4.2 Структура средств измерений
В любом средстве измерений (кроме мер) в соответствии с его принципом действия осуществляется последовательный ряд преобразований физических величин друг в друга, как однородных, так и неоднородных по физической природе. Каждое из таких преобразований выполняется преобразовательным элементом, представляющим собой наименьшую, далее не членимую функциональную часть средства измерения. Преобразовательный элемент может быть выполнен в виде отдельного, конструктивно выделенного узла (детали, механизма, цепи). Однако, часто один и тот же элемент конструкции средства измерений может содержать в себе два и более преобразовательных элемента. Совокупность преобразовательных элементов средства измерений и связей между ними, обеспечивающая осуществление всех преобразований, необходимых для выполнения измерений, называется измерительной цепью.
Графическое изображение измерительной цепи с использованием условных (упрощённых) изображений преобразовательных элементов представляет собой функциональную схему средства измерений, называемую ещё структурной, что не всегда верно.
Для примера и уяснения понятия «преобразовательный элемент» ниже рассматривается функциональная схема простейшего измерительного прибора для измерения электрического напряжения – вольтметра электромагнитной системы, представленная на рис. 4.1.
Рисунок 4.1 – Функциональная схема вольтметра электромагнитной системы:
1 – делитель напряжения; 2 – катушка (сопротивление); 3 – катушка (индуктивность); 4 – сердечник; 5 – рычаг; 6 – пружина; 7 – стрелка; 8 – шкала; 9 – наблюдатель.
Как видно из схемы данный прибор имеет измерительную цепь, состоящую из девяти преобразовательных элементов, соединённых последовательно. Вход первого элемента, к которому подводится непосредственно измеряемая величина (здесь – напряжение), является входом в целом всей измерительной цепи, всего средства измерений (здесь – вольтметра), а выход последнего – выходом средства измерений, на котором выдаётся результат измерения.
Первый элемент – делитель напряжения, в котором измеряемое напряжение U уменьшается в а раз до размера U’, удобного для дальнейшего преобразования. Коэффициент деления а может быть переменной (изменяемой) величиной, тогда вольтметр становится многодиапазонным прибором.
Второй элемент – катушка, вернее, резистор, образованный обмоткой катушки и имеющий электрическое сопротивление R; в этом элементе приложенное к обмотке напряжение преобразуется в силу тока I.
Третий элемент – та же катушка, имеющая индуктивность L, но теперь она выступает как источник магнитного поля с магнитным потоком Фм, пропорциональным силе тока, протекающего по её виткам.
Четвёртый элемент – ферромагнитный сердечник (обычно в форме пластины специальной формы), находящийся в созданном катушкой магнитном поле; сердечник намагничивается и возникает магнитная сила притяжения F между ним и катушкой, являющаяся при прочих равных условиях функцией магнитного потока, обычно нелинейной.
Пятый элемент – тот же сердечник, но укреплённый на оси вращения, смещённой относительно линии действия магнитной силы притяжения на расстояние r; таким образом образуется рычаг и возникает вращающий момент Мвр, приложенный к этому рычагу относительно оси вращения.
Шестой элемент – спиральная пружина (обычно их две и расположены они на противоположных концах оси) с упругостью k, которая при повороте сердечника под действием вращающего момента закручивается и создаёт противодействующий момент, уравновешивающий момент вращающий; в итоге угол поворота сердечника и оси α оказывается пропорциональным вращающему моменту.
Седьмой элемент – стрелка, укреплённая на оси и имеющая длину (радиус) rс; угол поворота стрелки преобразуется в линейное (по дуге) перемещение l её конца.
Восьмой элемент – шкала, разделённая на ряд делений длиной Δl, которая позволяет перемещение конца стрелки преобразовать в соответствующее число делений (в показание) N.
Девятый элемент – это элемент, позволяющий преобразовать число делений (показание) в результат измерения Q,, что выполняется его умножением на цену деления шкалы [Q]. В данном случае (электромагнитный вольтметр) эту операцию выполняет субъект измерений (наблюдатель, оператор), и поэтому, строго говоря, девятый элемент является не элементом средства измерений (вольтметра), а элементом, операцией прямых измерений, выполняемых методом непосредственной оценки.
У электромеханических средств измерений, каковым является рассмотренный выше вольтметр, часть преобразовательных элементов объединяются в группы, узлы, являющиеся единым конструктивным целым. Так, катушка, сердечник, рычаг с осью, пружина образуют единый узел, в котором происходит преобразование входной электрической величины (силы тока) в выходную механическую (угол поворота оси) и который называется измерительным механизмом. Стрелка и шкала образуют узел, называемый показывающим устройством. Показывающее устройство может иметь различное конструктивное исполнение, но в любом случае оно предназначается для снятия показания измеряемой величины и его имеют не все виды средств измерений, а только измерительные приборы и многозначные меры.
Ниже уточняются уже названные и даются новые понятия, связанные с так называемыми шкальными (аналоговыми) показывающими устройствами.
Шкала – упорядоченный ряд отметок и проставленных у некоторых из них чисел отсчёта, соответствующих ряду последовательных значений измеряемой величины.
