Соловцов В.К., Контрольно-измерительные приборы

Подождите немного. Документ загружается.

Кратные и дольные значения единиц измерения образуются

путем умножения или деления основной единицы на числа, крат-

ные 10.

Наименование кратных и дольных единиц получается добав-

лением специальных приставок к названию основной единицы

(табл. 2).

Таблица 2

Образование кратных и дольных единиц измерения

(ГОСТ 7663—55)

Кратность и дольность

000 000 000 000

1 000 000 000 =

1 000 000

000

= 10

100 = 10

10 = 10

0,1

= 10

-1

0,01 = 10

-2

0,001

= 10

-3

0,000001=10

-6

0,000000001 = 10

-9

0,000000000001= 10

-12

Наименование

приставок

тера

гига

мега

кило

гекто

дека

деци

санти

МИЛЛИ

микро

нано

пико

Сокращенные

русскими

буквами

да

мк

обозначения

латинскими

или греческими

буквами

Международная система единиц измерения призвана заме-

нить все прочие системы единиц. Однако переход на новую сис-

тему единиц осуществляется постепенно, так как для этого тре-

буется провести огромную работу по пересмотру стандартов,

переградуировке мер и измерительных приборов, а также повнед-

рению новых единиц в практику инженерных расчетов. На пере-

ходный период Государственными стандартами допущены к при-

менению отдельные Системы механических, электрических, тепло-

вых и других единиц, а также широко распространенные внеси-

стемные единицы. Соотношения внесистемных механических еди-

ниц с единицами Международной системы (СИ) приведены в

табл. 3.

Таблица 3

Внесистемные механические единицы

§ 2. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕР И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Технические средства, которыми пользуются при измерениях,

называют измерительной аппаратурой, в состав которой входят

меры, измерительные приборы и приспособления.

Мерой называют устройство, вещество или тело, предназна-

ченное для вещественного воспроизведения единицы измерения,

а также ее кратного или дробного значения.

Различают меры с постоянным и переменным значением.

Мера с постоянным значением имеет одно определенное зна-

чение. К таким мерам относятся гири, измерительные колбы, ка-

либры, образцовые сопротивления, камертоны и др.

Мера с переменным значением, кроме полного размера, со-

держит также и дробные значения. Измерительная линейка с де-

лениями представляет собой меру с переменным значением.

Из отдельных, разных по величине, однородных мер может

быть составлен набор. Сочетание отдельных мер из набора по-

зволяет получить меры различного значения, но каждая мера,

входящая в набор, может быть использована и самостоятельно.

К наборам мер относятся: разновес для рычажных весов, комп-

лект грузов, применяемый с поршневым манометром, ряд колб

для измерения объема жидкостей.

Набор мер, соединенных конструктивно в единое устройство,

называют магазином мер. Существуют магазины сопротивлений,

емкостей, индуктивностей. С помощью магазина мер можно

получать различные значения меры, однако каждая отдельная

мера не может быть изъята и использована самостоятельно.

Меры могут представлять собой как простые устройства (ли-

нейки, гири, колбы), так и весьма сложные (нормальный элемент

Вестона, камертонный генератор).

В качестве мер могут быть использованы некоторые вещества,

обладающие при определенных условиях характерными физи-

ческими свойствами, как, например, постоянством температуры

плавления, кипения или определенной теплотворной способ-

ностью.

С помощью одних мер можно осуществить лишь незначитель-

ное число видов измерений. Большинство измерений выполняют

измерительными приборами.

Измерительным прибором называют устройство, предназна-

ченное для сравнения какой-либо величины с ее единицей изме-

рения.

Количество разнообразных по принципу действия и по кон-

структивному исполнению измерительных приборов чрезвычайно

велико. Классифицировать их можно по различным признакам:

способу получения результата измерения, способу отсчета пока-

заний, характеру применения, степени точности, принципу дей-

ствия, роду измеряемой величины, способу монтажа и другим

особенностям.

По способу получения результата измерения различают при-

боры непосредственной оценки, сравнения и суммирующие (ин-

тегрирующие).

