Дистанційний контроль

Вимірювання і засоби вимірювання. Історія розвитку

Об'єкти і явища навколишнього світу є для нас предметами пізнання. Пізнавальна діяльність дозволяє отримати кількісну інформацію про вивчаємі об'єкти та явища. Цю інформацію можна одержувати за допомогою вимірювання. Вимірювання є інструментом пізнання і слугує основою наукових знань. Великий російський вчений Д.І. Менделєєв, якого вважають основоположником сучасної метрології, визначив метрологію як науку. Він писав, що "наука починається з тих пір, як починають вимірювати. Точна наука неможлива без міри". Тому наука про вимірювання – метрологія є елементом теорії пізнання навколишнього світу.

Метрологія як наука охоплює усі проблеми, пов'язані з вимірюваннями. За дослівним перекладом з давньогрецької мови метрон (μετρου) – міра, а логос (λογοs) – мова, слово, вчення чи наука. Метрологія – це наука про міри та вимірювання.

З розвитком навколишнього світу спостерігається тенденція розглядати як об'єкти вимірювань нові властивості різних видів продукції та явищ. Відбувається формування метрологічного підходу до вивчення й опису властивостей біологічних, психологічних, соціальних, у тому числі економічних. Немає ні одної галузі практич­ної діяльності людини, де можна було б обійтися без кількісних оцінок, які отримують як результат вимірювання. Причому ніяких завгодно кількісних оцінок, а отримання зрозумілих, вірних і достатньо точних даних. Для багатьох галузей промисловості та науки вимірювання треба виконувати з визначеною точністю, бо це відбивається на ефективності діяльності промисловості й наукових досліджень.

З розвитком суспільства, науки і техніки відбувається удосконалення метрології як науки. Основоположник метрології М.Ф. Маликов у своїх працях в поняття метрології як науки вносить новий зміст. Він визначає метрологію вже не тільки як науку про вимірю­вання, а й вчення про одиниці, еталони та вимірювання на їх основі.

Згідно з ДСТУ 2681 метрологія – це наука про вимірювання, методи, засоби забезпечення їх єдності та способах досягнення визначеної точності.

Метрологія як наука охоплює певне коло проблем:

• створення загальної теорії вимірювань;

• утворення одиниць фізичних величин і систем одиниць;

• створення зразкових засобів вимірювання;

• визначення фізичних констант і фізико-хімічних властивостей речовин та отримання стандартних зразків цих властивостей;

• розробка стандартних методів і засобів випробувань і контролю;

• розробка основ забезпечення єдності вимірювань.

Сучасне виробництво характеризується високою точністю і складністю технологічних процесів, великою різноманітністю використовуваних матеріалів і технічних засобів, контроль яких здійснюється за допомогою вимірювальної техніки. Вимірювальна техніка є невід'ємною частиною матеріального виробництва. Без системи вимірювань, яка дозволяє контролювати технологічні процеси, оцінювати властивості та якість продукції, неможливо існу­вання ні одної галузі техніки. Вимірювання відіграють вирішальну роль у розвитку нових напрямів науки і техніки, оборони, у створенні новіших технологій, поліпшення якості та конкурентоспроможності промислової і сільськогосподарської продукції, інших видів діяль­ності людини. Від точності й достовірності одержуваних результатів Метрологія є науковою основою вимірювальної техніки, и теоретичною базою. Це загальне визначення сутності метрології як наукової дисципліни прямо вказує на її провідне значення у комплексі сучасних науково-технічних знань. Як наука метрологія є частиною, розділом технічної фізики і признана створювати й удосконалювати науково-технічні основи вимірювальної техніки.

Сфера використання вимірювальної техніки постійно поши­рюється. Використання конкретних засобів вимірювань в певних вимірювальних процесах має суттєве значення для єдиного метроло­гічного забезпечення в країні.

