Қазақстан Республикасының Білім және Ғылым министрлігі

Л.Н Гумилев атындағы Еуразия Ұлттық Университеті

«Стандарттау Метрология және Сертификация» кафедрасы

^{Оқу әдістемелік құралы}

5В073200 – Стандартизвция Метрология және Сертификация мамандығының студенттеріне арналған

АСТАНА, 2013

Кіріспе

Қазіргі заманғы өлшеу техникасы әр түрлi процестердi басқарудың автоматтандыруын мәселенiң шешiмiн қамтамасыз етуге бағдарланған (технологиялық,сынау,зеттеруші, диагностикалық) өлшем түрлердi әр түрлiлiктiң өсуiмен бiрге жүредi, өлшенетін көлемнің және өлшем шамасының пайдалану шарттарын ауқымдарын кеңейтеді. Ауқымдарын кеңейте тұра, бірнеше шарттарға сәйкес жүзеге асады. Сонымен бірге өлшеу тәсілдері келесі саты бойынша жүзеге асып отырады.

• Электромеханикадағы өлшеу тәсілдері

• Қосымша құрылғылармен өлшеу тәсілдері

• Электронды өлшеу құрылғылары

• Сандық өлшеу құрылғылары

• Мәліметті өлшеу жүйесі

• Өлшеудің сандық комплексі

• Процессорлық өлшеу құрылғысы.

Қазіргі заманғы өлшеу құрылғылары заман талабына сай программалармен және ақпараттармен толықтай қамтамасыз етілген деп айтуға болады.Ақпаратты шындығында да ғылыми ұғым ретінде қарастыруға болады. Өйткені бұған дейін ақпараттың кұрылымы мен қасиеттері барлық ғылым салаларында зерттелінді. Мысалы, физика - ақпарат таситын сигналдардың қасиеттерін зерттейді. Табиғаттағы көптеген құбылыстардың сигнал шығаратыны белгілі. Ал тіркелінген сигналдар белгілі бір мәліметтерді құрайды.Мәліметтер түрленіп, тасымалданып, әдістердің көмегімен қолданыс табады.Мәліметтер мен әдістердінөзараәсерлесуіненақпараттүзіледі. Мәліметтерді өңдеу көптеген амалдардын жиынтығынан тұрады: мәліметгерді жинау; •    мәліметтерді қалыптастыру; •    мәліметтерді сүзгілеу; •    мәліметтерді сұрыптау; •    мәліметтерді топтастыру;

1. Табиғаттағы құбылыстарды бір-бірімен салыстыра сипаттау үшін физикалық шамалар деп аталатын айрықша терминдер колданылады. Мысалы, шапқанаттың, ұшқанқұстыңжәнетасбақаныңқозғалыстарынсалыстырасипаттауүшінүштүрліфизикалықтерминқолданылады. Олардыңбірі - уақыт, екіншісі - журілген. жол, үшіншісі - жылдамдың. Бұларды физикалық шамалар деп атайды.

Физикалық шамалар – құбылыстардың қасиеттерін сандық тұрғыдан сипаттайды.Физикалық шамалар құбылыстарды ғана емес, денелердіңде қасиеттерін сипаттау үшін қолданылады. Шыныны алмаспен кесуге болады. Шыныққан болат пен мысты өңдейді. Ал керісінше жұмсақ мыс пен болатты өңдеумүмкін емес. Сондықтан денелердің беріктік қасиеттерін сипаттау үшін қаттылық деген шама енгізіледі. Ең қатты дене - алмас, оданкейінгісі - шыны (шыны мен болаттың бетін тырнауға болады), ал болаттың қаттылығы мыстан жоғары.

2. Әрбір физикалық шаманың өлшем бірліктері (қысқаша бірліктері) болады. Мысалы, ұзындық бірлігі - метр, температура бірлігі - градус. Қысым, салмақ, масса, куйі, жылу өткізгіштік,электр өткізгіштік, жарық жылдамдыгы сияқты физикалық және астрономиялық шамалар бірліктерін оқу барысында бірте – бірте білетін боласыңдар.Физикалық шамаларды колданғанда (жазғанда, айтқанда) олардың бірліктерін міндетті түрде атап отыру керек. Физикалық шаманың мәні деп, оның өлшем бірлігі көрсетілген сандық мәнін айтады. Мысалы, дене 10 секунд қозғалған болса, оның козғалу уақытын £=10 секунд (қысқаша 10 с) деп жазамыз. Ал £=10 деп атаусыз жазсақ, онда мағынасыздық пайда болады. Физикалық шамалардың бірлігі үлкен де, кіші де бола алады.

