Поняття та класифікація засобів вимірювань

МІНІСТЕРСТВО АГЕНСТВО ДО ОСВІТИ

ПЕНЗЕНСЬКА ДЕРЖАВНА ТЕХНОЛОГІЧНА АКАДЕМІЯ

Кафедра: Автоматизація та Управління

Контрольна робота з дисципліни

«Технічні вимірювання та прилади»

Виконав: студент гр. 05А1з: Сисоєв М.А.

Перевірив: Шакурскій А.В.

Пенза 2009

Зміст

1 Поняття та класифікація засобів вимірювань

1.1 Метрологічні характеристики СІ

1.2 Використання СІ

1.3 Нормування похибок СІ

1.4 Клас точності СІ і його позначення

1.5 Еталони і їх використання

2. Вихорострумові перетворювачі

3. Сі геометричних і механічних величин

3.1 Одиниці Сі геометричних величин

3.2 Одиниці Сі механічних величин

Список літератури

1 Поняття та класифікація засобів вимірювань

Засіб вимірювань (СІ) - технічний засіб, призначений для вимірювань, що має нормовані метрологічні характеристики, відтворює або зберігає одиницю фізичної величини, розмір якої приймають незмінною протягом відомого інтервалу часу.

Наведене визначення висловлює суть засоби вимірювань, яке, по-перше, зберігає або відтворює одиницю, по-друге, ця одиниця незмінна. Ці найважливіші фактори і обумовлюють можливість проведення вимірювань, тобто роблять технічний засіб саме засобом вимірювань. Цим засоби вимірювань відрізняються від інших технічних пристроїв. До засобів вимірювань відносяться заходи, вимірювальні: перетворювачі, прилади, установки і системи.

Міра фізичної величини - засіб вимірювань, призначений для відтворення та (або) зберігання фізичної величини одного або декількох заданих розмірів, значення яких виражені у встановлених одиницях і відомі з необхідною точністю. Приклади заходів: гирі, вимірювальні резистори, кінцеві міри довжини, радіонуклідні джерела та ін Заходи, які відтворюють фізичні величини лише одного розміру, називаються однозначними (гиря), кількох розмірів - багатозначні (міліметрова лінійка - дозволяє висловлювати довжину як у мм, так і в см). Крім того, існують набори і магазини заходів, наприклад, магазин ємностей або індуктивностей. При вимірах з використанням заходів порівнюють вимірювані величини з відомими величинами, програє-дімимі заходами. Порівняння здійснюється різними шляхами, найбільш поширеним засобом порівняння є компаратор, призначений для звірення заходів однорідних величин. Прикладом компаратора є важільні терези. До заходів відносяться стандартні зразки і зразкове речовина, які представляють собою спеціально оформлені тіла або проби речовини визначеного і строго регламентованого змісту, одна з властивостей яких є величиною з відомим значенням. Наприклад, зразки твердості, шорсткості.

Вимірювальний перетворювач (ІП) - технічний засіб з нормативними метрологічними характеристиками, що служить для перетворення вимірюваної величини в іншу величину або вимірювальний сигнал, зручний для обробки, зберігання, індикації або передачі. Вимірювальна інформація на виході ИП, як правило, недоступна для безпосереднього сприйняття спостерігачем. Хоча ІП є конструктивно відокремленими елементами, вони найчастіше входять в якості складових частин у більш складні вимірювальні прилади чи встановлення і самостійного значення при проведенні вимірів не мають.

Перетворюються величина, яка надходить на вимірювальний перетворювач, називається вхідний, а результат перетворення - вихідний величиною. Співвідношення між ними задається функцією перетворення, яка є його основною метрологічної характеристикою. Для безпосереднього відтворення вимірюваної величини служать первинні перетворювачі, на які безпосередньо впливає вимірювана величина і в яких відбувається трансформація вимірюваної величини для її подальшого перетворення або індикації. Прикладом первинного перетворювача є термопара в ланцюзі термоелектричного термометра. Одним з видів первинного перетворювача є датчик - конструктивно відокремлений первинний перетворювач, від якого надходять вимірювальні сигнали (він «дає» інформацію). Датчик може бути винесений на значну відстань від засобу вимірювань, яка приймає його сигнали. Наприклад, датчик метеорологічного зонда. У галузі вимірювань іонізуючих випромінювань датчиком часто називають детектор.

За характером перетворення ІП можуть бути аналоговими, аналого-цифровими (АЦП), цифро-аналоговими (ЦАП), тобто, що перетворюють цифровий сигнал в аналоговий або навпаки. При аналоговій формі подання сигнал може приймати безперервне безліч значень, тобто, він є безперервною функцією вимірюваної величини. У цифровій (дискретної) формі він представляється у вигляді цифрових груп або чисел. Примі-рами ІП є вимірювальний трансформатор струму, термометри опорів.

Вимірювальний прилад - засіб вимірювань, призначений для отримання значень вимірюваної фізичної величини у встановленому діапазоні. Вимірювальний прилад являє вимірювальну інформацію у формі, доступній для безпосереднього сприйняття спостерігачем.

За способом індикації розрізняють показують і реєструють прилади. Реєстрація може здійснюватися у вигляді безперервного запису вимірюваної величини або шляхом друкування показань приладу в цифровій формі.

Прилади прямої дії відображають вимірювану величину на показує пристрої, що має градуювання в одиницях цієї величини. Наприклад, амперметри, термометри.

Прилади порівняння призначені для порівняння вимірюваних величин з величинами, значення яких відомі. Такі прилади використовуються для вимірювань з більшою точністю.

По дії вимірювальні прилади розділяють на інтегруючі та підсумовуючі, аналогові і цифрові, самописні та друкувальні.
Вимірювальна установка і система - сукупність функціонально об'єднаних заходів, вимірювальних приладів та інших пристроїв, призначених для вимірювань однієї або декількох величин і розташована в одному місці (установка) або в різних місцях об'єкта вимірювань (система). Вимірювальні системи, як правило, є автоматизованими і по суті вони забезпечують автоматизацію процесів вимірювання, обробки і представлення результатів вимірювань. Прикладом вимірювальних систем є автоматизовані системи радіаційного контролю (АСРК) на різних ядерно-фізичних установках, таких, наприклад, як ядерні реактори або прискорювачі заряджених частинок.

