6 Класифікація вимірювальних приладів і перетворювачів

Розрізняють аналогові, цифрові, показувальні, реєструвальні (самописні, друкувальні), інтегрувальні та комбіновані вимірювальні прилади.

До аналогових належать вимірювальні прилади, покази яких є безперервною функцією зміни вимірюваної ФВ, а до цифрових прилади, що видають дискретні сигнали вимірюваної інформації у цифровій формі. Реєструвальними називають прилади, які дають змогу заносити виміряну інформацію на зберігальний носій (папір, магнітну плівку тощо).

Вимірювальні перетворювачі поділяють на первинні, проміжні, передавальні, масштабні (підсилювальні чи знижували Первинний вимірювальний перетворювач призначений для перетворення вимірюваної ФВ, наприклад температури, у інформаційний сигнал (електричні струм, напругу, частоту), а всі інші для зміни значення отриманого сигналу.

Вимірювальні прилади за принципом дії поділяють на механічні, електричні, пневматичні, магнітні, резистивні, оптичні, лазерні, комбіновані, а за кількістю одночасно вимірюваних параметрів — на одно- та багатоточкові. Залежно від кількості ФВ, які можуть вимірювати прилади, їх поділяють на однойменні, багатойменні, одно-, багатоточкові. За режимом роботи вимірювальні прилади поділяють на ручні, напівавтоматичні, автоматичні, автономні, з живленням від електричної мережі (неавтономні), стаціонарні, переносні, лабораторні, спеціальні (вібро-, ударо-, температуростійкі) . Вимірювальні прилади та перетворювачі ФВ, незважаючи на значну відмінність принципів дії, за якими вони побудовані, значне розмаїття їх конструкцій (типів), розмірів, мають практично аналогічні метрологічні характеристики.

Основні характеристики вимірювальних приладів

Метрологія належить до складних і точних наук, основною метою її є забезпечення заданої точності вимірювання ФВ, єдності термінології, методів і способів вимірювання, перетворення, передавання та зберігання отриманої інформації. Про складні завдання метрології свідчить значна кількість встановлених стандартами характеристик вимірювальних приладів Розглянемо основні з них.

Показом вимірювального приладу називають значення вимірюваної ФВ, визначене за допомогою відлікового пристрою, шкали з покажчиком, цифрового табло. Показ, відлік, стала та ціна поділки вимірювального приладу пов'язані співвідношенням

x_n = N_n* f_х = N_в*С = N_под * С _под.

де х_п — показ вимірювального приладу, виражений за допомогою його числового значення N_n та одиниць f_х фізичної величини X;

N_в — відлік, як абстрактне число, зчитане з відлікового пристрою або отримане внаслідок лічби послідовних позначок чи сигналів;

С — стала вимірювального приладу, яка є числом, вираженим в одиницях f_х величини X;

N_под — кількість поділок (може бути не цілим числом), позначених на шкалі;

С_под — ціна поділки шкали, як різниця значень ФВ X, що відповідають двом сусіднім позначкам шкали. Наприклад, 1 мкм — для оптиметра; 1 мм — для металевої лінійки; 0,1° С — для термометра; 10 міліграм — для ваги тощо.

Шкала металевої вимірювальної лінійки не має покажчика, ціна поділки шкали 1 мм, відлік показів — візуальний, внаслідок порівняння вимірюваної довжини виробу з рівнозначною їй ділянкою лінійки.

Штангенциркуль має дві шкали: основну з ціною поділки 1 мм і додаткову (ноніусну) з ціною поділки 0,1 мм. Відлік показів такої шкали ведуть за сумою показів обох шкал (цілі міліметри відраховують за основною, а соті частки міліметра — за додатковою шкалою). Як покажчик для основної шкали використовують першу риску ноніусної шкали (26 мм), а покажчик для ноніусної шкали — риска основної шкали, що збігається з однією з рисок ноніусної (0,1 мм). Сумарний відлік розміру на шкалі штангенциркуля 26,1 мм.

З двох шкал складена також і шкала мікрометра: основної, вздовж циліндричної поверхні корпуса 4 з ціною поділки 0,5 мм, та додаткової, по колу циліндричної поверхні гайки 1 з ціною поділки шкали 0,1 мм. Покажчиком для основної і є лівий край гайки (14,5 мм), а для додаткової — роздільна лінія, що поділяє основну шкалу на дві, розміщені одна над одною, частини, кожна з яких має риски через 1 мм, але зміщені одна відносно одної на 0,5 мм (0,12 мм). Сумарний відлік розміру на мікрометра становить 14,62 мм.

Рис.3 ― Металева лінійка, штангенциркуль, мікрометр, індикатор годинникового типу.

Дві шкали має і шкала індикатора годинникового типу: покажчик основної шкали з ціною поділки 1 мм вказує на позначку 8, а покажчик додаткової шкали з ціною поділки 0,01 мм — на позначку 0,79 мм. Сумарний відлік розміру на шкалі індикатора — 79 мм.

Універсальний інструментальний мікроскоп має три шкали: риска основної шкали (46 мм) з ціною поділки 1 мм в окулярі мікроскопа зі збільшенням у 62 рази перетинає першу додаткову шкалу з ціною поділки 0,1 мм між 3 і 4 рисками (0,3 мм), а горизонтальна її риска вказує на відлік другої додаткової шкали з ціною поділки 0,001 мм (0,062). Сумарний відлік за доомогою трьох шкал — 46,362 мм.

Діапазон показів шкали — це значення ФВ, що містяться між початковим і кінцевим її значеннями на шкалі вимірювального приладу. Наприклад, шкали приладів для відносних вимірювань мають такі діапазони показів шкали: шкали мікрометрів мають діапазони показів шкали від 0 до 12,5 мм і від 0 до 25 мм.

Діапазоном вимірювання називають значення ФВ, що перебувають між найбільшим і найменшим вимірюваними її значеннями. Наприклад, діапазони вимірювання можуть бути для: металевих лінійок від 0...150 мм до 0...1000 мм; штангенінструментів від 0...125 мм до 0...2000 мм і більше; мікрометрів від 0...12,5 мм до 2500...6000 мм; індикаторних: нутромірів від 2...3 мм до 160...260 мм; оптичних довгомірів від 0...150 мм до 0...350 мм; інструментальних мікроскопів від 0...75 мм до 0...200 мм; вимірювальних машин від 0...1000 мм до 0...4000 мм тощо.

Впливовими називають такі ФВ, які заданий ЗВТ не вимірює, але вони здатні змінювати результати вимірювань. До такі належать температура, вологість, атмосферний тиск, напруженість магнітного поля, вібрації, удари, параметри електричного живлення ЗВТ тощо.

Нормальні умови використання ЗВТ це умови, за яких розсіяння показів не перевищує допускних відхилень. За стандартами нормальними умовами експлуатації ЗВТ вважають: температуру приміщенні, де виконують вимірювання, 20° С; атмосферний тиск — 1000 кПа, вологість повітря від 30 до 80%, відсутність вібрацій та ударів, напругу електричного живлення — 220/127 ±10%; частоту 50±0,1 с^-1 тощо (ГОСТ. 8.050-73).

Рис.4 ― Градуювальні характеристики

Градуювальною характеристикою ЗВТ називають залежність між значеннями ФВ на його вході та виході. її визначають за допомогою формул теоретичної залежності між вхідними та вихідними величинами або практично — на підставі експериментів, що дає змогу підвищити точність засобів вимірювання, усунувши можливі похибки вимірювання, які не вдається визначити теоретично. Окрім цього, чимало первинних перетворювачів ФВ не стабільні

Для вимірювання лінійних і кутових розмірів температура об'єктів і суб'єктів вимірювання має бути однаковою. Тому перед початком вимірювання рекомендують витримувати ЗВТ та вимірювані вироби у сталій температурі протягом заданого відрізку часу.

Коефіцієнтом перетворення вимірювального перетворювача називають відношення зміни сигналу на його виході до зміни сигналу на вході перетворювача, що його зумовив. Замість терміну коефіцієнт перетворення часто вживають термін чутливість засобу перетворення (вимірювання) .

Наприклад, якщо під час вимірювання лінійного розміру 100 мм зміна вимірюваного (вхідного) розміру на 0,01 мм зумовила пере­міщення стрілки відносно шкали ЗВТ на 10 мм, то абсолютну чутливість ЗВТ визначають як

а відносну чутливість як

де S і S_в — відповідно абсолютна та відносна чутливості ЗВТ; Δl — переміщення покажчика шкали, мм; Δх — зміна вхідного сигналу, мм.

Незважаючи на те, що ціна поділки шкали ЗВТ не пов'язана з коефіцієнтом перетворення, для ЗВТ зі шкалами абсолютна чутливість кількісно дорівнює коефіцієнту перетворення.

Для ЗВТ з нелінійною градуювальною характеристикою чутливість їх залежить від вимірюваної ФВ, тобто також має нелінійну характеристику. У цьому разі вживають термін диференційна чутливість S_d,

а якщо статична характеристика дискретна, то чутливість

Для ЗВТ, що складаються з кількох, з'єднаних послідовно блоків (елементів), загальна чутливість s_пс

де s_i — чутливість і-го блока; n— кількість блоків.

