ЗАСОБИ ВИМІРЮВАННЯ

Засоби вимірювання- це сукупність технічних засобів та елементів, які використовуються при вимірюванні і мають нормовані метрологічні характеристики і властивості, тобто відповідають вимогам метрології до одиниць, точності вимірювання, надійності і відтворення одержаних результатів, атакож вимогам щодо розмірів, конструкції та якості.

Основними видами засобів вимірювання є міри, вимірювальні прилади, перетворювачі, вимірювальні установки та вимірювальні системи.

Мірою називається засіб вимірювання, призначений для відтворення фізичної величини заданого розміру, наприклад, ваги

міри маси : 1 кг; 0,5 кг; 0,2 кг ; 0,1 кг та ін.

Вимірювальним приладом називається засіб вимірювання, призначений для формування інформації у формі, доступній для безпосереднього сприйняття спостерігачем. За формою видачі інформації прилади діляться на аналогові, покази яких є неперервною функцією вимірюваної величини, та цифрові, покази яких дискретні, а інформація подається у цифровій формі. Крім того, прилади бувають: показуючі, самописні, сигнальні, регулювальні, з лічильниками, нормувальними перетворювачами та іншими додатковими функціями. Вимірювальний перетворювач - засіб вимірювання, призначений для формування сигналу вимірюваної інформації у формі, зручній для передачі, подальшого перетворення, обробки та збереження, яка безпосередньо не сприймається спостерігачем.

Вимірювальні перетворювачі досить різноманітні як за принципом дії, так і за характером вихідного сигналу. Вони класифікуються за видом вимірюваної величини (перетворювачі температури, тиску, рівня, густини тощо), принципом дії (пневматичні , електричні та ін.), видом і характером вихідного сигналу (неперервні, дискретні).

Важливою характеристикою первинного вимірювального перетворювача є функціональна залежність між вимірювальною величиною та вихідним сигналом перетворювача (зокрема, лінійна залежність).

Вимірювальна установка - сукупність функціонально об'єднаних вимірювальних приладів, вимірювальних перетворювачів та інших допоміжних пристроїв, розміщених в одному місці і пов'язаних єдністю конструктивного виконання, призначена для формування сигналів вимірюваної інформації в формі, доступній для сприймання спостерігачем. Прикладом може бути установка для визначення якості хліба, виноматеріалів та ін.

Вимірювальна система - сукупність засобів вимірювання (мір, вимірювальних приладів, вимірювальних перетворювачів) та допоміжних пристроїв, з'єднаних між собою каналами зв'язку, призначена для формування сигналів вимірюваної інформації у формі, доступній для автоматичного опрацювання, передачі і використання в автоматичних системах управління.

Відтворення, зберігання та передача розмірів одиниць фізичних величин проводиться за допомогою еталонів та зразкових приладів: від еталонів - робочим мірам та приладам за допомогою зразкових засобів вимірювання. Еталони - засоби вимірювання, за допомогою яких ведеться відтворення та зберігання одиниць фізичних величин з метою передачі розміру зразковим, а від них і робочим приладам.

Похибки засобів вимірювання. В результаті дії багатьох випадкових та детермінованих факторів, які появляються як в процесі виготовлення та експлуатації засобів вимірювання, так і в процесі вимірювань номінальні значення мір і покази вимірювальних приладів неминуче відрізняються від істинного значення вимірюваної величини Ці відхилення спричиняють похибки засобів вимірювання : абсолютні відносні та приведені.

Абсолютною похибкою називається алгебраїчна різниця між показом приладу та істинним значенням вимірюваної величини:

Δ = А_і – Q, (2.5)

де А_і - показ приладу;

Q - істинне значення вимірюваної величини. Проте, в метрологічній практиці вимірювань частіше доводиться мати не з істинним, а дійсним значенням вимірюваної величини, яке знаходиться експериментальним або розрахунковим шляхом за допомогою точніших приладів:

Δ = А_і – А_д , (2.6)

від А _д - дійсне або розрахункове значення вимірюваної величини Відносною лохибкою називається відношення абсолютної похибки Δ до дійсного значення вимірюваної величини в даній точці (виражається у відсотках):

δ = Δ/А_і · 100% (2.7)

При нульовому значенні вимірюваної величини значена відносної похибки наближається до нескінченності.