З метрологічного призначенням кошти вимірювань поділяються на робочі та еталони.

Робоче СІ - засіб вимірювань, призначений для вимірювань, не пов'язане з передачею розміру одиниці іншим засобам вимірювань. Робоче засіб вимірювань може використовуватися і як індикатор. Індикатор - технічний засіб чи речовину, призначене для встановлення наявності будь-якої фізичної величини або перевищення рівня її порогового значення. Індикатор не має нормованих метрологічних характеристик. Прикладами індикаторів є осцилограф, лакмусовий папір і т.д.

Еталон - засіб вимірювань, призначений для відтворення та (або) зберігання одиниці та передачі її розміру іншим засобам вимірювань. Серед них можна виділити робочі еталони різних розрядів, які раніше називалися зразковими засобами вимірювань.

Класифікація засобів вимірювань проводиться і за іншими різними ознаками. Наприклад, за видами вимірюваних величин, по виду шкали (з рівномірною або нерівномірною шкалою), по зв'язку з об'єктом вимірювання (контактні або безконтактні).

1.1 Метрологічні характеристики СІ

Оцінка придатності засобів вимірювань для вирішення тих чи інших вимірювальних задач проводиться шляхом розгляду їх метрологічних характеристик.

Метрологічна характеристика (МХ) - характеристика однієї з властивостей засоби вимірювань, що впливає на результат вимірювань і його похибка. Метрологічні характеристики дозволяють судити про їх придатність для вимірювань у відомому діапазоні з відомою точністю. Метрологічні характеристики, що встановлюються нормативними документами на засоби вимірювань, називають нормованими метрологічними характеристиками, а визначаються експериментально - дійсними.

Для кожного типу СИ встановлюються свої метрологічні характеристики. Нижче розглядаються найбільш поширені на практиці метрологічні характеристики.

Діапазон вимірювань СІ - область значень величини, в межах якої нормовані його допустимі межі похибки. Для заходів це їх номінальне значення, для перетворювачів - діапазон перетворення. Розрізняють нижню і верхню межі вимірювань, які виражаються значеннями величини, що обмежують діапазон вимірювань знизу і зверху.

Похибка СІ - різниця між показанням засоби вимірювань - Хп і істинним (дійсним) значенням вимірюваної величини - ХД.

Існує поширена класифікація похибок засобів вимірювань. Нижче наводяться приклади їх найбільш часто використовуваних видів.

Абсолютна похибка СІ - похибка засобу вимірювань, виражена в одиницях вимірюваної величини: Dх = Хп - ХД. Абсолютна похибка зручна для практичного застосування, тому що дає значення похибки в одиницях вимірюваної величини. Але при її використанні важко порівнювати за точністю прилади з різними діапазонами вимірювань. Ця проблема знімається при використанні відносних похибок.

Якщо абсолютна похибка не змінюється у всьому діапазоні вимірювання, то вона називається адитивною, якщо вона змінюється пропорційно вимірюваній величині (збільшується з її збільшенням), то вона називається мультиплікативної.

Відносна похибка СІ - похибка засобу вимірювань, виражена відношенням абсолютної похибки СІ до результату вимірювань або до дійсного значення вимірюваної величини: δ = ΔХ / ХД. Відносна похибка дає найкраще з усіх видів похибок уявлення про рівень точності вимірювань, який може бути досягнутий при використанні даного засобу вимірювань. Однак вона зазвичай істотно змінюється вздовж шкали приладу, наприклад, збільшується зі зменшенням значення вимірюваної величини. У зв'язку з цим часто використовують наведену похибка.

Приведена похибка СІ - відносна похибка, виражена відношенням абсолютної похибки засобу вимірювань до умовно прийнятого значенням величини хn, яке називають нормуючим: γ = ΔХ / хn.

Відносні і наведені похибки зазвичай висловлюють або у відсотках, або в відносних одиницях (частках одиниці).

Для приладів, що показують нормуюче значення встановлюється в залежності від особливостей і характеру шкали. Наведені похибки дозволяють порівнювати за точності засобу вимірювань, що мають різні межі вимірювань, якщо абсолютні похибки кожного з них не залежать від значення вимірюваної величини.

За умовами проведення вимірювань похибки засобів вимірювань поділяються на основні та додаткові.

Основна похибка СІ - похибка засобу вимірювань, які у нормальних умовах, тобто в умовах, які визначено в НД не нього як нормальні. Нормальні значення впливають величин вказуються в стандартах або технічних умовах на засоби вимірювань даного виду у формі номіналів з ​​нормованими відхиленнями. Найбільш типовими нормальними умовами є:

температура (20 ± 5) º С;

відносна вологість (65 ± 15)%;

атмосферний тиск (100 ± 4) кПа або (750 ± 30) мм рт. ст.;

напруга живлення електричної мережі 220 В ± 2% з частотою 50 Гц.

Іноді замість номінальних значень впливають величин вказується нормальна область їх значень. Наприклад, вологість (30-80)%.

Додаткова похибка СІ - складова похибки СІ, що виникає додатково до основної похибки внаслідок відхилення будь-якої з впливають величин від нормального її значення. Розподіл похибок на основні та додаткові обумовлено тим, що властивості засобів вимірювань залежать від зовнішніх умов.

Похибки за своїм походженням поділяються на систематичні і випадкові.

Систематична похибка СІ - складова похибки засобу вимірювань, яка приймається за постійну чи закономірно змінюється. Систематичні похибки є в загальному випадку функціями вимірюваної величини і впливають величин (температури, вологості, тиску, напруги живлення і т.п.).

Випадкова похибка СІ - складова похибки засобу вимірювань, що змінюється випадковим чином. Випадкові похибки засобів вимірювань обумовлені випадковими змінами параметрів складових ці ​​СІ елементів і випадковими похибками відліку показань приладів.

При конструюванні приладу його випадкову похибку намагаються зробити незначною порівняно з іншими похибками. У добре сконструйованого і виконаного приладу випадкова похибка незначна. Однак при збільшенні чутливості засобів вимірювань зазвичай спостерігається збільшення випадкової похибки. Тоді при повторних вимірах однієї і тієї ж величини в одних і тих же умовах результати будуть різними. У такому разі доводиться вдаватися багаторазовим вимірюванням і до статистичної обробки отриманих результатів. Як правило, випадкову похибку приладів знижується до такого рівня, що проводити багаторазові вимірювань немає необхідності.

