Інформаційно - вимірювальна техніка

Інформаційно - вимірювальна техніка служить для вимірювання фізичних величин, по значенням яких можна судити про протікання процесів, стану середовищ, і для видачі відповідної інформації. Ця техніка містить у собі прилади і цілі системи. Приладами прийнято називати вимірювальні пристрої, змонтовані в окремі блоки, що випускаються промисловістю серійно і мають строго певне призначення. В широкому смислі складні прилади представляють собою також системи, що складаються з окремих елементів вимірювальної та інформаційної техніки, однак термінологічно зручно інформаційно-вимірювальною системою (ІВС) називати багатофункціональний комплекс, що складається із приладів, пристроїв, устаткування і призначений на рішення тих чи інших завдань, пов'язаних із одержанням, перетворенням і видачею інформації.

Таблиця 1.2

Значення величини t при заданих надійності p і кількості дослідів n

 

n	p	n	p
0,9	0,95	0,99	0,999	0,9	0,95	0,99	0,999
	2,92	4,3	9,92	31,6		1,75	2,12	2,92	4,01
	2,35	3,18	5,84	12,9		1,74	2,11	2,9	3,96
	2,13	2,78	4,6	8,61		1,73	2,19	2,88	3,92
	2,01	2,57	4,03	6,83		1,73	2,09	2,86	3,88
	1,94	2,45	3,71	5,96		1,73	2,09	2,85	3,85
	1,89	2,36	3,5	5,4		1,72	2,08	2,83	3,82
	1,86	2,31	3,36	5,04		1,72	2,07	2,82	3,79
	1,83	2,26	3,25	4,73		1,72	2,07	2,81	3,77
	1,81	2,23	3,17	4,39		1,71	2,06	2,8	3,74
	1,8	2,2	3,11	4,44		1,71	2,06	2,79	3,72
	1,78	2,18	3,05	4,32		1,71	2,06	2,78	3,71
	1,77	2,16	3,01	4,22		1,7	2,04	2,75	3,65
	1,76	2,14	2,98	4,14		1,68	2,02	2,7	3,55
	1,75	2,13	2,95	4,07		1,67		2,66	3,46

 

Таблиця 1.3

Необхідна кількість дослідів

 

Похибка	Надійність
0,9	0,95	0,99	0,999
3 s
1 s
2 s
0,5 s

продовження табл. 1.3

0,3 s
0,1 s
0,05 s
0,01 s

 

По цільовому призначенню вони можуть бити одно - і багатоцільовими, по кількості каналів, по яких надходить інформація, одно - і багатоканальними. Ці ознаки можуть перебувати в будь-яких сполученнях. По способі видачі інформації прилади й системи можуть бути індикаторними, тобто такими, в яких інформація зчитується спостерігачем і запам'ятовується або записується їм, та реєструючими. В обох випадках інформація може надходити у вигляді миттєвих значень вимірюваної величини, середніх і максимальних значень, суми наростаючим підсумком або за певні проміжки часу, а також у вигляді похідної.

За принципом одержання інформації розрізняють системи механічні, електричні, електронні, гідравлічні, пневматичні, світлові, теплові, комбіновані.

Якість інформації, одержуваної за допомогою ІВС, забезпечується правильним вибором методу вимірювань та апаратури, коректним складанням схеми ІВС, забезпеченням сприятливих умов її роботи. На вибір методу впливають необхідна точність вимірювань, діапазон зміни величин, кількість незалежних факторів і взаємозалежних параметрів процесу, умови, в яких передбачається проводити експеримент. Не завжди оправдане прагнення застосувати найбільш точні апаратури й методику вимірів. Іноді похибка та різновид показань, пов'язані із зовнішніми умовами, в яких проводяться вимірювання, не дозволяють оцінити істинні значення вимірюваної величини із точністю, властивою даним апаратурам. Разом з тим більш точна апаратури, як правило, дорожча, складніша в використанні, вимагає високої кваліфікації персоналу. В результаті виявляється, що більш простими й дешевими засобами вимірювань, а головне більш надійнішими, можна досягнути тих самих, а іноді й кращих результатів.

Вибираючи вимірювальну апаратуру, перш за все орієнтуються на характеристики приладів. Характеристики приладів діляться на дві групи: статичні, або метрологічні, і динамічні. До основних статичних характеристик відносяться наступні.

Клас точності - припустима приведена статична похибка при нормальних умовах. В даному випадку вона визначається як максимальне відхилення абсолютної величини показання приладу від її істинного значення, вираженого у відсотках від верхньої межі вимірювань для даного приладу. За істинне значення приймається показання еталонного приладу. Статичною являється похибка, встановлена при повному заспокоєнні індикатора приладу. Нормальними умовами прийнято вважати температуру (20±5)°С і тиск 10 Па ((760±20) мм. вод. ст.). Прилади (за винятком електричних) діляться на 4 класи: 0,2; 0,5; 1,5; 2,5. Електричні прилади мають 8 класів точності - від 0,05 до 4,0; ЮС діляться на 7 класів. Класи точності встановлюються спеціальними метрологічними лабораторіями Держстандарту і систематично контролюються.

