Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы и средства измерений. Учебное пособие для поверителей средств теплотехнических и физико-химических измерений
.pdf
РАЗДЕЛ 3
СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ
ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Устраивая первое колесо и доходя с ним до
локомотива, человек сочинил род движения
не как простой рабский подражатель
природных форм, а как разумный творец,
пользующийся в природе материалами и
силами для своих собственных,
общественностью созданных целей,
не имевшихся в виду у природы.
Д.И. Менделеев
Какое это великое человеческое
счастье получить новый результат.
Луи Пастер
Глава 4. КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ
Средством измерений называют техническое средство, ис-
пользуемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики. Средство измерений воспроизводит
и (или) хранит единицу физической величины. Размер единицы
в пределах установленной погрешности принимают неизменным
в течение известного интервала времени.
Способность средства измерений хранить единицу физиче-
ской величины и обеспечивать неизменность ее размера является
важнейшим фактором, позволяющим выполнять измерение. Если, например, в ходе измерительного процесса размер единицы
изменяется более чем установлено нормами, таким средством невозможно получить результат с требуемой точностью. Поэтому
средством измерений можно считать лишь такое техническое
средство, предназначенное для измерений, которое хранит единицу физической величины достаточно неизменную по размеру.
4.1. Основные и вспомогательные средства измерений
По выполняемым функциям при решении измерительной за-
дачи средства измерений делятся на основные и вспомогательные.
Средство измерений, которое используется для определения
значения физической величины в соответствии с данной измерительной задачей, называется основным средством измерений. Те
средства измерений, которые используются для определения значений величин, влияющих на основное средство или на объект
измерений, называют вспомогательными средствами измерений.
На рис. 4.1 представлена упрощенная схема аттестации пове-
рочной газовой смеси. В баллоне 1 содержится смесь газаразбавителя и измеряемого газа.
Эталонный газоанализатор 3 измеряющий концентрацию из-
меряемого газа, является основным средством измерений. Оптимальный режим работы эталонного газоанализатора происходит
при определенных значениях расхода газа. Расход газа измеряется расходомером — ротаметром, который является вспомогательным средством измерений.
Рис. 4.1. Схема аттестации поверочной газовой смеси
МЕРЫ
Однозначные меры
Многозначные меры
Магазины мер
Наборы мер
Стандартные образцы
1 — баллон с поверочной газовой смесью;
2 — манометр (вспомогательное средство измерений);
3 — эталонный газоанализатор (основное средство измерений);
4 — измеритель расхода газа (вспомогательное средство измерений)
4.2. Разновидности средств измерений
К средствам измерений относятся меры, измерительные при-
боры, измерительные преобразователи. Иногда указанные виды
средств измерений объединяют в измерительные установки и измерительные системы.
4.2.1. Меры
Мерой называют средство измерений, предназначенное для
воспроизведения и хранения величины одного или нескольких
заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.
На рис. 4.2 приведена классификация мер.
Применяя меры, необходимо учитывать ряд особенностей,
влияющих на точность воспроизведения величины.
Рис. 4.2. Классификация мер
Мера должна обладать высокой стабильностью характери-
стик во времени, высокой точностью действительного значения
воспроизводимой величины, минимальной зависимостью от
внешних условий, минимальными значениями температурных
коэффициентов, а также простотой устройства и удобством эксплуатации. Желательно, чтобы мера имела малые габаритные
размеры и массу.
Кроме того, к каждой мере могут предъявляться особые тре-
бования, учитывающие конкретные свойства данной меры, условия применения, особенности устройства и другие факторы.
Однозначная мера — воспроизводит физическую величину
одного размера.
На рис. 4.3 приведены примеры однозначных мер, применяемых в теплотехнических измерениях. Это — два вида мер постоянного напряжения – насыщенный нормальный элемент и ненасыщенный нормальный элемент; мера электрического сопротивления — измерительная катушка сопротивления.