Стабільність СІ - якісна характеристика засобу вимірювань, що відображає незмінність в часі його метрологічних характеристик.

Градуировочная характеристика СІ - залежність між значеннями величин на вході і виході засобу вимірювань, отримана експериментально. Може бути виражена у вигляді формули, графіка або таблиці.

1.2 Використання СІ

З точки зору застосування в залежності від розв'язуваної вимірювальної задачі і подальшого використання результатів вимірювань засобів вимірювань можна розділити на стандартизовані і нестандартизованого.

Стандартизованого СІ - засіб вимірювань, виготовлене і застосовується відповідно до вимог державного або галузевого стандарту. Стандартизовані засоби вимірювань зазвичай піддають випробуванням і вносять до Державного реєстру.

Нестандартизованого СІ - засоби вимірювань, стандартизація вимог до якого визнана недоцільною. До нестандартизованих зазвичай ставляться вузько спеціалізовані засоби вимірювань, виготовлені в одиничних екземплярах і не призначені для масового виробництва. Вимірювальні завдання, які вирішуються за допомогою таких засобів вимірювань, носять обмежений і локальний характер. Як правило, такі засоби вимірювань використовуються на одному або декількох підприємствах для допоміжних вимірів. Часто вони застосовуються в якості індикаторів. До поняття стандартизованого засоби вимірювань примикає поняття узаконеного засоби вимірювань.

Узаконене СІ - засіб вимірювань, визнане придатним і допущена для застосування уповноваженим на те органом. Приклади узаконених засобів вимірювань: державні еталони стають такими в результаті затвердження національним органом по стандартизації, робочі засоби вимірювань, призначені для серійного випуску, які узаконюються шляхом затвердження тип (див. нижче).

Все різноманіття засобів вимірювань підрозділяється на типи та види.

Тип засобів вимірювань - сукупність засобів вимірювань одного і того ж призначення, заснованих на одному і тому ж принципі дії, що мають однакову конструкцію і виготовлених за однієї технічної документації. Тобто, це абсолютно однакові прилади, що розрізняються - тип засобів вимірювань лише заводськими номерами. На відміну від типу розрізняють вид засобів вимірювань, який включає в себе їх більш широке коло.

Вид засоби вимірювань - сукупність СІ, призначених для вимірювання даної фізичної величини. Вид засобів вимірювань може включати в себе декілька їх типів. Наприклад, амперметр є видом засоби вимірювань для вимірювання сили струму.

Можливість або неможливість використання засоби вимірювання для вирішення поставленої вимірювальної задачі характеризується такими поняттями, як метрологічна справність та метрологічний відмову.

Метрологічна справність СІ - стан засобів вимірювань, при якому всі нормовані метрологічні характеристики відповідають встановленим вимогам. Тоді вони можуть використовуватися відповідно до їх призначення та метрологічними характеристиками.

Метрологічний відмову СІ - вихід метрологічної характеристики засобу вимірювань за встановлені межі. Якщо метрологічний відмова сталася через технічні неполадки, то вони повинні бути усунені. Якщо ж прилад технічно справний, то у випадку метрологічного відмови його клас точності повинен бути знижений.

1.3 Нормування похибок СІ

Засоби вимірювань можна використовувати тільки тоді, коли відомі їхні метрологічні характеристики. Зазвичай вказуються номінальні значення параметрів засобів вимірювань і допустимі відхилення від них. Відомості про метрологічні характеристики наводяться в технічній документації на засоби вимірювань або вказуються на них самих. Як правило, реальні метрологічні характеристики мають відхилення від їх номінальних значень. Тому встановлюють межі для відхилень реальних метрологічних характеристик від номінальних значень - нормують їх. Нормування метрологічних характеристик засобів вимірювань дозволяє уникнути довільного встановлення їх характеристик розробниками.

C допомогою нормованих метрологічних характеристик вирішуються такі основні завдання: попередній розрахунок з їх допомогою похибок результатів технічних вимірювань (до проведення вимірювань); вибір засобів вимірювань за заданим характеристикам їх похибок.

Нормування характеристик СІ проводиться відповідно до положень стандартів. Наприклад, ГОСТ 8.009-84 «Метрологія. Нормовані метрологічні характеристики засобів вимірювань ». Відповідність засобів вимірювань встановленим для них нормам робить ці кошти взаємозамінними.

Однією з найважливіших метрологічних характеристик СІ є їх похибка, знання якої необхідно для оцінювання похибки вимірювання.

Необхідно зазначити, що похибка СІ є лише однією зі складових похибки результату вимірювань, одержуваного з використанням даного СІ. Іншими складовими є похибка методу вимірювань і похибка оператора, що проводить вимірювання.

Похибки засобів вимірювань можуть бути обумовлені різними причинами: неідеальність властивостей засоби вимірювань, тобто відзнакою його реальної функції перетворення від номінальної; впливом впливають величин на властивості засобів вимірювань; взаємодією засоби вимірювань з об'єктом вимірів - зміною значення вимірюваної величини внаслідок впливу засоби вимірювання; методами обробки вимірювальної інформації, в тому числі за допомогою засобів обчислювальної техніки.

Похибки конкретних екземплярів СІ встановлюють тільки для еталонів, для решти СІ вся інформація про їх погрішності представляє собою ті норми, які для них встановлені. Нормування похибок викладено в Рекомендації 34 МОЗМ «Класи точності засобів вимірювань» і в ГОСТ 8.401-80 «Класи точності засобів вимірювань. Загальні вимоги ».

В основі нормування похибок засобів вимірювань лежать наступні основні положення.

1. В якості норм вказують межі похибок, що включають в себе систематичні і випадкові складові.

Під границею допустимої похибки розуміється найбільше значення похибки засобу вимірювань, за якого воно ще визнається придатним до застосування. Зазвичай встановлюють межі, тобто зони, за яку не повинна виходити похибка. Дана норма відображає те положення, що засоби вимірювань можна застосовувати з одноразовим зчитуванням свідчень.

