Измерение, параметры и датчики измерений

Различают объекты измерений (исследований) и методы измерений и регистрации измеряемых величин. После сбора данных, их обработки и анализа принимают решение о точности и достаточности полученных результатов или о постановке новых экспериментов.

Объекты измерений в сварочной технике могут быть разделены на два основных класса: сварочные процессы и сварные соединения. В ряде случаев измерения и регистрацию параметров на сварном соединении производят в ходе сварочного процесса. Как правило, такие измерения связаны с исследованиями полей температур или деформаций, кинетики аллотропических или фазовых превращений в свариваемом металле и др.

Таким образом, исследование сварочных процессов и сварных соединений связано с проведением измерений. Измерением называется процесс сравнения измеряемой величины с величиной того же рода, принятой за единицу измерений. Результат измерения выражают числом, показывающим отношение измеряемой величины к единице измерения.

Параметры измерений. Измеряемые параметры можно условно разделить на электрические и неэлектрические. К числу основных электрических параметров, определяющих большинство режимов сварки, относятся ток и напряжение в цепи, которые могут быть постоянными, синусоидальными и несинусоидальными. Несинусоидальные параметры характеризуются действующими и мгновенными значениями. Число неэлектрических параметров объекта исследования велико. Наиболее важными неэлектрическими параметрами в сварочной технике являются температура, перемещение (деформация), усилие (вес), масса, площадь, объем и их производные по времени: скорость нагрева (охлаждения), скорость движения (деформации), расход и т. д. Следует различать статические и динамические значения измеряемых величин.

Параметры такого объекта измерений, как сварочный процесс, могут относиться к различным агрегатным состояниям вещества: твердому, жидкому и газообразному, а также плазмообразному.

Важным параметром сварочного процесса является производная не только по времени, но и в пространстве, т. е. градиент. Именно создание больших градиентов температуры для нагрева холодного металла до температур сварки вызывает, в свою очередь, градиенты других характеристик (механических напряжений, концентраций элементов или газов и т. д.).

Датчики измерений. Элемент измерительного устройства, преобразующий неэлектрическую величину в электрическую, называется датчиком. Он является функциональным элементом, обеспечивающим информационную связь между измеряемым объектом и измерительным устройством.

Простота, с которой могут быть усилены, зарегистрированы, измерены, преобразованы электрические сигналы, привела к тому, что в большинстве современных приборов применяются различные методы преобразования измеряемых неэлектрических величин в электрический ток или напряжение.

Различают параметрические и генераторные датчики. Если для преобразования неэлектрической величины в один из электрических параметров – сопротивление, емкость, индуктивность – требуется источник питания, то датчик является параметрическим. Если неэлектрическая величина преобразуется в ЭДС, то датчик является генераторным. Параметрические датчики по принципу действия подразделяются на датчики сопротивления (реостатные, тензосопротивления, термосопротивления), индуктивности (индуктивные, магнитоупругие, магнитные и др.) и прочие генераторные датчики. По принципу действия они подразделяются на термоэлектрические, индукционные, пьезоэлектрические, полупроводниковые, эмиссионные и другие датчики.

Одним из требований к датчикам является обеспечение линейной зависимости выходного сигнала от измеряемой величины. Нелинейность датчика может быть устранена введением дополнительного функционального преобразователя с нелинейными элементами, который частично или полностью компенсирует нелинейность характеристики датчика.

Средства измерений

Средства измерений дают необходимую информацию для экспериментатора. К ним относят меры, измерительные приборы, установки и системы. Измерительным прибором называют средство измерения, предназначенное для получения определенной информации об изучаемой величине в удобной для экспериментатора форме. В этих приборах измеряемая величина преобразуется в показание или сигнал. Они состоят из двух основных узлов: воспринимающего сигнал и преобразующего его в показание.

Приборы классифицируют по:

– способу отсчета значения измеряемой величины (показывающие, комбинирующие);

– точности измерений;

– стабильности показаний;

– чувствительности;

– пределам измерения и т. д.

Наибольшее распространение получили показывающие аналоговые приборы, отсчетные устройства которых состоят из шкалы и указателя. Показывающие цифровые приборы имеют меньшую погрешность, они фиксируют измеряемую величину в виде цифр. Регистрирующие приборы бывают самопишущими и печатными. Первые (термограф, шлейфовый осциллограф и др.) выдают график измерений. Печатные приборы выдают измерения в виде цифр на ленте.

Измерительная установка – это система, состоящая из основных и вспомогательных средств измерений. В состав установок входят преобразователи, предназначенные для одно- или многоступенчатого преобразования сигнала до такого уровня, при котором можно было зафиксировать его измерительным механизмом.

Масштабные преобразователи (трансформаторы, электронные усилители и т. д.) увеличивают величину в несколько раз без изменения ее физической сущности. Имеются также преобразователи, изменяющие физическую сущность сигнала. Так, электромеханический преобразователь преобразует электрический сигнал на входе в механический на выходе или наоборот.

Выходной сигнал средств измерений фиксируется отсчетными устройствами, которые бывают сигнальными, цифровыми и регистрирующими. Расстояние между двумя смежными отметками на шкале называют длиной деления шкалы. Диапазон показаний прибора – это разность между значениями измеряемой величины, соответствующей началу и концу шкалы.

Погрешность измерительного прибора бывает абсолютной и относительной. Под абсолютной погрешностью принимается величина , где х_п – показание прибора; х_д – действительное значение измеряемой величины, полученное более точным методом. Относительная погрешность прибора определяется отношением . Иногда применяют понятие приведенной погрешности , где х _пр – диапазон измерений, та часть диапазона показаний прибора, для которой установлены погрешности прибора.

Погрешность возникает вследствие недоброкачественных материалов, комплектующих изделий, плохого качества изготовления приборов, неудовлетворительной эксплуатации и др. Оказывает влияние градуировка шкалы, периодическая проверка приборов.

Кроме этих систематических погрешностей возникают случайные погрешности – ошибки отсчета, параллакс (видимое изменение положения предмета вследствие перемещения глаза наблюдателя), вариация (значение зависит от направления движения стрелки перед остановкой, от трения в узлах) и т. д.

Суммарные погрешности, установленные при нормальных условиях, называют основными погрешностями прибора. Разность между максимальным и минимальным показаниями прибора называют размахом. Если эта величина непостоянная, то есть, если при обратном ходе имеется увеличение или уменьшение хода, то эту разность называют вариацией показаний W. Чувствительность прибора – способность отсчитывающего устройства реагировать на изменение измеряемой величины. Под порогом чувствительности прибора понимают наименьшее значение измеренной величины, вызывающее изменение показаний прибора, которое можно зафиксировать.

Основной характеристикой прибора является его точность, которая характеризуется суммарной погрешностью. Средства измерения делятся на классы точности в зависимости от допускаемых погрешностей. Класс точности прибора обозначает допустимую суммарную относительную погрешность от верхнего предела измерений. Если класс прибора равен 1, то допускаемая относительная погрешность равна ± 1 %, при 3 классе точности – ± 3 %, от всей рабочей шкалы соответственно.

Средства измерения, используемые в научных исследованиях, проходят периодическую проверку на точность: государственную (через 1 – 2 года), ведомственную (по графику), рабочую (перед началом работы). При регулировке прибора производят регулировку нуля и чувствительности. Регулировка нуля снимает значение систематических ошибок в диапазоне нижнего предела измерений. Регулировка чувствительности снижает погрешность измерения на всей длине шкалы прибора.