- •Вимірювання неелектричних величин
- •Основні поняття та визначення
- •1.1 Реєстрація фізичних величин
- •1.1.1 Способи сприйняття відомостей про об’єкти дослідження
- •1.1.2 Способи реєстрації значень фізичних величин
- •1.1.3 Перетворення фізичних величин
- •1.2.Основні поняття вимірювань
- •1.2.1. Вимірювання і вимірювальна інформація
- •1.2.2. Вимірювальні сигнали, перетворення вимірювальних сигналів, форми вимірювальної інформації
- •1.2.3. Принцип, метод, режим, алгоритм і процес вимірювання
- •1.2.4 Методики виконання вимірювань
- •1.2.5. Лічба, контроль, розпізнавання образів, діагностика стану об'єктів і їх зв'язок з вимірюваннями
- •1.2.6. Засоби, методи і алгоритми контролю
- •1.3. Класифікація вимірювань
- •1.3.1. Види вимірювань за способом одержання вимірювальної інформації
- •1.3.2. Абсолютні і відносні, аналогові і цифрові, звичайні та статистичні вимірювання
- •1.3.3. Класифікація методів вимірювань згідно з дсту 2681-94
- •1.4. Засоби вимірювальної техніки
- •1.4.1. Класифікація засобів вимірювань
- •1.4.2. Класифікація вимірювальних приладів
- •1.4.3. Поняття еталона, зразкових і робочих засобів вимірювань
- •1.4.4 Класифікація вимірювальних перетворювачів
- •1.5. Структура засобів вимірювань
- •1.5.1. Принцип дії, вимірювальне коло і види схем засобів вимірювань
- •1.5.2. Структурні схеми і види перетворень
- •1.5.3. Узагальнена структурна схема вимірювальної інформаційної системи
- •Контрольні запитання:
- •Вимірювання геометричних розмірів
- •2.1 Вимірювання лінійних та кутових розмірів
- •2.2 Вимірювання товщини шару покриття
- •2.3 Вимірювання рівнів
- •Контрольні запитання:
- •Вимірювання механічних зусиль
- •3.1 Загальні відомості
- •3.2 Вимірювання механічних напружень
- •В цьому випадку температурна похибка також виключається, а чутливість мостового кола збільшується в двічі.
- •3.3 Вимірювання механічних сил та тиску
- •Якщо досягається рівність між крутним та компенсувальним моментами
- •3.4 Вимірювання крутних моментів
- •Вимірювання параметрів руху твердих тіл
- •4.1 Загальні відомості
- •4.2 Вимірювання параметрів лінійного руху
- •4.3 Вимірювання параметрів вібрацій
- •4.4 Вимірювання параметрів обертового руху
- •З певним наближенням можна вважати, що амплітуда вихідних імпульсів
- •Контрольні запитання:
- •Вимірювання хімічного складу та властивостей речовин
- •5.1 Загальні відомості
- •5.2 Вимірювання хімічного складу і концентрації рідини
- •5.3 Вимірювання концентрації водневих іонів, рH-метри
- •5.4 Аналіз складу газів
- •Контрольні запитання:
- •Вимірювання електричних величин
- •Вимірювання малих напруг, струмів і зарядів
- •6.1 Вимірювані величини і методи вимірювань
- •6.2 Безпосередні вимірювання малих напруг, струмів та зарядів. Гальванометри
- •6.3 Межа чутливості електромеханічних приладів
- •6.4 Вимірювання малих напруг, струмів та зарядів, що грунтуються на їх попередньому підсиленні
- •6.5 Межа чутливості електричних підсилювачів малих сигналів
- •6.6 Боротьба з завадами при вимірюванні малих сигналів
- •Контрольні запитання:
- •Лекція7 методи вимірювань високих напруг і великих струмів
- •7.1 Загальні положення, методи вимірювань
- •7.2 Вимірювання струмів і напруг методом масштабного перетворення
- •7.2.1 Вимірювання великих струмів
- •7.2.2 Метод паралельного з’єднання шунтів
- •7.2.3 Вимірювання високих постійних і змінних напруг
- •7.3 Вимірювання високих напруг електромеханічними приладами
- •7.4 Електромагнітні методи