2. Порізно нормують всі властивості СІ, що впливають на їх точність: окремо нормують основну похибку, окремо - всі додаткові похибки і інші властивості, що впливають на точність вимірювань. При виконанні цієї вимоги забезпечується максимальна однорідність засобів вимірювань одного типу, тобто близькі значення додаткових похибок, обумовлених одними й тими ж факторами. Це дає можливість замінювати один прилад іншим однотипним без можливого збільшення сумарної похибки.

Межі похибок засобів вимірювання застосовуються як для абсолютної, так і для відносної похибки.

Межі абсолютної похибки встановлюють за формулою Δ = ± а для адитивної похибки. Для мультиплікативної похибки вони встановлюються у вигляді лінійної залежності

Δ = ± (а + bх),

де х - показання вимірювального приладу, а і b - позитивні числа, не залежні від х.

Границя допустимої відносної похибки (у відносних одиницях) для мультиплікативної похибки встановлюють за формулою

δ = Δ / г = ± c.

Для адитивної похибки формула має вигляд:

δ = Δ / г = ± [c + d (xk / x - 1)]

де xk - кінцеве значення діапазону вимірювань приладу; c і d - відносні величини.

Перший доданок в цій формулі має сенс відносної похибки при х = Xk, друге - характеризує зростання відносної похибки при зменшенні показань приладу. Межі приведеної похибки (у відсотках) слід встановлювати за формулою

γ = 100 Δ / xN = ± р

де xN - нормуюче значення, р - абстрактне позитивне число з ряду 1, 1,5, 2, 2,5, 4, 5, 6, помножене на 10n (n = 1, 0, -1, -2 і т.д .)

Нормуюче значення приймається рівним: кінцевому значенню шкали (якщо 0 знаходиться на краю шкали), сумі кінцевих значень шкали (якщо 0 всередині шкали), номінального значення вимірюваної величини, довжині шкали.

1.4 Клас точності СІ і його позначення

Встановлення рядів меж похибок дозволяє впорядкувати вимоги до засобів вимірювань за точністю. Це упорядкування здійснюється шляхом встановлення класів точності СІ.

Клас точності СІ - узагальнена характеристика даного типу СИ, що відображає рівень їх точності, що виражається межами допустимої основної, а в деяких випадках і додаткових похибок, а також іншими характеристиками, що впливають на точність. Клас точності застосовується для засобів вимірювань, що використовуються в технічних вимірах, коли немає необхідності або можливості виділити окремо систематичні і випадкові похибки, оцінити внесок впливають величин за допомогою додаткових похибок. Клас точності дозволяє судити про те, в яких межах знаходиться похибка засобів вимірювань одного типу, але не є безпосереднім показником точності вимірювань, які виконуються за допомогою кожного з цих коштів. Клас точності СІ конкретного типу встановлюють у стандартах технічних вимог або інших нормативних документах.

При вираженні межі допустимої основної похибки у формі абсолютної похибки клас точності у документації та на засобах вимірювання позначається прописними літерами латинського алфавіту або римськими цифрами. Чим далі літера від початку алфавіту, тим більше похибка. Розшифровка відповідності букв значенням абсолютної похибки здійснюється в технічній документації на засіб вимірювання.

Вираз класу точності через відносні та приведену похибки розглянуто у попередньому розділі

В даний час по відношенню до сучасних засобів вимірювань поняття клас точності застосовується досить рідко. В основному він найчастіше використовується для опису характеристик електровимірювальних приладів, аналогових стрілочних приладів всіх типів, деяких мір довжини, ваг, гир загального призначення, манометрів.

Приклади позначення класів точності для різних форм вираження похибки наведені в таблиці 1.

Таблиця 1. Позначення класів точності

1.5 Еталони і їх використання

Рішення задачі забезпечення єдності вимірювань вимагає тотожності одиниць однієї і тієї ж величини, які передаються засобам вимірювання. Це досягається шляхом точного відтворення та зберігання одиниць фізичних величин і передачі їх розмірів використовуються засобам вимірювань. Відтворення, збереження і передача розмірів одиниць здійснюється за допомогою еталонів. Під відтворенням одиниці фізичної величини розуміється сукупність операцій з її матеріалізації шляхом створення фіксованою за розміром фізичної величини відповідно до її визначенням.

Еталони класифікуються за різними ознаками. Так, вони діляться на первинні, вторинні і робочі. Первинний еталон відтворює одиницю з найвищою (порівняно з іншими еталонами тієї ж величини) точністю. Державний первинний еталон - це еталон, визнаний в якості вихідного на території держави. Вторинний еталон отримує розмір одиниці від первинного еталона. Робочий еталон призначений для передачі розміру одиниці робочим засобам вимірювань, так як для повірки численних робочих засобів вимірювань недоцільно використовувати дуже точний і дорогий первинний еталон. Цей термін замінює застосовувався раніше термін зразкове засіб вимірювань. Робочі еталони поділяють на розряди: 1-й, 2-й і т.д.

Еталонна база України складається з 118 державних еталонів та понад 300 вторинних еталонів. Державні еталони служать для відтворення фізичних величин, тому структура еталонної бази відповідає структурі одиниць СІ. Основа цієї бази - еталони основних одиниць СІ крім еталона одиниці кількості речовини (моль). Однією з причин того, що еталон одиниці кількості речовини не створений, є недостатня чіткість визначення цієї одиниці і відсутній метод її виміру відповідно до визначення. Тим більше, цю одиницю важко назвати основною, так як в її визначення пов'язане з одиницею маси. Цілком можливо, що ця одиниця буде переведена в розряд спеціальних одиниць маси.

Більшість еталонів зосереджено в двох метрологічних інститутах РФ - Всеросійському науково-дослідному інституті метрології ім. Д.І. Менделєєва (ВНИИМ) і Всеросійському науково-дослідному інституті фізико-технічних і радіотехнічних вимірювань (ВНИИФТРИ).

В області вимірювання параметрів іонізуючих випромінювань застосовуються 14 державних еталонів: 9 у ВНИИМ, 5 у ВНИИФТРИ.

Еталони призначені не тільки для відтворення одиниці фізичної величини, але і для передачі її розміру іншим еталонам та робочим засобам вимірювань. Під передачею розміру одиниці величини розуміється приведення розміру величини, що зберігається засобом вимірювань, до розміру одиниці, що відтворюється еталоном. Ця процедура здійснюється при перевірці засобів вимірювань.

