Измерительный преобразователь.

ЛЕКЦИЯ № 4

Дисциплина:
«МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ И КОНТРОЛЯ»

Тема:

«Средства измерений и контроля».

Вопросы:  

Классификация средств измерений.

Элементы средств измерений, их классификация, метрологические характеристики, метрологическая, информационная, конструктивная и эксплуатационная совместимость.

Год

Классификация средств измерений.

Мера физической величины.

 Ме́ра физи́ческой величины́ (мера величины, мера) — средство измерений в виде какого-либо тела, вещества или устройства, предназначенное для воспроизведения и хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.

Виды мер:

• Однозначная мера — мера, воспроизводящая физическую величину одного размера (например, гиря 1 кг).
• Многозначная мера — мера, воспроизводящая физическую величину разных размеров (например, штриховая мера длины).
• Набор мер — комплект мер разного размера одной и той же физической величины (например, набор концевых мер длины).
• Магазин мер — набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство (например, магазин электрических сопротивлений).
• Стандартный образец — мера в виде вещества, при помощи которой размер физической величины воспроизводится как свойство или как состав вещества, из которого изготовлен стандартный образец.

Измерительный преобразователь.

Измерительный преобразователь - это средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Принцип их действия основан на различных физических явлениях. Измерительные преобразователи преобразуют любые физические величины х (электрические, неэлектрические, магнитные) в выходной электрический сигнал Y = f(х).

Измерительные преобразователи являются составными частями измерительных приборов, установок и систем. Измерительные преобразователи можно классифицировать по характеру входной и выходной величин, месту в измерительной цепи, физическим явлениям, положенным в их принцип действия, и другим признакам.

Физические величины могут быть непрерывными по значению и квантованными (они представляются обычно цифровыми сигналами). Если входная и выходная величины измерительного преобразователя – непрерывные величины, такой преобразователь называют – аналоговым. Измерительный преобразователи одного цифрового сигнала в другой получили название цифровых. Преобразователи аналог-цифра превращают непрерывную величину в цифровой сигнал, а преобразователи цифра-аналог - цифровой сигнал в сигнал, непрерывный по значению (например, преобразователь двоичного числа в постоянное напряжение).

По месту, занимаемому в измерительной цепи, средства измерения, преобразователи подразделяются на первичные, передающие, промежуточные, выходные и обратные.

Первичный преобразователь — это преобразователь, к которому подведена измеряемая величина. Для первичных преобразователей характерно то, что на них воздействует непосредственно измеряемая величина. Физическая величина, в которую преобразует измеряемую величину первичный преобразователь, может быть подведена к измерительному механизму, может быть подана на другой преобразователь или использована, например, для целей телеизмерений.

Примером первичного преобразователя может служить термопара в цепи термоэлектрического термометра.

Конструктивно обособленный первичный измерительный преобразователь, от которого поступают сигналы измерительной информации, называется датчиком.

Датчик может быть вынесен на значительное расстояние от средства измерений, принимающего его сигналы. Например, датчики запущенного метеорологического радиозонда передают измерительную информацию о температуре, давлении, влажности и других параметрах атмосферы; тензопреобразователь, наклеенный на упругий элемент и воспринимающий его деформацию, также является датчиком.

Передающий преобразователь - измерительный преобразователь, служащий для дистанционной передачи измерительной информации. Для этих преобразователей характерно назначение величины, образуемой на его «выходе». Очевидно, что преобразователь может одновременно выполнять функции первичного и передающего.

Промежуточный преобразователь — преобразователь, занимающий в измерительной цепи место после первичного.

Выходной преобразователь – преобразователь, стоящий последним в измерительной цепи. Он снабжается отсчетным или регистрирующим устройством, фиксирующим значение измеряемой величины.
Измерительные приборы сравнения имеют две цепи – прямого преобразования, начиная от входной величины, и обратного преобразования – к входной величине. Измерительные преобразователи, стоящие в цепи обратного преобразования, получили название обратных.

Для изменения в определенное число раз значения одной из величин, действующих в измерительной цепи, без изменения ее физической природы используют масштабные преобразователи: делители напряжения, измерительные трансформаторы тока, измерительные усилители и т. п.
Полезно также все измерительные преобразователи разделить на две группы: генераторные (энергетические) и параметрические. Первые характеризуются тем, что для осуществления преобразования не требуется постороннего источника энергии. Измерительный преобразователь её вырабатывает сам за счет воздействия преобразуемой величины. Параметрические же преобразователи должны быть возбуждены от постороннего источника энергии. Например, преобразователь в виде термопары для измерения температуры сам вырабатывает электрическую энергию, а термометр сопротивления (нагреваемая проволока) может осуществлять преобразование температуры в сопротивление только будучи нагретым источником электрического тока.

Измерительные преобразователи могут быть встроены в корпус прибора и вместе с другими его устройствами образовать единую конструкцию. В этом случае метрологические характеристики нормируются для измерительного прибора в целом. В тех случаях, когда измерительные преобразователи (один или несколько) являются конструктивно обособленными элементами, метрологические характеристики нормируются на эти элементы. Это очень важно при построении измерительных средств на базе блочно-модульного принципа, при построении измерительных установок и систем, которые могут включать десятки различных измерительных преобразователей.

Измерительные преобразователи бывают взаимозаменяемыми, ограниченно-взаимозаменяемыми и невзаимозаменяемыми или индивидуальными.

