Датчики и измерительные приборы для определения состава и свойств веществ

Основным признаком классификации приборов контроля и средств автоматизации является роль, которую они играют в системах автоматического регулирования и управления по отношению к потоку информации.

Задачами технических средств автоматизации вообще являются:

получение первичной информации;

обработка и сравнение полученной информации с программой;

формирование командной (управляющей) информации;

передача командной (управляющей) информации;

использование командной информации для управления процессом.

Датчики свойств и состава веществ играют головную роль в системе автоматического регулирования, они служат для получения первичной информации и в большой степени определяют качество работы всей системы автоматического регулирования.

Установим некоторые основные понятия. Что такое измерение, свойства, состав среды? Свойства среды определяются численными значениями одной или нескольких физических или физико-химических величин, поддающихся измерению.

Измерение есть процесс выявления путем эксперимента количественного соотношения определенной физической или физико-химической величины, характеризующей свойства испытуемой среды и соответствующей величины среды эталона. Под экспериментом понимается объективный процесс активного воздействия на испытуемую среду, производимого при помощи материальных средств в фиксированных условиях.

Состав среды, т. е. качественное и количественное содержание составляющих ее компонентов, может быть определен по известной зависимости его от физических или физико-химических свойств среды и величин, их характеризующих, поддающихся измерению.

Как правило, свойства и состав среды определяются косвенным путем. Измеряя различные физические или физико-химические величины, характеризующие свойства среды, и зная математическую зависимость между этими величинами, с одной стороны, и составом среды, с другой, мы имеем возможность с большей или меньшей степенью точности судить о ее составе.

Иными словами, для того чтобы выбрать или построить измерительный прибор, допустим, для определения полного состава многокомпонентной среды, необходимо, во-первых, установить, какими физическими или физико-химическими величинами характеризуются свойства этой среды, и, во-вторых, найти зависимости вида

ki = f (C1 , С2, . С m) ,

где ki — концентрация каждого из компонента среды, C1 , С2, . С m — физические или физико-химические величины, характеризующие свойства среды.

Соответственно прибор, служащий для контроля состава среды, может быть отградуирован в единицах концентрации определенного компонента или свойств среды, если между ними в каких-то пределах имеется однозначная зависимость.

П риборы автоматического контроля физических и физико-химических свойств и состава веществ являются приборами, которые измеряют отдельные физические или физико-химические величины, однозначно определяющие свойства среды, либо ее качественный или количественный состав.

Однако опыт показывает, что для осуществления автоматического регулирования или управления достаточно изученным технологическим процессом не обязательно в каждый данный момент времени иметь полную информацию о составе промежуточных и конечных продуктов и о концентрации некоторых их компонентов. Такие сведения обычно требуются при создании, изучении и освоении процессов.

Когда выработан оптимальный технологический регламент, найдены однозначные зависимости между ходом процесса и поддающимися измерению физическими и физико-химическими величинами, характеризующими свойства и состав продуктов, то можно вести процесс, отградуировав шкалу прибора непосредственно в тех величинах, которые он измеряет, например в единицах температуры, силы электрического тока, емкости и т. п., либо в единицах определяемого свойства среды, например цветности, мутности, электрической проводимости, вязкости, диэлектрической проницаемости и т. п.

Ниже рассмотрены основные методы измерения физических и физико-химических величин, определяющих свойства и состав среды.

Существующие исторически сложившиеся товарные номенклатуры включают в себя следующие основные группы приборов:

сахариметры и т. д.

Эти группы в свою очередь подразделяются по методам измерения, либо по анализируемым веществам. Крайняя условность такой классификации и возможность отнесения конструктивно одинаковых приборов к различным группам затрудняют изучение, выбор и сравнение приборов.

К приборам непосредственного измерения относятся такие, в которых определяются физические или физико-химические свойства и состав непосредственно испытуемого вещества. В отличие от них в комбинированных приборах проба испытуемого вещества подвергается воздействиям, существенно изменяющим ее химический состав, либо агрегатное состояние.