Повірка засобів вимірювань - встановлення органом державної метрологічної служби (або іншим офіційно уповноваженим органом, організацією) придатності СІ до застосування на основі експериментально визначених метрологічних характеристик та підтвердження їх відповідності встановленим вимогам.

Повірці піддають СІ, що підлягають державному метрологічному контролю і нагляду і використовувані в охороні здоров'я, охорони навколишнього середовища, забезпечення безпеки праці, оборони, у торговельних, банківських, поштових операціях, при випробуваннях контролю якості продукції і в інших важливих сферах діяльності.

При перевірці робочих засобів вимірювань використовують еталон, як правило, робочий еталон, а процедура проведення повірки регламентується обов'язковими вимогами, які встановлюються нормативними документами з перевірки. В якості таких документів використовуються або методичні вказівки з перевірки, або державні (національні) стандарти. Наприклад, ГОСТ 8.355-79. «Радіометри нейтронів. Методи і засоби перевірки ».

Загальні питання організації і проведення повірки регламентуються Правилами з метрології Державної системи забезпечення єдності вимірювань (ГСИ). Наприклад, «ПР 50.2.006-94. Правила з метрології. Порядок проведення повірки засобів вимірювань ».

Проводять перевірку спеціально навчені фахівці, атестовані як повірників органами Державної метрологічної служби.

Результати повірки засобів вимірювань, визнаних придатними до застосування, оформляють видачею свідоцтва про повірку, нанесенням поверительного клейма на прилади або в технічну документацію (паспорт) приладу. Перевірку СІ можуть проводити також метрологічні служби юридичних осіб, акредитовані на право повірки засобів вимірювань у державних метрологічних органах.

Повірка підрозділяється на первинну (при випуску засобів вимірювань), періодичну (при їх експлуатації), позачергову, інспекційну (при різних перевірках), комплектну (всієї вимірювальної установки або системи цілком), поелементну (окремих елементів установки або системи), вибіркову (окремих екземплярів засобів вимірювань).

Передача розміру одиниці від еталона до робочих засобів вимірювань регламентується повірочними схемами.

Повірочна схема для СІ - нормативний документ, що встановлює супідрядність засобів вимірювань, які беруть участь у передачі розміру одиниці від еталона до робочих засобів вимірювань, із зазначенням методів і похибки при передачі. Розрізняють державні (на всі засоби вимірювань даної величини в країні) і локальні перевірочні схеми (на засоби вимірювань в регіоні, галузі, підприємстві). Вимоги до повірочним схемами визначені стандартом ГСИ «ГОСТ 8.061-80. Повірочні схеми. Зміст і побудова ».

Як приклад стандарту на повірочна схема для засобів вимірювань конкретного типу можна навести Міждержавний стандарт ГСИ «ГОСТ 8.033-96. Державна повірочна схема для засобів вимірювань активності радіонуклідів, потоку і щільності потоку альфа-, бета-частинок і фотонів радіонуклідних джерел ».

Засоби вимірювань, що не входять у сферу державного метрологічного контролю, можуть піддаватися калібруванні.

Калібрування СІ - сукупність операцій, які визначають співвідношення між значенням величини, отриманим за допомогою даного СІ і відповідним значенням величини, визначеної за допомогою еталона, з метою визначення дійсних метрологічних характеристик цього СІ. Результати калібрування дозволяють визначати: дійсні значення вимірюваної величини; поправки до показаннями засобів вимірювань; похибка засобів вимірювань.

Результати калібрування засвідчуються калібрувальним знаком, що наноситься на СІ, або сертифікатом про калібрування. Калібруванні притаманний ряд особливостей в порівнянні з повіркою. Це добровільна процедура і вона може виконуватися будь метрологічною службою. При цьому акредитація на право калібрування також є добровільною (не обов'язкової) процедурою.

Зазначені особливості калібрування є наслідком роздержавлення процесів контролю за метрологічної справністю засобів вимірювань - відмовою від їх загальної обов'язковості повірки.

Хоча калібрування може проводитися будь-метрологічною службою і є добровільною процедурою, для її проведення необхідні певні умови. Основне з них - простежування вимірювань, тобто обов'язкова передача розміру одиниці від еталона до калібрується робочого засобу вимірювань.

Для організації робіт з калібрування у РФ створена Російська система калібрування (РСК), до якої входять державні наукові метрологічні центри, органи ГМС, метрологічні служби юридичних осіб, об'єднані метою ОЕІ у сферах, що не підлягають державному метрологічному контролю і нагляду.

Російська система калібрування базується на наступних принципах: обов'язковість передачі розмірів одиниць від державних еталонів до робочих СІ; професіоналізм та технічна компетентність; самоокупність.

2 Вихорострумові перетворювачі

Вихорострумові перетворювачі (вихретокові датчики) призначені для безконтактного виміру вібрації переміщення і частоти обертання електропровідних об'єктів. Вони застосовуються для діагностики стану промислових турбін, компресорів, електродвигунів. Найбільш часто об'єктом контролю є осьовий зсув і радіальна вібрація валу ротора відносно корпусу.

Вихрострумовий перетворювач (eddy current probe) складається із безконтактного вихрового пробника, подовжувального кабелю і електронного блоку (рис.1). Перетворювач часто називають вихрострумовий датчикової системою. Вихровий пробник являє собою металевий зонд з діелектричним наконечником (у яке поміщено котушка) на одному кінці і відрізком коаксіального кабелю на іншому. За допомогою коаксіального подовжувального кабелю пробник підключається до електронного блоку.

Електронний блок виробляє сигнал порушення пробника і здійснює виділення інформативного параметра. Вихідним сигналом є електричний сигнал, прямо пропорційний відстані від торця вихрового пробника до контрольованого об'єкта.

Малюнок 1.

Принцип роботи

У торці діелектричного наконечника вихрового пробника знаходиться котушка індуктивності (рис.2).

Малюнок 2.

Електронний блок забезпечує збудження електромагнітних коливань в котушці, в результаті чого виникає електромагнітне поле, яке взаємодіє з матеріалом, що контролюється.

