Общие сведения об измерениях и измерительных средствах

Примем, что буквенное обозначение будет относиться к входным измеряемым, а обозначение – квыходным измеренным величинам. Термин «измерение», в зависимости от контекста, будет трактоваться двояко: как измерительная процедура или, как численный результат измерительной процедуры.

Рассмотрим измерения с точки зрения метода получения результатов. Приведем необходимые определения и сведения, которые используются при решении задач анализа и обработки измерений.

Многократные измерения физической величины образуются на основе последовательности (серии) измерений, осуществленных, как, правило, в одинаковых условиях. Указанные измерения обозначаются, как , , где – номер измерения, – число измерений.

Однократные измерения, обозначаемые в виде , для физической величины являются частным случаем многократных измерений при ( ). Прямые измерения физической величины , также обозначаемые, как , производятся непосредственно на основе показаний измерительных средств.

Косвенные измерения реализуются в предположении, что физическая величина . которая является ненаблюдаемой, и значение которой необходимо определить (измерить), связана с наблюдаемыми (измеряемыми) физическими величинами , функциональной зависимостью известного вида

Пусть , являются измерениями физических величин , которые могут быть получены на основе процедур однократных или многократных измерений. Косвенное измерение для величины , достаточно часто представляется, как результат вычисления по исходной зависимости, путем замены , на

. (1.1)

Например, измерение количества выделенного тепла при остывании тела массой , удельной теплоемкости от температуры , до температуры вычисляется на основе известной функциональной зависимости

. (1.2)

Для физических величин , , производятся прямые измерения , , , физическая величина определяется на основе ее табличного значения . Величине ставится в соответствие ее косвенное измерение , вычисляемое по (1.2) в соответствии с (1.1).

Многомерные измерения осуществляются для систем, состояние которых описывается совокупностью (набором) переменных физических величин. В таких системах многомерное состояние может быть представлено вектором и многомерное (векторное) измерение для состояния записывается в виде .

Измерения могут быть классифицированы по виду измеряемых физических величин. Для систем автоматизации, холодильной техники, машин и оборудования пищевой промышленности и отраслей АПК измерения удобно сгруппировать следующим образом:

- Теплофизические измерения, состоящие из измерений температуры, тепловых потоков, количеств тепла, теплоемкостей, коэффициентов теплопроводности и теплопередачи, холодопроизводительности т.д.;

- Механические измерения, включающие измерения масс, плотностей веществ, расходов протекающих веществ, сил, давлении, механических напряжений, энергии, мощностей, перемещений, скоростей (линейных и угловых), ускорений, частот вращения, смещений уровней раздела сред и т.д.;

- Линейно–угловые измерения, включающие измерения линейных размеров, дуг, углов, а также площадей, объемов и т.д.;

- Электрические измерения, охватывающие измерения силы тока, напряжения, электрической мощности и энергии, фазовых сдвигов, измерения сопротивлений, емкостей и т.д.,

- Физико-химические измерения, включающие измерения влажности, измерения составов газов, физических характеристик веществ, концентрации веществ и т.д.,

- Виброакустические измерения, охватывающие измерения вибросмещений, виброскоростей, виброускорений, акустических давлений, акустической мощности как случайных сигналов, уровней вибраций и шумов, спектров вибраций и шумов и т.д.

Измерения, реализуемые при исследованиях, испытаниях, наладке и эксплуатации систем автоматизации, холодильных систем, пищевых машин и оборудования могут входить в одну или несколько указанных групп: теплофизическую, механическую, физико-химическую и др.

Для рассматриваемых предметных областей существуют вполне сложившиеся наборы измерительных задач с относительно устоявшимися средствами к технологиям измерений. В частности, холодильная техника характеризуется, в значительной степени, типовым набором измерительных задач, таких как, измерение показателей качества оборудования -холодопроизводительности холодильных машин или компрессоров, тепловых потоков и коэффициентов теплопередачи для теплообменников, измерение параметров для элементов оборудования - температур, давлений, расходов, влажностей и т.д. Вполне отработаны, учитывающие специфику рассматриваемой предметной области, общие методики измерений и технологии, касающиеся формирования конструкций измерительных (испытательных) теплотехнических стендов, выбора типов измерительных средств и определения требований к точности измерений.

Современные измерительные задачи реализуются с применением микроэлектроники и компьютерной техники, обеспечивающих получение существенно эффективных измерений, и предполагающих: наличие распределенных объектов измерения (например, холодильных камер, холодильных мании, теплообменных аппаратов, испытательных стендов и т.д.), состояние которых определяется совокупностью параметров и для которых производятся многоканальные измерения, 2) применение системы сбора многоканальной измерительной информации и ЭВМ; 3) возможность управления от ЭВМ процессам измерения; 4) реализацию в ЭВМ математической обработки больших объемов измерительной информации.