Метрологія приділяє велику увагу методам і засобам вимірю­вання, безперервно відбувається їх удосконалення. Від правильності застосування методів, засобів вимірювання залежить отримання точних, порівнювальних результатів. Особливе значення це має при оцінці якості продукції та показників безпеки. Отже, рівень вимірювальної техніки як сукупність стандартних методів і засобів отримання достовірної кількісної інформації визначає ефективність всіх галузей промисловості, будь-яких наукових досліджень. Тому до вимірювальної техніки пред'являються все більш високі вимоги.

Метрологія – це наука з єдиними принципами, методами і засобами. Метрологія, як і стандартизація, має велике значення для удосконалення технології виробництва товарів, поліпшення їх якості. Завдяки цим наукам здійснюється контроль за технічним облад­нанням на різних підприємствах, удосконалюється техніка та техно­логія, з'являються нові види продукції, які відповідають сучасним вимогам. Усе це позитивно впливає на поліпшення якості продукції, її конкурентоспроможність.

До основних завдань метрології належать:

• встановлення одиниць фізичних величин і державних еталонів одиниць фізичних величин;

• розробка методів і засобів вимірювання;

• розробка методів визначення точності вимірювань;

• забезпечення єдності вимірювань і одноманітності засобів вимірювання;

• проведення державних випробувань засобів вимірювання тощо.

Основні поняття про пристрої передачі інформації. Метрологічні характеристики засобів вимірювання

До технічних засобів відносяться: вимірювальні прилади, вимірювальні перетворювачі, вимірювальні установки, вимірювальні системи.

Вимірювальний прилад призначений для вироблення сигналів вимірювальної інформації у формі зручній для посереднього сприйняття спостерігачем (оператором).

Рис 1 – Класифікація вимірювальних приладів

В аналогових приладах при зміні технологічного параметру змінюється положення стрілки відносно шкали приладу.

В дискретних приладах – безперервна зміна параметру квантується (різновидність – цифрові прилади)

Існуючі прилади можна класифікувати по наступних ознаках:

• по характеру вимірювальної величини – прилади для вимірювання тиску, витрати, рівня, температури, якісних показників (кольоровості, прозорості, щільності, концентрації), газоаналізатори;

• по конструкції – показуючі, самописні, з передачею показань на відстань (дистанційні), підсумуючі, сигналізуючі;

• по призначенню – технічні (робочі, експлуатаційні), які встановлюють безпосередньо на робочих місцях біля агрегатів; контрольні, які призначені для перевірки технічних приладів; зразкові й еталонні, які використовують для перевірки контрольних приладів і градуіровки (нанесення шкали приладів) при виготовленні;

• за принципом дії – механічні, електричні, електронні, аккустичні, оптичні, радіоактивні, гідравлічні;

• по характеру використання – оперативні й госпрозрахункові;

• за умовами роботи – стаціонарні й переносні.

Усі контрольно-вимірювальні прилади можуть бути одночасно показуючими, самописними й підсумовуючими.

Вимірювальні перетворювачі призначені для перетворення технологічного параметру в сигнал (електричний, пневматичний, гідравлічний, механічний) зручний для подальшої передачі.

Рис 2 – Приклад вимірювального перетворювача

Рис .3 – Класифікація вимірювальних перетворювачів

Вимірювальна установка – це група приладів, які функціонально об’єднанні і розміщені на загальній основі. Прикладом може служити лабораторна установка.

Рис 4 – Приклад вимірювальної установки Рис 5 – Приклад вимірювальнюї системи Вимірювальна система являє собою сукупність засобів вимірювання та допоміжних засобів, які призначені для вироблення сигналів вимірювальної інформації в формі зручній для автоматичної обробки, передачі і використання в автоматизованих системах керування. Прикладом систем можуть служити секційні, телемеханічні, індукційні та інші.

Всі прилади мають визначені метрологічні характеристики такі як: похибка, клас точності, чутливість, варіація, номінальна статична характеристика.

Метрологічними характеристиками називаються характеристики, які необхідні для визначення результату вимірювання та його точності.

Під похибкою вимірювання мають на увазі відхилення результату вимірювання від дійсного значення вимірюваної величини.

