2.1. Основи метрології <— Зміст –> 2.3. Державна система приладів та засобів автоматизації
2.2. Засоби вимірювання
Засоби вимірювання – це сукупність технічних засобів і елементів, які використовуються при вимірюванні і мають нормовані метрологічні характеристики та властивості, тобто відповідають вимогам метрології за одиницями і точністю вимірювання, надійністю і відтворенням одержаних результатів, а також вимогам за розмірами, конструкцією та якістю.
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 – це міра маси з розмірами: 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 поділяються на аналогові, показами яких є неперервна функція вимірюваної величини, та цифрові, покази яких дискретні, а інформація подається в цифровій формі. Крім того, прилади бувають показувальні, самописні (реєструвальні), сигналізувальні та регулювальні з додатковими функціями (лічильниками, нормуючими перетворювачами та ін.).
Вимірювальний перетворювач – засіб вимірювання, призначений для формування сигналу вимірюваної інформації у формі, зручній для передачі, подальшого перетворення, оброблення та збереження, але яка безпосередньо не сприймається спостерігачем.
Вимірювальні перетворювачі розрізняються як за принципом дії, так і за характером вихідного сигналу. Вони класифікуються за видом вимірювальної величини (перетворювачі температури, тиску, рівня, густини та ін.), принципом дії (пневматичні, електричні та ін.) та видом і характером вихідного сигналу (неперервні, дискретні).
Важливою характеристикою первинного вимірювального перетворювача є функціональна залежність між вимірюваною величиною та вихідним сигналом перетворювача (краще – 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 і призначена для формування сигналів вимірюваної інформації в формі, доступній для сприймання спостерігачем. Прикладом такої установки 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 і призначена для формування сигналів вимірюваної інформації в 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.
Еталони являють собою засоби вимірювання, за допомогою яких проводиться відтворення та зберігання одиниць фізичних величин з метою передачі розміру зразковим, а від них і робочим приладам.
Похибки засобів вимірювання. Внаслідок дії багатьох випадкових та детермінованих факторів, які появляються як у процесі виготовлення, так і експлуатації засобів вимірювання, номінальні значення мір і показання вимірюваних приладів неминуче відрізняються від істинного значення вимірюваної величини. Ці відхилення спричиняють похибки засобів вимірювання: абсолютні, відносні та приведені.
Абсолютною похибкою називається алгебрична різниця між показами приладу та істинним значенням вимірюваної величини.
\[D=A_i-Q \tag {2.4}\]де $А_i$ – показання приладу; $Q$ – істинне значення вимірюваної величини.
Проте в метрологічній практиці вимірювань частіше доводиться мати справу не з істинним, а з дійсним значенням вимірюваної величини:
\[D=A_i-A_Д \tag {2.5}\]де $A_Д$ – дійсне або розрахункове значення вимірюваної величини.
Під дійсним значенням фізичної величини слід розуміти її значення, знайдене експериментально і настільки наближене до істинного, що для даної мети може використовуватися замість нього. За дійсні значення приймаються розрахункові значення, показання еталонів, зразкових приладів і більш точних технічних засобів вимірювання.
Відносною похибкою називається відношення абсолютної похибки D до дійсного значення вимірюваної величини в даній точці і виражається у відсотках:
\[\delta = \frac{\Delta}{A_Д}.100\% \tag {2.6}\]При нульовому значенні вимірюваної величини значення відносної похибки наближається до нескінченності.
Приведеною похибкою називається відношення абсолютної похибки до розмаху шкали засобу вимірювання (нормуючого значення):
\[\gamma = \frac {\Delta}{N}.100\% \tag {2.7}\]де $N=N_{max}-N_{min}$ – розмах шкали вимірюваного засобу; ${N_{max}, N_{min}}$ – відповідно нижня та верхня межі вимірювання приладу.
При імітаційному методі повірки замість шкали приладу в одиницях вимірюваної величини підставляється нормоване значення шкали, яке відповідає градуювальним таблицям чутливого елементу.
