Тема 2: "Измерительные приборы и инструменты, основные понятия и классификация" PDF

Summary

Документ содержит информацию об измерительных приборах, инструментах и системах. Разделы включают в себя классификацию, типы, принципы работы и метрологические характеристики. Также представлено описание измеряемых величин.

Full Transcript

Тема 2: “Измерительные приборы и инструменты, основные понятия и классификация”. Средство измерения – техническое устройство, используемое при измерениях и имеющее стандартизированные метрологические характеристики. Основными классификационными признаками средств измерений являются тип, тип...

Тема 2: “Измерительные приборы и инструменты, основные понятия и классификация”. Средство измерения – техническое устройство, используемое при измерениях и имеющее стандартизированные метрологические характеристики. Основными классификационными признаками средств измерений являются тип, тип и метрологическое назначение. Тип – совокупность средств измерений одинаковой схемы, конструкции и изготовленных по одним и тем же техническим условиям. Вид – это совокупность видов измерительных приборов для измерения какой- либо физической величины. По принципу работы и особенностям конструкции (по типу) средства измерений делятся на средства измерений, средства измерений, измерительные преобразователи и измерительные системы. Измерения – это измерительные инструменты, используемые для воспроизведения физической величины заданной величины. Например, катушка сопротивления, плоскопараллельный измерительный блок и т. д. Различают однозначные измерения, воспроизводящие физическую величину одного измерения, и многозначные измерения, воспроизводящие несколько одинаковых величин разной величины. Линейки с делениями, вариометры и т.п. может быть примером многозначных измерений. Измерительное устройство - измерительный инструмент, предназначенный для формирования сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительные приборы - весьма разнообразны и различаются по конструкции, принципу действия и т. д. отличается. Общим для всех измерительных приборов является наличие считывающих устройств. По способу считывания значений измеряемых величин приборы делятся на индикаторные, То есть записывающие устройства, которые позволяют только считывать показатели и считать запись показателей. Устройства считывания аналоговых устройств состоят из шкалы и стрелочного указателя. Цифровой счетчик – это счетчик с цифровыми показаниями. В последние годы все чаще используются цифровые приборы, поскольку их показания легко записывать, и они удобны для связи с компьютером. Кроме того, при использовании цифровых устройств не возникает ошибок оператора (чтения). Измерительный преобразователь - измерительный прибор, предназначенный для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения сигнала измерительной информации в удобной форме, но не пригодный для непосредственного приема наблюдателем. Измерительные преобразователи не имеют самостоятельного использования. Они являются неотъемлемой частью средств измерений и т. д. используется с другими измерительными приборами. Значение, подлежащее преобразованию, называется входным значением, а результат преобразования называется выходным значением. Связь между ними задается функцией преобразования. Измерительная система - совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных каналами связи, предназначенных для формирования сигналов измерительной информации в удобной форме для использования в системах автоматической обработки, передачи и (или) автоматического управления. В последние годы в приборостроении увеличилось производство измерительных систем общепромышленного назначения. Они широко используются в информационно-измерительных комплексах, реализующих автоматическое управление и управление производством. Тема 3: “Основные элементы средств измерений”. Измерение- это есть нахождение значения физической величины опытным путем, осуществляется с помощью специальных приборов – средств измерений. К основным видам средств измерений относятся измерительные преобразователи и средства измерений. Измерительные преобразователи (датчики) предназначены для приема сигнала измерительной информации, удобного для передачи, обработки и хранения, но непригодного для непосредственного приема наблюдателем. Измерительные устройства предназначены для приема сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Погрешности средств измерений. Средства измерений можно успешно использовать только тогда, когда известны их метрологические свойства. Основным метрологическим свойством является погрешность. Разница между показаниями прибора и истинным значением измеряемой величины называется абсолютной погрешностью. Класс точности, являющийся общей метрологической характеристикой средств измерений, определяется пределами допускаемых первичных и вторичных погрешностей. Конкретные классы точности устанавливаются стандартами на отдельные виды средств измерений. Государственная система промышленных устройств используется для экономически эффективного решения задачи обеспечения техническими средствами автоматических систем контроля, -регулирования и управления технологическими процессами различных отраслей народного хозяйства, в том числе нефтегазовой отрасли. По типу энергии и форме сигналов, используемых для питания устройств, их разделяют на: 1. Электрические. 