- •7.4.1 Вимірювання струмів, що грунтуються на гальваномагнітних ефектах
- •Прилади з немагнітним інтегруючим контуром. Прилади з немагнітним інтегруючим контуром складаються з ряду пх, що оточують шину зі струмом (рис. 7.7). Для цього випадку справджується наближене рівняння
- •7.4.2 Вимірювання струмів методом ядерного магнітного резонансу (ямр)
- •7.4.3 Метод компарування
- •7.5 Електрофізичні методи вимірювань великих струмів і високих напруг
- •7.5.1 Газорозрядний метод
- •Електродами
- •7.5.2 Метод прискоення заряджених частинок
- •7.5.3 Електрооптичні методи вимірювань великих струмів і високих напруг
- •7.6 Вимірювання великих струмів, що базуються на ефекті Фарадея
- •7.7 Вимірювання високих напруг з використанням електрооптичних ефектів Керра і Поккельса
- •Контрольні запитання:
- •Методи вимірювань потужності і енергії
- •8.1 Потужність, енергія і методи їх вимірювань
- •8.2 Вимірювання енергії за допомогою електро-механічних перемножувачів
- •8.3 Вимірювання енергії однофазного змінного струму. Індукційні лічильники електроенергії
- •8.4 Вимірювання енергії за допомогою електронних перемножувачів
- •8.4.1 Модуляційний метод вимірювання потужності
- •Модуляційним методом
- •8.4.2 Вимірювання потужності методом статистичних випробувань (метод Монте-Карло)
- •8.5 Калориметричний (тепловий) метод вимірювання потужності й енергії
- •Контрольні запитання:
- •Лекція9 методи вимірювань кута фазового зсуву
- •9.1 Основні поняття та визначення
- •9.2 Вимірювання кута фазового зсуву методами прямого перетворення
- •9.2.1 Вимірювання кута фазового зсуву осцилографічними методами
- •Та синусоїдної розгорток
- •9.2.2 Вимірювання кута фазового зсуву з перетворенням його на струм чи напругу
- •9.2.3 Вимірювання кута фазового зсуву з перетворенням його на код
- •9.3 Вимірювання кута фазового зсуву методом зрівноважувального перетворення
- •9.4 Кореляційний та ортогональний методи вимірювання кута фазового зсуву
- •Кфз кореляційним методом
- •Контрольні запитання:
- •Лекція10 магнітні вимірювання
- •10.1 Основні магнітні величини та їх міри
- •10.2 Вимірювальні перетворювачі магнітних величин
- •Квантові перетворювачі базуються на використанні атомних, ядерних та електронних резонансних явищ , що виникають при збудженні атомів деяких речовин зовнішнім магнітним полем.
- •10.2.1 Індукційні та фероіндукційні перетворювачі
- •10.2.2 Гальваномагнітні перетворювачі
- •10.2.3 Квантові перетворювачі
- •10.3 Вимірювання параметрів магнітного поля. Пристрої для створення магнітного поля
- •10.3.1 Вимірювання магнітного потоку
- •10.3.2 Вимірювання індукції
- •10.3.3 Вимірювання різниці магнітних потенціалів
- •10.4 Вимірювання магнітних характеристик феромагнетиків
- •10.4.1 Намагнічуючі пристрої і досліджувані зразки
- •10.4.2 Визначення статичних характеристик
- •10.4.3 Визначення динамічних характеристик
- •Складових питомого магнітного опору феромагнетика від індукції Контрольні запитання:
- •Перелік використаних джерел
1.3.2. Абсолютні і відносні, аналогові і цифрові, звичайні та статистичні вимірювання
Згідно з стандартом ДСТУ 2681-94 вимірювання називається абсолютним, якщо воно базується на прямих вимірюваннях однієї або декількох основних величин і використанні значень фізичних констант, а відносним - вимірювання відношення величини до однойменної, яка відіграє роль одиниці, або вимірювання зміни величини по відношенню до однойменної, що взята за початкову.