Физикалык шаманың бірлігі ірі болған сайын, оның сан мәні кішірейе береді. Мысалы, ұзындықтың километр (км) деген ірі бірлігі метр (м) деген кіші бірлігіне карағанда мың есе үлкен, яғни 1 км = 1000 м. Сондықтан 1,5 км = 1500 м; 0,5 км = 500 м, т. б. Сондай-ак уакыт бірліктерін алатын болсак: 1 мин = 60 с; 1,5 мин = 90 с деп жаза аламыз.

3. Физикалық құбылыстарды сандық жағынан сипаттап, олардың арасындағы байланыстарды білу үшін физикалык шамалардың мәндері накты болуы керек. Осыған орай «физикалық шамалардың мәндері қалай анықталады?» деген сұрактуындайды. Физикалық шамалардың мәндерін физикалық аспаптар жәрдемімен арнайы өлшеулер жургізу арқылы анықтайды. Мысалы, кыздырғанда денелердің ұлғаятыны белгілі. Бұл кұбылысты сандық жағынан салыстыра сипаттау үшін екі физикалық шама: температура мен көлем өлшенуі тиіс. Физикалық тәжірибелерде өлиіеулер жиі пайдаланылады. Сондыктан оған ерекше мән беріледі. Өлшеу тетігі мен өдісін, кыскасы, өлшеу мәдениетін меңгеру – физикадағы эксперименттік әдістің ең басты талаптарының бірі. Өлшеулер тек практика үшін ғана емес, теориялық қорытындыларды тексеру үшін де аса кажет.

а) шкаладан бірлігі см³ болатын көлемнің кез – келген екі мәнін аламыз: мысалы, 150 см³ және 100 см³;

ә) олардың айырымын табамыз: 150 см³-100 см³ = 50 см³;

б) көлемнің екі мәні (150 см³ пен 100 см³) арасындағы мен-зурка бөліктерінің санын аныктаймыз: суретте ол 10-ға тең;

в) бір бөлікке келетін көлемнің мәнін анықтаймыз: 50 см³:10 = 5 см³.

УДК 681.586.773

Cедалищев В.Н. Ұзындық өлшеудің электрлік тәсілдері:

Оқу әдістемесі; Алт. мем. Техн. Унт. И.И.Ползунова атындағы.-Барнаул: Шығарған АлтГТУ,2008.-..... с.

Бұл оқу әдістемесінде құрылғыларды құрудың басты жолдары мен олардың ұзындықтарын электрлік өлшеу көрсетілген.

Оқу әдістемелік кітапшасы өлшеу, информациялық -техникалық, автоматты-микроэлектронды студенттерге және өлшеу саласында жұмыс істейтін де мамандарға да арналған.

Сарапшылыр: А.Я. Суранов к.т.н., доцент (АГУ)

Өлшеу құралдарының ӨҚ негізгі қасиеттері оның статикалық және динамикалық қасиеттерімен анықталады. Олар инерциялық, сезгіштік шегі, қателігі және шығыс қуаты т.б болуы мүмкін.Біріншілік өлшеу құралының (ӨҚ) сигналы алдымен өлшеу құрылғысына, содан кейін ақпарат көрсететін құрылғыға келеді.

Сигналдарды бөліп тарату қасиеті бар құрылғыны өлшеу коммутаторы деп атайды, ол контактілі және контактісіз болуы мүмкін. Дәлдігі жағынан жоғары контактілі коммутатор болып табылады, бірақ оның тез әсер ету қабілеті төмен. Өлшеу каналы дегеніміз барлық техникалық құралдар жиынтығы және ақпарат жіберетін дистанционды сызықтар.

