Измерительные приборы и установки

Измерительный прибор — средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне ее изменения и выработки сигнала измерительной информации, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Обобщенная структурная схема измерительного прибора. Данный класс средств измерений включает большое число приборов, различающихся измеряемыми величинами, областью применения, техническими характеристиками, принципом действия, используемой элементной базой и другими особенностями. Тем не менее все эти приборы имеют некоторые общие черты. Обобщенная структурная схема измерительного прибора показана на рис. 11.16. Измеряемая ФВ воздействует на устройство преобразования, состоящее из первичного измерительного преобразователя и совокупности элементарных средств измерений. Первичный преобразователь преобразует измеряемую ФВ в другую величину, однородную или неоднородную с ней. Сигнал с выхода преобразователя проходит через совокупность элементарных СИ. В простейших измерительных приборах такая совокупность может отсутствовать. Например, в аналоговых вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется в угол поворота стрелки с помощью первичного электромеханического ИП.

Рис. 11.16. Обобщенная структурная схема измерительного прибора

На выходе устройства преобразования формируется сигнал, параметры которого соответствую входным характеристикам отсчет -ного устройства.

Отсчетное устройство — это элемент СИ, преобразующий измерительный сигнал в форму, доступную восприятию органами чувств человека. По форме представления показаний отсчетные устройства делятся на аналоговые и цифровые.

Составными частями отсчетного устройства являются шкала и указатель. Шкала — это часть отсчетного средства, представляющая собой ряд отметок, соответствующих последовательному ряду значений величины вместе со связанной с ними нумерацией. Шкала наносится на прямолинейном участке или дуге окружности. Отметка шкалы — это знак на шкале СИ (черточка, зубец, точка и т.д.), соответствующий некоторому значению ФВ. Для цифровых шкал сами числа являются эквивалентами отметок шкалы. Отметки на шкалах могут быть нанесены равномерно или неравномерно. В связи с этим шкалы называют равномерными и неравномерными. Практически равномерной считается шкала, длины делений которой отличаются не более чем на 30% и имеют постоянную цену деления. Промежуток между двумя соседними отметками шкалы средства измерений называется делением шкалы. Длиной деления шкалы называется расстояние между осями или центрами двух соседних отметок шкалы, измеренное вдоль воображаемой линии, проходящей через середины самых коротких отметок шкалы. Длина линии, проходящей через центры всех самых коротких отметок шкалы СИ и ограниченная начальной и конечной отметками, называется длиной шкалы. Линия может быть реальной или воображаемой, кривой или прямой.

Отметка шкалы СИ, у которого проставлено число отсчета, называется числовой отметкой шкалы. Отметки облегчают оператору считывание показаний прибора, которое производится по положению указателя относительно отметок шкалы. Деления шкалы имеют цену. Цена деления шкалы — это разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы'СИ. Отметки наносятся на шкалу при градуировке прибора, т.е. при подаче на его вход сигнала с выхода образцовой многозначной меры. У части отметок шкалы проставляются числовые значения величины, подаваемой с выхода меры. Эти отметки становятся числовыми.

Указатель — часть отсчетного устройства, положение которого относительно отметок шкалы определяет показания измерительного прибора. Указатель выполняется в виде подвижных стрелок разной формы (клиновидной, ножевидной и др.), луча света, пера самописца и т.п.

Шкала СИ имеет начальное и конечное значения. Они соответствуют наименьшему и наибольшему значениям измеряемой величины, которые могут быть отсчитаны по шкале СИ. Например, для медицинского термометра начальное значение шкалы равно 34,3 °С, а конечное — 42 °С.

При измерении с показывающего устройства считывается показание. Каждое СИ характеризуется диапазоном показаний и диапазоном измерений. Диапазоном показаний называется область значений шкалы СИ, ограниченная ее начальным и конечным делениями. Так, для медицинского термометра диапазон показаний составляет 7,7°С. Диапазоном измерений называется область значений ФВ, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности СИ. Значения величины, ограничивающие диапазон снизу и сверху (слева и справа), называются соответственно нижним и верхним пределами измерений. Диапазон измерений всегда меньше или равен диапазону показаний.

Классификация измерительных приборов. Для учета всех особенностей многообразных измерительных приборов применяют классификацию по различным признакам. По форме индикации измеряемой величины различают измерительные приборы:

• показывающие, которые допускают только отсчитывание показаний измеряемой величины, например стрелочный или цифровой вольтметр;

• регистрирующие, предусматривающие регистрацию показаний на том или ином носителе информации, например на бумажной ленте. Регистрация может производится в аналоговой или цифровой форме. Различают самопишущие и печатающие приборы.

По методу преобразования измеряемой величины различают приборы прямого, компенсационного (уравновешивающего) и смешанного преобразования. Эти методы преобразования и соответствующие им структурные схемы рассмотрены в 11.7.2 и 11.7.3.