Приведеною похибкою називається відношення абсолютної похибки до розмаху шкали засобу вимірювання (нормованого значення):

Y = Δ/N·100% (2.8)

де N - розмах шкали вимірювального засобу.

Слід відмітити, що при імітаційному методі повірки замість розмаху шкали приладу в одиницях вимірюваної величини підставляється нормоване значення шкали, яке відповідає градуювальним таблицям. Варіація- найбільша різниця результатів вимірювання, яка відповідає одному й тому ж дійсному значенню вимірюваної величини.

Класом точності засобу вимірювання називається максимально допустиме значення приведеної похибки.

Класи точності у відповідності зі стандартами, як правило, зазначені на шкалах приладів. Промислові прилади мають класи точності 0,5; 0,6; 1,0; 1,5; 2,5; 3; 4. При вимірюванні величин у відсотках клас точності на шкалі приладу обводиться колом.

Основна класифікаціявстановлює поділ засобів вимірювання за родом вимірюваної величини: температури - термометри і пірометри; тиску - манометри, вакуумметри, мановакуумметри, тягоміри, напороміри; витрати і кількості - витратоміри, лічильники; рівня -рівнеміри, покажчики рівня, сигналізатори рівня; концентрації -концентратоміри; складу газів - газоаналізатори ; якості води -кондуктометри, рН-метри, киснеміри та ін.

Додатково засоби вимірювання ділять на такі групи: за принципом дії - механічні, електричні, пневматичні та ін.; за характером показів -показуючі, самописні, реєструючи; за місцем розташування - місцеві, щитові, дистанційні та ін.

Технічні засоби вимірювання мають порівняно просту та надійну конструкцію, високу надійність і невисоку точність. Наочно покази промислових приладів добре сприймаються на досить великій відстані. Крім того, вони мають сигнальні та регулювальні пристрої, перетворювачі стандартних сигналів, задавальні пристрої тощо.

Основні властивості засобів вимірювання.Залежно від призначення, будови і принципу дії засоби вимірювання характеризуються такими метрологічними властивостями: точністю, чутливістю, швидкодією, надійністю, похибкою, класом точності та ін. Точність засобу вимірювання- якість засобу, яка відображує близькість до нуля його похибок. Чим вища точність засобу вимірювання, тим менша різниця між результатом вимірювання та істинним значенням вимірюваної величини.

Правильність засобу вимірювання- якість засобу, яка відображає наближеність до нуля його систематичних похибок.

Чутливість засобу вимірювання- відношення приросту виміряного

сигналу на виході засобу вимірювання до приросту вимірюваної величини, яка призвела до зміни сигналу:

S =Δ L /∆А , (2.9)

S = ∆φ/∆A, (2.10)

де Δ L, ∆φ - відповідно лінійна та кутова зміна вихідного сигналу; ∆А - приріст вимірюваної величини.

Поряд з вищенаведеними властивостями засобів вимірювання стандартами передбачаються такі нормовані метрологічні характеристики, які повинні знаходитися у регламентованих межах: розмах шкали засобу вимірювання, межа допустимих похибок, час проведення вимірювань, додаткові похибки та ін.

2.3. ДЕРЖАВНА СИСТЕМА ПРИЛАДІВ ТА ЗАСОБІВ АВТОМАТИЗАЦІЇ (ДСП)

ДСП - сукупність нормалізованих рядів, уніфікованих блоків, приладів і пристроїв для одержання, опрацювання та використання інформації, які відповідають єдиним технічним та метрологічним вимогам і мають єдині параметри вхідних та вихідних сигналів, нормалізовані габаритні та приєднувальні розміри, а також економічно обґрунтовану точність, надійність, довговічність і естетичність.

В основу побудови ДСП покладено системотехнічні принципи: функціональний поділ технічних засобів на основі типізації функціональних задач і структур; мінімізація номенклатури технічних засобів; агрегатна побудова технічних засобів на основі уніфікованих блоків і модулів; агрегатна побудова засобів вимірювання і систем управління; сумісність приладів і пристроїв ДСП для роботи в автоматизованих системах управління технологічними процесами на основі уніфікації сигналів зв'язку, конструкцій, приєднувальних розмірів, живлення, експлуатаційних вимог, метрологічних характеристик засобів вимірювання та перетворення.

