Лекция 2. ВИДЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ

К измерительным средствам принадлежат меры, измерительные приборы и измерительные установки. Меройназывается устройство, служащее для воспроизведения единицы измерения, либо кратной и дольной по отношению к ней величины. Мерой является гиря (единица массы). Гири выпускаются со значениями 1, 2, 5, 10 кг, а также 0.1, 0.2, 0.5 кг (т. е. кратные и дольные одному килограмму) Другим примером являются масштабная линейка, метр и рулетка. Магазин электрических сопротивлений представляет собой набор мер (сопротивлений) различных номиналов. Существуют меры с постоянным и переменным значением. Гиря принадлежат к первому типу, масштабная линейка – к второму.

Измерительным прибором называют устройство, обеспечивающее сравнение измеряемой величины с мерой.

Измерительная установка кроме приборов (обычно нескольких) включает различные вспомогательные устройства. Она служит для выполнения определенной достаточно узкой задачи. Так, поверочная установка служит для проведения поверок, для чего необходимо установить погрешности поверяемого прибора (на рис. 2.1 – манометра) путем сравнения его показаний с показаниями более точного, образцового прибора. Установка включает два

Рис. 2.1. Установка для поверки манометров

1 – поверяемый манометр; 2 – образцовый манометр; 3 – насос; 4 – кран; 5 – маслобак; 6 – винтовая пара; 7 – рукоятка

измерительных прибора: поверяемый 1 и образцовый 2 манометры, а также насос 3 с обратным клапаном для создания давления жидкости в манометрах, бак 5 для жидкости, запорный кран 4 и трубопровод с подсоединительными штуцерами.

Измерительные приборы делятся на приборы прямого и косвенного сравнения измеряемой величины с мерой. Приборы прямого сравнения,называемые еще компарирующими (compare – сравнивать – англ.), позволяют производить это сравнение непосредственно. К ним принадлежат, например, рычажные весы. Вес 6, положенный на

Рис. 2.2. Рычажные весы

1 – коромысло; 2 – стойка; 3 – призматическая опора; 4 – стрелка; 5 – чашка; 6 – измеряемый вес; 7 – гири

одну из чашек 5, измеряется путем его уравновешивания гирями 7, положенными на другую

чашку. Уравновешивание произошло, если стрелка 4 остановилась напротив нуля. Вес груза на левой чашке равняется сумме номиналов гирь на правой чашке. Приборы прямого сравнения, как правило, отличаются повышенной точностью, но они встречаются относительно редко, т. к. процесс измерения ими довольно трудоемок.

Приборы косвенного сравнения измеряемой величины, называют также показывающими приборами. Они показывают измеренную величину на своих отсчетных устройствах. К показывающим приборам, в частности, принадлежат пружинные весы. Если измеряемый вес прицепить к крючку, то пружина 2 растянется на определенную длину, а указатель 4 покажет на шкале 3 значение веса. Сравнение измеряемой величины с мерой

Рис. 2.3. Пружинные весы и их градуировка

1 – корпус; 2 – пружина; 3 – шкала; 4 – стрелка-указатель; 5 – гиря

состоит здесь в том, что прежде, чем производить измерения, у таких приборов необходимо изготовить (проградуировать) шкалу. Для этого к крючку последовательно цепляют гири 5 возрастающего номинала и наносят отметки на шкале 3 напротив указателя 4. С помощью показывающих приборов измерения производятся проще и быстрее, чем с помощью компарирующего прибора.

У показывающих приборов существует два типа отсчетных устройств: шкальные отсчетные устройства, и отсчетные устройства с цифровым указателем. Особый тип отсчетных устройств имеют самопишущие приборы. Шкальные отсчетные устройства

Рис. 2. 4. Шкальное отсчетное устройство

1 – циферблат; 2 – шкала; 3 – стрелка-указатель; 4 – ось вращения стрелки; 5 – числовая отметка шкалы; 6 – промежуточная отметка шкалы

состоят из указателя 3 и циферблата 1 с нанесенной на нем шкалой 2. Шкалойназывается совокупность отметок, нанесенных вдоль некоторой линии – чаще дуги окружности либо прямой. Отметки шкалы бывают числовые и промежуточные. Числовые отметки – это отметки, напротив которых указаны соответствующие числовые значения. Они обычно наносятся более крупно, чем промежуточные отметки. Когда производится градуировка шкалы, т. е ее нанесение по данным более точных измерительных средств (пример – см. рис.2.3, пружинный манометр), то наносятся только числовые отметки. Промежуточные отметки это отметки, наносимые путем деления интервала между числовыми отметками на несколько равных частей – обычно десять, пять или две. Промежуток между отметками естьделение шкалы. Цена деления –это значение измеряемой величины, соответствующее одному делению. Шкальные отсчетные устройства имеют преобладающее распространение ввиду простоты устройства и низкой стоимости

Отсчетное устройство в виде цифрового указателя состоит из табло, на котором, при измерении появляются цифры, представляющие собой числовые значения измеряемой величины. Пример – бесшкальные часы. Существуют также бесшкальные вольтметры, амперметры, измерители частоты переменного тока. Как правило, такие приборы обладают повышенной точностью.

