Вимiрювальнi сигнали

Вимiрювальнi сигнали

Спочатку наведемо визначення сигналу взагалi.

Сигнал - це фiзичний процес, властивостi якого визначаються взаiмодiiю мiж матерiальним обтАЩiктом та засобом його дослiдження.

Сигнали характеризуються параметрами.

Параметр сигналу - одна з властивостей, яка i фiзичною величиною.

Параметри сигналiв роздiляють на iнформативнi та неiнформативнi.

РЖнформативний параметр сигналу - параметр сигналу, який функцiонально звтАЩязаний з дослiджуваною (вимiрюваною) величиною або ж маi задане значення.

У протилежному випадку параметр сигналу i неiнформативним.

Окремий вид сигналiв складають вимiрювальнi сигнали, що виконують функцiю взаiмозвтАЩязку мiж обтАЩiктом вимiрювання та засобом (засобами) вимiрювальноi технiки (рис. 1.2).

Вимiрювальнимсигналом називають сигнал, один чи декiлька параметрiв якого i iнформативними.

Розрiзняють вхiднi вимiрювальнi сигнали та сигнали вимiрювальноi iнформацii.

Вхiдний вимiрювальний сигнал - це вимiрювальний сигнал, який подаiться на вхiд засобу вимiрювальноi технiки з виходу обтАЩiкта вимiрювання чи джерела вимiрювального сигналу або з виходу останнього на вхiд обтАЩiкта вимiрювання.

Вимiрювальний сигнал, що утворюiться на виходi джерела вимiрювального сигналу, називають зразковим сигналом. Пiд зразковим сигналом розумiють вимiрювальний сигнал, один чи декiлька параметрiв якого мають заданi значення.

Сигнал вимiрювальноi iнформацii - це вимiрювальний сигнал, який представляi вимiрювальну iнформацiю на виходi засобу вимiрювальноi технiки.

Сигнали вимiрювальноi iнформацii роздiляють на вiзуальнi та кодовi. ВаВiзуальним називають сигнал вимiрювальноi iнформацii, який сприймаiться оператором вiзуально. Кодовим називають сигнал вимiрювальноi iнформацii, який представляiться заданим кодом i призначаiться для сприйняття технiчними засобами.

1.3.4. Процедура вимiрювання та вимiрювальнiоперацii

Вимiрювання виконуються за процедурою, яка визначаiться методикою виконання вимiрювань.

Процедура вимiрювання тАУ це послiдовнiсть вимiрювальних операцiй, що забезпечуi вимiрювання згiдно з обраним методом.

Таким чином, процедура вимiрювання складаiться з вимiрювальнихоперацiй.

Вимiрювальна операцiя - це операцiя з фiзичними величинами або iх значеннями пiд час вимiрювання.

До вимiрювальних операцiй належать: вiдтворення фiзичноi величини, порiвняння фiзичних величин i вимiрювальне перетворення.

Вiдтворення фiзичноi величини - вимiрювальна операцiя, що полягаi у створеннi та (чи) зберiганнi фiзичноi величини заданого значення.

Порiвняння фiзичних величин - вимiрювальна операцiя, що полягаi у порiвняннi двох розмiрiв (значень) однорiдних фiзичних величин.

Вимiрювальне перетворення фiзичних величин - вимiрювальна операцiя, пiд час якоi одна фiзична величина перетворюiться в iншу, функцiонально з нею звтАЩязану.

Фiзичний ефект, на якому ТСрунтуiться вимiрювальне перетворення,називають принципом вимiрювального перетворення.

Вимiрювальнi перетворення подiляють на перетворення без змiни роду та зi змiною роду вихiдноi фiзичноi величини, а також на лiнiйнi та нелiнiйнi за видом функцiональноi залежностi (лiнiйна чи нелiнiйна) мiж початковою величиною й тiiю величиною, що одержують пiсля перетворення. Одним з поширених видiв лiнiйного перетворення фiзичноi величини i масштабне вимiрювальне перетворення, пiд яким розумiють лiнiйне вимiрювальне перетворення фiзичноi величини без змiниii роду.

1.4. Засоби вимiрювальноi технiки

1.4.1. Визначення i рiзновиди засобiв вимiрювальноi технiки

Засоби вимiрювальноi технiки i обовтАЩязковим елементом будь-якого процесу вимiрювання. Бiльш того, вони значною мiрою визначають його якiсть, оскiльки саме ЗВТ забезпечують зберiгання одиниць вимiрювань i iх порiвняння з розмiром вимiрюваноi величини, тобто виконання основних вимiрювальних операцiй. Проте в рядi практичних випадкiв для здiйснення вимiрювального експерименту, крiм ЗВТ, необхiднi й iншi технiчнi засоби, якi забезпечують, зокрема, пiдтримання умов виконання вимiрювань, збирання, зберiгання i передавання вимiрювальноi iнформацii, виконання обчислень тощо.