Рис 6 – Причини виникнення похибки

Похибка буває: основна і додаткова.

Основна похибка виникає при умовах вимірювання визначених державним стандартом.

Основна похибка поділяється на: абсолютну, відносну, приведену.

Додаткова похибка виникає коли вимірювання проводяться в умовах, які відхиляються від стандартних.

Також похибки поділяються на:

Інструментальна похибка – це похибка, що виникає внаслідок допущених в процесі виготовлення функціональних частин засобів вимірювання похибок.

Методологічна похибка – це похибка, що виникає при неправильно вибраному методі вимірювання.

Похибка відлічування – виникає через неточності визначення часток поділки шкали вимірювання.

Суб’єктивна похибка – це похибка, що виникає внаслідок низького ступеня кваліфікації оператора засобу вимірювання, а також через особливості спостерігача.

Клас точності відповідає максимальному значенню допустимої приведеної похибки.

Для приладів установлені такі класи точності (1; 1,5; 2; 2,5; 4; 5; 6)·10ⁿ де n= 1; (–1); (–2) …

Визначення відповідності максимальної приведеної похибки класу точності приладу проводяться під час повірки.

Повірка – це процес порівняння значень відміток шкали робочого приладу за допомогою взірцевого. Повірка здійснюється на підприємстві та в спеціалізованих лабораторіях. Поточна повірка виконується на підприємстві експлуатаційним персоналом. Відомчій повірці підлягають всі прилади, які використовують на підприємстві, а також після ремонту і здійснюється в спеціалізованій лабораторії підприємства, яка зареєстрована в Комітеті Держстандартів. Державній повірці підлягають взірцеві прилади і міри, а також прилади призначені для господарських розрахунків (лічильники), здійснюється в лабораторіях Держстандарту.

Варіація – це різниця між показаннями робочого приладу при прямому і зворотньому ходові.

Прямий хід – це збільшення параметру від нуля до max.

Зворотній хід – це зменшення параметру від max до нуля.

Номінальна статична характеристика (НСХ) – це залежність між вихідною й вхідною величиною в установленому режимі. НСХ – задається у вигляді графіку в системі координат, аналітично у вигляді формули залежності між вхідною та вихідною величини, у вигляді таблиці, яка складається за результатами експериментів або результатів обчислень за формулою залежності між вхідною і вихідною величин.

Поріг чутливості – це найменше значення вимірювального параметру, яке здатне змінити показання приладу (зміну положення стрілки, цифрове значення).

Електромеханічні вимірювальні перетворювачі

Електромеханічні перетворювачі перетворюють різні механічні параметри (тиск, переміщення, швидкість, прискорення і т.д.) в електричний сигнал. Залежно від того, який

електричний параметр змінюється під впливом механічних величин, вони можуть бути активного опору, індуктивними, ємнісними і т.д..

Перетворювачі активного опору, або реостатні (рис.1), використовують для вимірювання лінійних і кутових переміщень. Вони являють собою реостат, движок якого жорстко пов'язаний з мембраною, важелем або іншим вимірювальним рухливим елементом. При переміщенні движка змінюється опір реостатного перетворювача. Реостатні перетворювачі звичайно виготовляють із тонкого дроту, намотаного на каркас. Залежно від профілю каркаса при переміщенні движка може змінюватися його опір за будь-яким законом. У вимірювальні пристрої й прилади реостатні перетворювачі включають головним чином за схемою потенціометра.

Рис. 1. Схема реостатного перетворювача

Перевагою реостатних датчиків у тому, що їх інерційність практично дорівнює нулю.

Індуктивні перетворювачі

Індуктивний диференційно-трансформаторний перетворювач живеться напругою змінного струму. При переміщенні сердечника 1 ( рис 2) нагору або вниз міняється коефіцієнт взаємоіндукції у верхній 2 і нижній 3 обмотках, одна з наведених е.р.с. збільшується, а інша зменшується. Тому що фази зрушені на 180°, виникає різниця напруг. Таким чином, у диференційно-трансформаторному перетворювачі вихідна величина — це напруга , яка дорівнює різниці е.р.с., що наводиться в зустрічно включених обмотках.

