- •Технические измерения и приборы
- •Введение
- •Измеряемые и регулируемые величины
- •1. Государственная система приборов
- •1.1. Основные понятия и определения гсп
- •1.2. Принципы построения гсп
- •1.3. Классификация средств измерения и автоматизации гсп
- •1.3.1. Функциональные группы изделий гсп
- •1.3.2. Примеры агрегатных комплексов
- •1.4. Основные ветви системы
- •Контрольные вопросы
- •2. Общие характеристики средств измерения
- •2.1. Классификация средств измерения
- •2.1.1. Классификация компонентов измерительных устройств
- •2.2. Типовые структурные схемы измерительных устройств
- •2.2.1. Структурные схемы средств измерения неэлектрических величин
- •2.2.2. Структурные схемы измерительных систем
- •2.3. Статические характеристики и параметры измерительных устройств
- •2.4. Динамические характеристики измерительных устройств
- •2.5. Погрешности средств измерений
- •2.6. Нормирование метрологических характеристик средств измерений
- •2.6.1. Нормирование метрологических характеристик измерительных устройств
- •2.6.2. Нормирование метрологических характеристик измерительных систем
- •Контрольные вопросы
- •3. Измерительные информационные системы
- •3.1. Основные понятия об измерительных информационных системах
- •3.1.1. Поколения измерительных информационных систем
- •3.1.2. Классификация иис
- •3.1.3. Требования, предъявляемые к иис
- •3.1.4. Основные компоненты иис
- •3.2. Виды информационно-измерительных систем
- •3.2.1. Измерительные системы
- •3.2.1.1. Многоканальные ис
- •3.2.1.2. Сканирующие ис
- •3.2.1.3. Ис параллельно-последовательного действия (многоточечные)
- •3.2.2. Системы автоматического контроля
- •3.2.3. Системы технической диагностики
- •3.2.4. Система телеизмерения
- •3.2.5. Перспективы развития иис
- •Контрольные вопросы
- •4. Электрические измерения и приборы
- •4.1. Аналоговые средства измерений
- •4.1.1. Электромеханические приборы
- •4.1.1.1. Приборы магнитоэлектрической системы
- •4.1.1.2. Гальванометры
- •4.1.1.3. Приборы электромагнитной системы
- •4.1.2. Компенсаторы постоянного тока
- •4.1.3. Электронные аналоговые вольтметры
- •4.2. Цифровые электронные вольтметры
- •4.2.1. Цифровой вольтметр с глин
- •4.2.2. Времяимпульсный цифровой вольтметр двойного интегрирования
- •4.3. Измерение параметров элементов электрических цепей
- •4.3.1. Метод вольтметра-амперметра
- •4.3.2. Метод непосредственной оценки
- •4.3.2.1. Электромеханические омметры
- •4.3.2.2. Электронные омметры
- •4.3.3. Компенсационный метод измерения сопротивлений
- •4.3.4. Метод дискретного счета
- •4.4. Электронно-счетный частотомер
- •Контрольные вопросы
- •5. Передающие преобразователи неэлектрических величин
- •5.1. Дифференциально-трансформаторные преобразователи
- •5.2. Передающие преобразователи с магнитной компенсацией
- •5.3. Электросиловые преобразователи
- •5.4. Измерительные тензопреобразователи
- •Контрольные вопросы
- •6. Измерение температур
- •6.1. Практические температурные шкалы
- •Средства измерения температур
- •6.2. Термометры расширения
- •6.2.1. Стеклянные жидкостные термометры
- •Технические электроконтактные термометры
- •6.2.2. Манометрические термометры
- •6.2.2.1. Газовые манометрические термометры
- •6.2.2.2. Жидкостные манометрические термометры
- •6.2.2.3. Конденсационные манометрические термометры
- •6.3. Термоэлектрические термометры
- •6.3.1. Характеристики материалов для термоэлектрических преобразователей
- •6.3.2. Конструкция термоэлектрических термометров
- •6.3.3. Удлиняющие термоэлектродные провода
- •6.4. Термометры сопротивления
- •6.4.1. Медные термометры сопротивления
- •6.4.2. Никелевые термометры сопротивления
- •6.4.3. Платиновые термометры сопротивления
- •6.4.4. Неметаллические термометры сопротивления
- •6.4.5. Устройство термометров сопротивления
- •6.4.6. Способы подключения термометров сопротивления
- •6.4.6.1. Двухпроводная схема подключения
- •6.4.6.2. Трехпроводная схема подключения
- •6.4.6.3. Четырехпроводная схема подключения
- •6.5. Динамическая характеристика термопреобразователей
- •6.6. Промышленные термопреобразователи
- •6.6.1. Преобразователи термоэлектрические тха «Метран-201» и тхк «Метран-202»