На теперiшнiй час вимiрювальна технiка - це величезний парк рiзноманiтних ЗВТ з рiзними технiчними i метрологiчними характеристиками. Особливо важливими для процесу вимiрювання i метрологiчнi характеристики, тому що вони впливають на результат i похибку вимiрювання. Всi метрологiчнi характеристики ЗВТ пiдлягають нормуванню, пiд яким розумiють задання номiнальних значень i границь допустимих вiдхилень реальних метрологiчних характеристик ЗВТ вiд номiнальних значень (див. Вз 3.1). Засоби вимiрювальноi технiки можна використовувати для виконання вимiрювань тiльки за умови, коли вiдомi iхнi метрологiчнi характеристики. Ця вимога настiльки важлива, що вона введена у визначення засобу вимiрювальноiтехнiки.

Засiб вимiрювальноi технiки - це технiчний засiб (або стандартний зразок), який застосовуiться пiд час вимiрювань i маi нормованi (заданi) метрологiчнi характеристики.

Засоби вимiрювальноi технiки розподiляютьна типи.

Тип засобу вимiрювальноi технiки - сукупнiсть засобiв вимiрювальноi технiки однакового призначення, якi мають однаковий принцип дii, однакову конструкцiю та виготовленi за однiiю технологiчною документацiiю.

Вимоги до ЗВТ, як правило, регламентуються нормативною документацiiю. Такi ЗВТназивають стандартизованими. Засоби вимiрювальноi технiки, вимоги до яких не регламентуються вiдповiдно до нормативноi документацii,називають нестандартизованими.

Залежно вiд областi (масштабу) застосування вiдрiзняють ЗВТ загального застосування i спецiальнi (сервiснi) ЗВТ. До ЗВТ загального застосування належать ЗВТ, якi розробляються i випускаються для загальнодержавного i вiдомчого застосування. Спецiальнi (сервiснi)ЗВТ мають вузькоцiльове призначення, розробляються i використовуються в системi технiчного обслуговування конкретного обтАЩiкта або групи обтАЩiктiв вимiрювання. Вони можуть бути вбудованими (вмонтованими) i зовнiшнiми. До ЗВТ, умонтованих в обтАЩiкти вимiрювання, ставляться тi самi вимоги щодо захищеностi вiд зовнiшнiх впливiв, якi установленi для даного обтАЩiкта з урахуванням застосованих у них засобiв захисту.

Усi ЗВТ можна розподiлити на двi основнi групи за такими ознаками: функцiональне призначення та метрологiчне забезпечення.

1.4.2. Рiзновиди засобiв вимiрювальноi технiки за функцiональним призначенням

За функцiональним призначенням розрiзняють три рiзновиди ЗВТ: засоби вимiрювань, вимiрювальнi пристроi i еталони (рис.1.3).

Засiбвимiрювань - засiб вимiрювальноi технiки, який реалiзуi процедуру вимiрювань.

Вимiрювальний пристрiй - засiб вимiрювальноi технiки, в якому виконуiться лише одна iз складових частин процедури вимiрювань (вимiрювальна операцiя).

Рис. 1.3. Класифiкацiя засобiв вимiрювальноi технiки

Визначення еталона i його рiзновиди наведенi в пiдп. 1.4.3.

Засоби вимiрювань подiляють на вимiрювальнi прилади, кодовi засоби вимiрювань, реiструвальнi засоби вимiрювань, вимiрювальнi канали, вимiрювальнi системи i вимiрювальнi iнформацiйнiсистеми.

Вимiрювальний прилад - засiб вимiрювань, в якому створюiться вiзуальний сигнал вимiрювальноi iнформацii.

Класифiкацiя вимiрювальних приладiв наведена в пiдп. 1.4.4.

Кодовий засiб вимiрювань (аналого-цифровий перетворювач) - засiб вимiрювань, в якому створюiться кодовий сигнал вимiрювальноi iнформацii.

На наш погляд (на вiдмiну вiд ДСТУ 2681-94), поняття кодового засобу вимiрювання i аналого-цифрового перетворювача (АЦП) не i iдентичними. Перше з них значно ширше, нiж друге, оскiльки поняття коду (i кодового сигналу) значно ширше за поняття цифрового коду. Тому АЦП слiд вiднести до вимiрювальних пристроiв. Крiм того, в такому розумiннi кодовi засоби вимiрювань охоплюють цифровi вимiрювальнi прилади, i останнi треба розглядати як рiзновид кодових засобiв вимiрювань.

Реiструвальний засiбвимiрювань - засiб вимiрювань, в якому реiструiться сигнал вимiрювальноi iнформацii.

Реiструвальнi ЗВ забезпечують можливiсть автоматичного документування результатiв вимiрювань шляхом iх запису в аналоговiй формi (самописнi ЗВ, наприклад сейсмографи, барографи, свiтлопроменевi осцилографи) або друкування в цифровiй формi (наприклад, цифровi вимiрювальнi прилади, сполученi з цифродрукувальним пристроiм). При цьому може вiдображатися залежнiсть вимiрюваноi величини у функцii часу (наприклад, перехiдний процес в електричному колi) або у функцii iншоi величини (частотнi характеристики динамiчних обтАЩiктiв та iн.).

