Тема 1.1 Основы теории измерений

Измерение –определение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Измерение физической величины – это сравнение ее с другой величиной, условно принятой за единицу и называемой единицей измерения. Результат измерения показывает численное соотношение между единицей измерения и измеряемой величиной.

Все измерения делят на промышленные (технические) и лабораторные. Промышленные имеют невысокую точность, достаточную для практики, для этого используют промышленные приборы. Лабораторные измерения проводят высокоточными приборами, используют специальные методы, учитывают все погрешности. Проводят эти измерения при наладочных, научно-исследовательских работах. По способу получения результата измерения все измерения делят на прямые и косвенные. Прямые –это сравнение измеряемой величины с единицей измерения при помощи меры или прибора (например, измерение термометром температуры, манометром давления). Косвенные –это измерения, при которых значение искомой величины находят на основании прямых измерений других величин (например, определение плотности по результатам измерения массы и объема).

Технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические свойства, называют средства измерения.

Совокупность правил, определяющих принципы и средства измерения, называется методом измерения. В технических измерениях широко применяются 3 метода:

· Метод непосредственной оценки – значение измеряемой величины определяется непосредственно по отсчетному устройству прибора или сигналу преобразователя прямого действия (например, измерения давления пружинным манометром, силы тока амперметром);

· Дифференциальный метод – на измерительный прибор воздействует разность измеряемой и базовой величины, значение которой известно (например, измерение длины калиброванным метром).

· Компенсационный (нулевой) метод – измеряемую величину компенсируют другой величиной, значение которой известно, разность между ними сводится к нулю за счет изменения известной величины (измерение массы на весах с уравновешиванием калиброванными грузами). Для установления факта равенства величин используется нуль-прибор.

 

Средства измерения и их классификация

Средства измерения - технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические свойства. Средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в удобной для восприятия форме, называется измерительным прибором. Используя измерительный прибор, наблюдатель может прочитать значение измеряемой величины

Существует классификация измерительных приборов по виду измеряемой величины.

Приборы для измерения:

· температуры (термометры и пирометры)

· давления (манометры, вакуумметры, мановакуумметры, тягомеры, напоромеры и барометры)

· расхода и количества (расходомеры, счетчики и весы)

· уровня жидкости и сыпучих тел (уровнемеры и указатели уровня)

· состава газа (газоанализаторы)

· качества пара и воды (кислородомеры, кондуктометры для определения солесодеражания пара и пит воды)

По назначению измерительные приборы могут быть:

· рабочими (применяются на практике, делятся на технические и средства измерения повышенной точности) – имеют невысокую точность, сравнительно простые, прочные, надежные, могут работать в неблагоприятных условиях. Показания хорошо видны на расстоянии

· лабораторными – служат для точных измерений при исследовательских и наладочных работах. Имеют тщательное исполнение, спец. Приспособления для отсчета показаний, высокоточные. При измерениях обязательно вводятся поправки.

· эталонными – служат для передачи размера единиц физических величин с наивысшей точностью. В производстве сохранилось также понятие образцовых приборов, но в нормативных данных оно исключено, а расширено понятие эталонных

По характеру показаний измерительные приборы подразделяют на показывающие, регистрирующие и интегрирующие. Показывающие приборы - значения считываются по шкале и цифровому табло в данный момент времени. В регистрирующих приборах предусмотрена запись показаний на диаграммной бумаге, с помощью печати в цифровой форме или хранение информации в памяти запоминающего устройства. Самопишущие приборы служат для записи измеряемых величин. Интегрирующий прибор позволяет определять суммарное значение измеряемой величины за любой промежуток времени (счетчики). Прибор может быть совмещенным, т.е. показывающим и самопишущим или показывающим и интегрирующим.

По форме представления показаний измерительные приборы могут быть цифровыми и аналоговыми. В аналоговом приборе показания являются непрерывной функцией изменения измеряемой величины (стрелочные показывающие и самопишущие приборы), в цифровом приборе показания даются в цифровой форме в виде отдельных дискретных сигналов.

По местоположению: местные и дистанционные. По условиям работы: стационарные и переносные. По размерам: полногабаритные, малогабаритные и миниатюрные.

По принципу действия измерительные приборы могут быть:

· механические

· химические

· жидкостные

· электрические и т.д.

По условиям работы – стационарные и переносные. По размеру – полногабаритные, малогабаритные и миниатюрные. Бывают местные и дистанционные, а также оперативные, расчетные и учетные.

 

Основные элементы измерительных приборов

Главные узлы измерительного прибора – это измерительное и отсчетное устройство. Измерительное устройство (датчик) служит для измерения и усиления измеряемой величины при помощи чувствительного элемента. Чувствительный элемент – это часть датчика, на которую происходит непосредственное воздействие измеряемой величины. Отсчетное устройство показывает, записывает или интегрирует полученное значение.

Вид измерительного устройства зависит от рода измеряемой величины, принципа действия прибора и т.д.

Отсчетное устройство также может быть нескольких видов. ОУ показывающих аналоговых приборов состоит из шкалы и указателя (стрелочного или светового).

