Материал: Методы и средства испытаний и контроля приборов и систем. Никитин Л.Н., Пирогов А.А

за входной сигнал) преобразуется в другую физическую величину (выходной сигнал). Такие устройства обычно имеют нормированные характеристики, т.е. выполняют необходимое преобразование в рамках установленных норм. В измерительных приборах и системах они называются измерительными устройствами (ИУ).

Основной функцией ИУ является преобразование величины, подаваемой на его вход, в сигнал, несущий информацию о свойствах этой величины. Поэтому к ИУ относится широкий круг средств измерений, включая измерительные приборы (ИП) и измерительные преобразователи (ИПр). Частично в него входят измерительные системы (ИС) и измерительные установки

(ИУс).

Измерительным прибором называется средство измерений, предназначенное для получения значения измеряемой физической величины в установленном диапазоне.

Отличительным признаком измерительного прибора является то, что его показания должны быть доступны для непосредственного восприятия потребителем информации, т.е. он всегда должен иметь устройство индикации (стрелочное, цифровое или иное), с которого непосредственно снимается показание.

По способу преобразования измерительного сигнала различают ИП прямого действия (прямого преобразования) и ИП сравнения (уравновешивающего преобразования). В ИП прямого действия измеряемая величина испытывает ряд последовательных измерительных преобразований, в результате которых она «доводится» до показания ИП. Погрешность таких ИП равна сумме погрешностей всех их звеньев. Поэтому для достижения высокой точности измерений все звенья таких ИП должны обладать высокой точностью. В результате ИП прямого действия уступают приборам уравновешивающего преобразования по точности. Однако такие приборы обладают более простой конструкцией

6

и высоким быстродействием. Поэтому они часто встречаются на практике.

ВИП уравновешивающего преобразования значение измеряемой величины определяют на основе ее сравнения с мерой, которая хранится в ИП или воспроизводится в нем с помощью отрицательной обратной связи. В таких ИП погрешности звеньев, охваченных обратной связью, оказывают меньшее влияние на общую погрешность измерений, чем в ИП прямого преобразования. Поэтому с помощью ИП уравновешивающего преобразования можно осуществлять прецизионные измерения. Недостатком таких ИП является более сложная конструкция и возможность потери устойчивости.

Взависимости от топологии обратной связи различают компенсационные и следящие ИП. В первом случае обратная связь «заводится» в промежуточную точку (внутрь) ИП, во втором – непосредственно на вход ИП. Благодаря этому следящие ИП отличаются более высокой точностью, однако, как правило, имеют более сложную конструкцию.

Взависимости от способа формирования сигнала обратной связи различают ИП с ручным, автоматическим и программным уравновешиванием. В ИП с ручным уравновешиванием сигнал обратной связи создается потребителем информации. В ИП с автоматическим уравновешиванием этот сигнал формируется автоматически.

ВИП программного уравновешивания он поступает от специального устройства, задающего программу уравновешивания.

Взависимости от значения сигнала уравновешивания в установившемся режиме измерений различают ИП астатического и статического уравновешивания. В ИП астатического уравновешивания этот сигнал равен нулю, в ИП статического уравновешивания – отличен от нуля.

По характеру вычислений, необходимых для получения результата измерений различают суммирующие и интегрирующие приборы, а также приборы с вычислением

7

сложной функции. Суммирующими называют приборы, в которых результат измерений образуется в результате суммирования его отдельных составляющих (например, суммирующий расходомер). Принцип действия интегрирующих ИП основан на использовании операции интегрирования (например, интегрирующий гироскоп). В ИП с вычислением сложной функции для формирования результата измерений используются сложные вычисления. В настоящее время такие приборы оснащаются встроенными микропроцессорами и микроконтроллерами. Благодаря этому становятся возможными реализация сложных алгоритмов вычислений и выполнение других необходимых функций: управление процессом измерений, адаптация к условиям измерений и пр. Такие приборы называются интеллектуальными. По уровню сложности и принципам структурной организации они приближаются к ИС и ИУс.