Виготовлення приладів та засобів автоматизації проводиться відповідно до стандартів ДСП, які забезпечують єдину ідеологію системи і включають більше 200 стандартів.

За функціональними ознаками вироби ДСП розділяють на такі групи: засоби одержання інформації від об'єкта; засоби прийому, перетворення та передачі інформації по каналах зв'язку; засоби перетворення, зберігання, опрацювання інформації і формування команд управління; засоби використання та відображення інформації.

За родом енергії живлення та носія сигналу вироби ДСП поділяються на такі типи: електричні, пневматичні, гідравлічні, комбіновані та без використання зовнішньої енергії.

Електричні- це ряд приладів та засобів автоматизації, у яких для живлення використовується електрична енергія і носієм інформації є електричний сигнал. Носієм інформації в аналогових засобах вимірювання є постійний струм із стандартними діапазонами зміни сигналів постійного струму: 0 - 5 мА; 0-20 мА; 4-20 мА; 0-100 мА, а напруги: 0 - 10 мВ; 0 - 10 В.

Пневматичні- це ряд приладів та пристроїв, джерелом енергії в яких є стиснене повітря, а носієм інформації - пневматичний сигнал у межах від 20 до 100 кПа.

Гідравлічні- це ряд приладів та пристроїв, у яких джерелом живлення і енергетичним носієм є гідравлічні сигнали за рахунок стискання рідин. Робочий тиск енергетичних носіїв лежить в межах від 1 до 6,4 МПа.

Крім того, зв'язок між різними типами ДСП ведеться за допомогою перетворювачів сигналів, що дозволяє при автоматизації виробничих процесів створювати комбінації із приладів і засобів автоматизації.

Системи дистанційної передачісигналів вимірюваної інформації призначені для передачі сигналів від передавального перетворювача до вимірювального пристрою, розміщених на певній відстані один від одного. Системи дистанційної передачі розділяються на дві групи: системи з уніфікованими сигналами ДСП і з не уніфікованими, періодичними сигналами, які формуються безпосередньо перетворювачами - датчиками. Ширше застосування мають системи дистанційної передачі з уніфікованими сигналами (електричні, пневматичні, гідравлічні та ін.). До систем з не уніфікованими сигналами відносять: диференціально - трансформаторні, сельсинні, омічні та ін.

Принцип дії диференціально - трансформаторної системиґрунтується на компенсації різниці трансформованих ЕРС в котушках передавального перетворювача (ПП) та вторинного приладу (ВП).До її складу (рис 2.3) входять дві однакові трансформаторні котушки КТ1 і КТ2, які розміщені відповідно у перетворювачі ПП і вторинному приладі ВП. Котушки мають первинну та вторинну обмотки. Первинна обмотка намотана по всій довжині котушки, а вторинна розділена на дві секції, кожна з яких розміщена на половині первинної обмотки.

Всередині кожної котушки розміщені металеві осердя, переміщення яких здійснює чутливий елемент ПП і кулачок З ВП. Первинні обмотки системи включені послідовно і живляться змінним струмом. Вторинні обмотки системи включені зустрічно і під’єднанні на вхід електронного підси­лювача 2 вторинного при­ладу. Якщо осердя котушок знаходяться у нейтральному (середньому) положенні, то різницева електрорушійна сила (ЕРС) вторинних обмоток обох коту­шок буде рівна нулю, бо в зустрічно включених сек­ціях наведені ЕРС рівні між собою :

е_{1 =} е₂; Е₁ = 0; е₃ = е₄ ; Е₂ = 0. (2.11)

Сигнал небалансу ∆Е теж дорівнює нулю:

∆Е=Е₁ – Е₂ =0 (2.12)

При відхиленні осердя котушки КТ 1 від середнього положення під дією мембранного чутливого елемента ЧЕ наведені ЕРС в секціях котушки КТ1 зміняться і появиться різницева ЕРС Е1. Рівність різницевих ЕРС в котушках порушується і на вхід ВП поступає сигнал небалансу :