Якщо матеріал володіє електропровідністю, на його поверхні наводяться вихрові струми, які, у свою чергу, змінюють параметри котушки - її активне і індуктивний опір. Параметри змінюються при зміні зазору між контрольованим об'єктом і торцем датчика.

Електронний блок перетворює ці зміни в електричний сигнал, здійснює його лінеаризацію і масштабування.

Конструкція

Найбільша кількість варіантів виконання має пробник (зонд), оскільки його конструкція залежить від місця монтажу і допустимі межі.

Пробник може підключатися до 'лектронному блоку безпосередньо або через кабель. Для захисту від механічного пошкодження з'єднувальний кабель захищається металорукава.

Електронний блок представляє собою герметичну металеву коробку, на якій є коаксіальний з'єднувач для підключення кабелю, а також клеми живлення, заземлення, загального проведення і вихідного сигналу.

Частотні характеристики

Вихорострумові перетворювачі володіють хорошим частотним відгуком (реакція на зміну відстані між торцем пробника і об'єктом контролю). Частотний діапазон може досягати 0 - 10 000 Гц. При цьому нерівномірність амплітудно-частотної характеристики не перевищує 0,5 дБ.

Вхід і вихід

Вхідним параметром перетворювача є величина зазору між торцем пробника і електропровідним об'єктом. Величина вимірюваного зазору складає декілька міліметрів і залежить від діаметра котушки, укладеної в торці діелектричного наконечника. Вихідний сигнал, пропорційний вимірюваній зазору, може бути представлений у вигляді напруги, струму або в цифровому форматі (визначається типом системи спостереження).

Для електронних блоків з вихідним сигналом у вигляді напруги вказують чутливість (коефіцієнт перетворення зазору в електричний сигнал), яка в більшості випадків становить 8 мВ / мкм. Часто для сполучення перетворювача з типовими системами моніторингу необхідно додаткове перетворення вихідної напруги в формат 4 - 20 мА струмового петлі або в цифровий вигляд.

Пристрої, що поєднують функції драйвера і додаткового формувача, називають трансмітером.

Області застосування

Пріоритетною галуззю використання перетворювача є контроль осьового зміщення і поперечного биття валів великих турбін, компресорів, електродвигунів, в яких використовуються підшипники ковзання. Застосування для цих цілей датчиків швидкості та прискорення, хоча і допустимо, але невиправдано, оскільки через зменшення коефіцієнта пропорційності між вібросмещеніем ротора і опори на низьких швидкостях обертання, а також значного (3 ... 10 разів) ослаблення вібрації ротора масивним корпусом установки, результат буде мати велику погрішність. Вихрострумний, навпаки, володіє винятковою точністю, оскільки не тільки не має нижньої межі по частоті, але і не вимагає математичної обробки результатів вимірювання зважаючи прямого відповідності вихідного сигналу поточному зміщення вала або вимірювального буртика відносно корпусу.

У малих турбінах, генераторах і компресорах, де використовуються підшипники кочення і маса корпусу відносно невелика, для виміру вібрації валу доцільно використовувати датчики швидкості і прискорення, що розміщуються на корпусі механізму.

Радіальна вібрація

Для вимірювання величини радіальної вібрації, як правило, використовують два датчики, встановлені перпендикулярно валу і розгорнуті відносно один одного на 90o (рис.3).

Малюнок 3.

Ортогональне XY розміщення пробників покращує діагностичні можливості, оскільки дозволяє отримувати як сумарну інформацію, так і роздільне по кожній координаті, а за наявності відповідних засобів моніторингу дозволяє візуально спостерігати орбіту руху вала в радіальній площині. Крім того, вимірювання векторів вібросмещенія в декількох площинах дозволяє побудувати лінію динамічного прогину вала.

Осьовий зсув

Для вимірювання осьового зсуву датчик розміщують перпендикулярно площині торця валу і (або) площині вимірювального буртика (рис. 4).

Малюнок 4.

У деяких випадках для надійності використовують два датчики (основний і резервний).

Частота обертання

Вихорострумові перетворювачі часто використовуються для вимірювання частоти обертання ротора (рис. 5). Формування відгуку датчика зазвичай забезпечується невеликим поглибленням на валу, отриманим методом фрезерування. Такий датчик можна використовувати спільно з XY датчиками радіальної вібрації. У цьому випадку датчик виконує функції формувача фазової мітки, щодо якої визначається орієнтація орбіти руху валу. Для формування відгуку датчика можуть використовуватися конструктивні особливості ротора, наприклад, наявність шестерні.

Малюнок 5.

Використання в перетворювача трансмітера замість драйвера дозволяє отримати на виході сигнал, величина якого прямо пропорційна числу оборотів в хвилину.

Вихорострумові перетворювачі застосовні:

для вимірювання ексцентриситету валів;

для вимірювання товщини діелектричних (лакофарбових) покриттів на металевому підставі;

для вимірювання величини відносного температурного розширення механізмів;

для вимірювання величини зносу тертьових деталей і механізмів;

в якості безконтактних кінцевих вимикачів;

для вимірювання шару металізації на діелектричному підставі.

Системна конфігурація

Пропонується кілька основних конфігурацій перетворювача, що відрізняються діаметром котушки пробника, довжиною кабелю, параметрами вихідного сигналу і характером вимірюваної величини. Діаметр котушки пробника визначає діапазон вимірювання і площа взаємодії електромагнітного поля з контрольованим об'єктом. Вважається, що площа взаємодії не виходить за межі уявного кола на поверхні об'єкта, діаметр якої дорівнює подвійному діаметру котушки пробника. Остання обставина необхідно враховувати при виборі місця монтажу пробника, а також при контролі поперечної вібрації валу, оскільки в цьому випадку облучаемая поверхню циліндрична, що є причиною виникнення систематичної похибки, яка росте зі збільшенням діаметра котушки і зменшенням діаметра валу.

Для кожної комбінації - "діаметр котушки + довжина системного кабелю" калібрується власний драйвер або трансмітер, на який наноситься відповідне маркування. Невідповідність довжини системного кабелю або діаметра котушки пробника маркування драйвера або трансміттера призводить до збільшення похибки.

У таблиці 3 наведені основні системні характеристики, що дозволяють користувачеві визначити відповідну конфігурацію датчикової системи для вирішення існуючої прикладної задачі.