Вимiрювальний канал - сукупнiсть засобiв вимiрювальноi технiки, засобiв передавання i зберiгання iнформацii та iнших технiчних засобiв, функцiонально обтАЩiднаних для створення сигналу вимiрювальноi iнформацii про одну вимiрювану фiзичнувеличину.

Вимiрювальна система - сукупнiсть вимiрювальних каналiв, окремих засобiв вимiрювальноi технiки, засобiв збирання, передавання i зберiгання iнформацii та iнших технiчних засобiв, функцiонально обтАЩiднаних для створення сигналiв вимiрювальноi iнформацii про декiлька вимiрюваних фiзичних величин.

Вимiрювальна iнформацiйна система - сукупнiсть вимiрювальних каналiв, окремих засобiв вимiрювальноi технiки, контролю i дiагностики, засобiв збирання, передавання, зберiгання i обробки iнформацii, iнших технiчних засобiв, функцiонально обтАЩiднаних для створення сигналiв вимiрювальноi та iнших видiв iнформацii.

Вiдзначимо, що в науково-технiчнiй лiтературi використовуються рiзноманiтнi термiни, подiбнi до вимiрювальноi системи або до вимiрювальноi iнформацiйноi системи, наприклад: вимiрювальна установка, вимiрювально-обчислювальна система, вимiрювально-обчислювальний комплекс, вимiрювальна контролююча система, вимiрювальна керуюча система. Усi вони, по сутi, i рiзновидом вимiрювальних систем та вимiрювальних iнформацiйних систем i забезпечують автоматизацiю процесiв вимiрювання, обробки i вiдображення результатiв вимiрювання, контролю i дiагностики, а iнодi введення вимiрювальноi iнформацii в автоматизованi системи управлiння.

Вимiрювальнi пристроi за функцiональним призначенням подiляють на мiри, компаратори, вимiрювальнi перетворювачi i обчислювальнi компоненти.

Мiра фiзичноi величини - вимiрювальний пристрiй, що реалiзуi вiдтворення та (або) зберiгання фiзичноi величини одного або декiлькох заданих значень.

Розрiзняють однозначнi i багатозначнi мiри, набори i магазини мiр.

Однозначною називаiться мiра, яка вiдтворюi фiзичну величину одного значення (наприклад, нормальний елемент, зразкова котушка опору). Багатозначна мiра забезпечуi вiдтворення фiзичноi величини декiлькох значень (наприклад, штрихова мiра довжини, конденсатор змiнноi iмностi).

У рядi випадкiв для розширення можливостей вiдтворення фiзичноi величини рiзних значень використовують набори однозначних мiр, рiзнi комбiнацii яких дозволяють одержати потрiбне значення фiзичноi величини. Прикладом набору мiр i набори плоско паралельних кiнцевих мiр довжини. Якщо набiр мiр конструктивно обтАЩiднаний в iдиний блок, то вiн називаiться магазином мiр (наприклад, магазин електричних опорiв, магазин iндуктивностей, магазин iмностей).

Окремим видом мiр i стандартнi зразки.

Стандартний зразок - мiра у виглядi речовини або матерiалу зi встановленими в результатi метрологiчноi атестацii значеннями однiii або декiлькох фiзичних величин, що характеризують властивостi або склад цiii речовини чи матерiалу.

Розрiзняють стандартнi зразки властивостей i стандартнi зразки складу.

Компаратор - вимiрювальний пристрiй, що реалiзуi операцiю порiвняння однорiдних фiзичних величин.

Компаратори можуть виконуватися у виглядi технiчних засобiв або спецiально створених середовищ. Вони широко використовуються не тiльки у вимiрювальних приладах, але й для звiряння еталонiв i мiр однорiдних фiзичних величин або ж показiв вимiрювальних приладiв, наприклад: компаратор електрорушiйноi сили; частотний компаратор; температурне поле, що створюiться термостатом для звiряння показiв термометрiв; рiдина з вiдомою густиною, яка використовуiться для звiряння ареометрiв i т.д. Компаратори, строго кажучи, не i класичними ЗВТ, тому вони не мають загальноприйнятих метрологiчних характеристик. РЗх основною характеристикою i чутливiсть або порiг чутливостi. Одночасно вони iстотно впливають на точнiсть виконуваних за iх участю вимiрювань, оскiльки результати порiвняння часто становлять основу для прийняття рiшення про метрологiчну справнiсть ЗВТ при повiрках. Компаратори конструктивно можуть виконуватися у виглядi автономних приладiв. У цьому випадку iм надають букво-цифрове позначення, наприклад, компаратор частоти типу Ч7-12.

Вимiрювальний перетворювач - вимiрювальний пристрiй, що реалiзуi операцiю вимiрювального перетворення.