Рис. 2. Схема роботи диференційно-трансформаторного перетворювача а – положення плунжера; б – напруга на вторинних обмотках; в – сумарну вихідну напругу

Феродинамічний перетворювач (рис .3) складається з магнітопроводу 1, на якому розташована обмотка збудження 2, і рухливої котушки (рамки) 3, закріпленої на осі. Котушка (рамка) 3 перебуває в повітряному зазорі магнітопроводу. При подачі в обмотку збудження змінного струму в магнітопроводі й повітряному зазорі створюється змінний магнітний потік. Якщо котушка розташована в повітряному зазорі вертикально, то магнітні лінії проходять уздовж котушки й е.р.с. у ній не виникає.

Котушка з'єднана із чутливим елементом, що вимірює параметр. При повороті котушки магнітне поле індуктує у ній е.р.с. Кут повороту міняє величину е.р.с., одержувану з перетворювача. Якщо котушка займе горизонтальне положення, то величина змінного магнітного потоку, що пронизує її, а отже, і наведена в ній е.р.с. будуть максимальними.

Рис. 3. Схема феродинамічного перетворювача

Ємнісні перетворювачі (рис 4), так само як і індуктивні, мають високу чутливість, тобто при малих переміщеннях рухливої частини ємнісного перетворювача відбувається різка зміна ємності.

У найпоширеніших типах ємнісних перетворювачів використовують залежність електричної ємності від відстані між пластинами конденсатора.

Ємнісні перетворювачі дозволяють вимірювати дуже малі переміщення — приблизно 10^-7 мм.

Рис. 4. Схема ємнісного перетворювача

Пневматичні перетворювачі одержали велике поширення у зв'язку з можливістю створення вибухобезпечної системи вимірювання. У цій системі дистанційної передачі показань контрольована величина перетвориться в тиск повітря, який передається на вторинний прилад. Дальність передачі при застосуванні пневматичних систем досягає кілька сотень метрів. Для передачі показань використовують стиснене повітря, попередньо очищене і осушене. Вимірювальний прилад, обладнаний пристроєм пневмопередачі, буде первинним приладом.

Основною частиною пневматичних перетворювачів є система (вузол) «сопло — заслінка» (рис.5). Стиснене повітря під тиском 0,14 МПа (1,4 кгс/см²) надходить через редуктор у трубку 1 і далі через дросель 2 направляється в камеру 3. З камери частина повітря через сопло 4 може видалятися в атмосферу, а інша частина по трубці 5 направляється до вторинного приладу. Сопло 4 являє собою трубку з вихідним отвором, діаметр якого 0,2-0,5 мм. Дросель 2 також виконаний у вигляді трубки, площа перетину отвору якої приблизно в чотири рази менше, чим у сопла. Вихідний отвір сопла прикривається заслінкою 6, яка пов'язана з вимірювальною системою й може наближатися або, навпаки, відходити від сопла під дією вимірювального елемента 7. Чим ближче заслінка до сопла, тим менше повітря виходить в атмосферу й тим більший тиск у камері 3. Коли заслінка повністю прикриє отвір, тиск у камері буде дорівнювати вхідному. При відході заслінки від сопла тиск у камері буде падати. Відстань, яку повинна пройти заслінка, щоб тиск у камері став дорівнювати атмосферному, складає 0,2-0,25 діаметра отвору сопла.

Пневматичні перетворювачі мають високу точність. Класи їх точності 0,6, 1 і 1,5. Перетворювачі побудовані по блоковому принципу з використанням уніфікованого пневмосилового перетворювача, який дозволяє шляхом зчленування з різними чутливими елементами вимірювати практично будь-які технологічні параметри й перетворювати їх у стандартний пневматичний сигнал, рівний 0,02—0,1 МПа (0,2—1 кгс/см²).