Приборы непосредственной оценки основаны на преобразова-

нии измеряемой величины в наглядный, удобный для оценки

раметр. Таким параметром обычно служит механическое пе-

ремещение. Соотношение между значениями измеряемой вели-

чины и ее аналога — механического перемещения задается пред-

варительной градуировкой по образцовым мерам или приборам.

Процесс измерения происходит без прямого участия образцо-

вой меры. Такие приборы наиболее просты по конструкции, удоб-

ны для непрерывного контроля величин, но обладают относи-

тельно невысокой точностью. К приборам непосредственной оцен-

ки относятся стеклянные термометры, пружинные манометры и

различные стрелочные приборы.

Приборами сравнения называют устройства, в которых зна-

чение измеряемой величины определяется методом сравнения с

образцовой мерой. Такие приборы не могут применяться отдельно

без мер. Метод сравнения чаще всего используется в равновес-

ном режиме (нулевой метод), когда разность между измеряемой

величиной и мерой сводится к нулю. Положение равновесия от-

мечается в помощью высокочувствительных указателей. К при-

борам, основанным на нулевом методе сравнения, относятся ры-

чажные равноплечие весы, лабораторные потенциометры, урав-

новешенные мосты и другие приборы.

Использование метода сравнения в неравновесном режиме

(дифференциальный метод) сводится к измерению разности меж-

ду данной величиной и известной мерой с помощью приборов не-

посредственной оценки. Если эта разность значительно меньше

измеряемой величины, то дифференциальный метод позволяет

получить достаточно высокую точность результата. Дифференци-

альный метод используется в неуравновешенных мостах, лого-

метрах, при измерениях линейных размеров с помощью механи-

ческих индикаторов.

Суммирующими приборами называют устройства, по счетно-

му механизму которых определяется суммарное (интегральное)

значение измеряемой величины. Для получения результата изме-

рения необходимо из показаний счетного механизма вычесть ту

величину, которую он показывал до начала измерения. Сумми-

рующие приборы применяют для измерения количественных ве-

личин: электрической энергии (электрический счетчик), количе-

ства воды (счетчик водомера), объемного количества газа (га-

зовый счетчик).

По способу получения отсчета показаний различают приборы

с непосредственным отсчетом и приборы с управляемым от-

счетом.

Приборы с непосредственным отсчетом дают показания на от-

счетном приспособлении автоматически, без какого-либо участия

наблюдателя. К таким приборам относится большинство техни-

ческих приборов, например амперметры, термометры, циферблат-

ные весы, автоматические потенциометры и мосты.

Приборы с управляемым отсчетом, приведенные в действую-

щее состояние, требуют для получения отсчета некоторых опе-

раций по регулировке и наводке его отсчетных приспособлений

или других частей. К таким приборам относятся неавтоматичес-

кие мосты и потенциометры, оптические пирометры, окулярные

микрометры.

Измерительные приборы могут служить для выполнения раз-

личных задач и по этому признаку разделяются на указываю-

щие, самопишущие (регистрирующие), сигнализирующие и регу-

лирующие. В некоторых приборах сочетается несколько функций.

Указывающими называют приборы, которые дают возмож-

ность наблюдателю производить только отсчет измеряемой вели-

чины в данный момент времени.

Самопишущими называют приборы, снабженные устройства-

ми для автоматической записи показаний. Запись позволяет про-

вести последующий анализ результатов измерений за некоторый

промежуток времени. Самопишущие приборы дают необходимые

сведения для различных производственных расчетов, контроли-

руют работу персонала, управляющего технологическими процес-

сами, помогают производить настройку автоматических регуля-

торов.

Сигнализирующими называют приборы, имеющие специаль-

ные приспособления для включения звуковой или световой сиг-

нализации, когда измеряемая величина достигает определенного

заданного значения. Сигнализирующие приборы служат для

привлечения внимания обслуживающего персонала при воз-

никновении нарушений заданных технологических параметров.