Как в том, так и в другом случае возможна предварительная подготовка пробы по температуре, давлению и некоторым другим параметрам. Помимо этих двух основных классов приборов, встречаются и такие, в которых может производиться одновременно непосредственное и комбинированное измерение.

Приборы непосредственного измерения

В приборах непосредственного измерения физические и физико-химические свойства среды определяются посредством измерения следующих величин: механических, термодинамических, электрохимических, электрических и магнитных и, наконец, волновых.

К механическим величинам относятся прежде всего плотность и удельный вес среды, определяемые посредством приборов, основанных на поплавковых, весовых, гидростатических и динамических методах измерения. Сюда же относится определение вязкости среды, измеряемой различными вискозиметрами: капиллярными, ротационными, основанными на методах падающего шарика и другими.

Из термодинамических величин нашли применение тепловой эффект реакции, измеряемый термохимическими приборами, коэффициент теплопроводности, измерение которого осуществляется термокондуктометричёскими приборами, температура вспышки нефтепродуктов, упругость паров и др.

Широкое развитие для целей измерения состава и свойств жидких смесей, а также некоторых газов получили электрохимические приборы. Сюда относятся прежде всего кондуктометры и потенциометры, т. е. приборы, предназначенные для определения концентрациии солей, кислот и щелочей по изменению удельной электрической проводимости растворов. Это так называемые кондуктометрические концентратомеры, или кондуктометры контактные и бесконтактные.

Очень широкое распространение нашли рН-метры — приборы для определения кислотности среды по электродному потенциалу.

Смещение потенциала электрода в результате поляризации определяется в гальванических и деполяризационных газоанализаторах, служащих для контроля содержания кислорода и других газов, наличие которых вызывает деполяризацию электродов.

Одним из весьма перспективных является полярографический метод измерения, заключающийся в одновременном определении потенциалов выделения различных ионов на электроде и предельной плотности тока.

Измерение концентрации влаги в газах достигается посредством кулонометрического метода, при котором определяется скорость электролиза воды, адсорбированной из газа влагочувствительной пленкой.

Ионизация газов с одновременным измерением их электропроводности используется для измерения малых концентраций. Ионизация может быть термическая или под воздействием различных излучений, в частности радиоактивных изотопов.

Термическая ионизация получила широкое использование в пламенно-ионизационных детекторах хроматографов. Ионизация газов альфа- и бета-лучами широко используется в детекторах хроматографов (так называемые «аргоновые» детекторы), а также в альфа- и бетаионизационных газоанализаторах, основанных на разнице в сечениях ионизации различных газов.

Испытуемый газ в этих приборах пропускается через ионизационную камеру альфа- или бета-излучения. При этом измеряется ионизационный ток в камере, характеризующий содержание компонента. Определение диэлектрической проницаемости среды служит для измерения содержания влаги и других веществ посредством различного рода емкостных влагомеров и диэлькометров.

Диэлектрическая проницаемость пленки сорбента, омываемой потоком газа, характеризующая концентрацию в нем водяных паров, используется в диэлькометрических гигрометрах.

Удельная магнитная восприимчивость дает возможность измерять концентрацию парамагнитных газов, в основном кислорода, посредством термомагнитных, магнитоэффузионных и магнитомеханических газоанализаторов.

И наконец, удельный заряд частиц, являющийся, наряду с их массой, основной характеристикой вещества, определяется посредством масс-спектрометров с времяпролетным, высокочастотным и магнитным масс-анализатором.

Измерение волновых величин — одно из наиболее перспективных направлений в приборостроении, основанное на использовании эффекта взаимодействия испытуемой среды с различного рода излучениями. Так, интенсивность поглощения средой ультразвуковых колебаний дает возможность судить о вязкости и плотности среды.