∆Е = Е,-Е₂ (2.13)

Сигнал небалансу підсилюється фазочутливим підсилювачем 2 і на керуючу обмотку реверсивного двигуна (РД) подається напруга змінного струму з частотою 50 Гц. На обмотку збудження ОЗ двигуна поступає напруга від мережі з частотою 50 Гц і зсувом по фазі на 90°, за рахунок конденсатора С2. Обертове магнітне поле приводить в рух ротор РД, який через редуктор поверне кулачок 3 і перемістить осердя 5 котушки

Рис. 2.6. Диференційно-трансформаторна система передачі

приладу ВП в положення, аналогічне осердю котушки датчика, стрілка 4 теж займе нове положення. При цьому індуковані різницеві ЕРС стають рівними за величиною, взаємно компенсують одна одну, а сигнал небалансу стане рівним нулю. Двигун зупиниться, а стрілка покаже нове значення вимірюваної величини.

Це досить проста, надійна і точна система . Останнім часом Івано-Франківський завод випускає диференційні манометри типу ДМТ із струмовим перетворювачем (0...5 мА) класу точності 1.

ДТП працюють із вторинними приладами серій: КВД, КСД, РП-160. Електросилові перетворювачінабули широкого розповсюдження. Вони призначені для перетворення зусиль чутливих елементів в уніфікований сигнал постійного струму (0...5 мА) з подальшою передачею його на відстань до 1 км.

Принцип дії перетворювача (рис.2.4) ґрунтується на методі електросилової компенсації зусилля чутливого елемента Рче, який знаходиться під дією вимірюваної величини А, зусиллям зворотного зв'язку Рзз перетворювача. Вимірювана величина А діє на чутливий елемент (наприклад, мембрану, сильфон чи трубчасту пружину) і перетворюється в пропорційне зусилля Р_ЧЕ, яке передається на важіль 1. Важіль 1 через рухому опору 2 діє на важіль 3, який переміщує і металеву пластину 5 індикатора непогодження 4 диференціально-трансформаторної системи. Сигнал індикатора залежить від переміщення пластини 5 і подається на підсилювач 6, який перетворює його в уніфікований струмовий сигнал 0... 5 мА або 0...20 мА чи 4 ... 20 мА. Вихідний струмовий сигнал проходить по обмотці 9 магнітної системи зворотного зв'язку 8, в якій формується компенсуюче зусилля зворотного зв'язку Р₃₃ , і подається на вторинний вимірювальний прилад 7 з опором навантаження Rh = 2,5 Ом.

Настроювання пе­ретворювача на заданий діапазон вимірювання ведеться за допомогою опори 2, а настроювання нуля - пружиною 10. Класи точності перетворювачів : 0 6^- 1 0^- 1 5.

Пневмосилові перетворювачіз уніфікованим сигналом 20... 100 кПа використовуються у пневматичних системах вимірювання та регулювання. В основу роботи перетворювача покладено метод пневмосилової компенсації зусилля чутливого елемента зусиллям зворотного зв'язку перетворювача.

Рис.2.5. Пневмосиловий перетворювач

Принципова схема перетворювача наведена на рис.2.5. Вимірювана величина А діє на чутливий елемент 1 і перетворюється в пропорційне зусилля Р_ЧЕ , яке повертає Т - подібний важіль 2 з жорстко прикріпленою до нього заслінкою 6. При переміщенні заслінки відносно нерухомого сопла 5 змінюється між ними зазор " δ " і змінюється відповідним чином вихідний тиск пневмопідсилювача 7 від 20 до 100 кПа. Вихідний тиск перетворювача подається по пневмолінії на вторинний прилад і на сильфон зворотного зв'язку, де формується зусилля зворотного зв'язку:

Рзз = Рвих · Sсильф . (2.14)

Зусилля Рзз через важіль 8 і рухому опору 4 зрівноважує зусилля чутливого елемента Р_ЧЕ , при цьому : Р₃₃= Р_ЧЕ .

Настроювання діапазону вимірювання проводиться за допомогою рухомої опори 4, а пневматичного нуля 20 кПа - пружиною 3. Клас точності перетворювача 1.