Регулирующими называют приборы, которые снабжены уст-

ройствами для автоматического управления средствами регули-

рования параметров процесса по значениям измеряемой величи-

ны. При отклонении измеряемой величины от заданных пределов

регулирующий прибор автоматически воздействует через сред-

ства регулирования на то или иное технологическое оборудова-

ние до тех пор, пока измеряемая величина не достигнет установ-

ленной нормы.

Приборы также подразделяют на местные, дистанционные и

телеметрические.

Местными называют приборы, которые по своим конструктив-

ным особенностям могут быть применены только непосредствен-

но у места измерения. К таким приборам, например, относят

стеклянные термометры, механические тахометры, ареометры.

Дистанционными называют приборы, исполнительная часть

которых может быть удалена на значительное расстояние от мес-

та измерения, а измеряемая величина подводится к ним по линии

связи. Для электрических величин линией связи служат электри-

ческие провода, а для передачи давления — трубки, заполненные

воздухом, газом или жидкостью. К дистанционным приборам

относятся манометрические термометры, манометры и электроиз-

мерительные приборы.

Телеметрическими называют приборы, в которых передача на

расстояние измеряемых величин осуществляется при помощи

вспомогательных величин. В качестве вспомогательной может

быть использована какая-либо удобная для дальней передачи

электрическая величина или расстановка электрических импуль-

сов во времени. Вспомогательная величина может передаваться

на расстояние не только по проводам, но и по радио.

В метрологической практике применяется особая классифи-

кация мер и измерительных приборов по признаку положения их

в цепи передачи значений единиц измерения от эталонов к рабо-

чим мерам и приборам.

Все меры и измерительные приборы по метрологической клас-

сификации подразделяют на образцовые и рабочие.

К образцовым относят меры и измерительные приборы, пред-

назначенные для воспроизведения и хранения единиц измерения,

а также для поверки и градуировки всех прочих мер и приборов.

Рабочими являются меры и приборы (кроме образцовых),

предназначенные для практических целей измерения.

Образцовые меры и измерительные приборы в свою очередь

делят на эталоны, образцовые меры и приборы ограниченной

точности.

Эталонами называют образцовые меры и измерительные при-

боры, служащие для воспроизведения единиц измерения с метро-

логической (наивысшей, достижимой при данном уровне техни-

ки) точностью.

Образцовыми мерами и образцовыми измерительными прибо-

рами ограниченной точности называют меры и приборы 1, 2 и

3-го разрядов, имеющие меньшую установленную точность, чем

метрологическая, и служащие для практических работ по повер-

ке и градуировке всякого рода мер и измерительных приборов с

требуемой для этого точностью.

Рабочие меры и измерительные приборы подразделяют на

лабораторные и технические.

Лабораторные меры и измерительные приборы — меры и при-

боры, при использовании которых учитывают точность измерения

(поправки на температуру окружающей среды, атмосферное дав-

ление, влажность, а также поправки по данным поверочного сви-

детельства).

Технические меры и измерительные приборы — рабочие меры

и приборы, при использовании которых принимается заранее

установленная ограниченная точность. Результат измерения, про-

изведенного с помощью технических приборов, не подвергают

каким-либо корректировкам.

§ 3. ПОГРЕШНОСТИ МЕР И ПРИБОРОВ

Всякое измерение, как бы тщательно оно не выполнялось, не-

избежно сопровождается некоторыми ошибками или погрешнос-

тями, обусловленными несовершенством методов и средств изме-

рения, недостаточным учетом влияния условий внешней среды,

ошибочными действиями оператора и различными другими фак-

торами.

Абсолютной погрешностью измерения называют разность

между найденным значением измеряемой величины и ее действи-

тельным значением.

Знание погрешности измерения или возможных пределов

значения погрешности является необходимым условием, без кото-

рого измерение теряет всякий смысл и практическую ценность.

Погрешности рабочих мер и приборов определяют по образ-

цовым мерам и приборам, причем значение образцовой меры или

показание образцового прибора принимают за действительное

значение измеряемой величины

Абсолютной погрешностью значения меры называют разность

между обозначенным на ней номинальным значением и действи-

тельным значением. Абсолютной погрешностью показания при-

бора называют разность между показанием этого прибора и дей-

ствительным значением величины, найденным по образцовым ме-

рам или приборам.

