Структурные схемы измерительных устройств

Классификация средств измерений

В метрологии средства измерений принято классифицировать по виду, принципу действия и метрологическому назначению.

Различают следующие виды средств измерений: меры, измерительные устройства; измерительные установки и измерительные системы (рис. 1.1).

Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера.

Рис. 1.1. Классификация средств измерений

Самим многочисленным видом средств измерений являются измерительные устройства, применяемые самостоятельно или в составе измерительных систем.

В зависимости от формы представления сигнала измерительной информации измерительные устройства подразделяют на измерительные приборы и измерительные преобразователи.

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительная информация обычно представляется в виде перемещения указателя по шкале, перемещения указателя по шкале, перемещения пера по диаграмме или в виде цифр, появляющихся на табло.

Измерительные приборы могут быть классифицированы по ряду признаков. Наиболее важные позиции метрологии признаки отражены на рис. 1.1.

Измерительный преобразователь – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающийся непосредственному восприятию наблюдателем.

Измерительная информация представляется преобразователями обычно в виде сигналов или переменного тока или напряжения, давления сжатого воздуха или жидкости, частоты гармонических колебаний, последовательности прямоугольных импульсов и т. п.

Как видно на рис. 1.1, измерительные преобразователи могут быть классифицированы в зависимости от используемого метода измерения и способа представления величины совершенно аналогично измерительным приборам. Кроме того, принято различать измерительные преобразователи по расположению в измерительной системе и ввиду функции преобразования, представляющей собой зависимость сигнала измерительного преобразователя от измеряемой физической величины. <…> Помимо приведенной на рис. 1.1 классификации измерительных приборов и преобразователей используют и другие.

По роду измеряемой величины измерительные устройства подразделяют на амперметры – для измерения тока, термометры – для измерения температуры, манометры – для измерения давления, концентраторы – для измерения концентрации веществ и т. п.

По степени защиты измерительные устройства бывают в нормальном (обыкновенном), пыле- водо-, взрывозащищенном, герметичном и т. д. исполнении.

Измерительные приборы подразделяют по характеру применения на стационарные (щитовые), корпус которых приспособлен для жесткого крепления на месте установки, и переносные, корпус которых не приспособлен для жесткого крепления.

Измерительная установка – совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, и расположенных в одном месте. Измерительные установки обычно используются в научных исследованиях, осуществляемых в различных лабораториях, при контроле качества в метрологических службах для определения метрологических свойств средств измерений.

Измерительная система – совокупность средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления. В настоящее измерительные системы часто рассматриваются как один из классов так называемых информационно-измерительных систем.

Информационно-измерительная система (ИИС) – совокупность функционального объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств, служащая либо для получения измерительной информации, ее преобразования, обработки в целях представления потребителю (в том числе ввода в АСУ) в требуемом виде, либо для автоматического осуществления логических функций контроля, диагностики, идентификации <…>.

Кроме рассмотренной классификации средств измерений по виду существенной является классификация по принципу действия.

Принципом действия средства измерений называют физически принцип, положенный в основу построения средств измерения данного вида. Принцип действия обычно находит отражение в названии средства измерений, например: термоэлектрический термометр, деформационный манометр, электромагнитный расходомер и т. п.

В силу того, что для средств измерений различных величин классификация по принципу действия является специфичной, при дальнейшем изложении она будет приводиться для каждой величины.

И наконец, существенной с позиций метрологии является классификация средств измерений по метрологическому назначению, в соответствии с которой принято различать образцовые и рабочие средства измерений.

Рабочее средство измерений – средство, применяемое для измерений, не связанных с передачей размера единиц. Рабочие средства измерений – это все громадное многообразие измерительных приборов, преобразователей, измерительных установок и систем, применяемых во всех областях деятельности человека.

Образцовое средство измерений – мера, измерительный прибор, измерительный преобразователь, служащее для поверки <…> по нему других (как рабочих, так и образцовых меньшей точности) средств измерений и утвержденное в качестве образцового.

Для удобства анализа различных соединений измерительных устройств между собой и со средствами автоматического управления любое измерительное устройство принято рассматривать как некоторый преобразователь, служащий для преобразования входного сигнала Х в выходной Y. Такое пр5едставление измерительных устройств позволяет применять при анализе систем хорошо разработанный аппарат теории автоматического регулирования.

Если входной и выходной сигналы представляют собой некоторые физические процессы, характеризуемые несколькими параметрами, то среди них различают информативные и неинформативные <…>.