Поняття вимiрювального перетворення використовуiться в усiх без винятку галузях вимiрювальноi технiки, ставши одним з основних початкових положень. Вимiрювальнi перетворення складають етапи вимiрювального процесу ‑ вiд сприйняття фiзичноi величини до формування i подання ii числового значення в тiй чи iншiй формi. З цiii точки зору можна видiлити такi основнi операцii одержання i передавання вимiрювальноi iнформацii:

а) первинне сприйняття i видiлення вимiрюваноi фiзичноi величини з одночасним формуванням сигналу вимiрювальноi iнформацii;

б) функцiональне перетворення сигналу вимiрювальноi iнформацii;

в) подання вимiрювальноi iнформацii у тiй чи iншiй формi сповiщення (число, кодовий сигнал, дiаграма i т.д.).

Послiдовне перетворення вимiрювальних сигналiв i практично iдиним методом, на основi якого може бути побудований будь-який вимiрювальний канал (приладу, установки або системи). Тому вимiрювальний канал можна подати як ланцюг вимiрювальних перетворювачiв. Такий пiдхiд в основному i використовуiться як при аналiзi, так i при синтезi вимiрювальних каналiв ЗВТ.

Вимiрювальнi перетворювачi знаходять самостiйне застосування, а також як основнi компоненти входять до складу iнших ЗВТ. Вони подiляються на рiзновиди за двома ознаками: за мiсцем у вимiрювальному ланцюзi та за видом здiйснюваного перетворення. За першою ознакою розрiзняють первиннi й вториннi (промiжнi) вимiрювальнi перетворювачi.

Первинний вимiрювальний перетворювач (сенсор) - вимiрювальний перетворювач, який першим взаiмодii з обтАЩiктом вимiрювання.

Первиннi вимiрювальнi перетворювачi, конструктивно вiдособленi вiд ЗВТ i установленi на обтАЩiктах вимiрювання, що розмiщуються на вiдстанi вiд пристрою обробки, вiдображення i реiстрування вимiрювальноi iнформацii, називають датчиками (наприклад, датчик температури, датчик вiбрацii, датчик iонiзуючого випромiнювання тощо).

Вимiрювальнi перетворювачi, що здiйснюють промiжнi перетворення вимiрювальноi iнформацii, тобто розташованi у вимiрювальному каналi пiсля первинного перетворювача, називають вторинними вимiрювальними перетворювачами.

Вимiрювальнi перетворювачi, якi виконують лiнiйне змiнювання (зменшення або збiльшення) значення фiзичноi величини у визначену кiлькiсть разiв, називають масштабними вимiрювальними перетворювачами. До них належать подiльники напруги, додатковi резистори та шунти, пiдсилювачi та атенюатори, вимiрювальнi трансформатори струму i напруги.

За видом перетворення сигналiв вимiрювальноi iнформацii вимiрювальнi перетворювачi роздiляють на аналоговi, аналого-цифровi i цифроаналоговi перетворювачi (АЦП i ЦАП вiдповiдно).

Аналоговi вимiрювальнi перетворювачi перетворюють аналоговий сигнал в iнший аналоговий сигнал, однорiдний або рiзнорiдний з початковим (вхiдним) сигналом (наприклад, амплiтудний детектор перетворюi амплiтуду змiнноi напруги в пропорцiйну постiйну напругу, термоелектричний перетворювач - температуру в електричну напругу). АЦП здiйснюi перетворення аналогового сигналу в цифровий код, наприклад двiйковий. ЦАП служить для зворотноi операцii перетворення - цифрового коду в безперервну напругу або струм.

Якщо вимiрювальний перетворювач виконуiться у виглядi автономного блока (модуля), то йому присвоюiться вiдповiдно букво-цифрове позначення, наприклад, пiдсилювач У3-28, АЦП Ф-7070 i т.д.

Обчислювальний компонент ЗВТ (числовий вимiрювальний перетворювач) - вимiрювальний пристрiй, що i сукупнiстю засобу (засобiв) обчислювальноi технiки та програмного забезпечення i виконуi обчислювальнi операцii процедури вимiрювань.

Обчислювальний компонент можна розглядати як рiзновид вимiрювальних перетворювачiв за видом здiйснюваного перетворення, що i доцiльним при оцiнцi похибок вимiрювальних каналiв.

РЖнколи не обовтАЩязково знати числове значення вимiрюваноi величини, яке характеризуi ту чи iншу властивiсть обтАЩiкта або явища, а досить виявити якимось чином цю властивiсть. Для даноi мети використовують iндикатори.

РЖндикатор - технiчний пристрiй або речовина, який за наявностi певноi властивостi обтАЩiкта чи явища створюi вiдповiдний сигнал iнформацii.