Самопишущие приборы производят запись измеряемого параметра на носителе (бумажном или ином) в зависимости от какого-либо другого параметра, чаще всего от времени. Простейший самописец, на рисунке 2.5 представляет собой бесконечную бумажную ленту 3, перемещаемую от верхнего ведущего валика 2 электродвигателем 1. Синхронныйэлектродвигатель – это такой, частота вращения которого зависит только

Рис. 2.5. Самопишущий прибор

1 – синхронный электродвигатель; 2 – валик; 3 – бумажная лента; 4 – подшипник; 5 – каретка; 6 – нить; 7 – шкив; 8 – датчик; 9 – перо; 10 – диаграмма; – напряжение (сигнал), соответствующее измеряемой величине

от частоты питающей сети, т. е. практически постоянна. Датчик 8 представляет собой устройство, ось которого, подобно стрелке шкалы, может отклоняться от нулевого положения на угол, соответствующий измеряемой величине (обычно закодированной в виде электрического напряжения ). Прикасающееся к бумаге перо 9 через шкивы 7, нить 6 и каретку 5 приводится от датчика 8. Перо движется влево – в сторону увеличения, или вправо – в сторону уменьшения в зависимости от положения шкива датчика. Так-как бумага движется (в направлении, указанном стрелкой), то перо оставляет след в виде диаграммы. По диаграмме можно определить значение измеряемой величины не только в данный момент (как у обычного показывающего прибора) но и в любой предшествующий момент времени. Последнее представляет собой важное преимущество самопишущих приборов. Недостаток многих самописцев – невысокая точность (из-за трения пера о бумагу)

Отсчетное устройство самопишущего прибора состоит из пера, бумаги, нанесенной на бумагу клеточной разметки (подобной миллиметровке) и диаграммы. Известны цена деления разметки по времени – в направлении движения бумаги, и по измеряемому параметру – в направлении движения каретки.

В зависимости от способа подключения измерительные средства бывают разового действия, периодического действия и непрерывного действия.

Измерительные средства разового действия служат для производства разовых замеров (штангенциркуль служит, чтобы измерить диаметр некоторого вала, после чего его откладывают в сторону; для разовых электротехнических замеров служит тестер).

Приборы непрерывного действия дают значение измеряемой величины постоянно (часы); или пока продолжается контролируемый ими производственный процесс (буровой расходомер – см. лекцию 8).

Приборы периодического действия(см. рис.11.2) дают замеры через заданные промежутки времени, включаясь и выключаясь автоматически.

В частности, так работают некоторые самописцы. Они наносят значение измеряемой величины на ленту в виде некоторого значка (звездочки), например, раз в минуту. В промежутке тот же самописец автоматически подключается к датчику другой величины и наносить уже ее значение виде другого символа – (треугольника). Соединяя звездочки и треугольники, можно на одной и той же бумажной ленте (дорожке) получить две диаграммы. Так используется один самописец вместо двух или еще большего числа. Точность здесь зависит от периода между замерами – чем он меньше, тем выше точность контроля.

По отношению измеряемой величины к времени измерения измерительные приборы классифицируются на приборы мгновенного действия, приборы усредняющего действия и приборы интегрирующего действия. Приборы мгновенного (дифференцирующего) действиядают значение измеряемой величины, относящееся к бесконечно-малому промежутку времени . В следующее мгновение показания такого прибора могут уже измениться. Так работает большинство показывающих приборов. Способность такого прибора следовать за изменениями контролируемой величины зависят от его инерционности. Последнюю иногда искусственно завышают, чтобы иметь возможность вести наблюдение в условиях колебаний измеряемого параметра. Пример – манометр на буровом насосе стрелка которого может резко прыгать из-за неравномерной подачи жидкости. Этого избегают, помещая между манометром и нагнетательной линией “демпфер” (рис. 5.2) , пропускающий жидкость через отверстие малого диаметра.

Приборы интегрирующего действия (счетчики) дают значение измеряемой величины накопленное за определенный период времени. Так работают счетчики электроэнергии, воды и т. п. Обычно они имеют отсчетные устройства с цифровым указателем.

Приборы усредненного действия дают среднее значение измеряемой величины за некоторый заданный интервал времени. Так, измерители скорости бурения периодического действия (см. рис. 11.2 ) измеряют среднюю скорость, как частное от деления углубки на время, за которое она имела место. Интервал времени усреднения задается.

Рис. 2.6. Структурная схема измерительного прибора

Структурная схема измерительного прибора представляет последовательность измерительных преобразователей. На первый преобразователь действует измеряемая физическая величина , которая, в конечном итоге, преобразуется в изменение состояния отсчетного устройства (отклонение стрелки на угол ). Поэтому формула работы измерительного прибора (2.1)

Отношение , (2.2)

есть чувствительность прибора, которая представляет собой угол отклонения стрелки на единицу измеряемой величины. Так, если у одного манометра отклонение стрелки на 70 вызывается давлением в 1 МПа , а у второго – 10 МПа, то чувствительность первого (70 в десять раз выше чувствительности второго (7 .