Біріншілік ӨҚ – ның өлшеу құрылғыларының жиынтығымен сәйкес келуі үшін олардың шығыс сигналдарын қуаты, теңдігі және т.б бойынша унифицирлейді. Мысалы, тұрақты ток өлшем шектері: 0 - 5 мА; 0 - 20 мА; 4 - 20мА и т.д., ал тұрақты кернеу шектері: 0 - 10 мВ; 0 - 1В; 0 - 5В; 0 - 10В. Сонымен қатар лимиттеуші кедергі: 2,5 кОм 0 - 5 мА ток үшін және 1кОМ 0 - 20мА ток үшін. Қазіргі таңда кең таралғаны өлшеу ақпаратын цифрлық жүйеде тарату болып табылады.

1 тарау. Өлшеу құрылғыларына және өлшеу әдістеріне жалпы сипаттама.

Көптеген электр өлшеу құралдары және оның әдістері: физикалық шамаларды, уақытқа байланысты өлшеудің пайда болу сипатын, талапқа сай дәлдікті, өлшем нәтижесін алудың түрлілігін және т.б алуға мүмкіндік берді. Бұлай өлшеу өлшеніп отырған физикалық шаманы біртекті физикалық шамамен салыстыру ұйғарылған.

Бұл процедураны орындау үшін келесідей операциялар орындау керек: іске қосу, салыстыру, өлшеуді түрлендіру, масштабтау және т.б.

1.1 Өлшеу Классификациясы

Берілген өлшемнің шамасын іске қосу – бұл берілген ақпарат өлшем параметрлерімен(кернеу, ток, кедергі, индуктивтілік және т.б) шығыс сигналының пайда болу операциясы. Бұл операция тек өлшеумен ғана жүзеге асады.

Салыстыру – бұл біртекті шамалардың қатысы және ол шамалардың кемуімен жүзеге асады. Бұл операция компаратор өлшеу құрылғысымен іске асады.

Өлшеу түрлендіргіші – кіру сигналын шығыс сигналына түрлендіруге негізделген, ол өлшеу түрлендіргіштерімен жүзеге асады. Өлшеу түрлендіргіштерінің шығыс сигналдары және олардың ақпаратты параметлері мемлекеттік жүйемен және автоматтандыру құрылғысымен унифицирленген. Унифицирленген сигналдар тұрақты кернеулер болып табылады: 0.. .10 В жәнк тұрақты ток 0.. .5, 0.. .20, 4.. .20 мА.

Масштабтау – шығыс сигналының масштабты түрлендіргіші көмегімен жүзеге асады.

1.2 Өлшеу түрлері

Өлшем түрлерін әр түрлі белгілері бойынша классификациялауға болады:

Өлшеу санына байланысты(бір мәрте және көп мәрте);

Дәлдігіне байланысты(тең нүктелі және тең нүктелі емес, максималды қолжетімді дәлдікті, тексеріс бақылаушы жәнк техникалық);

Өлшеу уақытындағы сипаттамасы бойынша (статикалық және динамикалық);

Өлшеу нәтижелерін елестету сипаты бойынша (абсолютті және қатысты);

Өлшем нәтижесін алу тәсілі бойынша (тура және жанама).

Тура өлшеу – ізделініп отырған өлшем шамасының мәнін тікелей тәжірибеден алынған деректерден алу.

Жанама өлшеу – ізделініп отырған физикалық шама мәнін тура өлшеу нәтижесінде алынған басқа шамалар арқылы анықтау. Ол ізделініп отырған шамамен функционалды байланысқан. Жанама өлшеулер бірлескен және жиынтық болып бөлінеді.

Жиынтық өлшеу – бір мезетте бірнеше аттас шамалардың өлшеуі, ізделініп отырған шама әр түрлі қатынаста алынған шамалардың теңдіктер жүйесін шешумен анықталады.

Бірлескен өлшеу – бір мезетте бірнеше аттас емес шамалардың арасындағы тәуелділікті анықтау үшін өлшеу. Өлшеудің сандық мәні теңдіктер жүйесін шешумен де анықталады. Теңдіктер саны ізделініп отырған шамадан кем болмауы керек.

