірювальний перетворювач, який першим взаємодіє з об'єктом вимірювання.

Первинні вимірювальні перетворювачі, конструктивно відособлені від ЗВТ і установлені на об'єктах вимірювання, що розміщуються на відстані від пристрою обробки, відображення і реєстрування вимірювальної інформації, називають датчиками (наприклад, датчик температури, датчик вібрації, датчик іонізуючого випромінювання тощо).

Вимірювальні перетворювачі, що здійснюють проміжні перетворення вимірювальної інформації, тобто розташовані у вимірювальному каналі після первинного перетворювача, називають вторинними вимірювальними перетворювачами.

Страницы: 1, 2, 3