СТРУКТУРА СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

СТРУКТУРА СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

Лабораторная работа № 1

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

В зависимости от функционального назначения и конструктивного исполнения различают следующие средства измерений:

– меры;

– измерительные преобразователи;

– измерительные приборы;

– индикаторы.

Кроме того, основные и вспомогательные средства измерений и дополнительные устройства могут быть объединены в измерительные установки или измерительные системы, рассматриваемые как более сложные средства измерений.

Меры предназначены для хранения и воспроизведения физической величины одного заданного размера (однозначные меры) или ряда размеров (многозначные меры). Многозначные меры могут механически объединять несколько однозначных мер (ступенчатая мера длины, многогранная угловая концевая мера с тремя, четырьмя или шестью рабочими углами). Многозначными мерами являются также штриховые меры со шкалой (линейка измерительная, транспортир). Меры могут комплектоваться в наборы (наборы концевых мер длины, наборы разновесов);

Измерительные преобразователи предназначены для получения сигнала измерительной информации, его преобразования и выдачи в любой форме, удобной для передачи, обработки, хранения или дальнейшего преобразования, но не поддающейся непосредственному восприятию оператором. Различают первичные и промежуточные измерительные преобразователи. Первичные измерительные преобразователи – первые в измерительной цепи – воспринимают саму измеряемую физическую величину и преобразуют ее в сигнал измерительной информации (терморезистор термометра сопротивления, фотоэлемент экспонометра), а промежуточные измерительные преобразователи занимают в измерительной цепи любое место после первичного.

Измерительные приборы предназначены для получения измерительной информации от измеряемой физической величины, ее преобразования и выдачи в форме, поддающейся непосредственному восприятию оператором. По виду выходного сигнала приборы принято делить на аналоговые, у которых выходной сигнал является непрерывной функцией измеряемой величины, и "цифровые" (числовые), имеющие дискретный выходной сигнал, обычно выдаваемый в числовой форме. Различают приборы показывающие и регистрирующие (самопишущие и печатающие). Измерительные приборы состоят из цепочки преобразователей (первичного и промежуточных) и устройства отображения измерительной информации (шкала-указатель, цифровое табло, самопишущее, цифропечатающее или другое регистрирующее устройство).

Индикаторы – особый вид средств измерений в виде технического устройства или вещества, предназначенного для установления наличия (отсутствия) какой-либо физической величины или определения ее порогового значения (индикатор фазового провода электропроводки, индикатор контакта измерительного наконечника прибора для линейных измерений с поверхностью детали, лакмусовая бумага). В некоторых случаях в качестве индикаторов могут использоваться измерительные приборы (часы-будильник, омметр при проверке обрыва в электрической цепи).

Средства измерений принято различать по принципам действия, то есть по физическим принципам, используемым для преобразования измеряемой величины или сигнала измерительной информации. Например, измерительный микроскоп относится к оптико-механическим приборам, индуктивный или резистивный преобразователь – к электрическим средствам измерений и т.д. Сложные приборы с длинной измерительной цепью обычно характеризуют одним (или двумя) наиболее важными принципами преобразования (лазерный интерферометр, фотоэлектрический угломер).

Измерительная цепь средства измерений – совокупность преобразовательных элементов, осуществляющих все преобразования измерительной информации в данном устройстве. Измерительная цепь средства измерений начинается с чувствительного элемента, который представляет собой часть первого в измерительной цепи преобразовательного элемента (первичного измерительного преобразователя), непосредственно воспринимающую сигнал измерительной информации от измеряемого объекта, т.е. находящуюся под непосредственным воздействием измеряемой физической величины (резервуар жидкостного термометра, крюк динамометра, губки штангенциркуля).

Измерительный прибор обязательно имеет устройство отображения (выдачи) измерительной информации. У приборов с визуальными устройствами это чаще всего отсчетные устройства типа шкала-указатель или цифровое табло. В приборах и индикаторах применяют и другие устройства визуальной индикации (нуль-указатели, табло светофорного типа), а также акустические устройства (звонок, зуммер таймера) и тактильные устройства (вибратор наручного будильника для слабо слышащих). В качестве устройств выдачи информации могут использоваться также любые регистрирующие самопишущие или печатающие устройства.

Шкала средства измерений – часть отсчетного устройства, представляющая собой совокупность отметок и поставленных у некоторых из них чисел отсчета или других символов, соответствующих ряду последовательных значений величины. Отметки могут быть в виде штриха, точки, другой геометрической фигуры. Промежуток между двумя соседними отметками шкалы называется делением шкалы. Длина деления шкалы – расстояние между осями или центрами двух соседних отметок шкалы, измеренное вдоль воображаемой линии, проходящей через середины самых коротких отметок шкалы. Шкалы могут быть равномерными (с делениями постоянной длины и с постоянной ценой деления), либо неравномерными (с делениями непостоянной длины, а в некоторых случаях и с переменной ценой деления). Цена деления шкалы – разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы.

Указатель средства измерений – часть аналогового отсчетного устройства, положение которого относительно отметок шкалы определяет показание средства измерений. Указатель может быть выполнен в виде стрелки, штриха, кромки детали, перемещающейся относительно шкалы, светового пятна и т.д. Изменение показаний в системе шкала-указатель, может осуществляться за счет перемещения любого из элементов относительно другого.

Прибор может быть снабжен несколькими шкалами (индикатор часового типа, измерительные головки ИГМ) или одной шкалой с несколькими указателями (часы с циферблатом и центральными стрелками).

При выдаче измерительной информации на цифровое табло существенно важны такие его структурные элементы, как

• вид выходного кода (десятиричный, шестидесятиричный, другой);
• предельное число знаков, в том числе цифр (число разрядов выходного кода) и других (не цифровых), виды знаков и их содержание (наличие фиксированной или плавающей разделительной десятичной запятой (точки), минуса, знака переполнения или неправильного подключения и др.);
• цена единицы наименьшего разряда кода и номинальная ступень квантования, если она больше цены единицы наименьшего разряда кода.

Пример кинематической (а) и структурной (б) схем равноплечих весов (прибора для определения массы взвешиванием) приведен на рис.1.

Кинематическая (а) и структурная (б) схемы пружинных весов. 1 – чувствительный элемент (две чашки), 2 – первичный измерительный преобразователь (шарнирный подвес с чашкой – два преобразователя), 3 – промежуточный измерительный преобразователь (равноплечий рычаг с шарниром), 4 – устройство отображения измерительной информации (стрелка на рычаге– указатель и шкала– нулевая отметка на стойке), 5 – стойка. На структурной схеме стрелками показано движение измерительной информации.

Возможно и более мелкое дробление элементов функциональной кинематической схемы на измерительные преобразователи, например: чашка с собственным шарнирным подвесом – шарнирная тяга – равноплечий рычаг… Или обратное: равноплечий рычаг с чашками и шарнирами (первичный измерительный преобразователь) – устройство отображения измерительной информации (стрелка на рычаге– указатель и шкала). Выделение измерительных преобразователей осуществляют на основе логического анализа выполняемых ими функций и конструктивной завершенности (автономности). Шкала устройства отображения измерительной информации может иметь множество делений или только одно нулевое деление – вырожденная шкала, характерная для приборов типа нуль-компаратора, которые предназначены для измерения нулевым методом.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Цель работы: ознакомление с видами средств измерений (СИ) и их структурными элементами.

Задачи: 1. Научиться классифицировать средства измерений.

2. Ознакомиться с характеристиками СИ разных видов и составом их структурных элементов, включая чувствительные элементы и устройства отображения измерительной информации.

3. Научиться выделять элементы СИ и строить структурные схемы.

МАТЕРИАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТЫ

Объекты измерений:

       Детали типа тел вращения, призм, резисторы, источники постоянного тока.

Измеряемые параметры: линейные размеры, объем, масса, электрическое сопротивление, напряжение, сила тока.

Средства измерений:

Меры длины, угла, объема и массы (линейка измерительная, набор плоскопараллельных концевых мер длины, транспортир, сосуды измерительные, набор разновесов).

Накладные и станковые приборы для измерений длины (штангенциркуль, микрометр гладкий, микрометр рычажный или скоба рычажная, измерительные головки со штативом или стойкой и др.).

Весы для измерения массы взвешиванием.

Мультиметр (авометр) для измерений электрических величин.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Задание

1. Проанализировать функции и классифицировать заданные средства измерений; зафиксировать основные характеристики СИ (приборов, измерительных преобразователей, индикаторов, многозначных и однозначных мер).

2. При необходимости уточнения характеристик СИ выполнить измерения выбранных физических величин с помощью мер и измерительных приборов (использовать цифровые и аналоговые приборы).

3. Ознакомиться со структурными элементами сложных средств измерений (многозначных мер, измерительных преобразователей, измерительных приборов), представить их схемы и краткие описания.

Выполнение работы

Анализ предложенных средств измерений следует начинать с их классификации, после чего рассматривают группы однородных СИ.

Для однозначных мер начинают с выяснения того, какую физическую величину воспроизводит мера и каково ее номинальное значение. Для многозначных мер определяют число воспроизводимых мерой номинальных значений физической величины, а если мера штриховая, то указывают также цену деления. Обобщенной характеристикой точности может служить класс или разряд меры, которые указывают в документах на конкретные СИ. Если они неизвестны, в соответствующей клетке таблицы ставят прочерк.

Для средств измерений, более сложных чем меры (преобразующих измерительную информацию), определяют принцип преобразования, выявляют первичный преобразователь, чувствительный элемент, а также определяют характер изменения выходного сигнала (аналоговый или дискретный), вид выходного сигнала (визуальный, звуковой, не воспринимаемый оператором, др.) и вид устройства отображения информации (шкала-указатель, цифровое табло, др.).

Например, при использовании электролампы в качестве индикатора наличия в розетке электрического тока можно сказать, что принцип преобразования сигнала измерительной информации – электрический, чувствительные элементы – контактные стержни вилки, характер изменения выходного сигнала – дискретный (горит – не горит), вид выходного сигнала визуальный, и вид устройства отображения информации – сигнальная лампочка. Если для тех же целей использовать радиоприемник, выходной сигнал будет звуковым (возможно и визуальным), а устройство отображения информации – динамик.