По назначению измерительные приборы делятся на амперметры, вольтметры, омметры, термометры, гигрометры и т.д.

По форме преобразования используемых измерительных сигналов приборы подразделяют на аналоговые и цифровые.

Аналоговые приборы — это приборы, показания или выходной сигнал которых является непрерывной функцией изменения измеряемой величины. Идеализированное уравнение преобразования линейных аналоговых и измерительных приборов имеет вид

(11.6)

где X — измеряемая величина; Y, К — показание и коэффициент преобразования прибора соответственно. Следует отметить, что большинство измерительных приборов являются линейными. Детально аналоговые приборы рассмотрены в [72].

Цифровые приборы — это приборы, принцип действия которых основан на квантовании измеряемой или пропорциональной ей величины. Показания таких приборов представлены в цифровой форме. Наличие операции квантования приводит к появлению у цифровых приборов специфических свойств, обуславливающих существенные различия в методах выбора, анализа, описания и нормирования метрологических характеристик по сравнению с аналоговыми приборами.

В процессе квантования бесконечному множеству значений измеряемой величины ставится в соответствие конечное и счетное множество возможных показаний цифрового прибора. Их число определяется схемой аналого-цифрового преобразователя, выполняющего в цифровом приборе операцию квантования. Одновременно с квантованием, как правило, осуществляется дискретизация по времени измерительных сигналов. Квантование и дискретизация рассмотрены в разд. 10.5. Структурная схема цифрового прибора показана на рис. 11.17.

Рис. 11.17. Обобщенная структурная схема цифрового

измерительного прибора

Измеряемая физическая величина X воздействует на первичный измерительный преобразователь (ПП), имеющий коэффициент преобразования К_пп. Он преобразует величину X в электрический сигнал, в качестве которого используется главным образом напряжение. В рассматриваемом случае u = K_ппX. Это напряжение в свою очередь поступает на масштабный измерительный преобразователь (МП), необходимый для изменения пределов измерения цифрового прибора. Он может иметь разное число диапазонов измерения: от 1 до N_П. Диапазон изменения измеряемой величины X разбивается на N_П поддиапазонов: X_1min, ... , X_1max; X_2min, ... , Х_2maх; X_Nпmin,…, X_Nпmax, где X_{i min}, ... , X_{i max} - минимальные и максимальные точки 1-го диапазона измерений.

Среди диапазонов измерения выбираются основной и дополнительные. Основным считается тот диапазон, на котором измеряемая величина претерпевает наименьшее число преобразований на пути от входа прибора до входа АЦП. Все остальные диапазоны считаются дополнительными. На практике возникают ситуации, когда выделить основной диапазон по указанным признакам невозможно. В этом случае в качестве основного выбирают диапазон с наименьшими пределами допускаемых погрешностей или устанавливают его по соглашению.

Масштабный преобразователь так изменяет (уменьшает или увеличивает) входное напряжение в заданное число К_i раз (i = 1; 2; ...; N_п), чтобы сигнал u_n на его выходе был нормирован, т.е. его значение находилось в заданных пределах. Как правило, стараются обеспечить выполнение условий, при которых пределы изменения нормированного напряжения совпадают с большей частью допустимого диапазона изменения входного сигнала АЦП при всех возможных значениях измеряемого сигнала. Это позволяет минимизировать погрешности, вносимые АЦП.

Нормированное напряжение u_н= К_i×К_ППХ преобразуется АЦП в цифровой код N, имеющий разрядность R_АЦП. АЦП выполняется однопредельным, рассчитанным на один фиксированный диапазон изменения входного сигнала u_н.

Важной характеристикой цифрового прибора является метод преобразования аналоговой измеряемой величины в ее цифровой эквивалент, реализованный в АЦП. Принято отождествлять принцип действия цифрового измерительного прибора с принципом действия АЦП, входящего в его состав. В настоящее время разработано и используется в СИ большое число [66] различных методов преобразования. К основным из них относятся методы поразрядного уравновешивания (метод последовательных приближений), двойного интегрирования и преобразования напряжения в частоту.

Метрологические свойства АЦП и цифрового прибора в целом существенно зависят от номинальной ступени квантования АЦП, равной

где N_max, N_min — максимальное и минимальное значения выходного кода АЦП; u_H(N_max), u_H(N_min) — значения входного напряжения АЦП, соответствующие N_max и N_min.

При использовании двоичного цифрового кода максимальное число возможных выходных кодовых комбинаций . Уравнение преобразования АЦП в общем случае имеет вид

Полученный двоичный цифровой код поступает на преобразователь кодов (ПК). Он необходим для преобразования выходного цифрового кода АЦП в код, "понимаемый" цифровым отсчетным устройством (ОУ). Наиболее частым в практике является преобразование двоичного кода в двоично-десятичный. Числа, представляемые кодами N и N₁ в точности равны друг другу, отличаются только формами представления, и поэтому в дальнейшем рассмотрении будем оперировать кодом N.