Приклад:

АР2000A - 05.05.0 (вихрострумовий датчик без металорукава, з драйвером D200А для пробника з 5 мм котушкою, системна довжина - 5 м).

АР2200A - 19.09.1 ​​(вихрострумовий датчик з металорукавів, з трансміттером Т220А для пробника з 19 мм котушкою, системна довжина - 9 м).

* 1 - можлива калібрування датчика на довжину системи до 20 м.

* 2 - вибухозахищене виконання (1Exib II AT4).

Таблиця 3. Основні характеристики перетворювача

Позначення

3 Сі геометричних і механічних величин

3.1 Одиниці Сі геометричних величин

Вимірювання геометричних величин здійснюється шляхом лінійних і кутових вимірювань розмірів. Основна одиниця довжини в сучасній Міжнародній системі одиниць - метр.

Лінійні розміри можуть бути виражені в кратних і часткових одиницях.

1 метр (м) = 100 сантиметрам (см) = 1000 міліметрам (мм) = 1 000 000 мікрометрів (мкм).

Правила нанесення розмірів та їх граничних відхилень на кресленнях і в іншої технічної документації встановлює ГОСТ 2.307.

Граничні відхилення розмірів, а також граничні відхилення форми і розташування поверхонь є підставою для визначення необхідної точності виробу при виготовленні та контролі.

Лінійні розміри та їх граничні відхилення на кресленнях і в специфікаціях наводять в міліметрах, без позначення одиниці виміру.

Так як шорсткість поверхні в процесі збірки і експлуатації виробу може призвести до додаткових відхилень розміру і форми за рахунок зносу мікро нерівностей при терті або в результаті їх зминання і згладжування при запресовуванні під дією навантажень, необхідно вказувати в конструкторській документації найбільш грубий межа допускаються значень шорсткості.

Вимоги до шорсткості поверхні не включають вимог до дефектів поверхні, тому при контролі шорсткості поверхні вплив дефектів поверхні повинне бути виключене.

За одиницю виміру плоского кута в Міжнародній системі одиниць «СІ» прийнятий радіан - кут між радіусами (сторонами кута), вирізані на колі дугу, довжина якої дорівнює радіусу.

При вимірі геометричних величин слід враховувати вплив на результати вимірювань зовнішніх умов: температури навколишнього середовища, атмосферного тиску, відносної вологості та інших нормальних умов виконання вимірювань лінійних та кутових величин.

Лінійні вимірювання

Числове значення фізичної величини довжини в машинобудуванні називається розміром.

За розмір приймається відстань між двома точками.

Значення фізичної величини, яке ідеальним чином характеризувало б в якісному і кількісному відношенні відповідну фізичну величину називається істинним значенням величини.

На практиці «справжнє значення фізичної величини довжини» замінюється «дійсним значенням», тобто значенням отриманим шляхом вимірювань і настільки близьким до істинного значення, що в умовах вимірювальної задачі може бути використано замість нього.

У залежності від кількості виявлених розмірів методи і засоби лінійних вимірювань слід розділяти на диференційовані (поелементні) і комплексні.

Диференційованим (поелементний) називається вимір, при якому у деталі складної форми кожен складовий елемент або параметр вимірюється окремо.

Диференційовані вимірювання необхідно застосовувати при технологічному контролі (контроль режимів, характеристик, параметрів технологічного процесу), так як дозволяє виявити відхилення окремих елементів за межі допустимих значень і встановити який параметр технологічного процесу надає домінуючий вплив на похибку виготовлення розмірів окремих елементів.

Приклад - При вимірі різьбовий деталі окремо вимірюють зовнішній, внутрішній, середній діаметри, розмір кроку і половину кута профілю різьби.

Комплексними називаються вимірювання, при яких оцінюються властивості, близькі до експлуатаційних. Такі вимірювання зручні для приймального контролю.

Приклад - Вимірювання різьби деталі різьбовим калібром.

Вибір засобів вимірювань лінійних величин по точності полягає у визначенні оптимального співвідношення між похибкою засобів вимірювань і допуском контрольованого параметра.

Похибки вимірювання, відображені в даних документах, є найбільшими допускаються похибками вимірювань, що включають в себе всі складові, які залежать від вимірювальних засобів, настановних заходів, температурних деформацій, базування і так далі.

Кутові вимірювання

Кутом в площині називається геометрична фігура, утворена двома променями, що виходять з однієї точки.

У машинобудуванні значення плоского кута виражається в:

радіанах, «радий» - (одиниця «СІ»),

градусах «°», хвилинах «'», секундах «''» - (додаткові одиниці);

збільшенні розміру в лінійній мірі на певній довжині.

При нормуванні точності кута величину допуску слід задавати в залежності від довжини меншої сторони, що утворює кут, а не від номінального значення кута.

Ступені точності кутових розмірів встановлює ГОСТ 8908.

Поняття «ступінь точності» ідентично поняттям «квалітет», «клас точності».

При вимірі кутових розмірів слід користуватися наступними МВВ:

порівняння з мірою, що має постійне значення (міри кутові призматичні, косинці, конусні калібри);

порівняння з кутом на величину якого налаштований прилад (синусні лінійки і прилади, засновані на використанні принципу синусної лінійки);

порівняння з кутовою шкалою приладу (оптична ділильна головка, гоніометр, кутомір, рівень);

визначення кута виміром координат утворюють кут (мікроскоп, координатно-вимірювальна машина, пневматичні калібри-пробки для вимірювання конуса і т.д.).

Вибір засобів вимірювань кутових розмірів по точності повинен полягати у визначенні оптимального співвідношення між похибкою засобів вимірювань і допуском контрольованого параметра.

Засоби вимірювань призначені з найбільш несприятливих умов їх застосування (погрішність максимальна, засіб вимірювань нагрівається від тепла рук оператора, переміщення вимірювальних елементів найбільше і так далі).

Із зазначених коштів вимірювань слід вибирати більш продуктивне, просте у використанні і вимагає меншої кваліфікації оператора.

3.2 Одиниці Сі механічних величин

Всі розрахунки в проекті повинні бути виконані в одиницях СІ, найменування, позначення і правила застосування яких встановлені ГОСТ 8.417 - 81 (СТ РЕВ 1052 - 78) «Одиниці фізичних величин», введеним в дію з 1 січня 1982р.