Для конструкторов-приборостроителей чрезвычайно важной является информация о внутренней структуре измерительных устройств. Измерительные устройства состоят из некоторого числа элементов (составных частей), предназначенных для выполнения определенных функций, таких, как: преобразование поступающего сигнала по форме или виду энергии, успокоение колебаний, защита от помехонесущих полей, коммутация цепей, представление информации и т. п. К элементам измерительных устройств относятся: опоры, направляющие, пружины, магнитолы, контакты, множительно-передаточные механизмы и т. п.

Основные составные части измерительных устройств:

§ преобразовательный элемент – элемент средства измерений, в котором происходит одно из ряда последовательных преобразований величины;

§ измерительная цепь – совокупность преобразовательных элементов средства измерений, обеспечивающаяся осуществление всех преобразований сигнала измерительной информации;

§ измерительный механизм – часть конструкции средств измерений, состоящая из элементов, взаимодействие которых вызывает их взаимное перемещение;

§ отсчетное устройство – часть конструкции средства измерений, предназначенная для отсчитывания значений измеряемой величины;

§ регистрирующее устройство – часть регистрирующего измерительного прибора, предназначенная для регистрации показаний.

На рис. 1.2 приведены структурные схемы измерительных устройств прямого действия (рис. 1.2, а, в) и сравнения (рис. 1.2, б, г). Первое часто называют измерительными устройствами прямого преобразования, а второе – измерительными устройствами уравновешивающего, или компенсационного, преобразования.

Структурная схема измерительных устройств однозначно определяется используемым методом преобразования.

Рис. 1.2. Структурные схемы измерительных устройств

Измерительный прибор, основанный на методе прямого преобразования (рис. 1.2, а), работает следующим образом. Измеряемая физическая величина Х поступает в чувствительный элемент 1, где преобразуются в другую физическую величину, удобную для дальнейшего использования (например, ток, напряжение, давление, перемещение, сила), и поступает на промежуточный преобразовательный элемент 2, который обычно либо усиливает поступающий сигнал, либо преобразует его по форме. (В частном случае элемент 2, может отсутствовать.) Выходной сигнал элемента 2 поступает к измерительному механизму 3, перемещение элементов которого определятся с помощью отсчетного устройства 4. Выходной сигнал Y (показание), формируемый измерительным прибором, может быть воспринят органами чувств человека.

Показанием называют значение величины, определяемое по отсчетному устройству и выражаемое в принятых единицах этой величины. Отсчетное устройство представляет собой цифровое табло или, в подавляющем большинстве случаев, шкалу с указателем. Для шкальных отсчетных устройств принято использовать ряд понятий, сущность большинства из которых легко установить по рис. 1.3.

Рис. 1.3. Схема отчетного устройства измерительного прибора

Схема измерительного прибора, основанного на методе уравновешивающего преобразования, показана на рис. 1.2 б. Отличительной особенностью таких приборов является наличие отрицательной обратной связи. Здесь сигнал Z, возникающий на выходе чувствительного элемента, поступает на преобразовательный элемент 5, который способен осуществлять сравнение двух величин (элемент сравнения, компарирующий элемент), поступающих на его выход. Кроме величины Z на выход элемента 5 подается с противоположным знаком величина Z _yp (уравновешивающий сигнал), которая формируется на выходе обратного преобразовательного элемента 6. На выходе элемента 5 формируется сигнал, пропорциональный разности значений величин Z и Z _yp. Этот сигнал поступает в промежуточный преобразовательный элемент 2, выходной сигнал которого поступает одновременно на измерительный механизм 3 и на вход обратного преобразовательного элемента 6. В зависимости от типа промежуточного преобразовательного элемента 2 при каждом значении измеряемого параметра и соответствующем ему значении Z разность Z – Z _yp, поступающая на выход элемента 5, может сводиться к нулю или иметь некоторое малое значение, пропорциональное измеряемой величине.

На рис. 1.2, в, г приведены структурные схемы измерительных преобразователей, основанных соответственно на методах прямого и уравновешивающего преобразователя. В этих схемах отсутствует измерительный механизм и отсчетное устройство. Этим определяется тот факт, что сигнал измерительных преобразователей имеет форму, недоступную для восприятия человеком. В то же время в составе измерительных преобразований, как правило, имеется оконченный преобразовательный элемент 7, который формирует выходной сигнал (усиливает его по мощности, преобразует его в частоту колебаний и т. д.) таким образом, что его можно передавать на расстояние, хранить и обрабатывать.

Дата добавления: 2014-01-05