Ознакою поділу вимірювань на аналогові і цифрові служить форма вимірювальної інформації, яку несе інформативний параметр вихідного сигналу засобу вимірювань. Результат вимірювань завжди має цифрову форму, але операції квантування і цифрового кодування в аналогових вимірюваннях виконує людина, а в цифрових вони здійснюються автоматично.
Ознакою поділу вимірювань на звичайні і статистичні служить відповідно відсутність і наявність статистичної обробки результатів спостережень. Всі вимірювання (прямі і непрямі) з однократними (одноразовим) спостереженнями - звичайні, а з багатократними (багаторазовим) - статистичні. Вимірювання з багаторазовими спостереженнями називають рівноточними, якщо вимірювана величина і умови вимірювань незмінні, а засоби вимірювань і експериментатор ті самі; якщо ж хоча б одна з цих умов не виконується, то вимірювання вже будуть нерівноточними.
1.3.3. Класифікація методів вимірювань згідно з дсту 2681-94
З визначення поняття вимірювання випливає, що неодмінною його операцією є порівняння інформації про розміри величин. Згідно з ДСТУ 2681-94 метод вимірювання - сукупність способів використання засобів вимірювальної техніки та принципу вимірювань для створення вимірювальної інформації; розрізняють 6 методів:
1 - метод зіставлення (Messmethode mit direktem Vergleich)- метод прямого вимірювання з одноразовим порівнянням вимірюваної величини з усіма вихідними величинами багатозначної нерегульованої міри. Приклади: Вимірювання довжини лінійкою з поділками. 2. Вимірювання інтервалу часу годинником.
2 - метод одного збігу (метод ноніуса) - метод прямого вимірювання з одноразовим порівнянням вихідних величин двох багатозначних нерегульованих мір, з різними за значеннями ступенями, нульові позначки яких зсунуті між собою на вимірювану величину. Приклади: Вимірювання довжини за допомогою двох лінійок з поділками, ціни яких знаходяться в певному відношенні (штангенциркуль). 2. Вимірювання часу за допомогою двох послідовностей періодичних імпульсів, періоди яких знаходяться в певному відомому відношенні.
Метод збігу полягає в тому, що різниця між ефектами, які викликані діяннями вимірюваної і зразкової величини, визначається за збігом шкал або періодичних сигналів. (Приклади: вимірювання довжини штангенциркулем з ноніусом та частоти стробоскопом).
3 - метод подвійного збігу (метод коінциденції, Koinzidenzmessmethode) - метод прямого вимірювання з одноразовим порівнянням двох квантованих фізичних величин: вимірюваної та відтворюваної багатозначною нерегульованою мірою. Приклади: Вимірювання зістикованих інтервалів часу за допомогою послідовності періодичних імпульсів з відомим значенням їх періоду. 2. Вимірювання зістикованих відрізків довжини за допомогою лінійки з відомим значенням поділок.
4 - метод зрівноваження з регульованою мірою (Nullmessmethode) - метод прямого вимірювання з багаторазовим порівнянням вимірюваної величини та величини, що відтворюється мірою, яка регулюється, до їх повного зрівноваження. Приклад Вимірювання електричної напруги компенсатором; зважування на рівноплечих терезах (метод протиставлення).
Цей метод ще має назву - нульовий метод вимірювання, бо відрізняється тим, що результуючий ефект діяння вимірюваної Х і зразкової XЗ величин на пристрій порівняння доводять до нуля.
5 - диференціальний метод (різницевий метод, Differentielle Messung) - метод вимірювання, за яким невелика різниця між вимірюваною величиною та вихідною величиною одноканальної міри вимірюється відповідним засобом вимірювання.