Цена деления (2.3)

То есть, если измерять угол отклонения стрелки в делениях, то можно сказать, что величина, обратная чувствительности, есть цена деления – как это и следует из формулы (2.3).

Из структурной схемы видно что первый преобразователь преобразует входную величину в некоторую другую величину , воздействующую на второй преобразователь , который преобразует в величину , действующую на преобразователь , вырабатывающий , и т. д., пока не дойдет до стрелки указателя.

Первичный измерительный преобразователь, преобразующий входную физическую величину в другую величину, удобную для дальнейшей передачи, называется чувствительным элементом.Чувствительный элемент–это наиболее важная часть измерительного прибора, в первую очередь определяющая его работу. Чувствительный элемент зависит от измеряемой величины. Для измерения различных физических величин были изобретены различные типы чувствительных элементов. Во многих случаях их появление было следствием открытий в области физики. Учет особенностей чувствительного элемента определяет успешность применения соответствующего прибора

Измерительные преобразователи , расположенные между чувствительным элементом и отсчетным устройством представляют собой канал передачи информации. В зависимости от вида канала передачи информации измерительные приборы делятся на механические, электрические, гидравлические, пневматические и смешанные. Механические приборы имеют канал передачи информации в виде механических элементов: тяг, толкателей, осей, шестерен и т. п. Чувствительный элемент преобразует в этих приборах входную физическую величину (измеряемый параметр) в некоторое механическое перемещение.

Рис. 2.7. Манометр с серповидной трубчатой пружиной (трубкой Бурдона).

1 – трубка Бурдона; 2 – штуцер; 3 – тяга; 4 – зубчатый сектор; 5 – шестерня.

Типичным механическим прибором является манометр с трубкой Бурдона. При подаче жидкости со стороны штуцера 2 серповидная трубка 1 (с противоположной стороны она запаяна) распрямляется тем больше, чем сильнее давление. Через тягу 3 конец трубки поворачивает зубчатый сектор 4 и с его помощью шестерню 5 и стрелку, отклоняя ее от нуля. Если давление уменьшается, то обладающая пружинистыми свойствами трубка, стремится вернуться в прежнее положение, и стрелка движется в обратную сторону, показывая снижение давления.

Прибор имеет первичный преобразователь- чувствительный элемент ( ) – трубку Бурдона, преобразующий давление жидкости (входную величину ) в перемещение конца трубки при ее частичном распрямлении (величину ). Это перемещение воздействует на тягу (преобразователь ), и вызывает ее перемещение ( ). Последнее заставляет зубчатый сектор ( ) повернуться на некоторый угол ( ), а этот поворот преобразуется шестерней с выполненной заодно с ней стрелкой ( ) в перемещение стрелки по шкале ( ). Каналом передачи информации от чувствительного элемента к указателю служат преобразователи и (тяга и зубчатый сектор – чисто механические элементы.

Электрические приборы – это те, у которых канал передачи информации выполнен в виде последовательности проводящих элементов: проводов, резисторов, катушек и т. п. Чувствительный элемент преобразует измеряемую величину в электрическое напряжение, которое после преобразований (увеличение, уменьшение, переход от напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока или наоборот) подается на измеритель напряжения (чаще всего высокоточный гальванометр).

Механические приборы перед электрическими обычно имеют преимущество в простоте устройства, компактности и низкой стоимости. Главное преимущество электрических приборов – это возможность передавать измерительную информацию по проводам на значительные расстояния.

При этом у электрических приборов появляется отсутствующий у приборов механических структурный элемент – датчик. Датчиком называется чувствительный элемент, который вместе с рядом сопутствующих преобразователей (трансформаторов, выпрямителей и.т. п.) размещается в отдельном корпусе и устанавливается в месте, наиболее удобном для восприятия измеряемой величины. Проводами датчик связывается с гальванометром, который вместе с сопутствующими элементами (источниками питания, переключателями, предохранителями) помещается в специальном корпусе, называемом пультом. Пульт располагают в месте, удобном для наблюдения. Длина кабеля или проводов, соединяющих датчик с пультом, может быть от нескольких метров до многих километров.

Другими преимуществами электрических приборов являются: а) удобство их использования в устройствах записи измеряемого параметра; б) обеспечение сигнализации опасных значений, в) легкость вхождения в системы автоматического регулирования

Гидравлические приборы – это те, в которых каналом передачи информации являются трубопроводы, а входная физическая величина преобразуется чувствительным элементом в давление жидкости. В качестве отсчетного устройства используется манометр. Гидравлические приборы также способны передавать измерительную информацию на расстояние, но это расстояние (ограниченное длиной трубопровода), как правило, много меньше, чем у электрических приборов.

Пневматическиеприборы отличаются, по сути дела, от гидравлических только рабочим телом: здесь трубопроводы заполнены не жидкостью, а газом.

Рекомендуемая литература: 1. с. 54 – 61.

Контрольные вопросы

1. На какие три вида подразделяются измерительные средства?

2. Какие бывают виды отсчетных устройств?

3. Как устроен и работает самописец?

4. Какие существуют виды измерительных приборов?

5. Что такое структурная схема измерительного прибора и что она включает?