РЖндикатори не належать до ЗВТ, але окремi види ЗВТ можуть використовуватися як iндикатори. Наприклад, магнiтний компас - iндикатор напруженостi магнiтного поля, освiтлювальна електрична лампа - iндикатор електричноi напруги, лакмусовий папiр - iндикатор активностi iонiв водню в розчинах. Таким чином, за допомогою iндикаторiв установлюiться тiльки наявнiсть вимiрюваноi фiзичноi величини, тобто тiii чи iншоi властивостi обтАЩiкта або явища. У цьому вiдношеннi iндикатори вiдiграють ту саму роль, що й органи чуттiв людини, але значно розширюють iх можливостi. Оскiльки iндикатори мусять лише реагувати на виявлення певних властивостей навколишнього свiту, то найважливiшою iхньою технiчною характеристикою i порiг реагування (або порiг чутливостi). Чим вiн менший, тим слабкiше проявлення контрольованоi властивостi реiструiться iндикатором. Деякi сучаснi iндикатори володiють дуже малими порогами чутливостi, якi знаходяться на рiвнi фонових полiв i власних шумiв апаратури.

Для технiчноi реалiзацii процесу вимiрювання звичайно потрiбнi не тiльки ЗВТ, а й iншi технiчнi засоби, iх iнодi називають допомiжними. Серед них видiляють вимiрювальне приладдя, яке безпосередньоi участi в одержаннi числового значення результату вимiрювання не бере, але опосередковано впливаi на похибки вимiрювання. До приладдя, наприклад, належать пристроi для контролю i пiдтримки певних умов вимiрювання (температури, тиску, газового складу), противiбрацiйнi фундаменти, пристроi екранування вiд електромагнiтних полiв тощо.

1.4.3. Рiзновиди засобiв вимiрювальноi технiки за метрологiчним призначенням

За метрологiчним призначенням ЗВТ роздiляють на робочi ЗВТ, зразковi ЗВТ та еталони.

Робочий засiб вимiрювальноi технiки - засiб вимiрювальноi технiки, що застосовуiться для вимiрювань, не звтАЩязаних з передаванням розмiру одиницi вимiрювань iншим засобам вимiрювальноi технiки.

Залежно вiд областi застосування (класу вирiшуваних задач вимiрювання) робочi ЗВТ можуть бути лабораторними, виробничими i польовими. Лабораторнi ЗВТ використовуються при наукових дослiдженнях, розробцi технiчних засобiв, медичних вимiрюваннях тощо. Звичайно вони мають найбiльш високi метрологiчнi характеристики серед робочих ЗВТ. Виробничi ЗВТ застосовуються для вимiрювання i контролю параметрiв технологiчних процесiв та технiчного стану виробничого обладнання, для контролю показникiв якостi готовоi продукцii тощо. Польовi ЗВТ використовуються для експлуатацiйних вимiрювань i контролю параметрiв таких технiчних обтАЩiктiв, як лiтаки, автомобiлi, кораблi та iн. До польових, звичайно, належать i вмонтованi робочi ЗВТ, якi зазнають зовнiшнiх впливiв, що змiнюються в широких межах. До виробничих i польових ЗВТ ставляться в порiвняннi з лабораторними ЗВТ бiльш високi вимоги щодо iх експлуатацiйних характеристик (стiйкiсть до ударно-вiбрацiйних навантажень, впливiв температури, вологостi, радiацiйного випромiнювання, електромагнiтних полiв тощо).

Зразковий засiб вимiрювальноi технiки - засiб вимiрювальноi технiки, призначений для повiрки iнших засобiв вимiрювальноi технiки i затверджений як зразковий.

Зразковий засiб вимiрювальноi технiки, що маi метрологiчнi характеристики, якi вiдповiдають найвищому ступеню даноi повiрочноi схеми, називають вихiдним зразковим засобом вимiрювальноi технiки.

Зразковi засоби вимiрювальноi технiки, в тому числi вихiднi, можуть виконуватися у виглядi повiрочних установок (та систем), автоматизованих i автоматичних. На вiдмiну вiд вимiрювальних систем (i установок) вони комплектуються зразковими засобами вимiрювальноi технiки i призначаються для повiрки iнших засобiв вимiрювальноi технiки.

Засобами вимiрювальноi технiки найвищоi точностi i еталони одиниць вимiрювань (одиниць фiзичних величин).

Еталон одиницi (надалi еталон) - засiб вимiрювальноi технiки, що забезпечуi вiдтворення та (або) зберiгання одиницi вимiрювань одного чи декiлькох значень, а також передавання розмiру цiii одиницi засобам вимiрювальноi технiки.

Вiдтворення одиницi вимiрювань (одиницi фiзичноi величини) - вiдтворення одиницi шляхом створення фiксованоi за розмiром фiзичноi величини вiдповiдно до визначення одиницi вимiрювань.

Передавання розмiру одиницi вимiрювань (одиницi фiзичноi величин) - зведення (доставка) розмiру одиницi вимiрювань (одиницi фiзичноi величини), яка вiдтворюiться або зберiгаiться засобом вимiрювальноi технiки, що повiряiться, до розмiру тiii самоi одиницi, яка вiдтворюiться або зберiгаiться еталоном чи зразковим засобом вимiрювальноi технiки, при iх звiреннi (повiрцi).