2. Пневматические. 3. Гидравлические. 4. Работа без вспомогательных источников энергии. Унификация сигналов измерительной информации (определенных соответствующими стандартами) обеспечивает передачу и обмен информацией, - дистанционную связь между устройствами управления, -передачу результатов измерений от устройств сбора информации к устройствам контроля и управления, а также приводы сигналов управления в автоматических системах любой сложности. К первой группе инструментов и устройств относятся первичные измерительные преобразователи (датчики), измерительные инструменты и устройства, которые вместе с нормирующими устройствами, формирующими единый сигнал, образуют группу устройств для получения измерительной информации. Благодаря разнообразию контролируемых и измеряемых параметров, а также большому количеству конструкций измерительных приборов ассортимент приборов этой группы самый большой. Ко второй группе относятся различные преобразователи сигналов и кодов, измерительные рубильники, шифраторы и декодеры, устройства идентификации, а также устройства дистанционной передачи, телеметрии, телесигнализации и телеуправления. Третья группа устройств, называемая центральной частью, включает в себя технические средства формальной и содержательной обработки измерительной информации и формирования управляющих воздействий: -анализаторы сигналов, функциональные и оперативные преобразователи, логические устройства, -запоминающие устройства, средства автоматического управления, датчики всех типов, а также управляющие компьютеры и устройства, в том числе микропроцессоры, микро- и миникомпьютеры. Тема 4: Физические свойства и величины Эту оценку старались свести к счету, для чего выбирались природные и антропологические единицы. Например, время измерялось в сутках, годах. Линейные размеры в локтях, ступнях; расстояния - в шагах, в сутках пути. Позже были созданы специальные устройства – средства измерения, предназначенные для количественной оценки различных величин. Так появились часы, весы, меры длины и другие измерительные устройства. Все объекты окружающего мира характеризуются свойствами. Свойство – философская категория, выражающая такую сторону объекта (явления, процесса) которая обуславливает его различие или общность с другими объектами (явлениями, процессами). Свойство – категория качественная. Для количественной оценки различных свойств процессов вводится понятие величина. Величина – это свойство чего-либо, которое может быть выделено среди других свойств и оценено тем или иным способом в т.ч. количественно. Физическая величина – одно из свойств физического объекта (явления, процесса), которое является общим в качественном соотношении для многих физических объектов, отличаясь при этом количественно. Являясь одним из способов познания природы, измерения содействуют научным открытиям и их внедрению в практику. Изучение явлений природы, отыскание законов, которым эти явления подчинены, связаны с измерениями и сводятся в конечном итоге к определению количественных соотношений, через которые вскрываются и качественные стороны изучаемых предметов. Существуют понятия «действительное значение физической величины», «истинное значений физической величины» и «погрешность результата измерений» Истинное значение физической величины – значение, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта измерений. Несовершенство средств и методов измерений, недостаточная тщательность проведения измерений и обработки их результатов, воздействие внешних дестабилизирующих факторов, дороговизна, трудоемкость и длительность измерений не позволяют получить при измерении истинного значения физической величины. В большинстве случаев достаточно знать действительное значение физической величины – значение физической величины найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данных целей может быть использовано вместо него. Для практики достаточно знать погрешность результата измерений – алгебраическую разность между полученным при измерении и действительным значениями физической величины. Под оцениванием понимается операция приписывания данной величине определенного числа, проводимая по установленным правилам. Оценивание величины осуществляется при помощи шкал. Шкала величины – упорядоченная последовательность ее значений, принятая по соглашению на основании результатов точных измерений. Для более детального изучения ФВ необходимо классифицировать, выявит общие метрологические особенности их отдельных групп (см.рис 1.3.). Классификация физических величин Физические величины Величины Реальные Идеальные (относятся к математике, являются Физические, Нефизические моделью реальных понятий) свойственные относятся вел- процессам, ны, присущие к Математические явлениям общественным (вычисляются тем или иным изучаемых в наукам способом) физике, химии философии, и т.д. Измеряемые социологии, Оцениваемы (оцениваются экологии е (когдаи т.д. количественн нельзя о, вводится ввести единица единицы измерения) измерения) Согласно стандарта ГОСТ 16263-70 трактует: I По видам явлений Энергетические Вещественные Характерные протекание (пассивные) процессов по времени (активные) По принадлежности к различным группам II физических процессов Меха- Элект- Физико- Тепловые Аккусти Свето Ионизир нические ричес- химичес- ческие -вые ующих кие кие и излуче- магнит ние ные зависимости и независимости от По степени условной других величин Основные (условно Производные Дополнительные III независимые) (условно зависимые По наличию размерности IV Размерные Безразмерные Среди множества специфических проявлений свойств есть и несколько общих. Установлено для всего разнообразия свойств Х физического объекта наличие трех наиболее общих проявлений в отношениях эквивалентности, порядка и адекватности. Тема 5: Шкалы измерений В практической деятельности необходимо проводить измерения различных величин, характеризующих свойства тел, веществ, явлений, процессов. Шкала измерений количественного свойства являются шкалой ФВ. Шкала ФВ – это упорядоченная последовательность значений ФВ, принятая по соглашению на основании результатов точных измерений. В соответствии с логической структурой проявления свойств различают пять основных типов шкал. Используют также условные (эмпирические) шкалы порядка. Условная шкала – это шкала ФВ, исходные значения которой выражены в условных единицах. Например, шкала вязкости Эклера, 12 большая шкала Бофорта для силы морского ветра. Широкое распространение получили шкалы порядка с нанесенными на них репейными точками. К таким шкалам относятся шкала Мооса для определения твердости материалов. Шкала интервалов состоит из одинаковых интервалов, имеют единицу измерения и произвольно выбранное начало – нулевую точку. К таким шкалам относятся летоисчисление по различным календарям, в которых за начало отчета принято либо сотворение мира, либо Рождество Христово и т.д. Температурные шкалы Цельсия, Фаренгейта и Реомюра также являются шкалами интервалов. На шкале интервалов определены действия сложения и вычитания интервалов только складывать даты каких-нибудь событий нельзя. Их примерами являются шкалы массы (второго рода), термодинамической температуры (первого рода). В шкалах отношений существует однозначный естественный критерий нулевого количественного проявления свойства и единицы измерений, установленная по соглашению. С формальной точки зрения шкала отношений является шкалой интервалов с естественным началом отсчета. К значениям полученным на этой шкале применимы все арифметические действия, что имеет важное значение при измерении ФВ. Шкалы отношений – самые совершенные. Абсолютные шкалы–шкалы, обладающие всеми признаками шкал отношений, но дополнительно имеющие естественное однозначное определение единицы измерения и не зависящие от принятой системы единиц измерения. Такие шкалы соответствуют относительным величинам: коэффициенту усиления, ослабления и др. Для образования многих производных единиц в системе СИ используются безразмерные и счетные единицы абсолютных шкал. Тема 6: Единицы и системы единиц физических величин Единица физической величины – это физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение, равное 1. Система единиц физических величин – совокупность основных и производных единиц, относящихся к некоторой системе величин и образованная в соответствии с принятыми принципами. Основой почти всех существующих систем является метрическая система мер, принятая во Франции в конце 18в. в период Великой Французской революции. В настоящее время мировое признание получила Международная система единиц (СИ) – наиболее совершенная на сегодняшний день форма метрической системы мер. Правильность применения единиц этой системы – одно из основных условий обеспечения единства измерений. Исторически первой системой единиц физических величин была принятая в 1791г. Национальным собранием Франции метрическая система мер. Она не являлась еще системой единиц в современном понимании, а включала в себя единицы длин, площадей, объемов, вместимостей и веса, в основу которых были положены две единицы: метр и килограмм. В 1832г. немецкий математик К.Гаусс предложил методику построения системы единиц как совокупности основных и производных. Он построил систему единиц, в которой за основу были приняты три произвольные, независимые друг от друга единицы - длины, массы и времени. Все остальные единицы можно было определить с помощью этих трех. Такую систему единиц, связанных определенным образом с тремя основными, Гаусс назвал абсолютной системой. За основные единицы он принял миллиметр, миллиграмм и секунду. В дальнейшем с развитием науки и техники появился ряд систем единиц физических величин, построенных по принципу, предложенному Гауссом, базирующихся на метрической системе мер, но отличающихся друг от друга основными единицами. Рассмотрим главнейшие системы единиц физических величин. Система СГС. Система единиц физических величин СГС, в которой основными единицами являются сантиметр как единица длины, грамм как единица массы и секунда как единица времени, была установлена в 1881г. Система МКГСС. Применение килограмма как единицы веса, а в последующем как единицы силы вообще, привело в конце XIX века к формированию системы единиц физических величин с тремя основными единицами: метр - единица длины, килограмм-сила - единица силы и секунда - единица времени. Система МКСА. Основы этой системы были предложены в 1901г. итальянским ученым Джорджи. Основными единицами системы МКСА являются метр, килограмм, секунда и ампер. Тема 7: Установление единой международной системы единиц Наличие ряда систем единиц физических величин, а также значительного числа внесистемных единиц, неудобства, связанные с пересчетом при переходе от одной системы единиц к другой, требовало унификации единиц измерений. Рост научно-технических и экономических связей между разными странами обусловливал необходимость такой унификации в международном масштабе. Требовалась единая система единиц физических величин, практически удобная и охватывающая различные области измерений. При этом она должна была сохранить принцип когерентности (равенство единице коэффициента пропорциональности в уравнениях связи между физическими величинами). В 1954г. Х Генеральная конференция по мерам и весам установила шесть основных единиц (метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин и свеча) практической системы единиц. Система, основанная на утвержденных в 1954г. шести основных единицах, была названа Международной системой единиц, сокращенно СИ (SI - начальные буквы французского наименования Systeme International). Был утвержден перечень шести основных, двух дополнительных и первый список двадцати семи производных единиц, а также приставки для образования кратных и дольных единиц. Основные единицы СИ Основные единицы СИ с указанием сокращенных обозначений русскими и латинскими буквами приведены в табл. 2.3.1. Таблица 6.1- Основные единицы СИ Единица Сокращенное обозначение единицы Величина измерения русское международное Длина метр м m Масса килограмм кг kg Время секунда с s Сила эл. тока ампер А А Термодин. температура кельвин К К Сила света кандела кд cd Количество вещества моль моль mol Определения основных единиц, соответствующие решениям Генеральной конференции по мерам и весам, следующие. Метр равен длине пути, проходимого светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды. Килограмм равен массе международного прототипа килограмма. Секунда равна 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Ампер равен силе не изменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызывает на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную Н. Кельвин равен 1/273.16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0.012 кг. Кандела равна силе света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср. Тема 8: Измерение и его основные операции Суть простейшего прямого измерения состоит в сравнение размера ФВ Q c размерами выходной величины регулируемой многозначной мерой g(Q). Основные операции процедуры измерения: измерительного преобразования измеряемой ФВХ в другую ФВQ однородную или неоднородную с ней воспроизведение ФВQ, заданного N(Q) однородной с преобразованной величиной Q сравнение однородных ФВ: преобразованной Q и воспроизводимой мерой Qм равно N(Q). Измеряемые ФВ 1 группа 2 группа Непосредственно Преобразуемые с заданной измеряемые е; m; t точностью в непосредственно измеряемые величины (воспроизводится с заданными размерами и t0  (Такое преобразование сравнимысхема Структурная с подобными) измерения: 1 осуществляется с помощью операции измерительного Х Q=F(X) =F(X)-N(Q) преобразования) Измерительное Результат преобразовани измерения еF Сравнение с мерой   F 1qQ Qм=N [Q ] N N Воспроизведение ФВ N заданного размера N[ Q ] Для получения результата измерения необходимо обеспечить выполнение при N = q условия:  = Q - y[Q] = F(X) - q[Q] = min(F[X]-N[Q]), т.е. погрешность сравнения величин Q и Qм должна быть минимизирована. В этом случае результат измерения находится как: Х = F-1{q[Q]}, где F-1-операция, обратная операции F, осуществляемые при измерительном преобразовании. Измерительное преобразование - это операция осуществляемая измерительным преобразователем (техническое устройство) при этом устанавливается взаимно однозначное соответствие между размерами в общем случае неоднородных преобразуемой и преобразованной ФВ. Измерительное преобразование описывается математическим уравнением Q =F(х), где F-функция. Чаще стремятся сделать преобразование линейным: Q = KХ, где К- постоянная величина. Основное назначение измерительного преобразователя – получение и преобразование информации об измеряемой величины. В измерительное преобразование в общем случае могут входить следующие операции: изменение физического рода преобразуемой величины, масштабное линейное преобразование, нелинейное или функциональное преобразование, модуляция сигнала, дисскридитация непрерывного сигнала квантование. Операция измерительного преобразования осуществляется посредством измерительного преобразователя – технического устройства, построенного на определённом физическом принципе и выполняющая одно частное измерительное преобразование. Воспроизведение ФВ заданного размера N[Q] – это операция, которая заключается в создании требуемой ФВ, с заданным значением, известным с оговорённой точностью. Операцию воспроизведения величины определённого размера можно формально представить как преобразование кода N в заданную физическую величину Qм, основанное на единице данной: ФВ[Q]: Qм = N[Q]. С наиболее высокой точностью воспроизводятся основные ФВ. L, m, t частота, U (напряжение), I (ток) средство измерения, предназначенное для воспроизведения ФВ заданного размера, называется мерой. Сравнение измеряемой ФВ с величиной, воспроизводимой мерой Qм,- это операция, заключающая в установлении отношения этих двух величин: Q>Qм; Q

Use Quizgecko on...
Browser
Browser