Диференціальний метод вимірювань полягає в тому, що на вимірювальний прилад діє різниця вимірюваної Х і зразкової ХЗ величин, тобто Х = Х - ХЗ<<XЗ, а результат вимірювання визначається як х = ХЗ + Х, причому похибка вимірювання величини Х визначається практично похибкою відтворення зразкової величини XЗ.
6 - метод заміщення (Substitutions-Messmethode) - метод непрямого вимірювання з багаторазовим порівнянням до повного зрівноваження вихідних величин вимірювального перетворювача з почерговим перетворенням ним вимірюваної величини та вихідної величини регульованої міри (метод порівняння з мірою, в котрому вимірювану величину заміщують відомою величиною, що відтворюються мірою).
Метод заміщення - метод вимірювань, при якому ефект діяння вимірюваної величини на пристрій порівняння (компаратор, вимірювальний прилад) запам'ятовується, а потім відновлюється діянням на нього зразкової величини. Приклад Вимірювання опору мостовою схемою з застосуванням заміщуючого магазина опору.
З визначень диференціального і нульового методів вимірювань випливає, що вони є окремими випадками інших методів порівняння з мірою, причому кожний з них визначається ступенем повноти реалізації цих методів. Нульовий метод має місце при повній компенсації, повному протиставленні, заміщенні чи збігу (в межах можливостей компаратора), а диференціальний - при неповній реалізації цих методів.
Компенсаційний метод вимірювань полягає в тому, що на вході пристрою порівняння (компаратора) одночасно діють дві величини - полярна або векторна вимірювана і такої ж фізичної природи зразкова величина, розмір якої відтворюється мірою, а співвідношення між їх розмірами визначається за вихідним сигналом пристрою порівняння. Приклад Вимірювання напруги постійного струму за допомогою компенсатора шляхом її порівняння з ЕРС нормального елемента.
В першій частині конспекту лекцій мова йде саме про вимірювання неелектричних величин.
Сьогодні доводиться вимірювати сотні неелектричних величин, зокрема параметрів технологічних процесів. Це:
- величини, що характеризують простір та час (геометричні розміри, час, параметри руху);
- механічні величини (маса та сила, а також величини, котрі характеризують їх прояв у просторі та часі, такі, як момент сили, тиск, механічні напруження тощо);
- теплові величини, які характеризують тепловий стан тіл, їх зміну в просторі та часі (наприклад, температура, кількість теплоти, теплопровідність);
- світлотехнічні та енергетичні характеристики світла (сила світла, світловий потік, яскравість та відповідно енергетична сила світла, потужність випромінювання, енергетична яскравість);
- акустичні величини, тобто величини, що характеризують різні сторони хвильового руху в пружних середовищах (звуковий тиск, гучність звуку, акустичний шум тощо);
- величини фізичної хімії, що характеризують фізично-хемічні властивості речовин (хімічний склад, густина розчину, масова чи молярна концентрація, концентрація іонів водню);
- величини, що характеризують іонізуюче випромінювання.
Питома вага вимірювань тих чи інших фізичних величин дуже різна.
В середньому в різних галузях промисловості відзначається приблизно така частка вимірювань різних фізичних величин: температура -50, витрати (масові та об'ємні) - 15, тиск - 10, рівень - 5. маса - 5, електричні та магнітні величини - 4, інші -11%.
Використання переважно електричних методів вимірювань неелектричних величин зумовлено великою кількістю вимірювань таких величин, розкиданістю досліджуваних об'єктів у просторі, необхідністю автоматизації управління при централізованому отриманні вимірювальної інформації, обробці останньої та виробленні сигналів для зворотної дії на об'єкт дослідження. Електричні сигнали найпридатніші як для вимірювань, так і для обробки та передачі на відстані.
Вимірювання неелектричних величин електричними вимірювальними засобами стає можливим внаслідок попереднього перетворення досліджуваних неелектричних величин у функціонально зв'язані з ними електричні величини за допомогою відповідних вимірювальних перетворювачів. Отже, для вимірювання неелектричних величин електричними методами передбачається наявність первинного вимірювального перетворювача неелектричної величини в електричну, вторинного електричного вимірювального приладу, а також пристроїв їх спряження (ліній зв'язку, вимірювальних підсилювачів, пристроїв гальванічної розв'язки вимірювальних кіл, пристроїв корекції похибок) тощо.