Измерение скорости распространения ультразвука в среде дает представление о концентрации отдельных компонентов или о степени полимеризации латексов и других полимерных веществ. Почти вся шкала электромагнитных колебаний, начиная от радиочастот и кончая рентгеновским и гамма-излучением, находит применение в датчиках свойств и состава веществ.

К ним относятся наиболее чувствительные аналитические приборы, измеряющие интенсивность поглощения энергии электромагнитных колебаний коротковолнового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов, основанные на электронном парамагнитном и ядерном магнитном резонансе.

Самое широкое применение имеют приборы, в которых используется взаимодействие среды со световой энергией в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовых частях спектра. Измеряются как интегральное излучение и поглощение света, так и интенсивность характеристических линий и полос спектров излучения и поглощения веществ.

Находят применение приборы, основанные на оптико-акустическом эффекте, работающие в инфракрасной области спектра, пригодные для измерения концентрации многоатомных газов и паров.

Показатель преломления света в среде используется для определения состава жидких и газообразных сред посредством рефрактометров и интерферометров.

Измерение же интенсивности вращения плоскости поляризации света растворами оптически-активных веществ используется для определения их концентрации посредством поляриметров.

Широкое развитие получили методы измерения плотности и состава различных сред, основанные на разнообразном использовании взаимодействия рентгеновского и радиоактивного излучений со средой.

В ряде случаев сочетание непосредственного определения физических и физико-химических свойств среды с различного рода вспомогательными операциями, предшествующими измерению, позволяет значительно расширить возможности измерения, повысить избирательность, чувствительность и точность простых методов. Такие приборы мы называем комбинированными.

К вспомогательным операциям можно отнести прежде всего абсорбцию газа жидкостью, конденсацию пара и испарение жидкости, позволяющие при анализе газов использовать методы измерения концентрации жидкости, такие, например, как кондуктометрию, потенциометрию, фотоколориметрию и др., и наоборот, для измерения концентрации жидкостей использовать методы газового анализа: термокондуктометрию, масс-спектрометрию и др.

Одним из наиболее распространенных сорбционных методов является хроматография, представляющая собой комбинированный метод измерения, в котором определению физических свойств испытуемой среды предшествует процесс хроматографического ее разделения на составляющие компоненты. Это упрощает процесс измерения и резко расширяет границы возможностей методов, непосредственного измерения.

Возможность измерения полного состава сложных органических смесей и высокая чувствительность приборов обусловили быстрое развитие в последние годы этого направления в аналитическом приборостроении.

Практическое использование в промышленности находят газовые хроматографы, состоящие из двух основных частей: хроматографической колонки, предназначенной для разделения испытуемой смеси, и детектора, служащего для измерения концентрации разделенных компонентов смеси. Имеется большое разнообразие исполнений газовых хроматографов как по тепловому режиму разделительной колонки, так и по принципу действия детектора.

В хроматографах с изотермическим режимом температура термостата колонки в течение цикла анализа поддерживается постоянной, в хроматографах с программированием температуры последняя изменяется во времени по заранее заданной программе, в хроматографах с термодинамическим режимом в течение цикла анализа изменяется температура различных частей колонки по длине.

В качестве детектора хроматографа может служить в принципе любой прибор для определения физических и физико-химических свойств вещества. Конструктивное его исполнение даже проще, чем других аналитических приборов, поскольку измерению подлежат концентрации уже разделенных компонентов смеси.

В настоящее время широко используются детекторы, основанные на измерении плотности газа, теплопроводности (так называемые «катарометры»), теплового эффекта сгорания продуктов («термохимические»), электропроводности пламени, в которое поступает испытуемая смесь («пламенно-ионизационные»), электропроводности ионизированного посредством радиоактивного излучения газа («ионизационно-аргоновые») и другие.

Будучи весьма универсальным, хроматографический метод дает наибольший эффект при измерении концентрации микропримесей в сложных углеводородных смесях с температурой кипения до 400 — 500° С.