Тензорезистор – измерительный преобразователь с электрическим принципом преобразования сигнала измерительной информации, характер изменения выходного сигнала – непрерывный, выходной сигнал выдается в форме не воспринимаемой оператором, устройство отображения информации отсутствует. Обычно первичным измерительным преобразователем при использовании тензорезистора в измерительных устройствах бывает упругий механический элемент ("тензобалка", мембрана…), а сигнал передают на усилитель и далее – на устройство отображения информации.

При изучении ряда элементов аналоговых СИ можно обойтись без измерений. Например, не надо измерять температуру тела, чтобы сказать, что медицинский ртутный термометр – измерительный прибор, работающий на использовании принципа объемного расширения жидкости, аналоговый, с диапазоном шкалы от 35 оС до 42 оС и ценой деления 0,1 оС. Шкала одна, прямолинейная равномерная, указателем служит край ртутного столбика. Чувствительный элемент – резервуар термометра, первичный (и единственный) измерительный преобразователь – капиллярная трубка с резервуаром, заполненным расширяющейся жидкостью (ртутью). Подробности конструкции (сужение капилляра, которое препятствует уменьшению показаний и тем самым превращает прибор в максимальный термометр) не очевидны и при общем анализе могут не рассматриваться. Построенная на основе анализа конструкции и работы структурная схема прибора приведена на рис. 2. Она не вполне типична, поскольку рассматриваемый прибор выполнен на одном измерительном преобразователе, один из элементов которого к тому же используется в качестве указателя устройства отображения измерительной информации.

Рис. 2. Структурная схема жидкостного термометра. 1 – первичный измерительный преобразователь – капилляр с резервуаром рабочего тела (затонирован чувствительный элемент – резервуар для жидкости), 2 – устройство отображения измерительной информации шкала-указатель (указателем служит край столбика рабочей жидкости).

Поскольку другие приборы не так прозрачны, для построения их структурных схем используют кинематические, электрические и другие схемы, и/или чертежи и описания конструкции и работы прибора. Анализируя измерительные приборы и сложные измерительные преобразователи, следует помнить, что простой преобразователь как правило содержит не менее двух элементов (например, двуплечий рычаг с шарниром, стержень в направляющих, зубчатое колесо и сектор на осях в опорах), причем любой из них может входить в соседний преобразователь или в устройство отображения измерительной информации (зубчатый сектор передачи триб-сектор одновременно выступает как второе плечо рычага, стрелка-указатель находится на равноплечем рычаге весов…).

Для анализа СИ и их структурных элементов при необходимости следует произвести измерения выбранных физических величин с использованием многозначных мер, приборов, реализующих методы непосредственной оценки и сравнения с мерой. Практически всегда приходится проводить измерения "цифровыми" приборами. В ходе измерений основное внимание необходимо уделять не результатам измерений, которые имеют вспомогательный характер, а изучению СИ и их структурных элементов.

Оформление результатов работы

Результаты работы оформляют в виде таблиц, структурных схем и необходимых текстовых описаний (таблицы 1…5 даны с примерами заполнения). Если соответствующая клетка таблицы не может быть заполнена, в ней ставят прочерк, а при отсутствии оцениваемого элемента записывают "нет", "отсутствует" и т.д. Примеры оформления структурных схем приведены на рис. 1 и 2.

Таблица 1

ХАРАКТЕРИСТИКИ ОДНОЗНАЧНЫХ МЕР

Таблица 2

ХАРАКТЕРИСТИКИ МНОГОЗНАЧНЫХ МЕР

Таблица 3

ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ преобразующих СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

Таблица 4

АНАЛОГОВЫЕ УСТРОЙСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ измерительнОЙ ИНФОРМАЦИИ

Таблица 5

ДИСКРЕТНЫЕ (ЧИСЛОВЫЕ) УСТРОЙСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

Кафедра СТАНДАРТИЗАЦИЯ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Группа

Дисциплина:        МЕТРОЛОГИЯ

СТРУКТУРА СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

Отчет о лабораторной работе N 1

       Исполнитель

"       "                                2002 г.

Руководитель

"       "                                2002 г.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Цель работы: ознакомление с видами средств измерений (СИ) и их структурными элементами.

Задачи: 1. Научиться классифицировать средства измерений.

2. Ознакомиться с характеристиками СИ разных видов и составом их структурных элементов, включая чувствительные элементы и устройства отображения измерительной информации.

3. Научиться выделять элементы СИ и строить структурные схемы.

Таблица 1

ХАРАКТЕРИСТИКИ ОДНОЗНАЧНЫХ МЕР

Таблица 2

ХАРАКТЕРИСТИКИ МНОГОЗНАЧНЫХ МЕР

Таблица 3

ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

Таблица 4

АНАЛОГОВЫЕ УСТРОЙСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ измерительнОЙ ИНФОРМАЦИИ

Таблица 5

ДИСКРЕТНЫЕ (ЧИСЛОВЫЕ) УСТРОЙСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