При метрологічному контролі встановлюється так звана основна похибка. При зміні умов досліду в порівнянні з нормальними може виникати додаткова похибка.

Варіація показань - найбільша різниця показів відносно показів еталонного прилад, отримана в результаті багаторазових вимірювань.

Чутливість - відношення приросту показів приладу до зміни вимірюваної величини. Чутливість ГВС рівна добутку чутливості окремих елементів системи. Вона впливає на абсолютну величину основної похибки тим більше, чим більша вимірювана величина. Межею чутливості називається найменше значення вимірюваної величини, що викликає помітне відхилення індикатора приладу. Слабка чутливість понижує точність вимірювань, а зайва може ускладнити ІВС, викликати коливальні процеси.

Межі вимірювань - діапазон вимірюваної величини, в якому допускається використати прилад (вимірювальну систему). Їх варто вибирати з врахуванням можливого перевантаження приладу. Збільшення меж вимірювань робить прилад більш універсальним, але знижує точність вимірювань малих величин, так як відносна похибка при вимірюванні останніх буде суттєво відрізнятися від класу точності в більшу сторону.

Власне споживання енергії впливає на чутливість - основною похибкою приладу, якщо енергія відбирається від об'єкта вимірювань на передачу і перетворення сигналу. Якщо енергія витрачається на привід допоміжних пристроїв (освітлення, привід механізмів, що реєструють, сигналізація і ін.), то вибір приладу треба узгодити із можливостями використання його в даних умовах проведення вимірювань, тобто із наявність відповідних джерел живлення.

Динамічні характеристики ІВС мають істотне значення при вивченні процесів, що швидко протікають, коли інерційність вимірювального пристрою може істотно позначатися на результатах вимірювань. Вимірювання навантажень і напруг, що виникають в деталях робочого устаткування, передач і приводів швидкохідних машин, швидко змінюються і супроводжуються коливальними процесами широкого діапазону частот, вимагає аналізу динамічних властивостей вимірювальних систем. Наявність в ІВС пружних і коливальних елементів при відповідних їхніх параметрах може приводити до резонансних явищ, що спотворює істинну картину зміни вимірюваної величини. Наявність інерційних ланок, сухого й рідинного тертя, нелінійних елементів у механічних, гідравлічних та електричних схемах ІВС приводить до запізнювання, що обумовлює зрушення фаз на вході й виході.

Вид деяких динамічних характе­ристик ІВС показаний на рис. 1.1.

Крива 1 зображує аперіодичну ха­рактеристику. В цьому випадку час пе­рехідного процесу t₁ відповідає часу, протягом якого індикатор системи до­сягає показу y_п (істинного значення ви­мірюваної величини) за винятком ста­тичної похибки приладу. Крива 2 являє собою аперіодичну характеристику із запізнювання. Тут час перехідного процесу t₂ містить в собі час запіз­нювання t₀ Коливальна характеристика із згасанням відображається кривою 3 із часом перехідного процесу t₃. У всіх випадках правильне показання приладу, що відповідає його класу точності, можна одержати тільки тоді, коли час виміру величини більший часу перехідного процесу. При вимірюванні і реєстрації величин, що змінюються в часі зі швидкістю, суміжною зі швидкістю протікання перехідних процесів ІВС, перекручування будуть недопустимо великими. Тому для реєстрації швидкопротікаючих процесів варто використати прилади з невеликою інерційністю, а саме електронні.

Перехідні процеси вносять перекручування по амплітуді та фазі. Для оцінки динамічних властивостей ІВС використовують амплітудно - частотні, фазово - частотні та амплітудно - фазові характеристики.

Структура ІВС в загальному вигляді зображена на рис. 1.2. вимірювальний вплив на систему здійснює чутливий елемент (ЧЕ). Цей вплив необхідно перетворити в певний сигнал, для чого служать вимірювальні перетворювачі (ВП), тобто датчики. Таким чином, ВП - первинний перетворювач. В ряді випадків сигнал ВП краще перетворити з допомогою перетворювача сигналу (ПС) у величину, зручну для передачі на відстань і вимірювання існуючими приладами. Для передачі сигналу на відстань служить лінія зв'язку (ЛЗ).

Рис. 1.2. Блок - схема інформаційно - вимірювальної системи

 

Однак для виміру сигналу, що надійшов, необхідно змінити його величину, для чого використовуючи масштабний перетворювач (МІГ), тобто (підсилювач).

Далі сигнал надходить на вимірювальний пристрій (ВП), потім він обробляється у вигляді певної інформації, зручної для читання, вивчення, зберігання, для чого служать функціональний перетворювач (ФП), пристрій для видачі і зберігання інформації (ПВЗІ).

Для керування складними системами обладнуються пульти керування (ПУ), з якими зв'язані блок живлення (БЖ) і контрольно - таріровочі пристрої (КТП).

Представлену схему слід розглядати як спробу найбільш повно охопити, функції ІВС. В реальних системах послідовність положення елементів може бути інша, деякі функції виключаються чи об'єднуються в одному пристрої.