- •6.6.2. Термопреобразователи сопротивления медные взрывозащищенные тсм «Метран-253» (50м) и тсм «Метран-254» (100м)
- •6.6.3. Термопреобразователи сопротивления платиновые тсп «Метран-245»; «Метран-246»
- •6.6.4. Термопреобразователи с унифицированным выходным сигналом тхау «Метран-271», тсму «Метран-274», тспу «Метран-276»
- •6.6.5. Термопреобразователи микропроцессорные тхау «Метран-271мп», тсму «Метран-274мп», тспу «Метран-276мп»
- •6.6.6. Интеллектуальные преобразователи температуры «Метран-281», «Метран-286»
- •Контрольные вопросы
- •7. Измерение давления
- •7.1. Классификация манометров
- •7.1.1. По виду измеряемого давления
- •7.1.2. По принципу преобразования измеряемого давления
- •7.2. Деформационные манометры
- •7.2.1. Трубчато-пружинные манометры
- •7.2.2. Электроконтактные манометры
- •7.2.3. Манометры с дтп
- •7.2.4. Манометры с компенсацией магнитных потоков
- •7.2.5. Преобразователи давления с силовой компенсацией
- •7.2.6. Сильфонные манометры и дифманометры
- •7.2.7. Мембранные манометры и дифманометры
- •7.3. Пьезоэлектрические манометры
- •7.4. Манометры с тензопреобразователями
- •7.5. Методика измерения давления и разности давлений
- •Контрольные вопросы
- •8. Измерение уровня
- •8.1. Уровнемеры с визуальным отсчетом
- •8.2. Гидростатические уровнемеры
- •8.3. Поплавковые и буйковые уровнемеры
- •8.4. Емкостные уровнемеры
- •8.5. Индуктивные уровнемеры
- •8.6. Ультразвуковые уровнемеры
- •Контрольные вопросы
- •9. Измерение расхода
- •9.3. Измерение расхода по переменному перепаду давления
- •9.3.1. Расходомеры с сужающими устройствами
- •9.3.2. Измерение расхода по переменному перепаду давления в осредняющей напорной трубке
- •9.4. Расходомеры постоянного перепада
- •9.4.1. Ротаметры
- •9.4.2. Тахометрические расходомеры
- •9.4.3. Электромагнитные расходомеры
- •9.9. Схема расходомера с электромагнитом
- •9.4.4. Ультразвуковые расходомеры
- •9.4.5. Вихревые расходомеры
- •9.4.6. Вихреакустические расходомеры
- •9.12. Схема проточной части расходомера «Метран 300 пр»
- •9.4.7. Массовые кориолисовые расходомеры и плотномеры
- •9.5. Обзор имеющихся расходомеров
- •Контрольные вопросы
- •10. Измерение положения, скорости, ускорения
- •10.2. Фотоэлектрические преобразователи положения
- •10.3. Кодовые датчики положения
- •10.4.3. Импульсные датчики скорости
- •10.5. Инерционные датчики ускорения, скорости, положения
- •Контрольные вопросы
- •11. Метрологическое обеспечение измерений
- •11.1. Передача размера единиц измерения
- •11.2. Регулировка, градуировка и поверка средств измерений
- •11.3. Метрологическое обеспечение средств измерений давления
- •Грузопоршневые манометры
- •Контрольные вопросы
- •Заключение
- •Список литературы
2.2.2. Структурные схемы измерительных систем
На рис. 2.8 показаны структурные схемы измерительных систем, используемых для автоматического контроля технологических процессов.
Измерительная система, построенная по схеме 2.8,а, обеспечивает одновременное измерение и регистрацию всех величин объекта измерения, а измерительная система, построенная по схеме 2.8,б, – поочередно измерение и регистрацию.
а б
Рис. 2.8. Структурные схемы измерительных систем
Измерительная информация формируется с помощью первичных измерительных преобразователей 1 и посылается в виде сигналов в канал связи 4.
В зависимости от типа измеряемой физической величины, принципа действия первичного измерительного преобразователя и расстояния, на которое необходимо передать информацию, в состав измерительной системы могут быть включены помимо первичных измерительных преобразователей промежуточный 2 (см. рис. 2.8,а) и передающий 3 измерительные преобразователи. При этом промежуточный преобразователь может располагаться территориально около первичного или около вторичного прибора 5, измеряющего сигнал, поступающий из канала связи, представляющий последний в форме, удобной для восприятия человеком, и осуществляющий регистрацию. Измерительный прибор 5 называют вторичным прибором, считая при этом, что все измерительные преобразователи, работающие с ним в комплекте, являются первичными.