За призначенням i метрологiчними характеристиками еталони роздiляють на державнi, робочi та вихiднi.

Державний еталон - офiцiйно затверджений еталон, який забезпечуi вiдтворення одиницi вимiрювань та передавання ii розмiру iншим еталонам з найвищою в краiнi точнiстю.

Державнi еталони i виключно державною власнiстю, пiдлягають затвердженню Держстандартом Украiни i перебувають у його вiданнi.

Державнi (нацiональнi) еталони за мiжнародною угодою можуть використовуватися як мiжнароднi еталони, що призначаються для погодження (звiрення) розмiрiв одиниць вимiрювань, вiдтворюваних державними (нацiональними) еталонами рiзних краiн.

Робочий еталон - еталон, призначений для повiрки або калiбрування засобiв вимiрювальноi технiки.

Вихiдний еталон - еталон, який маi найвищi метрологiчнi властивостi серед еталонiв, що i на пiдприiмствi чи в органiзацii.

Еталони можуть бути одиничними i груповими. До складу групового еталона входить декiлька (група) одиничних еталонiв або (та) зразкових засобiв вимiрювальноi технiки тiii самоi фiзичноi величини.

Еталонна база створюiться та вдосконалюiться згiдно з державними науково-технiчними програмами, якi розробляються Держстандартом Украiни з метою забезпечення потреб науки, економiки i оборони. За виконання завдань цих програм, технiчний рiвень державних еталонiв та оптимальнiсть структур еталонноi бази вiдповiдаi Держстандарт Украiни.

1.4.4. Класифiкацiя вимiрювальних приладiв

Вимiрювальнi прилади i найбiльш розповсюдженим видом ЗВ. У систему iх класифiкацii покладенi такi основнi ознаки: рiд вимiрюваноi фiзичноi величини, призначення, елементна база, спосiб одержання значення вимiрюваноi величини, спосiб обробки вимiрювальноi iнформацii, захищенiсть вiд впливу зовнiшнiх умов.

Залежно вiд вимiрюваних фiзичних величин вимiрювальнi прилади, як i вимiрювання (див. Вз 1.5), роздiляють на види. Кожний вид вимiрювальних приладiв обтАЩiднуi прилади, призначенi для вимiрювання величин, якi близькi за фiзичною природою або належать до певноi галузi науки i технiки. Наприклад: вимiрювальнi прилади для вимiрювання електричних величин (електровимiрювальнi прилади), вимiрювальнi прилади для вимiрювання радiотехнiчних величин (радiовимiрювальнi прилади), вимiрювальнi прилади для вимiрювання температури, тиску i т.д.

У межах виду вимiрювальнi прилади роздiляють на типи, як i ЗВТ в цiлому. Вимiрювальнi прилади даного типу можуть мати модифiкацii, якi вiдрiзняються, наприклад, дiапазоном вимiрювань. Вид вимiрювального приладу може включати декiлька типiв.

За призначенням вимiрювальнi прилади роздiляють на амперметри, вольтметри, частотомiри, фазометри, ватметри та iн.

За елементною базою, яка використана для iх побудови, вимiрювальнi прилади роздiляють на електромеханiчнi та електроннi.

Електромеханiчнi вимiрювальнi прилади ТСрунтуються на перетвореннi енергii електромагнiтного поля в механiчну енергiю перемiщення рухомоi частини приладу за допомогою електромеханiчних перетворювачiв. Для розширення можливостей вимiрювання рiзних фiзичних величин в електромеханiчних приладах застосовують попереднi перетворювачi, наприклад випрямлячi, термоперетворювачi. Вони утворюють групу електромеханiчних вимiрювальних приладiв з перетворювачами.

До електронних належать вимiрювальнi прилади, в яких перетворення сигналiв у вимiрювальних каналах здiйснюiться за допомогою електронних вузлiв, виконаних на електронних i напiвпровiдникових приладах, а також на iнтегральних мiкросхемах рiзного ступеня iнтеграцii, у тому числi на мiкропроцесорах.

Усi радiовимiрювальнi прилади i, як правило, електронними або радiоелектронними i рiдше електромеханiчними з попереднiми перетворювачами (див. Вз 6.1).

За методом вимiрювання(або за участю мiри у вимiрюваннях) розрiзняють вимiрювальнi прилади прямоi дii i вимiрювальнi прилади порiвняння.

Вимiрювальнi прилади прямоi дii(або безпосередньоi оцiнки) ТСрунтуються на одному або декiлькох послiдовних перетвореннях вимiрювального сигналу в одному напрямку, тобто без застосування негативного зворотного звтАЩязку з виходу на вхiд приладу. Такi прилади обовтАЩязково потребують градуювання шкали показувального пристрою, пiд яким розумiють нанесення на шкалу позначок, що вiдповiдають одному або декiльком значенням вимiрюваноi фiзичноi величини. При цьому мiра, яка вiдтворюi одиницю вимiрювань, необхiдну для здiйснення вимiрювання, бере участь тiльки в процесi градуювання показувального пристрою, який потiм i забезпечуi зберiгання одиницi в процесi вимiрювань.

У вимiрювальних приладах порiвняння (або зрiвноважування) результат вимiрювання одержують порiвнянням розмiру вимiрюваноi величини з розмiром величини, що вiдтворюiться мiрою (вмонтованою або зовнiшньою). Достоiнством вимiрювальних приладiв порiвняння i те, що iх похибка визначаiться в основному похибкою застосованоi мiри, а отже, удосконалення мiр приводить до пiдвищення точностi приладу в цiлому.

Прилади порiвняння виконуються за мостовою або компенсацiйною схемами, якi в процесi вимiрювань пiддаються автоматичному або ручному зрiвноважуванню. В приладах порiвняння з автоматичним зрiвноважуванням обовтАЩязково i негативний зворотний звтАЩязок з виходу на вхiд приладу, а в приладах порiвняння з ручним зрiвноважуванням цю функцiю виконуi оператор.

Компенсацiйнi прилади порiвняння в момент вимiрювання, якому вiдповiдаi рiвнiсть значень вимiрюваноi i зрiвноважувальноi величин, потужнiсть вiд обтАЩiкта вимiрювання не споживають, що i iх важливим достоiнством.

За формою вiдлiку показiв вимiрювальнi прилади розподiляють на аналоговi i цифровi.

Аналоговi вимiрювальнi прилади - це вимiрювальнi прилади, показання яких i безперервною функцiiю часу, а точнiше - функцiiю змiнювання вимiрюваноi величини в часi. В iхньому вимiрювальному каналi може здiйснюватися перехiд вiд безперервного сигналу до дискретного i навпаки. Вiзуальний сигнал вимiрювальноi iнформацii в них подаiться за допомогою шкали та вказiвника.

Цифровi вимiрювальнi прилади - це вимiрювальнi прилади, що автоматично виробляють дискретнi сигнали вимiрювальноi iнформацii i покази яких поданi у цифровiй формi. Цi покази i дискретною функцiiю часу i змiнювання вимiрюваноi величини за рiвнем.

Для зменшення впливу зовнiшнiх факторiв у вимiрювальних приладах передбачаiться захист вiд клiматичних i механiчних дiй. За ступенем захищеностi цi прилади виготовляють звичайними, пило-, водо-, бризкозахищеними, герметичними, вiброударостiйкими i т.д.

1.5. Рiзновиди вимiрювань

Теперiшнього часу в силу великоi рiзноманiтностi вимiрюваних фiзичних величин i вимог до якостi вимiрювань для iх здiйснення використовують рiзнi методи. Правильне i глибоке розумiння сутi методiв вимiрювань дозволяi органiзувати процес вимiрювання так, щоб якнайкраще забезпечити виконання дуже суперечливих вимог щодо точностi, часових i апаратурних витрат.

Незважаючи на чисельнiсть методiв вимiрювань, можна видiлити властивi iм спiльнi ознаки, за якими вимiрювання роздiляють на характернi рiзновиди. До найбiльш поширених належать такi ознаки: фiзична природа вимiрюваних величин, функцiональна залежнiсть мiж шуканою i безпосередньо вимiрюваною величинами, характер змiнювання вимiрюваноi величини в часi, спосiб подання результату вимiрювання, наявнiсть попереднього (промiжного) вимiрювального перетворення, кiлькiсть вимiрювань у серii, характеристика точностi, призначення вимiрювань (рис. 1.4).

За фiзичною природою вимiрюваних величин вимiрювання розподiляють на областi i види. Пiд областю вимiрювань фiзичних величин розумiють фiзичнi величини, якi властивi певнiй галузi науки та технiки й видiляються своiю специфiкою. Вид вимiрювань i частиною областi вимiрювань, що маi своi особливостi й вiдрiзняiться однорiднiстю вимiрюваних величин. Подiл вимiрювань на областi та види не i постiйним, вiн залежить вiд обтАЩiктивних i субтАЩiктивних факторiв. Наведемо один iз варiантiв такого подiлу вимiрювань, прийнятий Держстандартом Украiни:

- вимiрювання геометричних величин;

- вимiрювання механiчних величин;

- вимiрювання параметрiв потоку, витрат, рiвня й обтАЩiму речовин;

- вимiрювання тиску, вакуумнi вимiрювання;

- вимiрювання оптичних i оптико-фiзичних величин;

- вимiрювання теплофiзичних величин i температури;

- вимiрювання часу i частоти;

- вимiрювання електричних i магнiтних величин;

- вимiрювання в радiоелектронiцi;

- вимiрювання акустичних величин;

- вимiрювання фiзико-хiмiчного складу i властивостей речовин;

- вимiрювання характеристик iонiзуючих випромiнювань i ядерних констант.

Функцiональна залежнiсть мiж шуканою i безпосередньо вимiрюваними величинами i однiiю з дуже важливих ознак, оскiльки вид цiii залежностi визначаi вибiр методу обробки результатiв вимiрювань при оцiнцi iхньоi точностi. За цiiю ознакою вимiрювання розподiляють на прямi й непрямi.

Прямимназивають вимiрювання, при якому значення однiii фiзичноi величини знаходять безпосередньо з дослiдних даних за показом вимiрювального приладу без перетворення роду фiзичноi величини i обчислень поза приладом.Рiвняння прямого вимiрювання маi вигляд

Y = X,

деВаВаВаВаВа Ва- результат вимiрювання (шукане значення фiзичноi величини);

Ва- значення вимiрюваноi величини, одержане з дослiдних даних.

Рис.1.4. Класифiкацiя вимiрювань

Прикладом прямих вимiрювань i вимiрювання довжини лiнiйкою, струму - амперметром, опору - омметром i т.д. До прямих належать вимiрювання, при яких результат вимiрювання одержують статистичною обробкою дослiдних даних (багаторазових вимiрювань одного i того самого розмiру вимiрюваноi фiзичноi величини).

Непряме вимiрювання - вимiрювання, при якому значення однiii чи декiлькох вимiрюваних фiзичних величин знаходять за результатами прямих вимiрювань iнших фiзичних величин, однорiдних або неоднорiдних, шляхом обчислень за вiдомими залежностями або пiсля вимiрювальних перетворень поза вимiрювальними приладами. Результати прямих вимiрювань, що i промiжними для отримання потрiбних результатiв вимiрювань, називають аргументами.

Отже, загальною особливiстю непрямих вимiрювань i те, що вони виконуються за два етапи: на першому етапi визначаються аргументи, а на другому етапi, етапi обчислень, - значення однiii чи декiлькох вимiрюваних (шуканих) величин за результатами вимiрювань аргументiв. Обчислення можуть виконуватися вручну або iз застосуванням автономних обчислювальних засобiв, що не входять до складу вимiрювальних приладiв.

За видом залежностi мiж фiзичними величинами - аргументами, що вимiрюються попередньо, та шуканими фiзичними величинами розрiзняють опосередкованi, сукупнi й сумiснi непрямi вимiрювання.

Опосередковане вимiрювання - непряме вимiрювання однiii фiзичноi величини з перетворенням ii роду або обчисленнями за результатами прямих вимiрювань iнших величин (аргументiв), з якими вимiрювана (шукана) фiзична величина звтАЩязана явною функцiональною залежнiстю.

У загальному випадку вона може бути записана так:

Y = F(X₁, X₂, .., X_m),ВаВаВа ВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВа Ва(1.6)

деВаВаВаВаВа X₁, X₂, .., X_m - результати прямих вимiрювань m фiзичних величин (аргументiв).

Приклади опосередкованих вимiрювань: визначення потужностi P або активного опору R резистора за результатами вимiрювання спаду напруги U на резисторi i струму I, який проходить через нього: .

Прямi та опосередкованi вимiрювання i найбiльш розповсюдженими. Достоiнством прямих вимiрювань слiд вважати простоту як органiзацii вимiрювального експерименту, так i одержання результатiв вимiрювань. Опосередкованi вимiрювання застосовуються тодi, коли вимiрювану величину неможливо або занадто складно вимiряти безпосередньо, а також у випадках, коли прямi вимiрювання не забезпечують потрiбноi точностi результатiв. Значно рiдше на практицi використовують сукупнi i сумiснi вимiрювання.

Сукупне вимiрювання - це непряме вимiрювання, коли значення декiлькох одночасно вимiрюваних однорiдних фiзичних величин отримують розвтАЩязанням системи рiвнянь, що звтАЩязують рiзнi сполучення цих величин з iншими однорiдними величинами, вимiрюваними прямо чи опосередковано. Вказана система рiвнянь у загальному випадку маi вигляд:

ВаВаВаВаВаВа(1.7)

деВаВаВаВаВа Y₁, Y₂, .., Y_j, .., Y_m - результати сукупних вимiрювань;

Ва- результати безпосереднiх вимiрювань, що одержують прямими або опосередкованими вимiрюваннями в i-му дослiдi, .

Для визначення m вимiрюваних величин Y₁, Y₂, .., Y_m необхiдно, щоб кiлькiсть рiвнянь n дорiвнювала або була бiльшою за кiлькiсть m невiдомих величин Y_j, . РозвтАЩязання системи (1.7) вiдносно кожноi з вимiрюваних величин Y_j являi собою функцiю, тому окремий результат вимiрювання величини Y_j можна розглядати як результат опосередкованого вимiрювання.

Приклад сукупних вимiрювань. Нехай треба вимiряти опори трьох резисторiв R₁, R₂, R₃, що зтАЩiднанi зiркою (рис. 1.5), загальна точка 0 якоi, за умовами вимiрювань, недоступна.