Рис. 4.3. Однозначные меры
1 — насыщенный нормальный элемент;
2 — ненасыщенный нормальный элемент;
3 — измерительная катушка сопротивления
Многозначная мера — воспроизводит величину нескольких
размеров. Например, компаратор напряжения постоянного тока
Р3003 может быть применен в качестве многозначной меры напряжения при работе в режиме калибратора.
Рис. 4.4. Универсальный измерительный прибор Р4833
(многозначная мера напряжения)
На рис. 4.4 представлен общий вид универсального измери-
тельного прибора Р4833, используемого в качестве многозначной
меры напряжения при поверке пирометрических милливольтметров и автоматических потенциометров.
Набор мер — комплект мер одной физической величины,
но разного размера; набор мер предназначен для использования
как в качестве отдельной меры, так и в различных сочетаниях,
например, набор концевых мер длины.
Магазин мер — средство измерений, в котором набор мер
скомплектован в едином устройстве, позволяющем применять
входящие в набор меры в различных комбинациях, например, измерительный магазин электрического сопротивления.
На рис. 4.5 показан общий вид магазина сопротивления МСР60М. применяемого в качестве магазина мер при поверке логометров, автоматических мостов и других средств измерений.
Рис. 4.5. Измерительный магазин сопротивления типа МСР-60М
(магазин мер)
Стандартный образец — это образец вещества или материала с установленными в результате метрологической аттестации значениями одной или более величин, характеризующих
свойство этого вещества или материала. Стандартные образцы
свойств веществ и материалов по метрологическому назначению
являются однозначной мерой.
В частности, при поверке рН-метров, в качестве стандартных
образцов применяются эталонные буферные растворы. При поверке газоанализаторов стандартными образцами являются поверочные газовые смеси.
4.2.2. Измерительные приборы
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ
ПРИБОРЫ
Показывающие
Показывающие и
регистрирующие
Прямого действия Сравнения
Аналоговые Цифровые
Показывающие и
регистрирующие
Самопишущие Печатающие
Показывающие
Показывающие
Показывающие и
регистрирующие
Самопишущие
Измерительным прибором называют средство измерения,
предназначенное для получения значений измеряемой величины
в форме, удобной для восприятия наблюдателем, в установленном диапазоне и с установленной погрешностью.
На рис. 4.6 приведена краткая классификация измерительных
приборов.
Рис. 4.6. Краткая классификация измерительных приборов
По принципу действия все измерительные приборы можно
разделить на две группы: аналоговые и цифровые.
Аналоговые измерительные приборы
К аналоговым относятся измерительные приборы, у которых
показания или выходные сигналы являются непрерывной функцией изменения измеряемой величины.
Аналоговые измерительные приборы в свою очередь делятся
на приборы прямого действия и приборы сравнения.
Приборы прямого действия являются самым распространенным видом измерительных приборов. В них измеряемая величина
проходит ряд последовательных преобразований в одном направлении. Например, в деформационном манометре измеряемое давление преобразуется с помощью трубчатой пружины и секторного кинематического механизма в угол поворота указательной
стрелки.
Рис. 4.7. Аналоговый измерительный прибор
100
50
150
200
250
3000
0 100 200 300
х 1000С
0
1
2
3
4
5 6
7
8
9
10
11
0
100
200
300
0
100
200
300
0
100 200
300 350
С
о
КПП1
КПМ1
КСП1
КСМ1
КСП2
КСМ2
КСП3
КСМ3
КСП4
КСМ4
КВП1
КВМ1
прямого действия — деформационный технический манометр
Приборы сравнения в зависимости от задачи измерения могут
быть дифференциальными и нулевыми (компенсационными).
В дифференциальных приборах устанавливается разность между
измеряемой величиной и величиной сравнения. Разность измеряют прибором прямого действия. В нулевых приборах для каждого
значения измеряемой величины вручную или автоматически воспроизводят величину сравнения до обеспечения нулевой разности.