В измерительной системе (см. рис. 2.8,б) с поочередным подключением первичных измерительных преобразователей к вторичному прибору 5 применяется коммутатор 6, который является вспомогательным устройством. Для простоты на рис. 2.8,б показана измерительная система, в составе которой имеются только первичные измерительные преобразователи 1. При необходимости в схему могут быть включены промежуточные и передающие измерительные преобразователи. При этом выходные сигналы преобразователей всех измеряемых величин в отличие от системы, построенной по схеме рис. 2.8,а, должны быть одинаковыми по природе и диапазону измерений, что необходимо для обеспечения возможности их измерения и регистрации одним и тем же прибором 5.
2.3. Статические характеристики и параметры измерительных устройств
Измерительное устройство принято рассматривать как некоторый преобразователь, служащий для преобразования входного сигнала X в выходной Y. Такое представление позволяет применять при анализе измерительных устройств аппарат теории автоматического регулирования.
Статическое состояние (режим работы) измерительного устройства – состояние, при котором значения входного X и выходного Y сигналов не изменяются, иначе, стационарное или равновесное состояние.
Статическая характеристика измерительного устройства – функциональная зависимость выходного сигнала от входного сигнала в статическом режиме работы. Статическая характеристика описывается в общем случае нелинейным уравнением
. (2.2)
Для измерительных преобразователей и измерительных приборов с неименованной шкалой или со шкалой, отградуированной в единицах, отличных от единиц измеряемой величины, статическую характеристику принято называть функцией преобразования. Для измерительных приборов иногда статическую характеристику называют характеристикой шкалы.
Градуировочная характеристика – зависимость между значениями величин на выходе и входе средства измерения, составленная в виде таблицы, графика или формулы. НСХ – номинальная статическая характеристика.
На рис. 2.9 показаны виды статических характеристик измерительных устройств.
За исключением специальных случаев, основное требование, предъявляемое к статической характеристике измерительных устройств, сводится к получению линейной зависимости между выходной и входной характеристикой. На практике это требование реализуется в общем случае только с некоторой погрешностью, принятой заранее.
На статической характеристике 1 (см. рис. 2.9) графически представлены понятия диапазона показаний, диапазона измерений, нижнего Xн, Yн и верхнего Xв, Yв пределов измерений.
Рис. 2.9. Статическая характеристика измерительного устройства:
1 – нелинейная, 2 – линейная, 3 – пропорциональная
Диапазон измерений определяется разностью значений верхнего и нижнего пределов измерений (Xв – Xн; Yв – Yн).
Кроме статической характеристики для определения метрологических свойств измерительных устройств используется ряд параметров.
Для количественной оценки влияния на выходной сигнал измерительного устройства входного сигнала в произвольной точке (см. рис. 2.9) статической характеристики служит предел отношения приращения Y выходного сигнала к приращению X входного сигнала, когда последний стремится к нулю, т.е. производная в выбранной точке
. (2.3)
Применительно к измерительным приборам этот параметр называют чувствительностью и определяют как отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызывающему его изменению измеряемой величины. Графически она определяется тангенсом угла наклона касательной (см. рис. 2.9), проведенной к выбранной точке A статической характеристики.
Если статическая характеристика измерительного прибора нелинейная (кривая 1, см. рис. 2.9), то его чувствительность будет различной в разных точках характеристики, а шкала прибора – неравномерной. Приборы с линейной и пропорциональной статической характеристикой имеют постоянную чувствительность и равномерную шкалу.
У измерительных преобразователей статическая характеристика, как правило, является линейной,
(2.4)
Здесь K – коэффициент преобразования (или коэффициент передачи при использовании преобразователя в системах автоматического регулирования), определяемый как отношение сигнала на выходе измерительного преобразователя к сигналу на его входе.
Порог чувствительности или порог реагирования – наименьшее изменение входного сигнала, которое вызывает уверенно фиксируемое изменение выходного сигнала.
Как правило, уверенно можно заметить смещение стрелки на половину деления шкалы, поэтому порог чувствительности можно считать равным половине цены деления, а если учесть при этом соотношение (2.1), то в первом приближении порог чувствительности равен классу точности .
Одним из важнейших условий получения корректных результатов измерений является учет взаимодействия измерительных устройств между собой и с объектом измерений. Измерительное устройство потребляет некоторую энергию от объекта измерения или от предыдущего по цепи измерения преобразователя. Поэтому необходимо учитывать свойство измерительных устройств обмениваться энергией через входные и выходные цепи. В качестве характеристики указанного свойства принято использовать для измерительных приборов понятие входного импеданса (полного или кажущегося сопротивления), а для измерительных преобразователей – понятия входного и выходного импеданса.
В общем случае под импедансом Z понимают отношение обобщенной силы N к обусловленной ею обобщенной скорости W,
. (2.5)
Понятие входного и выходного импеданса широко используется для электрических измерительных устройств. При этом импеданс определяется как отношение напряжения к току.
Применительно к измерительным устройствам неэлектрических величин для установления наиболее целесообразной формы представления входного и выходного импеданса требуется проведение исследований в каждом отдельном случае.