По способу индикации значения измеряемой физической величины ИП делятся на показывающие и регистрирующие. В показывающих ИП допускается только считывание показаний, в регистрирующих – их запись на бумажную ленту, магнитный носитель и пр., т.е. документирование и хранение результатов измерений. По способу записи показаний различают самопишущие и печатающие приборы. Если устройство индикации расположено на значительном расстоянии (дистанции) от объекта измерений, то соответствующие приборы называются дистанционными.

В зависимости от особенностей эксплуатации различают настенные, настольные, напольные, лабораторные, полевые, бортовые и другие приборы.

По виду выходного сигнала ИП делятся на аналоговые, цифровые и аналого-цифровые. Показание аналоговых ИП является непрерывной функцией измеряемой величины, т.е. при бесконечно малом изменении этой величины изменяется столь же мало. Такие приборы обычно имеют стрелочное или самопишущее отсчетное устройство. Показания цифровых ИП

8

представляются в цифровом виде. В них автоматически осуществляются дискретизация, квантование и кодирование измерительного сигнала. Благодаря этому цифровые ИП имеют ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми приборами. Основные из них следующие: процесс измерения в цифровых ИП автоматизирован, цифровая форма показаний исключает субъективные ошибки измерений, связанные с неточным отсчетом показаний, возможна автоматическая обработка промежуточных результатов с целью исключения погрешностей вплоть до указания погрешности при каждом измерении. Благодаря этому стрелочные ИП постепенно заменяются цифровыми приборами. Вместе с тем цифровая форма показаний не всегда удобна для потребителя информации. Например, при цифровом отсчете высоты полета сложно прогнозировать изменение этой высоты в процессе управления движением летательного аппарата. По этой же причине спидометры автомобилей обычно оснащают стрелочной шкалой. Поэтому,

преобразование измерительного сигнала является источником дополнительной погрешности измерений. Поэтому высокая точность цифровых ИП обеспечивается не столько этим преобразованием, сколько теми дополнительными возможностями обработки измерительных сигналов, которые появляются благодаря цифровой форме их представления.

Измерительным преобразователем называется средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и/или хранения, но

9

атомам и молекулам, являющимся основой любого вещества, ИПр являются базовыми элементами всех приборов и систем.

По виду преобразуемых величин различают измерительные преобразователи электрических величин в электрические, электрических – в неэлектрические, неэлектрических – в электрические и неэлектрических в неэлектрические. Примерами первых могут служить делители напряжения и тока, измерительные трансформаторы, измерительные усилители, нормирующие преобразователи и пр.; примерами вторых – измерительные механизмы электроизмерительных приборов, электроприводы и пр.; примерами третьих – датчики неэлектрических величин и, наконец, примерами четвертых – упругие элементы приборов, передаточно-множительные механизмы и пр.

В зависимости от места в измерительном канале различают предварительный, первичный, промежуточные и выходной ИПр. Первичным называют ИПр, к которому с помощью предварительного ИПр «подводится» измеряемая физическая величина. Обычно этим ИПр является чувствительный элемент ИУ.

Совокупность ИПр, осуществляющих преобразование измеряемой величины в первичный электрический сигнал, называется датчиком первичной информации. Обычно датчик представляет собой отдельный конструктивный узел, который размещается на объекте измерений или вблизи него. Он правильно выполняет свою функцию («дает» измерительный сигнал), если для этого созданы все необходимые условия: подведено электрическое питание, выполнены требования по монтажу, обеспечена защита от нежелательных воздействий.

Датчик и предварительный преобразователь в наибольшей степени подвержены воздействию неблагоприятных факторов объекта измерений и окружающей среды. Поэтому погрешность измерительного прибора в основном зависит от наличия предварительного преобразователя и погрешностей датчика.

10