Погрешности значения меры или показания прибора, взятые

с обратным знаком, называют поправками.

Чтобы получить действительное значение измеряемой величи-

ны, нужно к номинальному значению меры или к показанию при-

бора прибавить поправку.

В зависимости от конструктивных особенностей рабочие меры

и приборы обеспечивают большую или меньшую точность изме-

рения. Классифицировать их по абсолютным погрешностям весь-

ма неудобно, так как эти погрешности могут иметь разное значе-

ние у каждого отдельного экземпляра из серии одинаковых по

конструкции, но разных по качеству изготовления мер и прибо-

ров. Поэтому для оценки точности мер и приборов введено поня-

тие допустимой погрешности.

Допустимой погрешностью значения меры или показания при-

бора называют наибольшую погрешность, установленную стан-

дартами или техническими условиями для определенных условий

работы.

Допустимая погрешность может быть выражена в абсолютных

и относительных единицах. Так, например, для ртутных стеклян-

ных термометров и гирь допустимую погрешность выражают

непосредственно в единицах измеряемых величин — градусах и

миллиграммах, а для большинства приборов используют относи-

тельные единицы.

Относительной погрешностью называют отношение абсолют-

ной погрешности к значению измеряемой величины.

Наиболее удобно использовать для оценки точности приборов

относительную погрешность, вычисленную в процентах от полно-

го предела измерения по шкале прибора. Такую погрешность

называют относительной приведенной погрешностью.

Так, например, если для амперметра с пределами измерения

0—50 а допускают погрешность 1 а, то его относительная приве-

денная погрешность будет равна:

где δ — относительная приведенная погрешность;

ΔΑ — абсолютная погрешность амперметра;

А — полный предел измерения по шкале.

В зависимости от допустимой погрешности рабочие измери-

тельные приборы различают по классам точности. Наиболее рас-

пространенные технические приборы имеют классы точности: 0,2;

0,5; 1,5; 2,5. Каждое из этих чисел показывает допустимую по-

грешность прибора, относящегося к тому или иному классу, вы-

раженную через приведенную относительную погрешность.

Класс точности прибора не означает, что данный прибор обя-

зательно имеет соответствующую погрешность. Обычно действи-

тельные погрешности значительно меньше, чем допустимые по

классу точности.

При работе приборов могут возникать еще дополнительные

погрешности, вызываемые изменениями внешних условий.

К отклонениям от нормальных условий относятся: наличие

вибрации в месте установки прибора, наличие посторонних маг-

нитных полей, колебание температуры окружающей среды, изме-

нение барометрического давления, неправильное расположение

прибора по отношению к вертикали и горизонтали и т. д.

§ 4. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИБОРОВ

Наряду с основным параметром измерительных приборов —

классом точности — имеются некоторые общие характеристики

и качественные показатели, знание которых необходимо для оцен-

ки возможностей рационального использования приборов. К та-

ким характеристикам относятся: вариация показаний, чувстви-

тельность, собственное потребление энергии, быстродействие и

другие характеристики.

Вариацией показаний называют наибольшую разность пока-

заний прибора при многократных повторных измерениях одной

и той же величины. Вариацию обнаруживают при плавном увели-

чении и уменьшении измеряемой величины до какого-либо опре-

деленного значения. При этом указатель прибора не будет дохо-

дить с той или иной стороны на некоторое расстояние до отметки

шкалы, соответствующей правильному показанию.

Вариации показаний возникают главным образом в результа-

те трения в опорах подвижных частей прибора, остаточной дефор-

мации измерительных пружин и других необратимых процессов.

У вновь изготовленных приборов или после хорошо выпол-

ненного ремонта вариация показаний должна быть практически

незаметной. В процессе эксплуатации вариация показаний обыч-

но возрастает из-за увеличения сил трения и появления неплот-

ностей при износе трущихся деталей. Максимальное значение

вариации показаний не должно превышать удвоенной допустимой

погрешности.