Приведем общепринятую классификацию для измерительных средств.

Измерительный преобразователь –- это техническое устройство, вырабатывающее измерительную информацию в виде. необходимом для последующего использования в автоматических системах, в системах передачи и обработки данных и т.д. На вход измерительного преобразователя поступает измеряемая физическая величию , выходом является физическая величина, обозначаемая как ,в которой содержится измерительная информация о величине . Данное техническое устройство прообразует одну 'физическую величину в другую физическую величину . Измерительный преобразователь представляет собой достаточно общее понятие.

Измерительное средство – это техническое устройство, предназначенное для реализации измерений и имеющее определенные метрологические характеристики. Входом для измерительного средства служит измеряемая физическая величина , выходом – ее измеренное значение, обозначаемое, как .

Мера –- это измерительное средство, предназначенное для воспроизведения (калибровки) измеряемой физической величины; например, к мерам относятся такие измерительные средства, как мерные массы, мерные линейки (меры длины) и г.д.

Измерительный прибор – это измерительное средство, предназначенное для выработки измерительной информации, доступной для непосредственного наблюдения. Измерительные приборы различаются типом выходной информации: 1) приборы с аналоговой (непрерывной) выходной информацией, в которых, чаще всего, для считывания показаний применяются стрелочные индикаторы; 2) приборы с цифровой выходной информацией, для которых показания, как правило, считываются в цифровой форме, например, со светодиодных индикаторов. Измерительные приборы бывают показывающими, регистрирующими или комбинированными.

Датчики – это измерительные преобразователи с выходной информацией в виде аналогового электрического сигнала. Датчики, как правило, входят в состав контрольно – измерительных приборов и систем автоматики. Иногда датчики включаются в единый конструктивный узел – измерительный регулятор, на который возлагаются задачи регулирования.

Датчики физических величин, которые выпускаются специализированными фирмами, как правило, подвергаются унификации по целому ряду параметров: по источникам питания; по форме и размерам монтажных плат, каркасов, панелей, пультов, конструкций корпусов, оснований и присоединительных узлов, по видам исполнений – пыле- и влагозащитном, герметичном, виброустойчивом и т.д.

Рассмотрим унифицированные требования к выходным электрическим сигналам датчиков в части диапазонов изменения по току или напряжению. Предполагается, что для датчиков устанавливаются пределы изменения намеряемых физических величин , : обозначения , (мА или В) применяются для задания граничных значений диапазона изменения выходных сигналов. При этом, выходной сигнал датчика связывается с измеряемой величиной линейной зависимостью с насыщением

для , (1.3)

причем для и для . По величине выходного сигнала для на основе (2 1.3) определяется измеряемая величина .

Микропроцессорные датчики – это измерительные преобразователи с выходной информацией в виде цифрового кода. Микропроцессорные датчики состоят: 1) из аналоговой части, преобразующей измеряемую физическую величину в электрический сигнал, 2) из микропроцессорной части, состоящей из блока АЦП, микропроцессорного блока, блока памяти и блока управления. Микропроцессорная часть представляет собой, фактически, микроЭВМ, реализованную в виде микросхемы. Наличие микроЭВМ, даже с ограниченными арифметическими возможностями и памятью, позволяет реализовать функции интеллектуальных датчиков, осуществляющих предварительную обработку информации и управление процессом измерения.

Для обеспечения удобств сопряжения микропроцессорных датчиков с ЭВМ или локальной вычислительной сетью выходные цифровые коды от указанных датчиков нормируются соответствующим образом. Взаимная передача цифровой информации между системой микропроцессорных датчиков и ЭВМ через локальную сеть реализуется на основе протоколов обмена. Цифровые сигналы, посылаемые от ЭВМ к датчикам или наоборот, формируются на основе определенных протоколом правил, которые позволяют декодировать (кодировать) принятую (посланную) информацию.

Датчики (сенсоры) на интегральных схемах–- это измерительные преобразователи, реализованные в виде специальных интегральных схем. Конструкции указанных датчиков обязательно содержат аналоговую часть; параметры электронных компонент аналоговой части оказываются зависящими от измеряемых физических величин, например, температуры, давления, влажности и т.д.

Компьютерные измерительные системы – представляют собой системы, состоящие из ЭВМ, набора измерительных средств, электронных схем ввода аналоговых измерительных сигналов в ЭВМ и вывода цифровых сигналов из ЭВМ для передачи управляющих сигналов в измерительные средства. Применение ЭВМ позволяет эффективно решать задачи управления измерительными средствами, задачи обработки результатов измерений, задачи отображения измерительной информации на мониторе, задачи выбора информации, полученной от нескольких измерительных средств.