Отметка – видимый знак (черта, точка, зубец и т.п.), наносимый на поверхность жёсткой пластины (плоской или цилиндрической), называемой циферблатом, или на бумажные ленту или диск. Для обеспечения правильности и скорости снятия показания отметки в пределах одной шкалы могут различаться своими размерами (высотой, толщиной). На циферблат наносят не только шкалу, но и другие знаки, символы, надписи, числа, указывающие на назначение и некоторые характеристики средств измерений. Очень часто понятие шкалы ошибочно распространяется на весь циферблат.
Числовая отметка шкалы – отметка, у которой проставлено число отсчёта, соответствующее некоторому «круглому» значению измеряемой величины.
Деление шкалы – промежуток между двумя соседними отметками.
Указатель – часть показывающего устройства, положение которого относительно отметок шкалы определяет показание средства измерений: стрелка, метка, луч света, перо самописца, мениск жидкости (у жидкостных термометров и манометров) и т.п.
Помимо шкальных показывающих устройств в настоящее время находят всё более широкое применение цифровые, особенно в электронных средствах измерений: барабанный счётчик оборотов (в счётчиках электроэнергии, объёма жидкости и газа, в автомобильных спидометрах), жидкокристаллические или светодиодные цифровые табло. Основными понятиями, характеризующими цифровые показывающие устройства, являются количество десятичных разрядов, десятичная запятая (фиксированная или плавающая), время индикации, возможность наблюдать показание в темноте.
Различают и другие, специфические виды преобразовательных элементов. Так первый в измерительной цепи элемент или его часть, находящиеся под непосредственным воздействием измеряемой величины, называется чувствительным элементом или сенсором. Чаще всего понятие чувствительного элемента используют применительно к электрическим средствам измерений неэлектрических величин, преобразующего, как правило, неэлектрическую измеряемую величину в электрическую: термопара, терморезистор, тензопреобразователь, сужающее устройство, мембрана, поплавок и т.п.
В электронных средствах измерений, в том числе цифровых, выделяют такие типичные преобразовательные элементы и узлы как усилители, ослабители (аттенюаторы), выпрямители, дискриминаторы (различители), модуляторы и демодуляторы, аналогово-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи, интерфейсы, преобразователи кодов, счётчики, опорные генераторы, пороговые элементы, компараторы, электроннолучевые индикаторы и т.д.
Преобразовательные элементы и узлы конкретного средства измерений могут компоноваться или в виде конструктивно единого изделия, или в виде конструктивно обособленных частей (блоков), соединённых между собой линиями или каналами связи (обычно электрическими или пневматическими). Чаще всего конструктивно обособляются чувствительные элементы и ряд других промежуточных преобразовательных элементов измерительной цепи в случае, когда невозможно (из-за условий эксплуатации: высокая температура и влажность, вибрация, агрессивная среда и т.п.) или нецелесообразно (из-за неудобства эксплуатации: большие габариты и масса) размещать целиком всё средство измерений на (в) объекте измерения. Этот обособленный блок называют первичным преобразователем (но не измерительным) или датчиком. Чаще всего первичный преобразователь как конструктивно обособленный блок является частью электрических, электронных, механо-электрических, оптико-электрических средств измерений, предназначенных для измерения неэлектрических величин.
Примером такого средства измерений можно взять манометр для дистанционного измерения давления жидкости или газа в каком-либо технологическом аппарате. Первичный преобразователь такого манометра содержит в себе такие преобразовательные элементы как мембранный блок 1 и трансформаторный преобразователь перемещения мембраны 2, функциональная схема которого представлена на рис. 4.2.
Рисунок 4.2 – Функциональная схема
первичного преобразователя давления:
1 – мембранный блок, 2 – трансформаторный преобразователь перемещения, 3 – упругая мембрана, 4 – шток, 5 – сердечник трансформаторного преобразователя, 6 – первичная обмотка, 7 – вторичные обмотки, включённые дифференциально.
Давление, подаваемое в мембранный блок, вызывает прогиб мембраны и перемещение сердечника, что приводит, в свою очередь, к возрастанию напряжения на одной из вторичных обмоток и уменьшение его на другой. Напряжение питания на первичную обмотку поступает из остальной части манометра, называемой чаще всего вторичным прибором или измерительным блоком; напряжения с вторичных обмоток поступают также в измерительный блок, где они преобразуются в показания манометра.
Важно иметь в виду, что преобразовательный элемент сам по себе не является средством измерений, т.е. он не обладает метрологическими характеристиками. Основная характеристика преобразовательного элемента – функция преобразования, представляющая собой функцию связи величины на его выходе с величиной на его входе. Основные требования к ней – однозначность и стабильность. Средством измерений становится в целом вся совокупность преобразовательных элементов в результате проведения таких операций как настройка (юстировка, градуировка) и поверка (калибровка). Однако известны и широко применяются в качестве измерительных преобразователей такие преобразовательные элементы как термоэлектрические преобразователи (термопары), термопреобразователи (термометры) сопротивления (терморезисторы), стандартные сужающие устройства (преобразователи расхода газов и жидкостей в перепад давлений).