Величини, виражені в одиницях застарілих систем, необхідно перевести в СІ множенням на перерахункових коефіцієнт (таблиця 4): наприклад, сила F = 78,35 кгс (кгс - одиниця сили в системі МКГСС) у СІ повинна бути виражена в ньютонах, значить F = 78,35 · 9,81 = 768,4 Н.

При перекладі необхідно зберігати точність колишнього значення величини. Для цього необхідно отриманий результат округлити до такого числа значущих цифр, скільки їх було в заданому значенні величини.

Найважливіші характеристики фізичної величини X: значення, тобто оцінка величини, виражена твором відстороненого числа {X} на прийняту для даної фізичної величини одиницю [Х]: Х = {X} · [Х]; розмірність - dimX - зв'язок даної величини з величинами, прийнятими за основні в системі СІ.

Для механіки прийнято три основні системні величини: довжина l, маса m і час t. Для цих величин умовно прийняті наступні розмірності: diml = L; dimm = M; dimt = T. Вживати термін «розмірність» замість термінів «одиниця фізичної величини» або «позначення одиниці» неправильно. Наприклад: правильно вираз: «одиниця швидкості - метр за секунду (м / с)», а вираз: «розмірність швидкості-метр за секунду" є неправильним.

Основними одиницями СІ для механіки прийняті: одиниця довжини - метр (м), одиниця маси - кілограм (кг), одиниця часу - секунда (с).

Додатковими одиницями СІ є: радіан - одиниця плоского кута СІ і стерадіан - одиниця тілесного кута СІ.

Похідні одиниці СІ утворюються з основних, додаткових і раніше утворених похідних одиниць СІ.

Не можна використовувати застарілі найменування фізичних величин, наприклад:

Застаріле найменування

• Число обертів вала в одиницю часу

• Число ударів (імпульсів) в одиницю часу

• Прискорення сили тяжіння

• Абсолютний тиск

• Продуктивність насоса

• Сучасне найменування

• Частота обертання вала

• Частота ударів (імпульсів)

• Прискорення вільного падіння

• Тиск

• Подача (об'ємна) насоса

Для утворення когерентних одиниць СІ використовують рівняння зв'язку між величинами, звані визначальними рівняннями.

Наприклад, для тиску визначальне рівняння p = F / S, де р - тиск, викликаний силою F, рівномірно розподіленим по поверхні, площа якої дорівнює. S.

Кутова швидкість і частота обертання мають однакову розмірність (T-1), але різні одиниці виміру: кутова швидкість [w] = 1 рад / с, частота обертання [n] = 1 с-1, кутова частота [w] = 1 с- 1; отже, по одиниці фізичної величини іноді не можна судити про саму величину.

Одиницю, в ціле число разів більшу системної чи позасистемною одиниці, називають кратної, наприклад кіловат (103 Вт), хвилина (60 с), мегапаскалях (106 Па). Одиницю, в ціле число разів меншу системної чи позасистемною одиниці, називають дольной, наприклад міліметр (10-3 м).

При практичному використанні одиниці СІ можуть виявитися занадто великими або дуже малими. Тому дозволяється в таких випадках використовувати кратні і частинні одиниці, які утворюють за допомогою особливих приставок.

При виконанні курсових проектів зазвичай використовують наступні приставки та їх позначення (дані в дужках): 103 - кіло (к); 106 - мега (м); 10-3 - мілі (м); 10-6 - мікро (мк). При розрахунках рекомендується всі величини виражати в одиницях СІ, замінюючи приставки ступенями числа 10, а десяткові кратні або частинні одиниці підставляти тільки в кінцевий результат.

Масштаби і масштабні коефіцієнти. Відношення довжини відрізка на кресленні (схемі, графіку) в міліметрах, що зображує яку-небудь фізичну величину, до значення величини в прийнятих одиницях називають масштабом і позначають грецькою буквою m з відповідним індексом: масштаб довжини m l = (довжина відрізка на кресленні, мм) / (значення довжини, м), або [m l] = мм / м;

даний вираз читається так:

- Одиницею масштабу довжини є ставлення мм / м; масштаб сили m F = (довжина відрізка на кресленні, мм) / (значення сили, Н), [m F] = мм / Н

- Одиницею масштабу сил є ставлення мм / Н; масштаб енергії m T = (довжина відрізка на кресленні, мм) / (значення енергії, Дж), [m T] = мм / Дж

-Одиницею масштабу енергії є ставлення мм / Дж.

Величина, зворотна масштабом, тобто відношення значення фізичної величини в одиницях СІ до довжини відрізка в мм, який зображує цю величину на схемі, графіці, називається масштабним коефіцієнтом і позначається латинською літерою K з відповідним індексом. Наприклад, масштабний коефіцієнт довжини Kl = (значення довжини, м) / (довжина відрізка на кресленні, мм), або [Kl] = м / мм;

Таблиця 4. Розмірності та одиниці СІ механічних величин

Список літератури

1. Кулаков М.В. Технологічні вимірювання і прилади для хімічних виробництв. Підручник, 3-е видання. - М.: Машіностроеніе.1983.-424 с.

2.Фарзане Н.Г., Ілясов Л.В., Азім-Заде А.Ю. Технологічні вимірювання і прилади. підручник, 3-е ізданіе.-М.: Вища школа, 1989-345 с.

3. Петров І.К. Технологічні вимірювання і прилади в харчовій промисловості. Підручник .- М.: Анропроіздат, 1985.-244 с.

4. Кузнєцов Н.Д., Чистяков В.С. Збірник завдань і питань по теплотехнічних вимірювань і приладів. -М.: Енергопроміздат, 1985.-328 с.

5. Промислові роботи і засоби автоматизації. Довідник / Під. Ред. В.В. Черенкова .- Л.: Машинобудування, 1987.-847 с.

6.Келін Ю.М. Типові елементи систем автоматизованого управления.-М.: Форум: інфаМ.2002 р.

7.Таланов В.Д. Технічні засоби автоматизації \ за редакцією Клюева.-2-е вид., Перераб. І доп.: Істо-сервіс, 2002, -248 с.