1.3 Өлшеу әдістері

Өлшеу әдісі – өлшеудің іске асырылған қағидасына сәйкес қабылдау және қабылдау жиынтығын өлшеніп отырған физикалық өлшемді оның бірлігімен салыстыру.

Өлшеу әдістері келесі белгілер бойынша классификацияланады:

• физикалық принцип бойынша, өлшеу негізіне тиісті (электрлі, механикалық, магниттік, оптикалық және т.б.);

• өлшеу объектісіне және әрекеттесу дәрежесіне байлнысты (контактілі, контактісіз);

• өлшеу объектісіне және әрекеттесу режиміне байланысты (статикалық, динамикалық);

• өлшеу сигналдарының түрлеріне байланысты (аналогті, цифрлық);

• өлшеу шамасын салыстыру ұйымы бойынша (тікелей бағалау, өлшеммен салыстыру);

Тікелей бағалау әдісі – өлшем шамасының мәні өлшеу құрылғысы көрсеткішімен тікелей анықталады.

Өлшеммен салыстыру әдісі – өлшенетін шаманы өлшеммен салыстыру. Бұл әдістер дифференциалдық, нөлдік, қарама – қарсы қою, орын ауыстыру және сәйкес келу.

Дифференциалды әдіс - өлшенетін шама сол өлшенетін шамадан аз ғана айырмашылығы бар біртекті шамамен салыстырылады. Нөлдік өлшеу әдісінің дифференциалды өлшеу әдісінен айырмашылығы шама айырымы нөлге дейін жетеді.

1.4 Өлшеу құрылғыларының классификациясы

Өлшеу құрылғысы (ӨҚ) – бұл техникалық өлшеу құрылғысы, нормаланған метрологиялық сипаттағы өлшем бірлігін сақтау және жаңғыртуға арналған . Берілген уақы көлемінде орнатылған қателік деңгейінде өлшемдері өзгермейді..Яғни, бұл анықтама өлшеу құрылғыларының өзгермейтін өлшем бірлігін сақтауға негізделгенін көрсетеді.

Өлшеу құрылғылары тағайындалуы және метрологиялық функцияларына байланысты классификацияланады:

• эталондық және жұмыстық;

• негізгі және қосымша;

• электрлік және электрлік емес;

• стандартталған және стандартталмаған.

Тағайындалуы бойынша ӨҚ:

• өлшемдер;

• өлшеу түрлендіргіштері;

• өлшеу приборлары;

• өлшеу құрылғылары;

• өлшеу жүйелері;

ӨлшеуМеры өлшем бірлігін сақтауға арналған, олар:

• бір мәнді;

• көп мәнді;

• өлшеу жиыны (дүкені).

Өлшеу түрлендіргіштері (ӨТ) бақылаушының тікелей қабылдамай өлшеу ақпаратын алу үшін қолданылады.

Түрлену қасиеті бойынша ӨҚ келесідей болып бөлінеді :

• электрлік шамаларды электрлікке (шунттар, кернеу бөлгіштер, өлшеу трансформаторлары, өлшеу күшейткіштер);

• магниттік шамаларды электрлікке (өлшеу катушкалары, феррозондар, Холл, Гаусса эффектісі бойынша түрлендіргіштер, жоғары өткізгіштер және т.б.);

• электрлік емес шамаларды электрлікке (резистрлі, индуктивті, ауданды, генераторлы және т.б .).

Функционалдық тағайындалуы бойынша ӨҚ келесідей болып бөлінеді:

• біріншілік;

• аралық;

• масштабты;

• беретін.

Өлшеу құрылғы – бақылаушыға ыңғайлы қабылдау формасындағы өлшеу ақпаратын көрсетуге арналған өлшеу құралдары. Өлшеу құрылғылары:

• Аналогтық, сандық;

• Көрсетуші, сигнал беруші, тіркеуші;

• Ағымдағы мәнде, интегралдаушы, қосылулы;

• Щитті, айнымалы, стационарлық;

• Жай, дымқыл- , газо- , шаңнан қорғалған, герметикалық, жарылыстан оқшау және т.б.