Цифровые ОУ выполняются в виде цифровых табло, дисплеев, основанных на различных физических принципах. Они преобразуют код в показания СИ, понятные человеку.

Важной характеристикой ОУ является его разрядность — число полных десятичных разрядов, которые индицируются цифрами от 0 до 9. Цифровые ОУ, позволяющие индицировать еще один дополнительный разряд, но неполностью, называются отсчетными устройствами с расширенным диапазоном измерений. Их разрядность обозначается в виде R_ОУl/2. Это означает, что устройство имеет R_ОУ полных разрядов и один неполный. В нем, как правило, может индицироваться только 0 или 1.

Разрядность ОУ определяет разрешающую способность цифрового прибора, выражаемую в значении (ЕМР) показаний прибора. Для приборов с обычным и расширенным диапазонами измерений она соответственно равна

где X_imax — максимальное значение измеряемой величины X на i-м диапазоне измерения.

В соответствии с уравнением преобразования АЦП функция преобразования цифрового прибора, связывающая измеряемую величину X с показаниями Y, представленными в единицах величины X, имеет вид

(11.7)

где q_xi = q/(K₁K_ПП) — номинальная ступень квантования (квант) измеряемой величины X на i-м диапазоне измерения. Размерность кванта q_xi равна размерности X, а его величина определяет предельно достижимую точность измерения данным цифровым прибором.

Размер номинальной ступени квантования q_xi зависит от того, на каком диапазоне производится измерение. Квант q_xi определяется значениями крайних точек диапазона измерения и максимальным числом возможных выходных кодовых комбинаций М:

Размер номинальной ступени квантования на i-м диапазоне измерения обычно выбирается равным единице младшего разряда этого диапазона.

Согласно (11.7), каждому из возможных показаний Y_i (i = 1, ..., М) ставится в соответствие подмножество [X_Li; X_Ri] значений измеряемой величины, где X_Li; X_Ri — левая и правая границы i-ro подмножества, причем X_Ri - X_Li = q_xi. Функция преобразования цифрового прибора (11.7) имеет вид ступенчатой кривой с разрывами в точках X_Li и X_Ri для i Î (l;M) (рис. 11.18,а). Эта кривая должна наилучшим образом приближаться к прямой, которая задавется уравнением Y = X (прямая 1 на рис. 11.18,а и б), описывающим идеальную ситуацию: показания СИ равны измеряемой величине. Под наилучшим приближением понимается такое положение ступенчатой кривой, при котором абсолютные отклонения ее от прямой 1 минимальны, т.е.

Одна из таких возможных кривых показана на рис. 11.18, б. Она описывается уравнением

(11.8)

Рис. 11.18. Функции преобразования цифрового прибора и

погрешности квантования

В пределе, при стремлении кванта q _хi ® 0 оно переходит в уравнение

Y = X. Это свидетельствует о существовании тесной взаимосвязи теории погрешностей аналоговых и цифровых СИ.

Функции (11.7) и (11.8) не совпадают в точности с уравнением Y = X, так как условие q_xi= 0 на практике невыполнимо. Поэтому даже идеальный АЦП обладает погрешностью, которая обусловлена самим принципом аналого-цифрового преобразования. Эта погрешность относится к разряду методических и называется погрешностью квантования. С учетом (11.8)

где frac(X) — функция, выделяющая дробную часть числа X. Полученная функция показана на рис. 11.18, б. Погрешность квантования для функции (11.7) D = -q_xifrac(X/q_xi) показана на рис. 11.18,а.

Функции преобразования идеального и реального цифровых приборов отличаются тем, что последняя может иметь смещение относительно нулевой точки, и тем, что действительный размер ступени квантования может отличаться от номинального и быть непостоянным.

Тенденция развития измерительной техники такова, что цифровых приборов становится все больше. С теорией разработки и применения цифровых средств измерений можно ознакомиться в [69-71].

В заключение отметим, что специфика приборов, применяемых для измерения ФВ, изучается в соответствующих дисциплинах. Измерение электрических величин (в том числе времени и частоты) подробно рассмотрено в [51, 54, 62, 69-75], теория построения и использования регистрирующих приборов проанализирована в [62, 76, 77], вопросы, связанные с измерением неэлектрических величин — [59, 61, 77], в том числе массы [78], геометрических размеров и углов [79].

Измерительная установка. Это — совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в удобной для непосредственного восприятия наблюдателем форме и расположенная в одном месте.

Измерительную установку, предназначенную для испытания каких-либо изделий, называют испытательным стендом (например, для измерения удельного сопротивления электрических материалов, испытания магнитных материалов).

Измерительную установку с включенными в нее эталонами, применяемую для поверки СИ, называют поверочной установкой (например, установка для поверки вольтметров). Некоторые большие измерительные установки, используемые главным образом в машиностроении, называют измерительными машинами (например, силоизмерительная машина, делительная машина).