Вимірювальні сигнали

За видом перетворення сигналів вимірювальної інформації вимірювальні перетворювачі розділяють на аналогові, аналого-цифрові і цифроаналогові перетворювачі (АЦП і ЦАП відповідно).

Аналогові вимірювальні перетворювачі перетворюють аналоговий сигнал в інший аналоговий сигнал, однорідний або різнорідний з початковим (вхідним) сигналом (наприклад, амплітудний детектор перетворює амплітуду змінної напруги в пропорційну постійну напругу, термоелектричний перетворювач температуру в електричну напругу). АЦП здійснює перетворення аналогового сигналу в цифровий код, наприклад двійковий. ЦАП служить для зворотної операції перетворення цифрового коду в безперервну напругу або струм.

Якщо вимірювальний перетворювач виконується у вигляді автономного блока (модуля), то йому присвоюється відповідно букво-цифрове позначення, наприклад, підсилювач У3-28, АЦП Ф-7070 і т.д.

Обчислювальний компонент ЗВТ (числовий вимірювальний перетворювач) вимірювальний пристрій, що є сукупністю засобу (засобів) обчислювальної техніки та програмного забезпечення і виконує обчислювальні операції процедури вимірювань.

Обчислювальний компонент можна розглядати як різновид вимірювальних перетворювачів за видом здійснюваного перетворення, що є доцільним при оцінці похибок вимірювальних каналів.

Інколи не обов'язково знати числове значення вимірюваної величини, яке характеризує ту чи іншу властивість об'єкта або явища, а досить виявити якимось чином цю властивість. Для даної мети використовують індикатори.

Індикатор технічний пристрій або речовина, який за наявності певної властивості об'єкта чи явища створює відповідний сигнал інформації.

Індикатори не належать до ЗВТ, але окремі види ЗВТ можуть використовуватися як індикатори. Наприклад, магнітний компас індикатор напруженості магнітного поля, освітлювальна електрична лампа індикатор електричної напруги, лакмусовий папір індикатор активності іонів водню в розчинах. Таким чином, за допомогою індикаторів установлюється тільки наявність вимірюваної фізичної величини, тобто тієї чи іншої властивості об'єкта або явища. У цьому відношенні індикатори відіграють ту саму роль, що й органи чуттів людини, але значно розширюють їх можливості. Оскільки індикатори мусять лише реагувати на виявлення певних властивостей навколишнього світу, то найважливішою їхньою технічною характеристикою є поріг реагування (або поріг чутливості). Чим він менший, тим слабкіше проявлення контрольованої властивості реєструється індикатором. Деякі сучасні індикатори володіють дуже малими порогами чутливості, які знаходяться на рівні фонових полів і власних шумів апаратури.

Для технічної реалізації процесу вимірювання звичайно потрібні не тільки ЗВТ, а й інші технічні засоби, їх іноді називають допоміжними. Серед них виділяють вимірювальне приладдя, яке безпосередньої участі в одержанні числового значення результату вимірювання не бере, але опосередковано впливає на похибки вимірювання. До приладдя, наприклад, належать пристрої для контролю і підтримки певних умов вимірювання (температури, тиску, газового складу), противібраційні фундаменти, пристрої екранування від електромагнітних полів тощо.

1.4.3. Різновиди засобів вимірювальної техніки за метрологічним призначенням

За метрологічним призначенням ЗВТ розділяють на робочі ЗВТ, зразкові ЗВТ та еталони.

Робочий засіб вимірювальної техніки засіб вимірювальної техніки, що застосовується для вимірювань, не зв'язаних з передаванням розміру одиниці вимірювань іншим засобам вимірювальної техніки.

Залежно від області застосування (класу вирішуваних задач вимірювання) робочі ЗВТ можуть бути лабораторними, виробничими і польовими. Лабораторні ЗВТ використовуються при наукових дослідженнях, розробці технічних засобів, медичних вимірюваннях тощо. Звичайно вони мають найбільш високі метрологічні характеристики серед робочих ЗВТ. Виробничі ЗВТ застосовуються для вимірювання і контролю параметрів технологічних процесів та технічного стану виробничого обладнання, для контролю показників якості готової продукції тощо. Польові ЗВТ використовуються для експлуатаційних вимірювань і контролю параметрів таких технічних об'єктів, як літаки, автомобілі, кораблі та ін. До польових, звичайно, належать і вмонтовані робочі ЗВТ, які зазнають зовнішніх впливів, що змінюються в широких межах. До виробничих і польових ЗВТ ставляться в порівнянні з лабораторними ЗВТ більш високі вимоги щодо їх експлуатаційних характеристик (стійкість до ударно-вібраційних навантажень, впливів температури, вологості, радіаційного випромінювання, електромагнітних полів тощо).

Зразковий засіб вимірювальної техніки засіб вимірювальної техніки, призначений для повірки інших засобів вимірювальної техніки і затверджений як зразковий.

Зразковий засіб вимірювальної техніки, що має метрологічні характеристики, які відповідають найвищому ступеню даної повірочної схеми, називають вихідним зразковим засобом вимірювальної техніки.