Загальну чутливість ЗВТ S_пc, що складається з кількох з'єднаних паралельно блоків, запишемо у вигляді

Чутливість ЗВТ, утвореного з'єднаними послідовно та паралельно блоками, така:

де s_i — чутливість блоків 1, 2, 3, 4 і 6, а s_зз — чутливість блоку зворотного зв'язку; к — кількість блоків, з'єднаних послідовно. Функціональна схема ЗВТ зображена на рис.

Використовують також термін "поріг чутливості", за які мають найменший приріст вхідної ФВ, що зумовлює помітну зміну вихідної ФВ ЗВТ.

Стабільністю ЗВТ називають їх властивість зберігати ними свої метрологічні характеристики. Для контактних ЗВТ важливою характеристикою є вимірювальне зусилля у місці к поверхні вимірювального щупа (наконечника) з поверхнею вимірюваного виробу.

Точність вимірювання — це показник якості ЗВТ, що характеризує ступінь наближення результатів вимірювання до істинних значень вимірюваної ФВ. Точність вимірювання оцінюють абсолютною та відносною похибками.

Розрізняють такі похибки вимірювання: основну та додаткову; абсолютну та відносну, систематичну та випадкову, статичну та динамічну, малу, велику, грубу. Залежно від місця (причини: джерела) виникнення розрізняють похибки методу вимірювання налагодження, відліку результатів вимірювання, градуювання. тощо.

Основною називають похибку ЗВТ, що може виникати у нормальних умовах його експлуатації, а додатковою — похибку ЗВТ, зумовлену зміною будь-якого з впливових факторів поза їх значень, визначених для нормальних умов експлуатації.

Абсолютна похибка вимірювання — це різниця між отриманим внаслідок вимірювання значенням вимірюваної та ФВ. Відносною похибкою вимірювання називають відношення абсолютної похибки вимірювання до істинного значення ФВ.

Рис.5 ― Функціональна схема ЗВТ

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

1. Як поділена промислова продукція за рівнем якості?

2. За якими основними ознаками і як класифікують показники рівня якості

3. продукції?

4. Дайте характеристику методам оцінки якості продукції в залежності від способу одержання інформації

5. Дайте характеристику методам оцінки якості продукції в залежності від джерела інформації.

6. Які висновки дозволяє зробити оцінка рівня якості на стадії споживання?

7. Яку роль відіграє базовий показник якості продукції?

8. Охарактеризуйте завдання метрології.

9. Як забезпечують єдність вимірювань?

10. Які організації керують метрологією?

11. Що називають вимірюванням?

12. Які знаєте основні та додаткові одиниці системи SI?

13. Як утворюють похідні та кратні одиниці у системі SI?

14. Чим відрізняється метод від виду вимірювання?

15. Які знаєте види вимірювання розмірів виробів?

16. Абсолютні та відносні вимірювання.

17. Компенсаційний метод вимірювання.

18. Чим відрізняються сукупні та сумісні види вимірювання?

19. Що таке еталон, міра та зразковий ЗВТ?

20. Намалюйте схему відтворення одиниць ФВ.

21. Як класифікують універсальні ЗВТ?

22. Перелічіть параметри універсальних ЗВТ.

23. Дайте визначення термінів: ціна поділки, діапазон шкали та діапазон вимірювання вимірювального приладу.

24. Що називають градуювальною характеристикою ЗВТ?

25. Які ви знаєте впливові фактори?

26. Які умови експлуатації засобів вимірювання приймають за норма

27. Перелічіть різновиди похибок вимірювання.

28. Що означає клас точності ЗВТ?

29. Що називають коефіцієнтом перетворення вимірювального перетворювача

Варіант до виконання практичної роботи №3 видає викладач

№ варіанту		№№ питання
		1,7,14,28
		2,8,15,27
		3,9,16,26
		4,10,17,25
		5,11,18,24
		6,12,19,23
		7,13,20,22
		8,14,21,20
		9,15,22,19
		10,16,23,1
		11,17,24,2
		12,18,25,3
		13,19,26,4
		14,20,27,5
		15,21,28,6
		1, 7,14,28
		2,8,15,29
		3,9,16,27
		4,10,17,26
		5,11,18,25
		6,12,19,24
		7,13,20,23
		8,14,19,22
		9,15,18,21
		10,16,22,25
		3,9,16,26
		4,10,17,25
		5,11,18,24
		6,12,19,23
		7,13,20,22
		8,14,21,20

3