Варіація – різниця результатів вимірювання, яка відповідає одному й тому самому дійсному значенню вимірюваної величини, які отримані при збільшенні і зменшенні вимірюваної величини (так звані «прямий» і «зворотний» ходи). Варіація визначається в одиницях вимірюваної величини, але потім переводиться у відсотки як приведена похибка.
Класом точності засобу вимірювання називається максимально-допустиме значення приведеної похибки.
Класи точності відповідно до стандартів, як правило, зазначаються на шкалах приладів. Промислові прилади мають такі класи точності: 0,5; 0,6; 1,0; 1,5; 2,5; 3; 4.
Розглянемо приклад визначення похибок вимірювання для результатів повірки приладу для вимірювання рівня, наведених у табл. 2.2. Клас точності приладу – 1,0. Діапазон вимірювання – 0 – 3 м (0 – 3000 мм). За дійсні значення приймаються результати вимірювання рівня лінійкою (рулеткою).
Таблиця 2.2. Результати повірки приладу для вимірювання рівня
Нижче наведений приклад розрахунку похибок для значення 1,5 м (1500 мм) за лінійкою.
При наповненні збірника (прямий хід) показувальний прилад відображає 1,49 м (1490 мм). При спустошенні збірника (зворотний хід) показувальний прилад відображає 1,52 м (1520 мм).
За формулою (2.5) розраховуємо абсолютну похибку окремо для прямого і зворотного ходу:
\[\Delta_{пх} = |1,49 – 1,5│= 0,01 м;\\ \Delta_{зх} = |1,52 – 1,5│= 0,02 м;\\\]За формулою (2.6) розраховуємо відносну похибку окремо для прямого і зворотного ходу:
\[\delta_{пх}=(0,01 \times 100)/1.5=0,67\% \\ \delta_{зх}=(0,02 \times 100)/1.5=1,33\% \\\]За формулою (2.7) розраховуємо приведену похибку окремо для прямого і зворотного ходу:
\[\gamma_{пх}=(0,01 \times 100)/(3,0-0.0)=0,33\% \\ \gamma_{зх}=(0,02 \times 100)/(3,0-0,0)=1,33\% \\\]Для значення 1,5м (за лінійкою) розраховуємо варіацію:
В =│1,49 – 1,52│= 0,03 м.
Для неї приведена похибка становить:
\[\gamma_{пх}=0,03/(3,0-0.0)=1,0\%\]З отриманих у табл. 2.2 результатів можна зробити висновок, що прилад відповідає класу точності 1,0, тому що найбільше значення приведеної відносної похибки (за прямим і зворотним ходами та за варіацією) становить 1,0 %.
У випадку перевищення приведеної відносної похибки роблять висновок про невідповідність приладу своєму класу точності.
Класифікація засобів вимірювання передбачає такий розподіл:
- за родом вимірюваних величин: температура (термометри і пірометри); тиск (манометри, вакуумметри, мановакуумметри, тягоміри, напороміри тощо); витрата і кількість (витратоміри, лічильники); рівень (рівнеміри, сигналізатори рівня); концентрація (концентратоміри); склад газів (газоаналізатори, киснеміри); фізико-хімічні властивості (кондуктометри, концентратоміри, рефрактометри, рН-метри тощо) та ін.;
- за принципом дії: механічні, електричні, пневматичні та ін.;
- за місцем розташування: місцеві, щитові, дистанційні та ін.;
- за точністю вимірювання поділяються на технічні, контрольно-повірочні та еталонні (максимально можливої точності).
Технічні вимірювання виконуються у виробничих умовах і мають порівняно низьку точність вимірювання, яка визначається класом точності засобів вимірювання, але повністю влаштовують виробництво.
Контрольно-повірочні вимірювання значно вищі за точністю і використовуються в лабораторіях державного нагляду та в заводських вимірювальних лабораторіях для повірки технічних засобів вимірювання.
Вимірювання з максимально можливою точністю (еталонні) пов’язані з відтворенням установлених одиниць фізичних величин або ж фізичних констант.
2.1. Основи метрології <— Зміст –> 2.3. Державна система приладів та засобів автоматизації