- •Фізична величина - основне поняття метрології
- •1.1.1 Систематизація фізичних величин
- •1.1.2 Основне рівняння вимірювання
- •1.2 Класифікація вимірювань
- •1.3 Засоби вимірювальної техніки
- •1.3.1 Вимірювальні пристрої
- •Засоби вимірювання
- •Методи вимірювань
- •1.5 Похибки вимірювань
- •1.5.1 Систематичні похибки і методи їх вилучення
- •1.5.2 Випадкові похибки
- •1.5.3 Оцінка випадкових похибок прямих вимірювань
- •1.5.4 Оцінка випадкових похибок опосередкованих вимірювань
- •1.6 Властивості засобів вимірювань
- •1.6.1 Статичні метрологічні характеристики
- •1.6.2 Похибки засобів вимірювань
- •1.7 Повірка засобів вимірювальної техніки
- •1.8 Державна система забезпечення єдності вимірювань
1.3 Засоби вимірювальної техніки
Засіб вимірювальної техніки. Технічний засіб, який застосовується під час вимірювань і має нормовані метрологічні характеристики.
До засобів вимірювальної техніки відносять засоби вимірювань і вимірювальні пристрої (рис.1.3).
Рисунок 1.3
Засіб вимірювання. Засіб вимірювальної техніки, який реалізує процедуру вимірювань.
До засобів вимірювань відносять: вимірювальні прилади; аналогові вимірювальні прилади; цифрові вимірювальні прилади; реєструвальні засоби вимірювань; аналого-цифрові перетворювачі; вимірювальні канали; вимірювальні системи; вимірювальні інформаційні системи.
Вимірювальний пристрій. Засіб вимірювальної техніки, в якому виконується лише одна зі складових частин процедури вимірювань (вимірювальна операція).
Виділяють такі вимірювальні пристрої: міра; вимірювальний перетворювач; масштабний перетворювач; компаратор; числовий вимірювальний перетворювач (обчислювальний компонент).
1.3.1 Вимірювальні пристрої
Диференціація вимірювань на окремі вимірювальні операції і детальний розгляд особливостей засобів вимірювальних операцій відкриває можливість аналізу і синтезу методів вимірювання в тісному зв’язку зі структурами засобів вимірювань.
Відтворення фізичних величин. Міра.
Відтворення фізичної величини - вимірювальна операція, що полягає у створенні та (чи) зберіганні фізичної величини заданого значення.
Відтворення (рис.1.4) є найважливішою операцією вимірювання, тому що в основному визначає ступінь його досконалості, тобто точність. Засіб відтворення фізичної величини в метрології називають мірою.
Рисунок 1.4
Міра - вимірювальний пристрій, що реалізує відтворення та (або) зберігання фізичної величини заданого розміру.
За кількістю вихідних каналів міри поділяються на одно- та багатоканальні, а за регульованістю вихідної величини на: регульовані та нерегульовані.
Тому будемо розрізняти:
1) Одноканальну нерегульовану однозначну міру, що відтворює величину одного сталого заданого значення. Наприклад, елемент Вестона, конденсатор постійної ємності, котушка індуктивності та ін. Її рівняння перетворення
(1.1)
де - вихідна величина міри; - числове значення ФВ, що буде відтворена; - одиниця фізичної величини.
2) Одноканальну регульовану багатозначну міру, що відтворює у даний момент часу величину одного значення. У цій мірі здійснюється часове розподілення вихідних величин міри, зміна якої може бути як детермінованою, так і випадковою з відомим розподілом. Її рівняння перетворення
(1.2)
Досить поширеним прикладом кодокерованих одноканальних регульованих мір є цифроаналоговий перетворювач код-напруга (ЦАП).
3) Багатоканальну нерегульовану багатозначну міру, що відтворює одночасно декілька однорідних величин із заданими, сталими значеннями.
Наприклад, подільник напруги з багатьма нерухомими відводами, який живиться від джерела постійного струму. В цій мірі здійснюється «просторове розподілення» вихідних величин, а її рівняння перетворення має вигляд
(1.3)
4) Багатоканальну кодокеровану регульовану багатозначну міру, що відтворює одночасно декілька однорідних величин, розміри яких можуть змінюватися. В цій мірі здійснюється і «просторовий», і «часовий» розподіл. Її рівняння перетворення
(1.4)
Досконалість міри визначається сталістю розміру кожного ступеня міри і її багатозначністю, тобто номінальним числом значень відтворюваної вихідної величини. В реальних мірах нестабільність спричиняє похибки. З найвищою точністю відтворюються основні фізичні величини - довжина, маса, час, частота, напруга, струм.
Вимірювальне перетворення фізичної величини.
Вимірювальний перетворювач.
Одним із основних положень сучасної теорії вимірювальних пристроїв є положення про вимірювальне перетворення.
Вимірювальне перетворення фізичної величини - вимірювальна операція, під час якої вхідна фізична величина перетворюється у вихідну, функціонально з нею пов’язану.
Головна задача вимірювальних перетворень полягає в одержанні вихідних ФВ та залежностей між ними, зручних для порівняння і відтворення. До вимірювального перетворення фізичних величин у загальному випадку належать: лінійне (масштабне) та нелінійне перетворення ФВ без зміни її роду; лінійне та нелінійне перетворення ФВ зі зміною її роду.
До вимірювального перетворення залежності між величинами належать: модуляція та демодуляція; масштабно-числове перетворення сигналу; детектування; кореляційне перетворення; дискретизація; спектральне перетворення; осцилографічне перетворення; інтегрування; диференціювання і ін.