По способу индикации значений измеряемой величины приборы делятся на показывающие и регистрирующие.
В аналоговых показывающих приборах отсчетное устройство
представляет собой шкалу и указатель. Это, например, логометр,
манометрический термометр, пирометрический миллиамперметр.
Аналоговые регистрирующие приборы бывают самопишущими и печатающими. Приборы могут иметь ленточную или
дисковую диаграмму. В самопишущих приборах — одноточечных или многоточечных — запись показаний выполняется в виде
графика зависимости значений измеряемой величины от времени.
В печатающих приборах информация об измеряемой величине представляется в числовой форме на бумажной ленте.
На рис. 4.8 представлен общий вид аналоговых приборов
сравнения (приборов следящего уравновешивания).
Рис. 4.8. Аналоговые приборы сравнения для измерения температуры
Аналоговые измерительные приборы могут иметь встроенные устройства для сигнализации и регулирования, а также устройства для преобразования измеряемой величины в унифицированный выходной параметр (электрический или пневматический).
К цифровым измерительным приборам относятся измерительные приборы, в которых происходит преобразование входного измерительного сигнала в дискретный выходной сигнал, представленный в цифровой форме.
В цифровых приборах аналоговый измерительный сигнал
преобразуется аналого-цифровым преобразователем и подается
на цифровое отсчетное устройство. Цифровые приборы могут
быть показывающими, а также показывающими и регистрирующими. Под регистрацией в цифровых приборах подразумевается
сохранение результатов измерений в памяти прибора.
Цифровым измерительным прибором называют измерительный прибор, принцип действия которого основан на преобразовании непрерывной измеряемой величины в дискретную форму и представлении числовых значений измеряемой величины
в виде цифрового кода.
Принцип действия цифрового прибора
В цифровом приборе поступающая на вход прибора непрерывная измеряемая величина подвергается двум процессам: дискретизации во времени и квантованию по уровню. Полученная
дискретная форма подвергается цифровому кодированию, после
чего результат измерений представляется в виде чисел на отсчетном устройстве, в памяти прибора или на внешнем печатающем устройстве.
При дискретизации во времени непрерывная величина преобразуется в дискретную форму, при которой сохраняются мгновенные значения непрерывной величины через некоторые промежутки времени.
При квантовании по уровню непрерывная величина преобразуется в квантованную, при которой прибор выбирает из значений непрерывной величины фиксированные значения, взятые
с некоторым шагом (квантом).
На рис. 4.9 приведен график, иллюстрирующий процесс
квантования по уровню.
Если физическую величину Х измерять аналоговым прибором,
получим информацию в соответствии с непрерывным графиком
1
,
ii
XX
X
i
X
1
i
X
X
X
изменения X от времени τ.
При измерении величины X цифровым прибором, учитывая
наличие процесса квантования по уровню, значения измеряемой
величины
которые интервалы
, и так далее указываются прибором через не-
, называемые квантом или ступенью
квантования.
Рис. 4.9. График, иллюстрирующий процесс квантования
непрерывной измеряемой величины Х по уровню
Таким образом, цифровой прибор выдает информацию о значениях величины X, соответствующую границам кванта. На
графике рис 4.9 — это зачерненные площадки. Информацию, находящуюся внутри кванта цифровой прибор игнорирует. Это
обстоятельство является причиной погрешности, которую называют погрешностью квантования.
4.2.3. Измерительные преобразователи
Измерительным преобразователем называют средство измерений, в котором осуществляется преобразование измеряемой величины в другую величину или измерительный параметр, удобный для индикации, передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения измерительной информации.
На рис. 4.11 Приведена классификация измерительных преобразователей.
Измерительный преобразователь применяется совместно с
каким-либо средством измерений, либо входит в состав измерительной установки или измерительной системы.
По местоположению в измерительной цепи измерительные
преобразователи бывают первичными и передающими.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]