2.5.3. Измерительные приборы

Измерительные приборы - это средства измерения, предназначенные для получения значений измеряемой ФВ в форме, удобной для восприятия наблюдателем.

Измерительные приборы (амперметры, гальванометры, твердомеры, частотомеры, копры, микрометры, термометры, расходомеры) сами по себе являются весьма сложными, специфическими устройствами, знание структуры которых в общем не обязательно для пользователя (для наблюдателя). Однако для получения результата измерения высокого качества необходимо рассмотреть метрологические характеристики измерительных приборов, важнейшими из которых являются:

-характеристики, предназначенные для определения результатов измерений;

-характеристики погрешностей средств измерений;

-характеристики чувствительности:

-динамические характеристики.

Кратко остановимся на первых двух. Метрологические характеристики, предназначенные для определения результатов измерений, непосредственно связаны с устройствами, которые показывают значение измеряемой величины- отсчетными устройствами. Отсчетные устройства подразделяются на:

- аналоговые (шкальные);

- цифровые;

- регистрирующие.

Главное преимущество аналогового вывода измеряемого значения физической величины в большой наглядности. Наблюдение за стрелочным прибором на щите управления существенно проще, чем за цифровыми показателями. Аналоговые регистраторы (диаграммы растяжения, диаграммы измерения температуры, давления, состава) также обладают большей наглядностью, чем цифровые регистрирующие устройства (цифропечатающие устройства или ЦПУ). Самопишущие (регистрирующие) приборы осуществляют запись измеряемой величины в функции чаще всего времени в форме диаграммы на материальном носителе (диаграммной бумаге). Цифровая форма регистрации результатов измерений хотя и не обладает наглядностью диаграмм, но зато позволяет записывать результаты непосредственно в память ЭВМ и имеет существенно меньшую погрешность считывания.

Шкальные отсчетные устройства состоят из шкалы и указателя, связанного с подвижной системой прибора (рис. 2.12).

Шкала - упорядоченный ряд отметок, соответствующих последовательному ряду значений величин, вместе со связанной с ними нумерацией. Цифровые шкалы средств измерений градуированы таким образом, что они образуют последовательность дискретных цифр, а, следовательно, обеспечивают не непрерывные, а дискретные показания. На современных приборах, снабженных цифровыми шкалами, кроме показаний обычно высвечиваются и единицы ФВ.

Например, измеряя электрическое напряжение с помощью электронного вольтметра можно получить значение 0,4 В. Сменив диапазон измерений, получим показания 375 мВ при измерении напряжения от одного и того же источника электрического тока. Разность значений измеряемой ФВ, показания которых отличаются на единицу младшего разряда, называется шагом дискретизации. В предыдущем примере шаг дискретизации равен 0,1 В и 1 мВ и соответствует половине погрешности считывания результата со средства измерения.

Самопишущие регистрирующие приборы осуществляют запись измеряемой ФВ в функции, чаще всего, времени в виде диаграмм на материальном носителе (на специальной диаграммной бумаге) или в виде чисел, регистрируемых цифропечатающими устройствами (ЦПУ) на бумаге или магнитных лентах, дискетах и т.д. Диаграммы, естественно, более наглядны, но при отсчете показаний с них вкрадывается погрешность считывания. Цифровая форма регистрации результатов измерений имеет погрешность считывания значительно меньше, равной половине шага дискретизации.

Основными характеристиками шкалы отсчетного устройства являются:

Длина деления шкалы - расстояние между центрами или осями двух соседних отметок, выражается в единицах длины.

Цена деления шкалы - значение измеряемой величины, которое вызывает перемещение указателя (стрелка, лезвие, нить, световой луч и т.д.) отсчетного устройства на одно деление. Выражается в единицах измеряемой ФВ и является нормируемой метрологической характеристикой аналоговых и цифровых показывающих и регистрирующих приборов.

Указанные на шкале наименьшее и наибольшее значения измеряемой величины называются соответственно начальным и конечным значениями шкалы.

Диапазон измерений - та часть диапазона показаний, для которой нормированы пределы допускаемых погрешностей средства измерения. Дело в том, что для некоторых шкальных приборов погрешность средства измерения различна на разных участках шкалы. С помощью таких средств измерений рекомендуется проводить измерения только в указанных в нормативно-технической документации диапазонах измерений.

Показание средства измерения - значение измеряемой ФВ, определенное по отсчетному устройству средства измерения и выраженное в принятых единицах этой величины. Показание может быть выражено как

x_n = NC или x_п = N_делC_дел,

где x_п - показание прибора, N-отсчет (неименованное число, отсчитанное по отсчетному устройству прибора или полученное счетом последовательных меток или сигналов); C - постоянная средства измерений (число, именованное в единицах измеряемой величины); N_дел - число делений, подсчитанных по отсчетному устройству; C_дел - цена деления шкалы

Рис. 2.12. Шкальное отсчетное устройство (схема).

а – диапазон шкалы в единицах измерения ФВ, длина шкалы в единицах длины;

б – диапазон или интервал измерений (в единицах измеряемой ФВ);

в – цена деления шкалы (в единицах измеряемой ФВ), деления шкалы или расстояние между градуировочными штрихами (в единицах длины);

г – начальное значение шкалы, нулевая отметка шкалы;

д – начальное значение диапазона измерений;

е – градуировочная отметка без числового значения;

ж – градуировочная отметка с числовым значением;

з – конечное значение диапазона измерений;

и – конечное значение шкалы;

к – числовое значение шкалы;

л – механический указатель ножевого типа.

Рассмотрим пример для пояснения разницы понятий постоянная средства измерений и цена деления шкалы. Из рис.2.12 видно, что N_max=25. Предположим, что положению стрелки отвечает отсчет N=20.Если наибольшее показание вольметра U_max=50 В, то постоянная прибора определится как C = U_max /N_max = 50 В/25 = 2 В, а показание прибора U = NC = 202 = 40 В.

На этой же шкале максимальное число делений N_делmax = 50. Фактическое число делений может быть меньше (как это и видно на рис.2.12), если начальное значение диапазона измерений (точка д, рис.2.12) далеко смещено относительно начального значения шкалы (точка г). В данном примере считаем, что градуировочные отметки (деления шкалы) в интервале от 0 до 5 нанесены все (т.е. их девять, а не шесть как на рисунке). Деления после цифры 25 в расчет не берем, т.к. они лежат за конечным значением диапазона измерений. Положению стрелки отвечает N_дел = 40 (счет числа делений начинаем с N_дел=0). Тогда цена деления будет равна С_дел = U_max / N_делmax = 50 В / 50 дел, а показание (отсчет) U = N_дел  С_дел = 40 дел  1 В/дел = 40 В, т.е. тоже самое значений, как и при отсчете с использованием понятия "постоянная прибора".