Химические процессы, обеспечивающие приведение среды к параметрам, поддающимся измерению простыми способами, можно использовать почти со всеми методами прямого измерения. Избирательное поглощение жидкостью отдельных компонентов газовой смеси обеспечивает возможность путем измерения объема смеси до и после поглощения измерять концентрацию испытуемых веществ. На этом принципе основано действие объемно-манометрических газоанализаторов.

Широкое распространение получили различные цветные реакции, предшествующие измерению эффекта взаимодействия с веществом светового излучения.

Сюда относится большая группа так называемых ленточных фотоколориметров, в которых измерение концентрации газовых компонентов осуществляется посредством измерения степени потемнения ленты, на которую предварительно нанесено вещество, дающее с испытуемым веществом цветную реакцию. Большое применение этот способ получил для измерения микроконцентраций, в частности, опасных концентраций токсических газов в воздухе производственных помещений.

Цветные реакции используются также в жидкостных фотоколориметрах для повышения их чувствительности, для измерения концентрации бесцветных компонентов в жидкостях и т. п.

Перспективным является измерение интенсивности люминесценции жидкостей, вызванной химическими реакциями. Одним из наиболее распространенных методов аналитической химии является титрование. Метод титрования заключается в измерении физических и физико-химических величин, присущих жидкой среде, которая подвергается воздействию внешних химических или физических факторов.

В момент перехода количественных изменений в качественные (конечная точка титрования) фиксируется затраченное количество вещества или электричества, соответствующее концентрации измеряемого компонента. В принципе это — циклический метод, однако имеются различные его варианты, вплоть до непрерывного. Наибольшее применение в качестве индикаторов конечной точки титрования получили потенциометрические (рН-метрические) и фотоколориметрические датчики.

Арутюнов О. С. Датчики состава и свойств вещества

Источник

Средства измерений

Средство измерений – это техническое средство, используемое при измерениях и имеющие нормированные метрологические свойства. К средствам измерений относят меры и измерительные приборы, преобразователи, установки и системы. От средств измерений зависит правильное определение значения измеряемой величины в процессе измерения.

Мера – это средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Например, гиря – мера массы, измерительный резистор – мера электрического сопротивления и т.п. К мерам относятся так же стандартные образцы и эталонные вещества.

Стандартный образец – это мера для воспроизведения единиц величин, характеризующих свойства или состав веществ и материалов или среднелегированной стали с аттестованным содержанием химических элементов, образцы шероховатости поверхности.

Эталонное вещество – это вещество с известными свойствами, воспроизводимыми при соблюдении условий приготовления, указанных в утвержденной спецификации, например «чистая» вода, «чистые» газы, «чистые» металлы.

Эталонные вещества воспроизводят строго регламентированный состав веществ и широко используется при производстве количественных химических анализов и в создании реперных точек шкал. Например, «чистый» цинк служит для воспроизведения температуры ≈420 °С.

В случае если мера должна использоваться исключительно со значениями, вычисляемыми согласно инструкции по эксплуатации с учетом поправок, приведенных в сопроводительной документации, то применяют меру не с номинальным, а с действительным значением.

Меры подразделяют на однозначные и многозначные.

Однозначная мера воспроизводит физическую величину одного размера. По сути, она воспроизводит либо единицу измерения, либо некоторое определенное числовое значение данной физической величины. Например, измерительная катушка сопротивления, гиря, плоскопараллельная концевая мера длины, измерительная колба, измерительный резистор, нормальный элемент, конденсатор постоянной емкости.

Из однозначных мер собирают наборы мер. Набор мер – это специально подобранный комплект мер, применяемых не только по отдельности, но и в различных сочетаниях с целью воспроизведения ряда одноименных величин различного размера, например набор измерительных конденсаторов, набор плоскопараллельных концевых мер длины, набор гирь.

Многозначная мера воспроизводит ряд одноименных величин различного размера, например конденсатор переменной емкости, вариометр индуктивности, линейки с миллиметровыми делениями.

Эталонные средства измерений предназначены для передачи размеров единиц физических величин от эталонов или более точных образцовых средств рабочим средствам. Эталонными средствами измерений являются меры, измерительные приборы и устройства, прошедшие метрологическую аттестацию и утвержденные органами государственной или ведомственной метрологической службы в качестве эталонных. По назначению следует различать исходные и подчиненные эталонные средства измерений.

Исходными называют эталонные средства измерений, от которых размер единицы передается с наивысшей в данном подразделении метрологической службы точностью.

Подчиненными называют эталонные средства измерений, которым передается размер единицы от исходного эталонного средства измерений непосредственно или через другие эталонные средства измерений.

В зависимости от погрешности эталонные средства измерений подразделяются на разряды. Для различных видов измерений, проводимых в отрасли, устанавливается различное число разрядов эталонных средств измерений, предусмотренное стандартами на поверочные схемы данного вида средств измерений. Разряды служат основой для их метрологического соподчинения: эталонные средства 1-го разряда поверяются, как правило, непосредственно по рабочим эталонам, а 2-го и последующих разрядов — по эталонным средствам предшествующих разрядов. Например, эталонными мерами электродвижущей силы 1-го разряда служат нормальные элементы с погрешностью ±2·10 -4 %, а эталонными мерами 2-го разряда — нормальные элементы с погрешностью ±5·10 -4 %. Эталонные меры массы (гири) и измерительные приборы для измерения давления делятся на четыре разряда.

Разделение средств измерений на эталонные и рабочие определяется их метрологическим назначением. Различные экземпляры одного и того же средства измерений могут выполнять функции эталонного или рабочего средства. Однако экземпляр средства измерений, выполняющий функции эталонного средства, не используют для обычных технических измерений.

Эталонные средства измерений выполняют в системе обеспечения единства измерений в стране очень ответственную роль, так как они «распространяют» единицы, передавая их размер другим средствам измерений, поэтому они подлежат тщательному хранению и поверку их проводят настолько часто, чтобы была обеспечена требуемая точность и достоверность результатов измерений. Применять их следует только для поверки других средств измерений. Средства измерений, аттестованные в качестве эталонных, допускается применять в качестве рабочих только в особых случаях, с разрешения органа метрологической службы, производившего аттестацию этих средств измерений.

Рабочие средства применяют для измерений, не связанных с передачей размера единиц, то есть они служат для технических измерений в лабораториях или на производстве.

Для эталонного средства измерений не так важно, насколько велики поправки к его показаниям, как важны стабильность и воспроизводимость его показаний. Поэтому к эталонным средствам измерений в отличие от рабочих предъявляют более высокие требования в отношении воспроизводимости показаний. К рабочим же средствам измерений предъявляют специфические требования, связанные с условиями их применения.

Измерительный прибор представляет собой средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Результаты измерений приборами выдаются их отсчетными устройствами. Последние подразделяют на шкальные, цифровые и регистрирующие.

Шкальные отсчетные устройства состоят из шкалы, представляющей собой совокупность отметок и чисел, изображающих ряд последовательных значений измеряемой величины, и указателя (стрелки, электронного луча и др.), связанного с подвижной системой прибора.

Отметки шкалы, у которых проставлено числовое значение, называются числовыми отметками шкалы.

Основными характеристиками шкалы рассматриваемого отсчетного устройства являются: длина деления шкалы — расстояние между осями или центрами двух соседних отметок (штрихов или точек) шкалы, измеренное вдоль ее базовой линии, то есть линии, проходящей через середины ее самых коротких отметок, и цена деления шкалы — значение измеряемой величины, которое вызывает перемещение подвижного элемента отсчетного устройства на одно деление, то есть модуль разности значений измеряемой величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы.

Указанные на шкале наименьшее и наибольшее значения измеряемой величины называются соответственно начальным и конечными значениями шкалы.

Область значений, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы, называется диапазоном показаний.

Диапазон измерений — это та часть диапазона показаний, для которой нормированы пределы допускаемых погрешностей средства измерений. Наименьшее и наибольшее значения диапазона измерений называются соответственно нижним и верхним пределами измерений (рис. 1.) В технических приборах диапазон измерений и диапазон показаний, как правило, совпадают.

Значение величины, определяемое по отсчетному устройству средства измерений и выраженное в принятых единицах этой величины, называют показанием средства измерений. Показание может быть выражено как:

где N — отсчет (неименованное число, отсчитанное по отсчетному устройству средства измерений либо полученное счетом последовательных отметок или сигналов); с — постоянная средства измерений (число, именованное в единицах измеряемой величины; N_дел — число делений, подсчитанных по отсчетному устройству); с_дел — цена деления шкалы как разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы.

П р и м е р — На рис. 2 показано различие понятий постоянной прибора с и цены деления с_дел, из видно, что максимальный отсчет N_max = 50, а положению стрелки отвечает отсчет N = 24, Если наибольшее показание вольтметра U_max = 50 В, то постоянная вольтметра:

а показание, отвечающее положению стрелки,

На этой шкале максимальное число делений N_{дел max} = 25 дел, а положению стрелки отвечает N_дел = 12 дел. Следовательно, цена деления шкалы вольтметра

U = Nдел · сдел = 12 дел · 2 В/дел = 24 В.

Числовые значения с и сдел = с_U B/дел зависят от конечного значения шкалы данного диапазона измерений.

Шкалы приборов бывают односторонними (рис. 3), двухсторонними

(рис. 4) и безнулевыми (рис. 5). В односторонних шкалах один из пределов равен нулю.

В двухсторонних шкалах нулевое значение расположено на шкале. В безнулевых — на шкале нет нулевого значения.

В соответствии с ГОСТ 8.401—80 «ГСИ. Классы точности средств измерений. Общие требования» практически равномерной шкалой называется шкала, длина делений которой отличается друг от друга не более чем на 30 % и имеет постоянную цену делений. Существенно неравномерная шкала — это шкала с сужающимися делениями, для которой значение выходного сигнала, соответствующее полусумме верхнего и нижнего пределов диапазона измерений входного (выходного) сигнала, находится в интервале между 65 и 100 % длины шкалы, соответствующей диапазону измерений входного (выходного) сигнала. Степенная шкала — это шкала с расширяющимися или сужающимися делениями, отличная от шкал, указанных выше.

Чувствительность измерительного прибора — это отношение изменения сигнала Δl на выходе измерительного прибора к вызывающему его изменению измеряемой величины ΔА, то есть,

Из формулы следует, что чем меньше изменение измеряемой величины, отмечаемое прибором, тем выше его чувствительность, то есть она обратно пропорциональна цене деления шкалы.

Цифровые отсчетные устройства бывают либо механические, либо световые. Механические отсчетные устройства используют в тех цифровых приборах, у которых измеряемая величина преобразуется в соответствующие углы поворота валов. Световые табло, состоящие, как правило, из системы индикаторных газоразрядных ламп, подсвечивающих те или иные цифры, используются в электронных цифровых приборах, у которых измеряемые величины преобразуются в определенную последовательность импульсных сигналов.

Регистрирующие отсчетные устройства состоят из пишущего или печатного механизма и ленты. Простейшее пишущее устройство представляет собой перо, заполненное чернилами, фиксирующее результат измерения на бумажной ленте. В более сложных устройствах запись результатов измерений может производиться световым или электронным лучом, перемещение которого зависит от значений измеряемых величин.

Измерительные приборы классифицируются по весьма разнообразным признакам, к числу которых относят и рассматриваемые ниже способы определения значений измеряемой величины и образования показаний.

По способу определения значения измеряемой величины приборы делятся на две группы: прямого действия и сравнения.

Приборы прямого действия (непосредственной оценки) позволяют получать значения измеряемой величины на отсчетном устройстве. Такие приборы состоят из нескольких элементов, осуществляющих необходимое преобразование измеряемой величины в сигнал того или иного вида или, если необходимо, усиление этого сигнала, чтобы вызвать перемещение подвижного органа отсчетного устройства. Примером может служить электронный вольтметр, предназначенный для измерения высокочастотного напряжения. Входной сигнал подается на детектор, преобразующий переменное напряжение в постоянное, которое после усиления в усилителе постоянного тока подводится к магнитоэлектрическому вольтметру постоянного тока. Здесь постоянное напряжение, в свою очередь, преобразуется в механический момент, поворачивающий подвижную рамку на угол, пропорциональный значению измеряемого напряжения.

Шкала же вольтметра постоянного тока может быть градуирована в амплитудных или средних квадратических (эффективных) значениях переменного напряжения, подводимого ко входу электронного вольтметра.

Характерной особенностью приборов непосредственной оценки является то, что результаты, полученные с их помощью, не требуют сравнения с показаниями эталонных средств измерений.

К таким приборам относится большая часть вольтметров, амперметров, манометров, термометров и др.

В приборах сравнения значение измеряемой величины определяют сравнением с известной величиной, соответствующей воспроизводящей ее мере, например при измерении массы тел на рычажных весах. Для сравнения измеряемой величины с мерой используют компенсационные или мостовые измерительные цепи. В компенсационных вольтметрах измерение напряжения основано на сравнении измеряемой величины с величиной компенсирующего напряжения, задаваемого мерой напряжения (нормальным элементом или другой эталонной мерой напряжения).

На сравнении измеряемой величины с мерой основана работа грузопоршневых и грузопружинных манометров, где сравниваются силовые эффекты, с которыми действуют на поршень измеряемое давление и мера массы. При измерении линейных размеров тел с использованием концевых мер длины часто используют дифференциальный метод сравнения, то есть для измерения разности между измеряемой величиной и мерой применяют дополнительные приборы непосредственной оценки. Если объектами измерения являются параметры элементов, которые не несут в себе энергии (параметры пассивных элементов), то для сравнения измеряемой величины с мерой чаще всего используют мостовые измерительные схемы. В этих схемах пассивные элементы предварительно активизируются путем подведения для питания моста энергии от специальных источников питания. Сравнение же измеряемой величины, включенной в измерительное плечо моста, с известным значением меры, включенной в плечо сравнения, производят, как правило, нулевым методом, то есть уравновешивая мост путем измерения значения меры. Характерной особенностью приборов, основанных на методе сравнения, является то, что погрешность измерения с их помощью определяется в основном погрешностью мер, с которыми сравнивают измеряемые величины. Следовательно, применение мер более высоких классов точности и разрядов обеспечивает повышение точности измерений.

По способу образования показаний приборы подразделяют на показывающие и регистрирующие Показывающие приборы, в свою очередь, подразделяют на аналоговые и цифровые.

Аналоговые приборы — это, как правило, стрелочные приборы с отсчетными устройствами, состоящими из двух элементов — шкалы и указателя, связанного с подвижной частью прибора. Показания таких приборов являются непрерывной функцией измерений измеряемой величины.

Цифровые измерительные приборы автоматически вырабатывают дискретные сигналы измерительной информации, которые предлагают в цифровой форме. Отсчет у них производится с помощью механических или электронных цифровых отсчетных устройств.

Цифровые измерительные приборы по сравнению со стрелочными имеют

ряд достоинств; процесс измерения автоматизирован, что исключает возникновение погрешностей, обусловленных ошибками оператора; время измерения очень мало; результат измерений, выдаваемый в цифровой форме, легко фиксируется цифропечатающим устройством и удобен для ввода в электронно-вычислительную машину.