Завдяки вимірювальному перетворенню досягається узгодження роду, границь зміни і частотного діапазону сигналів. Вимірювальне перетворення багатьох величин є складним завданням, а вимірювальний перетворювач - часто основною за складністю ланкою всього засобу вимірювання.
Вимірювальний перетворювач - вимірювальний пристрій, що реалізує вимірювальне перетворення.
Вимірювальні перетворювачі (ВП) класифікують за такими ознаками: - за структурою побудови - на ВП прямого перетворення ( з розімкненою структурою) та ВП зрівноважувального перетворення (з замкненою структурою);
- за зміною роду вихідної величини - на ВП без зміни роду та ВП зі зміною роду вихідної величини, які необхідні у тих випадках, коли для вимірюваної вхідної величини немає міри або компаратора;
- за характером реалізованої залежності - на лінійні та нелінійні;
- за кількістю каналів - на одно- та багатоканальні;
- за видом вихідного сигналу - на параметричні та генераторні;
- за родом використовуваних явищ - на термоелектричні, оптоелектричні, п’єзоелектричні, електромагнітні, магнітоелектричні та ін. (рис.1.5).
Генераторними називаються перетворювачі, вихідні сигнали яких мають енергетичні властивості (напруга, струм, магніторушійна сила тощо).
Параметричними є перетворювачі, в яких зміна вхідного сигналу приводить до зміни їх параметрів - опору, індуктивності, ємності тощо.
Рисунок 1.5
Порівняння фізичних величин. Компаратор.
Порівняння - вимірювальна операція, що полягає у відображенні співвідношення між розмірами двох однорідних фізичних величин відповідним висновком: більша, менша чи однакова за розміром.
Порівняння величин широко використовується в різноманітних процедурах: вимірюванні, контролі, розпізнаванні образів, керуванні та ін.
У більшості випадків для порівняння використовують придатність сигналів до віднімання. Тоді співвідношення між розмірами інформативних параметрів визначають знаком їхньої різниці згідно з рівнянням
(1.5)
Компаратор (пристрій порівняння). Вимірювальний пристрій, що реалізує порівняння однорідних фізичних величин.
Компаратори (рис.1.6) класифікують за такими ознаками: за характером дії над сигналами при порівнянні - на компаратори з відніманням сигналів і компаратори з комутацією сигналів; за кількістю каналів - на одно- і багатоканальні.
До складу компаратора входять: ланка віднімання, що створює різницю вхідних сигналів , і різницева ланка, що реагує на знак різниці (рис.1.7).
1) Компаратор на основі операції віднімання реалізується двоканальною структурою. Результат порівняння у цьому випадку - однобітовий сигнал у вигляді «0» та «1», який і є інформацією про співвідношення між розмірами порівнюваних величин.
2) Компаратор на основі комутації сигналів реалізується одноканальною структурою. Внаслідок комутації створюється періодичний сигнал з частотою перемикання, знак результату детектування якого залежить від співвідношення між порівнюваними величинами.
Рисунок 1.6
Досконалість компаратора визначається мінімальним значенням порога чутливості, при якому ймовірність правильного визначення співвідношення між перевищує 0.5. В реальному компараторі наявність зони нечутливості спричиняє виникнення похибки, яка алгебраїчно додається до результату.
Рисунок 1.7
Масштабне вимірювальне перетворення.
Масштабний перетворювач.
Масштабне вимірювальне перетворення, або коротко - масштабне перетворення, є різновидом вимірювального перетворення, однак через широке застосування та наявність великої кількості ланок, які реалізують лише цю операцію, варто розглянути її окремо.
Масштабне перетворення - лінійне вимірювальне перетворення вхідної величини без зміни роду.
В результаті масштабного перетворення вхідна величина перетворюється в однорідну вихідну, розмір якої пропорційний в К разів розмірові вхідної:
. (1.6)
Коефіцієнт масштабування є основною характеристикою масштабного перетворення. Його числове значення може бути:
- - послаблення;
- - підсилення;
- - повторення.
Масштабний перетворювач - вимірювальний перетворювач, який реалізує масштабне вимірювальне перетворення.
Масштабні перетворювачі (МП) створюються переважно для величин, що характеризують явища спрямованої дії (напруга, струм та ін.).
МП можуть бути одно- або багатоканальні, з регульованим або нерегульованим коефіцієнтом масштабування. Тому надалі будемо розрізняти такі типи масштабних перетворювачів:
1) одноканальний нерегульований, характерною ознакою якого є сталість коефіцієнта масштабування. Наприклад, вимірювальний підсилювач, трансформатори напруги чи струму. Рівняння такого МП має вигляд
. (1.7)
2) одноканальний кодокерований регульований МП, який є масштабним перетворювачем з часовим розділенням. Його рівняння
. (1.8)
Такий МП напруги можна створити з цифроаналогового перетворювача напруги. Їх ще називають також перемножувальними цифроаналоговими перетворювачами напруги.
3) багатоканальний нерегульований МП з просторовим розділенням, характерною рисою якого є наявність кількох вихідних каналів зі сталим коефіцієнтом масштабування. Наприклад, багатоканальні подільники напруги.
4) багатоканальний регульований МП, тобто масштабний перетворювач як з часовим, так і з просторовим розділенням, який також відрізняється наявністю кількох вихідних каналів. Наприклад, подільник напруги з кількома рухомими контактами.
Числовий вимірювальний перетворювач.
Числове вимірювальне перетворення (ЧВП) - це операція обчислення проміжних результатів вимірювань з метою отримання остаточного результату.
Числовий вимірювальний перетворювач - вимірювальний пристрій, що є сукупністю засобів обчислювальної техніки та програмного забезпечення і виконує обчислювальні операції під час вимірювань.