Өлшеу қондырғылары – бір орында орналасқан және бір немесе бірнеше физикалық шамаларды өлшеуге арналған қосымша құралдар мен өлшеу құрылғылары және біріккен өлшемдердің функционалды жиынтығы.

Бұларға , мысалы, эталон және сынау құрылғылары, материалдарды өлшеу машиналары(материалдың меншікті қарсылығын өлшеу үшін, материалдардың магниттік сипаттамасын өлшеуге арналған және т.б.).

Өлшеу жүйелері (ӨЖ)– өлшеу сигналдарының өндірісі, және оларды жөндеу мен сақтау, бір немесе бірнеше физикалық шамаларды өлшеу мақсатында бақыланып отыратын объекттің әр түрлі нүктелерде орналасқан мәлімет беру құралдары мен басқа да техникалық құралдар, өлшеу құралдарының функционалды біріккен жиынтығы.

1.5 өлшеу құралдарының негізгі сипаттамалары

Барлық ӨЖ бірдей құрамға ие: метрологиялық, техникалық, эксплуатациондық,ақпараттық. ӨЖ жекелеген түрлері мен типтері өзіне тән ерекше құрамдары болады, олар сәйкесінше нормативті-техникалық құжаттарда көрсетіледі. Олардың сипаттамаларын анықтап, бағалап, салыстыра білу қажет.

Өлшеу құрылғыларының метрологиялық сипаттамалары:

• Сезімталдық

• Сезімталдық алды

• Бөлік құны

• Өлшеу диапазоны(толық, жұмыстық)

• Өлшеу түрлендіргішінің теңдеуі (түрлендірудің статикалық сипаттамасы, түрлендірудің номиналды функциясы)

• Қателік (абсолютті, қатыстық, келтірілген, қосымша)

• Көрсету вариациясы

• Тез қозғалыс – бір рет өлшеуге кететін уақыт.

Динамикалық сипаттамалар, яғни өлшеу құрылғыларының элементтерінің инерционды құрамы. Оларға ӨЖ сипаттайтын дифференциалдық теңдеу, ауыспалы және импульті функциялар, амплитудалық және фазалық сипаттамалар жатады.

Нормалағыш метрологиялық сипаттамалар – ӨЖ берілген типі үшін нормативті құжаттармен құрылған метрологиялық сипаттамалар жиынтығы.

ӨЖ эксплуатациялау кезінде метрологиялық сипаттамалардан өзгелері де маңызды: сенімділік көрсеткіші, электрлік беріктілігі, изоляция қарсылығы, климаттық және механикалық әсерлерге тұрақтылық және т.б.

Өлшеу құралының сенімділігі – берілген уақыт ішінде құрылғының экплуатациялық сипаттамаларын сақтау қасиеті.

Сенімділіктің негізгі критерийлері:

• Белгілі бір уақыт ішінде кідіріссіз жұмыс иқтималдылығы

• Бас тарту интенсивтілігі

• Кідіріссіз жұмыстың орташа уақыты.

Құрылғы таңдағанда есепке алу қажет: үнеміділік, қолданатын қуат, сынау мүмкіндігі, жөндеуге жарамдылығы.

2. Аналогтық электромеханикалық өлшеу құрылғыларының құрылымы мен жұмыс істеу принциптеріҚазіргі уақытта өндіріс кең түрде электрлік, магниттік және электрлік емес өлшеу құралдарын шығаруда. Олардың ішінде келесідейнегізгі топтарды бөліп көрсетуге болады: аналогтық электромеханикалық және электрондық құрылғылар; сандық өлшеу құрылғылары мен аналогты-сандық түрлендіргіштер; электрлік және электрлік емес шамаларды өлшеу түрлендіргіштері; тіркеуші құрылғылар; өлшеу ақпараттық жүйелер және өлшеу-есептеу комплектері;технологиялық процестерді бақылау кезінде массалық (көп) өлшеулер үшін өлшеу қондырғылары.