Зразкові засоби вимірювальної техніки, в тому числі вихідні, можуть виконуватися у вигляді повірочних установок (та систем), автоматизованих і автоматичних. На відміну від вимірювальних систем (і установок) вони комплектуються зразковими засобами вимірювальної техніки і призначаються для повірки інших засобів вимірювальної техніки.

Засобами вимірювальної техніки найвищої точності є еталони одиниць вимірювань (одиниць фізичних величин).

Еталон одиниці (надалі еталон) засіб вимірювальної техніки, що забезпечує відтворення та (або) зберігання одиниці вимірювань одного чи декількох значень, а також передавання розміру цієї одиниці засобам вимірювальної техніки.

Відтворення одиниці вимірювань (одиниці фізичної величини) відтворення одиниці шляхом створення фіксованої за розміром фізичної величини відповідно до визначення одиниці вимірювань.

Передавання розміру одиниці вимірювань (одиниці фізичної величин) зведення (доставка) розміру одиниці вимірювань (одиниці фізичної величини), яка відтворюється або зберігається засобом вимірювальної техніки, що повіряється, до розміру тієї самої одиниці, яка відтворюється або зберігається еталоном чи зразковим засобом вимірювальної техніки, при їх звіренні (повірці).

За призначенням і метрологічними характеристиками еталони розділяють на державні, робочі та вихідні.

Державний еталон офіційно затверджений еталон, який забезпечує відтворення одиниці вимірювань та передавання її розміру іншим еталонам з найвищою в країні точністю.

Державні еталони є виключно державною власністю, підлягають затвердженню Держстандартом України і перебувають у його віданні.

Державні (національні) еталони за міжнародною угодою можуть використовуватися як міжнародні еталони, що призначаються для погодження (звірення) розмірів одиниць вимірювань, відтворюваних державними (національними) еталонами різних країн.

Робочий еталон еталон, призначений для повірки або калібрування засобів вимірювальної техніки.

Вихідний еталон еталон, який має найвищі метрологічні властивості серед еталонів, що є на підприємстві чи в організації.

Еталони можуть бути одиничними і груповими. До складу групового еталона входить декілька (група) одиничних еталонів або (та) зразкових засобів вимірювальної техніки тієї самої фізичної величини.

Еталонна база створюється та вдосконалюється згідно з державними науково-технічними програмами, які розробляються Держстандартом України з метою забезпечення потреб науки, економіки і оборони. За виконання завдань цих програм, технічний рівень державних еталонів та оптимальність структур еталонної бази відповідає Держстандарт України.

1.4.4. Класифікація вимірювальних приладів

Вимірювальні прилади є найбільш розповсюдженим видом ЗВ. У систему їх класифікації покладені такі основні ознаки: рід вимірюваної фізичної величини, призначення, елементна база, спосіб одержання значення вимірюваної величини, спосіб обробки вимірювальної інформації, захищеність від впливу зовнішніх умов.

Залежно від вимірюваних фізичних величин вимірювальні прилади, як і вимірювання (див. § 1.5), розділяють на види. Кожний вид вимірювальних приладів об'єднує прилади, призначені для вимірювання величин, які близькі за фізичною природою або належать до певної галузі науки і техніки. Наприклад: вимірювальні прилади для вимірювання електричних величин (електровимірювальні прилади), вимірювальні прилади для вимірювання радіотехнічних величин (радіовимірювальні прилади), вимірювальні прилади для вимірювання температури, тиску і т.д.

У межах виду вимірювальні прилади розділяють на типи, як і ЗВТ в цілому. Вимірювальні прилади даного типу можуть мати модифікації, які відрізняються, наприклад, діапазоном вимірювань. Вид вимірювального приладу може включати декілька типів.

За призначенням вимірювальні прилади розділяють на амперметри, вольтметри, частотоміри, фазометри, ватметри та ін.

За елементною базою, яка використана для їх побудови, вимірювальні прилади розділяють на електромеханічні та електронні.

Електромеханічні вимірювальні прилади ґрунтуються на перетворенні енергії електромагнітного поля в механічну енергію переміщення рухомої частини приладу за допомогою електромеханічних перетворювачів. Для розширення можливостей вимірювання різних фізичних величин в електромеханічних приладах застосовують попередні перетворювачі, наприклад випрямлячі, термоперетворювачі. Вони утворюють групу електромеханічних вимірювальних приладів з перетворювачами.

До електронних належать вимірювальні прилади, в яких перетворення сигналів у вимірювальних каналах здійснюється за допомогою електронних вузлів, виконаних на електронних і напівпровідникових приладах, а також на інтегральних мікросхемах різного ступеня інтеграції, у тому числі на мікропроцесорах.

Усі радіовимірювальні прилади є, як правило, електронними або радіоелектронними і рідше електромеханічними з попередніми перетворювачами (див. § 6.1).

За методом вимірювання (або за участю міри у вимірюваннях) розрізняють вимірювальні прилади прямої дії і вимірювальні прилади порівняння.