Взаимозаменяемые преобразователи могут без каких-либо ограничений заменять друг друга. При такой замене свойства прибора не должны измениться. Для того чтобы обеспечивалась такая взаимозаменяемость, нормируют ряд характеристик преобразователей. Для них устанавливают и стандартизуют рациональный ряд коэффициентов преобразования. Под коэффициентом преобразования понимается отношение значения величины на входе преобразователя к значению соответствующей ей величины на выходе.
Важные характеристики взаимозаменяемых преобразователей следующие: - значение входной и выходной величин каждой в отдельности. Так, напри-
мер, государственными стандартами устанавливаются следующие диапазоны изменения входных и выходных величин: сила постоянного электрического тока I= = 0…5 мA; 0…20 мA, постоянное напряжение U= = 0…10 В, переменное напряжение U~ = 0…2 В, частота электрических колебаний f = 1500…2500 Гц; 4000…8000 Гц. Установление определенного ряда этих значений и обеспечивает широкую взаимозаменяемость преобразователей. Благодаря установлению таких рядов значительно сокращается количество разновидностей первичных преобразователей и вторичных устройств (конструктивно обособленная остальная часть элементов измерительной цепи).

Для большинства взаимозаменяемых преобразователей устанавливают классы точности. При выборе преобразователя стремятся к тому, чтобы его класс точности, если это возможно, был выше класса точности измерительного прибора, применяемого с преобразователем, иначе говоря, чтобы применение преобразователя как можно меньше снижало общую точность измерения данным прибором.

Требования, предъявляемые к взаимозаменяемым преобразователям, весьма высоки. В ряде случаев некоторые из них невыполнимы или выполнение их экономически нецелесообразно. Тогда их применяют ограниченно, причем ограничение накладывают на какое-либо одно требование.

Чаще всего взаимозаменяемые преобразователи используют только для измерительного прибора одного вида или типа, а иногда даже только одной его конструкции, о чем на преобразователе делается соответствующая надпись.
Применение индивидуальных (невзаимозаменяемых) преобразователей позволяет улучшить метрологические характеристики измерительного прибора и установки за счет специальных регулировок.

Измерительный прибор.

Измери́тельный прибо́р — средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. Часто измерительным прибором называют средство измерений для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия оператора.

Классификация измерительных приборов:

А) По способу представления информации (показывающие или регистрирующие).

Показывающий измерительный прибор — измерительный прибор, допускающий только отсчитывание показаний значений измеряемой величины

Регистрирующий измерительный прибор — измерительный прибор, в котором предусмотрена регистрация показаний. Регистрация значений может осуществляться в аналоговой или цифровой формах. Различают самопишущие и печатающие регистрирующие приборы.

 Б) По методу измерений.

Измерительный прибор прямого действия — измерительный прибор, например, манометр, амперметр в котором осуществляется одно или несколько преобразований измеряемой величины и значение её находится без сравнения с известной одноимённой величиной.

Измерительный прибор сравнения — измерительный прибор, предназначенный для непосредственного сравнения измеряемой величины с величиной, значение которой известно.

В) По форме представления показаний.

Аналоговый измерительный прибор — измерительный прибор, показания которого или выходной сигнал являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины.

Цифровой измерительный прибор — измерительный прибор, показания которого представлены в цифровой форме.

Г) По другим признакам.

Суммирующий измерительный прибор — измерительный прибор, показания которого функционально связаны с суммой двух или нескольких величин, подводимых к нему по различным каналам.

Интегрирующий измерительный прибор — измерительный прибор, в котором значение измеряемой величины определяются путём её интегрирования по другой величине.

Д) По способу применения и конструктивному исполнению (стационарные, щитовые, панельные, переносные);

Е) По принципу действия учётом конструкции (с подвижными частями и без подвижных частей);

Ж) Для приборов с механической частью также по способу создания противодействующего момента (механическим противодействием, магнитнымилина основе электромагнитных сил);

З) По характеру шкалы и положению на ней нулевой точки (равномерная шкала, неравномерная, с односторонней, двухсторонней (симметричной и несимметричной), с безнулевой шкалой);

И) По конструкции отсчётного устройства (непосредственный отсчёт, со световым указателем — световым зайчиком, с пишущим устройством, язычковые — вибрационные частотомеры, со шкалой на оптоэлектронном эффекте — люминофор, ЖК, СИД);

К) по точности измерений (нормируемые и ненормируемые — индикаторы или указатели);

Л) по виду используемой энергии (физическому явлению) — электромеханические, электротепловые, электрокинетические, электрохимические;

М) По роду измеряемой величины (вольтметры, амперметры, веберметры, частотомеры, варметры и т. д.).

Для измерительных приборов характерен следующий ряд параметров:

Диапазон измерений — область значений измеряемой величины, на который рассчитан прибор при его нормальном функционировании (с заданной точностью измерения).

Порог чувствительности — некоторое минимальное или пороговое значение измеряемой величины, которое прибор может различить.

Чувствительность — связывает значение измеряемого параметра с соответствующим ему изменением показаний прибора.

Точность — способность прибора указывать истинное значение измеряемого показателя (предел допустимой погрешности или неопределённость измерения).

Стабильность— способность прибора поддерживать заданную точность измерения в течение определенного времени после калибровки.

При выборе измерительного прибора нужно основываться на трех основных аспектах: