ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ

Для создания и изучения измерительных систем, отдельных средств измерений часто применяют так называемые общие структурные схемы средств измерения и контроля. В этих схемах изображены отдельные элементы средств измерения в виде символических блоков, соединенных между собой сигналами, характеризующими физические величины.

ГОСТ 16263—70 определяет следующие общие структурные элементы средств измерения: чувствительный, преобразовательный элементы, измерительную цепь, измерительный механизм, отсчетное устройство, шкалу, указатель, регистрирующее устройство.

Первичной задачей любого средства измерения является восприятие физической величины. Эту функцию выполняет чувствительный элемент. Чувствительный элемент средства измерения — часть первого в измерительной цепи преобразовательного элемента, находящаяся под непосредственным воздействием измеряемой величины. Именно этот элемент определяет способность средства измерения реагировать на изменения измеряемой величины. Конструктивные разновидности чувствительного элемента весьма разнообразны; они будут рассмотрены в разделах, посвященных конструкции средств измерения и контроля.

Основной задачей этого элемента является выработка сигнала измерительной информации в форме, удобной для дальнейшей ее обработки. Этот сигнал может быть механическим (перемещение, поворот), пневматическим, электрическим и др.

При измерениях определенных физических явлений возникает необходимость преобразовывать сигнал, полученный чувстви тельным элементом, в другую физическую величину (например, давление — в электрическую величину, температуру — в давление и т. п.). Эту функцию выполняет преобразовательный элемент.

Преобразовательный элемент средства измерения — это элемент, в котором происходит одно из ряда последовательных преобразований величины. Он предназначен для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения (например, преобразование неэлектрической величины в электрическую). Как правило, эта информация не поддается непосредственному восприятию наблюдателем. Преобразовательный элемент может быть выделен в отдельную конструкцию, а может содержать два и более преобразователей. Преобразовательный элемент, стоящий первым в измерительной цепи, обычно называют первичным преобразователем (например, термопара).

Существует огромный класс промежуточных (вторичных) преобразователей, которые, как правило, не меняют род физической величины. Широкое распространение получили аналоговые, аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи.

Для дистанционной передачи сигнала измерительной информации предусматриваются передающие измерительные преобразователи, а для его изменения в заданное число раз — масштабные измерительные преобразователи. Например, индуктивные и пневматические преобразователи относят к передающим преобразователям, а делители напряжений на входе вольтметров или электронных осциллографов, измерительные усилители относят к масштабным измерительным преобразователям.

Измерительная цепь средства измерения — это совокупность преобразовательных элементов средства измерения, обеспечивающая осуществление всех преобразований сигнала измерительной информации.

Измерительный механизм — часть конструкции средства измерения, состоящая из элементов, взаимодействие которых вызывает их взаимное перемещение. Например, измерительный механизм индикатора часового типа (рис. 1.7, а) состоит из зубчатых колес 1,2, 3 и зубчатой рейки 4. Измерительный механизм милливольтметра (рис. 1.7, б) состоит из постоянного магнита с деталями магнито-провода и подвижной рамки с подводящими к ней ток пружинами.

Отсчетное устройство средства измерения — часть конструкции средства измерения, предназначенная для отсчитывания значений измеряемой величины. Оно часто включает в себя шкалу и указатель. В самопишущих приборах отсчетное устройство осуществляет запись в виде диаграммы, в интегрирующем приборе чаще всего применяется счетный механизм.

Шкала представляет собой совокупность отметок или других символов, соответствующих ряду последовательных значений величин.

Конструкции измерительных механизмов

 

Шкалы бывают односторонними (рис. 1.8, а), двусторонними (рис. 1.8, б) и безнулевыми (рис. 1.8, в). В односторонних шкалах один из пределов измерений средства измерения равен нулю. В двусторонних шкалах нулевое значение расположено на шкале. В безнулевых — на шкале нет нулевого значения.

В соответствии с ГОСТ 8.401-80 практически равномерной 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, а степенная шкала — это шкала с расширяющимися делениями, отличная от шкал, указанных выше.

Виды шкал

А- односторонняя

Б- двусторонняя

В – безнулевая

 

Указатель — часть отсчетного устройства, положение которого относительно отметок шкалы определяет показание средства измерения. Указатель может быть выполнен в виде материального стержня — стрелки или в виде луча света — светового указателя.

В показывающих приборах при наличии шкалы и указателя возможны отсчетные устройства двух видов: когда указатель перемещается относительно неподвижной шкалы (индикаторы часового типа, вольтметры, амперметры и др.) или шкала перемещается относительно неподвижного указателя (микрометры, оптиметры и др.).

Цифровые отсчетные устройства бывают либо механические, либо световые. Механические отсчетные устройства используют в тех цифровых приборах, в которых измеряемая величина преобразуется в соответствующие углы поворота валов (например, отсчетные устройства у некоторых типов бензоколонок, у приборов с цифровой лентой и цифровым роликом и др.).

Световые табло, состоящие, как правило, из системы индикаторных устройств, основанных на жидких кристаллах, используются в электронных цифровых средствах измерения, в которых измеряемые величины преобразуются в определенную последовательность импульсных сигналов (например, табло электронных часов, штангенциркуль с электронным цифровым отсчетным устройством и др.).