Одной из важнейших характеристик прибора, определяющих

его пригодность для тех или иных целей, является чувствитель-

ность.

Чувствительностью прибора называют отношение перемеще-

ния его указателя к изменению значения величины, вызвавшей

это перемещение:

где S — чувствительность прибора;

Δn — угловое или линейное перемещение указателя;

ΔА — изменение величины, вызвавшей перемещение.

Понятие «чувствительность» нельзя смешивать с понятием

«порог чувствительности», под которым подразумевают наимень-

шее значение измеряемой величины, способное вызвать заметное

отклонение указателя прибора.

Нельзя также под чувствительностью прибора понимать ско-

рость его реагирования на изменения измеряемой величины. Эта

скорость зависит от инерционности подвижной части и особен-

ностей схемы прибора.

На практике чувствительность приборов часто определяют по

цене деления шкалы.

Ценой деления шкалы называют значение измеряемой ве-

личины, вызывающее отклонение указателя прибора на одно

деление:

где С — цена деления шкалы;

АЛ — изменение измеряемой величины;

Δη — перемещение указателя, выраженное в делениях шка-

лы.

Иногда на шкалах приборов имеются цифровые обозначения,

указывающие только число делений от начала шкалы. Отсчет по

такой шкале еще не дает результата измерения. Чтобы получить

окончательный результат, выраженный в соответствующих едини-

цах измерения, нужно отсчет умножить на цену деления или на

коэффициент шкалы прибора.

Чувствительность и цена деления — взаимно обратные вели-

чины, т. е. чем больше чувствительность, тем меньше цена деле-

ния. Так, например, два однотипных термометра имеют шкалы

по 100 делений, но с пределами измерения 0—50 и 0—100° С.

Цена деления первого 0,5°С на деление, а второго 1С° на деле-

ние. Следовательно, первый термометр вдвое чувствительнее

второго.

При оценке приборов различной конструкции существенным

показателем является потребление энергии от измеряемого объ-

екта. Эта энергия расходуется на преодоление трения в подвиж-

ных частях приборов, на нагревание чувствительных элементов,

на перемещение деталей приборов и т. д.

Собственное потребление энергии в ряде случаев может при-

водить к неправильным результатам измерения. Так, например,

при измерении температуры ртутным стеклянным термометром

некоторое количество тепловой энергии неизбежно затрачивает-

ся на нагрев ртути и всего термометра. Если объект измерения

не содержит достаточного запаса энергии и восполнение по-

терь затруднено из-за плохой теплопроводности измеряемой

среды, то это приведет к понижению температуры объекта и

искажению результата измерения.

При измерениях в производственных условиях обычно прихо-

дится иметь дело с величинами, значения которых непрерывно

изменяются. Для того чтобы получать правильные результаты

измерения, необходимо применять приборы, которые успевают

реагировать на изменение измеряемой величины. Таким обра-

зом, быстродействие прибора относится к числу существенных

характеристик, определяющих пригодность его для тех или иных

целей измерения.

Быстродействие прибора непосредственно определяется прин-

ципом действия и особенностями конструктивных и схемных эле-

ментов.

Например, приборы, основанные на тепловом расширении чув-

ствительного элемента, обычно обладают значительной инерцион-

ностью, так как переход тепла от измеряемой среды к чувстви-

тельному элементу прибора происходит сравнительно медленно,

особенно при малой разности температуры.

У автоматических приборов, построенных на методе сравне-

ния, используют электродвигатели для компенсации схемы и пе-

редвижения указателя с определенной скоростью, которая и оп-

ределяет быстродействие прибора.

Большее быстродействие может быть достигнуто у тех прибо-

ров, в которых наименьшая масса подвижных деталей. Наивыс-

шее быстродействие имеют электронные приборы без механиче-

ских подвижных частей. Например, электронные цифровые при-

боры позволяют производить десятки и сотни измерений в

секунду.

Наряду с основными техническими характеристиками, опре-

деляющими возможность применения прибора для той или иной