Всі методи вимірювань неелектричних величин можна розділити на контактні та безконтактні. При контактних методах вимірювань первинний перетворювач безпосередньо контактує з досліджуваним об'єктом. Ці методи порівняно нескладні у реалізації і забезпечують високу чутливість, а також можливість локалізації точки вимірювання в саме в тому місці технологічного процесу, яке, наприклад, є найінформативнішим. Необхідно, однак, відзначити, що при контактному методі спостерігається зворотна дія вимірювального перетворювача на параметри досліджуваного об'єкта, що може призвести до значних неточностей результату вимірювань. Крім цього, іноді є неможливим здійснити безпосередній контакт вимірювального перетворювача з досліджуваним об'єктом.
При безконтактних вимірюваннях первинний перетворювач безпосередньо не контактує з досліджуваним об'єктом і не впливає на його параметри. Однак на результати вимірювань в даному випадку значно впливає довкілля, яке відділяє досліджуваний об'єкт від первинного перетворювача.
Незалежно від того, контактний чи безконтактний метод вимірювань використовують для вимірювань неелектричних величин, як вже відзначалося, перевага надається саме електричним вимірюванням неелектричних величин, до основних переваг яких належать:
- універсальність, яка полягає в можливості вимірювань декількох чи навіть великої кількості неелектричних величин (при використанні відповідних первинних вимірювальних перетворювачів та комутатора) за допомогою одного електричного вимірювального засобу;
- простота автоматизації вимірювань внаслідок того, що електричні кола можуть виконувати логічні операції;
- можливість забезпечення високої чутливості, необхідної точності та швидкодії, обумовлена гнучкістю їх структур та простотою підсилення електричних сигналів;
- дистанційність, що полягає в можливості вимірювань параметрів досліджуваних об'єктів практично на будь-якій від них відстані завдяки можливості передачі електричних сигналів через проводи лінії зв'язку чи через випромінювання електромагнітних хвиль.
Особливості вимірювань неелектричних величин електричними засобами зумовлюють не лише переваги таких вимірювань, їм властиві також певні недоліки. Серед них – похибки первинних перетворювачів, пов'язані з проблемами перетворення одного виду енергії (неелектричної) в інший (електричну). Серед них, насамперед, похибки невідтворюваності та нестабільності функції перетворення первинного перетворювача, її нелінійність. Треба мати на увазі, що серед всіх решти похибок вимірювального тракту похибки первинних перетворювачів домінують.
Реалізація такої переваги електричних засобів, як дистанційність, тобто віддаленість первинного перетворювача від вторинної вимірювальної апаратури, супроводжується похибками лінії зв'язку, головною з яких є вплив опору лінії та його зміна під впливом зовнішніх чинників, що впливає на передачу вихідних сигналів первинного перетворювача як прямо, змінюючи сумарний опір вимірювального кола, так і непрямо, зменшуючи завадостійкість тракту перетворення. Остання обставина особливо ускладнює перетворення сигналів низького рівня, якими є переважна більшість вихідних сигналів генераторних первинних перетворювачів неелектричних величин в електричні.
Точність перетворення електричних сигналів низького рівня обмежується також наявністю внутрішніх завад, що виникають у вимірювальних колах внаслідок різноманітних паразитних контактних термо-ЕРС та шумів (зокрема, інфранизькочастотних) підсилювальних пристроїв, необхідних для збільшення рівня вихідних сигналів первинних перетворювачів до значень, достатніх для забезпечення необхідної точності вимірювання. Під час роботи з параметричними перетворювачами, які вимагають для отримання вимірювальної інформації додаткових джерел електричної енергії, можна, використовуючи ці джерела енергії, суттєво збільшити вихідні електричні сигнали первинних перетворювачів і ослабити вплив зовнішніх чинників на результати вимірювань.