Индикаторы с жидкими кристаллами представляют собой соединения с углеродом и кислородом (карбоксиды), которые ниже определенной температуры являются кристаллами, а выше этой температуры превращаются в жидкость. Устройство ячейки с жидким кристаллом показано на рис. 1.9. Такая ячейка состоит из двух параллельных стеклянных пластинок 1, между которыми располагается жидкокристаллическая смесь 3, и подводящих проводов для приложения напряжения 4. При отсутствии напряжения на внутренней поверхности пленок из оксида олова 2 ячейка прозрачна. При приложении постоянного напряжения ячейка становится непрозрачной. В итоге образуются читаемые цифры.

В проекционных цифровых указателях (рис. 1.10) нанесенные на диапозитив цифры от 0 до 9 проектируются каждая своей лампочкой 1 и системой линз 2 на матовое стекло.

return false">ссылка скрыта

устройство ячейки с жидким кристалом

1— стеклянные пластинки; 2 — пленки из оксида олова;

3 — жидкокристаллическая смесь; 4 — подводящие провода для приложения напряжения

 

 

Устройство проекционного цифрового указателя: 1 — лампочка; 2 — система линз

 

 

Используются также газоразрядные указатели (газонаполненные лампы с холодным катодом), указатели со светодиодами. В цифровых приборах со светодиодами (из арсенида галлия) цифры образуются из точечных или штриховых сегментов полупроводника, к которым подводится электрическая энергия, и в результате полупроводникового излучения появляется свечение в видимой области спектра. Высота цифр в этих приборах не может превышать 20 мм.

Регистрирующее устройство средства измерения — это часть регистрирующего измерительного прибора, предназначенная для регистрации показаний. В качестве регистрирующих измерительных приборов широко применяются самопишущие, в которых предусмотрена запись показаний в форме диаграммы (самопишущий вольтметр, профилограф, барограф, термограф и др.) и печатающие, в которых предусмотрено печатание показаний в цифровой форме.

Печатающие устройства могут быть подразделены на два класса: ударного и безударного действия.

В печатающих устройствах ударного действия процесс печатания происходит в результате удара рычага с литерой или символом (ручные и электрические печатающие машинки) или игл (в матричных печатающих устройствах) на красящую ленту. Имеются различные типы печатающих устройств: с цилиндрической головкой, со сферической головкой, с колесом в виде ромашки {daisy wheel), матричное, барабанное, цепное и ленточное. Скорость печатания таких устройств от 10 знаков в секунду до 20 000 строк в минуту.

В безударных печатающих устройствах процесс печатания заключается в физическом или химическом воздействии на специально подготовленную бумагу. Имеются следующие типы таких печатающих устройств: тепловые матричные, электрочувствительные, электростатические, ксерографические, лазерные с непрерывной подачей краски или с подачей краски по требованию. Скорость печатания достигается от 300 до 45 000 строк в минуту.

В современных печатающих устройствах часто применяют матричные устройства, причем либо с игольчатым печатающим механизмом, либо с посылкой струи чернил (краски). В обоих вариантах применяется одинаковое матричное представление (рис. 1.11).

Каждое отдельное средство измерения также может быть изображено соответствующей структурной схемой.

Например, на рис. 1.12, а представлена схема преобразователя давления. Мембрана / воспринимает измеряемую величину (давление воздуха) и через рычаг 2 перемещает движок реостата 3, изменяя его электрическое сопротивление, которое для этого устройства является выходной величиной. В соответствии с принятой терминологией элемент 1 схемы, изображенной на рис. 1.12, б, является первичным преобразователем, а элементы 2 и 3— промежуточным и передающим преобразователями.

 

 

 

Рис Изображение, даваемое матричными печатающими устройствами (размеры длины в миллиметрах)

А- нормальная ширина шрифта, б – расположение сопел или игл

 

Объединение и сочетание в различных комбинациях средств измерения, их структурных элементов, вспомогательных устройств позволяет получить широкую гамму измерительных систем, предназначенных для автоматизации процесса измерения и использования результатов измерения для автоматического управления различными процессами производства.

 

 

 

Рис Схемы преобразователя давления

А: 1-мембрана, 2- рычаг, 3- движок реостата; б: 1 – первичный преобразователь; 2 – промежуточный преобразователь; 3 – передающий преобразователь.

В качестве вспомогательных элементов (измерительных принадлежностей) измерительных систем применяют устройства, служащие для обеспечения необходимых внешних условий при выполнении измерений. К ним относятся, например, барокамера, термостат, устройства, экранирующие влияние магнитных полей, измерительные усилители, специальные противовибрационные фундаменты и даже обыкновенная лупа. Эти элементы позволяют повышать чувствительность измерительных устройств или предохранять измеряемую величину от искажающего действия влияющих величин.

Описание устройств обработки, представления и регистрации информации рассмотрено в гл. 3.

Более сложной структурной схемой измерительной системы является схема информационно-измерительной системы (ИИС), в состав которой дополнительно входят следующие устройства: раз-I личные преобразователи аналогового, аналого-цифрового, цифрового типа, цифровые устройства вывода информации, стандартизованные интерфейсы (шины и узлы), устройство управления и исполнительное устройство и др. Описание и характеристика основных элементов ИИС рассмотрены в гл. 3.