Рис. 5. Система « сопло-заслінка» а -схема; б — графік дії

Принцип дії пневматичного перетворювача заснований на пневматичній силовій компенсації. На рис 6 показана принципова схема уніфікованого пневмосилового перетворювача. Вимірюваний параметр впливає на чутливий елемент вимірювального блоку 1 і перетворюється в пропорційне зусилля Р, яке через важільну систему 2 пневмосилового перетворювача врівноважується зусиллям Р_з.з. — сильфона зворотного зв'язку 3. При зміні вимірюваного параметра й, отже, зусилля Р відбувається незначне переміщення важільної системи й пов'язаної з нею заслінки 4 щодо сопла 5. Індикатор неузгодженості типу «сопло-заслінка» перетворює це переміщення в керуючий сигнал тиску стисненого повітря, що надходить на вхід пневматичного підсилювача 6. Вихідний сигнал з підсилювача надходить у лінію дистанційної передачі й одночасно в сильфон зворотного зв'язку 3 пневмосилового перетворювача, де перетворюється в пропорційне зусилля Р, яке через важільну систему 2 урівноважує вимірюване зусилля Р_з.з. від вимірювального блоку. Таким чином, захід вимірюваного зусилля Р — поточне значення величини вихідного сигналу перетворювача, необхідне для створення, що врівноважує зусилля зворотному зв'язка Р_з.з. Настроюють перетворювач на заданий діапазон вимірювання зміною передатного відношення важільної системи 2, що досягаються при переміщенні опорної призми 7 уздовж важелів цієї системи.

Початкове значення вихідного сигналу перетворювача 0,02 МПа (0,2 кгс/см²) установлюють за допомогою пружини коректори нуля 8. Підсилювач перетворювача працює на очищеному повітрі тиском 0,14 МПа (1,4 кгс/см²). Гранична відстань передачі пневматичного сигналу по трубці внутрішнім діаметром 6 мм становить 300 м. Первинні прилади з уніфікованим пневмосиловим перетворювачем можуть працювати з будь-якими пневматичними вторинними приладами, регулюючими блоками й іншими пристроями пневмоавтоматики.

Рис.6. Схема пневматичного перетворювача

Принцип дії струмових перетворювачів заснований на перетворенні виміряного параметра в сигнал постійного струму, тобто при вимірюванні технологічного параметра, наприклад тиску, вони перетворять цей неелектричний параметр у сигнал постійного струму величиною 0-5 мА або 0-20 мА.

На рис 7. показана спрощена принципова схема струмового перетворювача. Вимірюваний параметр впливає на чутливий елемент вимірювального блоку 1 і перетворює в зусилля Р, яке через важільну систему 2 електросилового перетворювача врівноважується зусиллям Р_з.з. магнітоелектричного пристрою зворотного зв'язку.

При зміні зусилля Р переміщається важільна система 2 і пов'язаний з нею керуючий прапорець 3 індикатору неузгодженості 4. Індикатор неузгодженості перетворює це переміщення в керуючий сигнал — напругу змінного струму, який надходить на вхід електронного пристрою 5. Вихідний сигнал постійного струму від електронного пристрою надходить у лінію дистанційної передачі й одночасно в послідовно з'єднану з нею обмотку рамки 6 магнітоелектричного пристрою 7. Надійшовший сигнал, перетворюється в зусилля зворотного зв'язку Р_з.з. Це зусилля через важільну систему 2 урівноважує вхідне зусилля. Настроюють перетворювачі на заданий діапазон вимірювання, змінюючи передатне відношення важільної системи 2 переміщенням призми 8. Точно початкове значення вихідного сигналу встановлюють за допомогою пружини 9 коректора нуля.

Рис. 7 Схема струмової пари метричного перетворювача

Дайте відповіді на питання

1. Що відноситься до засобів вимірювання

2. Що таке проміжний вимірювальний перетворювач

3. На які дві групи поділяються похибки вимірювання

4. Назвіть вимірювальні перетворювачі, які ви знаєте