Цифровые измерительные приборы широко применяют для измерения электрических напряжений, частоты колебаний, параметров электрических и радиотехнических цепей и многих других физических величин. В последние годы они все чаще заменяют стрелочные приборы.

Регистрирующие измерительные приборы подразделяют на самопишущие (например, барографы, термографы, шлейфовые осциллографы), выдающие показания в форме диаграммы, и печатающие, которые выдают результат измерений в цифровой форме на бумажной ленте. Регистрирующие приборы находят широкое применение при измерении физических величин — параметров процессов или свойств объектов в динамических режимах, когда непрерывно изменяются те или иные условия измерения (температура, давление и т.п.).

Измерительный преобразователь — средство измерений, служащее для выработки измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

Преобразуемая физическая величина называется входной, а результат преобразования — выходной величиной. Связь между выходной и входной величинами преобразователя устанавливается функцией преобразования.

Измерительные преобразователи являются составной частью измерительных приборов, различных измерительных систем, системы автоматического контроля или регулирования тех или иных процессов.

Основное требование к измерительным преобразователям — точная передача информации, то есть минимальные потери информации, иначе говоря, минимальные погрешности. Измерительное преобразование — это отражение размера одной физической величины размером другой физической величины, функционально с ней связанной. На принципе измерительного преобразования построены практически все средства измерений, так как любое средство измерений использует те или иные функциональные связи между входной и выходной величинами. Например, в приборах для электрических измерений неэлектрических величин или для измерения геометрических величин, таких как микрометр, когда измеряемая длина отсчитывается по углу поворота микрометрического барабана, или штангенциркуль, когда вместо расстояния между губками штангенциркуля отсчитывается соответствующее расстояние по его шкале. Понятие «измерительный преобразователь» более конкретно, чем «измерительное преобразование», так как одно и то же измерительное преобразование может быть выполнено рядом различных по принципу действия измерительных преобразователей. Например, измерительное преобразование температуры в механическое перемещение может быть выполнено ртутным термометром или биметаллическим элементом либо термопарой, преобразующей температуру в ЭДС, а ЭДС в перемещение указателя.

Измерительный преобразователь, к которому подведена измеряемая величина, называется первичным преобразователем, например термопара в термоэлектрическом термометре.

Измерительный преобразователь, предназначенный для изменения величины в заданное число раз, называется масштабным, например делители напряжений на входе вольтметров или электронных осциллографов, а также измерительные усилители.

Измерительный преобразователь, предназначенный для дистанционной передачи сигнала измерительной информации, называется передающим, например индуктивный и пневматические передающие преобразователи.

Вспомогательным является средство измерений величин, влияющих на метрологические свойства другого средства измерения при его применении или поверке. Например, точность измерения объемного расхода газа или линейных размеров тел зависит от температуры, измеряемой термометром, который и является вспомогательным средством измерений.

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

Создание измерительных установок, называемых также измерительными стендами, позволяет наиболее рационально расположить все требуемые средства измерений и соединить их с объектами измерений для обеспечения наиболее высокой производительности труда на данном рабочем месте (например, на рабочих местах операторов в конкретных условиях производства или поверочных лаборатории). Так создаются измерительные установки (стенды), например, для контроля работоспособности тех или иных технических устройств, для поверки различных средств измерений и т. п.

Измерительные системы предназначены для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и использования в автоматических системах управления. Их главная цель — автоматизация процесса измерения и использования результатов измерения для автоматического управления различными процессами производства. В состав таких систем могут входить преобразователи одних величин в другие, схемы автоматического регулирования, меры и измерительные приборы. В случае если различные элементы системы разнесены на значительные расстояния друг от друга, связь между ними осуществляется как по проводным, так и проводными каналам.

Источник