Вимірювальні прилади прямої дії (або безпосередньої оцінки) ґрунтуються на одному або декількох послідовних перетвореннях вимірювального сигналу в одному напрямку, тобто без застосування негативного зворотного зв'язку з виходу на вхід приладу. Такі прилади обов'язково потребують градуювання шкали показувального пристрою, під яким розуміють нанесення на шкалу позначок, що відповідають одному або декільком значенням вимірюваної фізичної величини. При цьому міра, яка відтворює одиницю вимірювань, необхідну для здійснення вимірювання, бере участь тільки в процесі градуювання показувального пристрою, який потім і забезпечує зберігання одиниці в процесі вимірювань.

У вимірювальних приладах порівняння (або зрівноважування) результат вимірювання одержують порівнянням розміру вимірюваної величини з розміром величини, що відтворюється мірою (вмонтованою або зовнішньою). Достоїнством вимірювальних приладів порівняння є те, що їх похибка визначається в основному похибкою застосованої міри, а отже, удосконалення мір приводить до підвищення точності приладу в цілому.

Прилади порівняння виконуються за мостовою або компенсаційною схемами, які в процесі вимірювань піддаються автоматичному або ручному зрівноважуванню. В приладах порівняння з автоматичним зрівноважуванням обов'язково є негативний зворотний зв'язок з виходу на вхід приладу, а в приладах порівняння з ручним зрівноважуванням цю функцію виконує оператор.

Компенсаційні прилади порівняння в момент вимірювання, якому відповідає рівність значень вимірюваної і зрівноважувальної величин, потужність від об'єкта вимірювання не споживають, що є їх важливим достоїнством.

За формою відліку показів вимірювальні прилади розподіляють на аналогові і цифрові.

Аналогові вимірювальні прилади це вимірювальні прилади, показання яких є безперервною функцією часу, а точніше функцією змінювання вимірюваної величини в часі. В їхньому вимірювальному каналі може здійснюватися перехід від безперервного сигналу до дискретного і навпаки. Візуальний сигнал вимірювальної інформації в них подається за допомогою шкали та вказівника.

Цифрові вимірювальні прилади це вимірювальні прилади, що автоматично виробляють дискретні сигнали вимірювальної інформації і покази яких подані у цифровій формі. Ці покази є дискретною функцією часу і змінювання вимірюваної величини за рівнем.

Для зменшення впливу зовнішніх факторів у вимірювальних приладах передбачається захист від кліматичних і механічних дій. За ступенем захищеності ці прилади виготовляють звичайними, пило-, водо-, бризкозахищеними, герметичними, віброударостійкими і т.д.

1.5. Різновиди вимірювань

Теперішнього часу в силу великої різноманітності вимірюваних фізичних величин і вимог до якості вимірювань для їх здійснення використовують різні методи. Правильне і глибоке розуміння суті методів вимірювань дозволяє організувати процес вимірювання так, щоб якнайкраще забезпечити виконання дуже суперечливих вимог щодо точності, часових і апаратурних витрат.

Незважаючи на чисельність методів вимірювань, можна виділити властиві їм спільні ознаки, за якими вимірювання розділяють на характерні різновиди. До найбільш поширених належать такі ознаки: фізична природа вимірюваних величин, функціональна залежність між шуканою і безпосередньо вимірюваною величинами, характер змінювання вимірюваної величини в часі, спосіб подання результату вимірювання, наявність попереднього (проміжного) вимірювального перетворення, кількість вимірювань у серії, характеристика точності, призначення вимірювань (рис. 1.4).

За фізичною природою вимірюваних величин вимірювання розподіляють на області і види. Під областю вимірювань фізичних величин розуміють фізичні величини, які властиві певній галузі науки та техніки й виділяються своєю специфікою. Вид вимірювань є частиною області вимірювань, що має свої особливості й відрізняється однорідністю вимірюваних величин. Поділ вимірювань на області та види не є постійним, він залежить від об'єктивних і суб'єктивних факторів. Наведемо один із варіантів такого поділу вимірювань, прийнятий Держстандартом України:

- вимірювання геометричних величин;

- вимірювання механічних величин;

- вимірювання параметрів потоку, витрат, рівня й об'єму речовин;

- вимірювання тиску, вакуумні вимірювання;

- вимірювання оптичних і оптико-фізичних величин;

- вимірювання теплофізичних величин і температури;

- вимірювання часу і частоти;

- вимірювання електричних і магнітних величин;

- вимірювання в радіоелектроніці;

- вимірювання акустичних величин;

- вимірювання фізико-хімічного складу і властивостей речовин;

- вимірювання характеристик іонізуючих випромінювань і ядерних констант.

Функціональна залежність між шуканою і безпосередньо вимірюваними величинами є однією з дуже важливих ознак, оскільки вид цієї залежності визначає вибір методу обробки результатів вимірювань при оцінці їхньої точності. За цією ознакою вимірювання розподіляють на прямі й непрямі.

Прямим називають вимірювання, при якому значення однієї фізичної величини знаходять безпосередньо з дослідних даних за показом вимірювального приладу без перетворення роду фізичної величини і обчислень поза приладом.Рівняння прямого вимірювання має вигляд

Страницы: 1, 2, 3