Шкала (рис.1) состоит из ряда делений, нанесенных на циферблате. Отметки и числа на циферблате называются градуировкой шкалы. Отметки шкалы, у которых проставлено цифровое значение, называются числовыми или оцифрованными отметками. Промежуток между двумя отметками шкалы –деление шкалы. Разность величин, соответствующих двум соседним отметкам – цена деленияшкалы (К). Шкала с равными отметками и постоянной ценой деления называется равномерной. Шкала также может быть прямолинейной, круговой и дуговой (рис. 1, рис. 2). Если шкала начинается с нуля, то она называется односторонней. Если отсчет идет в обе стороны от нуля – двухсторонней. В безнулевой шкале отсчет начинается не с нуля, а с некоторого значения. Значение измеряемой величины, определенное по отсчетному устройству и выраженное в принятых единицах называется показаниями прибора. Наименьшее значение, указанное на шкале – начальное, наибольшее – конечное значение шкалы. Область значение между ними – диапазон показаний прибора. Область значений, допускаемая по шкале по условиям точности – диапазон измерений. Для технических приборов они обычно совпадают.

Указатель – стрелка, которая может быть клиновой, клиновой стержневой, ножевой (рис.3). У жидкостных стеклянных приборов указателем служит видимый уровень жидкости (рис.4). В зависимости от вида жидкости образуется вогнутый мениск (вода, спирт) или выпуклый (ртуть). У некоторых приборов применяют световой указатель, получаемый с помощью специальной лампочки и зеркала.

В самопишущих приборах ОУ представляет собой записывающее устройство и диаграммную ленту (рис.5). Лента имеет координатную сетку, по длине которой отложены значения времени, а по ширине – измеряемой величины. Лента двигается с определенной скоростью, запись осуществляется непрерывной или точечной линией специальным пером.

ОУ интегрирующих приборов имеет стрелочный, роликовый или стрелочно-роликовый указатель (рис.6).

Прибор может быть выполнен как одно целое или состоять из нескольких частей (измерительный комплект). Большинство дистанционным приборов состоит из двух частей: первичный преобразователь и вторичный прибор. Первичный преобразователь воспринимает с помощью чувствительного элемента и передает сигнал об измеряемой величине. Располагается он в месте измерения. Вторичный прибор выдает показания измеряемой величины. Он находится на щите управления. Некоторые вторичные приборы оборудованы сигнализирующим устройством для контроля над измеряемой величиной. Бывают приборы с промежуточным измерительным преобразователем (более сложные)

Для защиты приборов от технологических факторов применяют обыкновенные, пылезащищенные и взрывозащищенные корпуса (рис 7). Такие корпуса бывают прямоугольные и круглые, бывают малогабаритные, полногабаритные и миниатюрные. Их изготавливают из алюминиевых сплавов, стали, пластмассы или дерева. Сторона перед ОУ выполняется застекленной, у самопишущих приборов корпус снабжается крышкой для замены ленты и чернил. Корпус может быть выполнен утопленным или выступающим, а также для установки переносных приборов.

 

 

Основные свойства измерительных приборов

В зависимости от назначения, устройства, принципа действия измерительные приборы имеют различные метрологические свойства.

· Точность - определяет степень достоверности показаний прибора. Т.е. показывает, насколько результаты измерений отличаются от истинных значений.

· Чувствительность - выражает отношение перемещения указателя к изменению измеряемой величины. Чем меньшее отклонении измеряемой величины отмечается прибором, тем выше его чувствительность. Поэтому приборы с высокой чувствительностью имеют небольшую цену деления.

· Быстродействие - зависит от инерционности прибора, вызывающей запаздывание показаний. Инерционность характеризует время от начала изменения величины до начала изменения показаний. Чем выше быстродействие, тем качественнее прибор.

· Надежность - характеризуется способностью прибора сохранять работоспособность в течение заданного времени с заданными характеристиками.

Чтобы исключить влияние внешних условий на показания приборов, необходимо соблюдать условия эксплуатации, близкие к условиям градуировки прибора. Обычно приборы устанавливают в местах, не подверженных вибрации, загрязнению, воздействию низкой или высокой температуры, влажности.

Выбор прибора зависит от типа измерений, от условий эксплуатации и т.д. При этом учитываются габариты прибора, условия монтажа и ремонта.

Каждый прибор снабжается паспортом, содержащим основные технические характеристики, описание и инструкции по эксплуатации.

 

Система единиц СИ

Для удобства специальной Международной комиссией была разработана Международная система единиц (СИ – система интернациональная).

Система СИ состоит из основных, дополнительных и производных единиц(см. табл. 1)

Таблица 1

Основные	дополнительные
Метр (м), килограмм (кг), секунда(с), ампер (А), кельвин (К), кандела (кд), моль (моль)	Радиан (рад), стерадиан (ср)

Рассмотрим основные производные единицы системы СИ, применяемые в энергетике (см. табл. 2)

Табл. 2

Величина	Обозначение
Площадь	м2
Объем	м3
Плотность	кг/м3
Удельный объем	м3/кг
Скорость	м/с
Угловая скорость	м2/с
Ускорение	м/с2