2.1 Электромеханикалық жүйенің аналогтық өлшеу құрылғылары

Электромеханикалыө өлшеу құрылғылары (ЭӨҚ) қарапайымдылығымен, арзандығымен, жоғары сенімділігімен, қолдану түрлілігімен, жоғары қатыстық дәлдігімен ерекшеледі, қосымша энергия көздерін қажет етпейді, ЭВМ қосылу үшін шығуға ие бола алады. Олардың көмегңмен түрлі физикалық шамаларды өлшеуге болады.

Кемшілігі – сигнал деңгейі бойынша, жиілік диапазоны, қуат өзгерісі мүмкіндіктердің шектеулілігі, өлшеу объектіне қатты әсер етеді, дайындау технологиясының кұрделілігі, жоғары габариттер.

Жұмыс принципінің конструкциясы негізінде электромагниттік энергияны механикалыққа айналдыру жатыр. Өлшеу механизмдерінің негізгі типтері кулон күштерінің, катушкалардың өзара электромеханикалық әсерлерінің параметрлерін қолдануға негізделген.соған қоса қосымша түрлендіргіштер қолданылады.

Кез келген ЭӨҚ функционалдық түрлендіргіштер қатарынан тұрады, олардың әр қайсысы өз мәселелерін түрлендіру цепінде шешеді. Осылайша қарапайым түзу түрлендіргіш ЭӨҚ үш негізгі түрлендіргіштен тұрады: өлшеу цепі, өлшеу механизмі және есептеу құрылғысы.

Өлшеу цепі электрлік өлшеу шамасымен және өлшеу механизміне функцияналды байланысқан, өлшеу шамасын аралық электрлік шамаға түрлендіруді қамтамасыз етеді(ток немесе кернеу).

Өлшеу механизмі электрлік шаманы аналогтық көрсеткішке айналдыру жолымен іске асатын , электромеханикалық түрлендіргіш болып табылады. Электр тогының магниттік әсеріне магнитэлектрлік, электродинамикалық және вибрациялықөлшеу механизмдері негізделген. Электр тогының жылулық әсерлері биметалдық және жылулық өлшеу механизмдерінде қолданылады. Кернеукүшінде болатын зарядталған электродтар әсеріне өлшеу механизмдерінің электростатикалық жұмыс принципіне негізделген.

Есептеу қондырғысы ӨМ қозғалмалы бөлігімен байланысқан көрсеткіштерден қозғалмайтын шкаладан тұрады. Көрсеткіштер стрелочные және жарықтық болады. Шкала – бұл сызық сыртында орналасқан штрихтар түріндегі белгілер жиынтығы, өлшеу шамасының сандық мәні анықталады.

Жалпы жағдайда ӨМ қозғалмалы бөлігіне оның қозғалысы кезінде моменттерге әсер етеді: айналмалы І_ад қарама қарсы І_ід және тыныштандырушы І_от.

І_ад = dW/d,

Мұндағы dW – жазықты өлшеу энергиясы,

d – қозғалмалы бөліктің ауытқу бұршынің өзгерісі.

ЭӨҚна қарсы әсер ететін момент өлшеу шамасының қозғалмалы бөліктің белгілі бір ауытқуының бір мәнді сәйкестік тудыру үшін қажет. Аналогтық ЭӨҚ қарсы әсер ететін момент спиралді пружиналар,кергілер, аспалар көмегімен немесе электромагниттік жазық энергия есебінен құралады. Қарсы әсер ететін момент спиралді пружина көмегімен құралғанда:

І_ів = е

Мұндағы к – пружинаның геометриялық өлшемдері мен материалына тәуелді меншікті қарсы әсер ететін момент.

Тыныштандыру моменті ӨМ қозғалмалы бөлігінің қарсы қозғалыс момент күші болып табылады және бұрыштық ауытқу жылдамдығына пропорционал:

І_oni=d(d)

P – тыныштандыру коэффициенті.

ӨМ-нде магнитиндуктивті, ауа және сұйық тыныштандырғыштар қолданылады.

Конструкция және құрылғы типтердің көп түрлілігіне қарамастан олардың барлығы ортақ түйіндер мен бөлшектерге ие: корпус, шкала, көрсеткіш, қозғалғалы бөлікті тыныштандырғыш және қондырғыға арналған құрылғы, корректор, ал жоғары сезімтал құрылғыларда – арретир.