 |
Материальное обеспечение работы
|
|
|
|
Общие положения
В зависимости от функционального назначения и конструктивного исполнения различают следующие средства измерений (СИ):
- меры;
- измерительные преобразователи;
- измерительные приборы;
- индикаторы.
Кроме того, основные и вспомогательные средства измерений и дополнительные устройства могут быть объединены в более сложные средства измерений (измерительные установки или измерительные системы).
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), в ряде случаев для более эффективного использования мер изготавливают вспомогательные устройства (струбцины и боковики для плоскопараллельных концевых мер длины, державки с клиньями для угловых концевых мер и др.). Многозначные штриховые меры позволяют осуществлять измерения соответствующих физических величин в широком диапазоне (например, измерение длины линейкой, угла транспортиром, объема жидкости сосудом измерительным). Однозначные меры единичные или в ансамблях часто используют для настройки и контроля средств измерений, но с помощью таких мер можно осуществлять и измерительный контроль параметров (например, контроль размера детали предельными калибрами).
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 информацию об измеряемой физической величине непосредственно от объекта измерений и формируют сигнал измерительной информации (терморезистор термометра сопротивления, фотоэлемент экспонометра). Промежуточные измерительные преобразователи занимают в измерительной цепи любое место после первичного. Они получают сигнал измерительной информации от предшествующих преобразователей и осуществляют его дальнейшее преобразование и передачу. Конструктивно обособленный первичный преобразователь традиционно называют «датчик» (он «дает» первичную информацию).
|
|
|
Выходной сигнал измерительного преобразователя может поступать на следующий преобразователь, на устройство запоминания, на устройство управления технологическим процессом (отключение нагревателя, прекращение шлифования детали) и т.д. Если измерительный преобразователь является частью прибора, его выходной сигнал может поступать на устройство отображения измерительной информации. Любой измерительный преобразователь, кроме первичного, действительно занимает промежуточное положение между первичным преобразователем и, например, исполнительным или демонстрирующим (регистрирующим) устройством. Измерительный преобразователь может быть простым (рычаг, рейка-зубчатое колесо) или сложным, включающим в себя несколько простых преобразователей (например, упругий элемент с наклеенным на него тензопреобразователем). Преобразователи следует рассматривать со всеми функционально важными элементами, участвующими в преобразовании измерительной информации. Например, рычаг надо рассматривать с контактными элементами, воспринимающими и воспроизводящими перемещение, и с опорами, обеспечивающими его поворот. Преобразователь «зубчатая рейка – зубчатое колесо» следует рассматривать с направляющими, обеспечивающими поступательное перемещение рейки, и с опорами, обеспечивающими вращение колеса.
|
|
|
Измерительные приборы предназначены для получения от объекта измерения измерительной информации об измеряемой физической величине, ее преобразования и выдачи в форме, поддающейся непосредственному восприятию оператором. По виду выходного сигнала приборы принято делить на аналоговые и «цифровые» (числовые). Выходной сигнал аналогового прибора является непрерывной функцией измеряемой величины. У «цифровых» приборов выходной сигнал дискретный, он обычно выдается на табло в числовой форме.
Принято различать приборы показывающие и регистрирующие (самопишущие и печатающие). Измерительный прибор (рисунок 1.1) обычно состоит из цепочки измерительных преобразователей, включающей первичный и промежуточные преобразователи, а также устройства отображения измерительной информации. Измерительная информация может выдаваться на систему шкала-указатель, цифровое табло, громкоговоритель, самопишущее, цифропечатающее или другое регистрирующее устройство.
| YN |
| Промежуточные измерительные преобразователи |
| ИП3 |
| УОИ |
| ИПN |
| Qвх |
| Y1 |
| Y2 |
| ИП2 |
| Первичный измерительный преобразователь |
| Рисунок 1.1 – Принципиальная схема измерительного прибора (ИП – измерительные преобразователи, УОИ – устройство отображения измерительной информации) |
Измерительные установки включают в себя основные и вспомогательные средства измерений и дополнительные устройства, объединенные в одном месте и предназначенные для одновременных измерений нескольких одноименных или разноименных физических величин (многомерное приспособление для измерительного контроля радиального и торцового биений нескольких поверхностей вала, установка для определения коэффициента линейного расширения материала детали).
|
|
|
Измерительные системы включают в себя основные и вспомогательные средства измерений и дополнительные устройства, расположенные в разных местах и объединенные каналами связи. Измерительные системы, как и измерительные установки, предназначены для одновременных измерений нескольких одноименных или разноименных физических величин (система контроля температуры технологической линии производства пищевых продуктов, система сбора метеорологической информации).
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. Так 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 (например, лазерный интерферометр, фотоэлектрический угломер).
Измерительная цепь средства измерений – совокупность преобразовательных элементов, осуществляющих все преобразования измерительной информации в данном устройстве. Измерительная цепь прибора 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). У ряда средств измерений (приборы для измерений линейных и угловых размеров, приборы для измерений электрических величин, двухчашечные весы) могут быть два чувствительных элемента. Измерительная цепь прибора заканчивается устройством отображения измерительной информации (УОИ).
|
|
|
Устройство отображения (выдачи) измерительной информации у приборов с визуальной выдачей информации чаще всего представляет собой отсчетное устройство типа шкала-указатель или цифровое табло. У регистрирующих приборов выходной сигнал может записываться в виде графика на диаграммной бумаге, печататься в цифровой форме. В качестве устройств выдачи информации могут использоваться любые регистрирующие самопишущие или печатающие устройства. В приборах и индикаторах применяют и другие устройства визуальной индикации (нуль-указатели, светодиоды, табло светофорного типа), а также акустические устройства (звонок, громкоговоритель) и тактильные устройства (вибратор наручного будильника для слабо слышащих).
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. 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. Встречаются также и «вырожденные» шкалы с подвижной нулевой отметкой (как у равноплечих весов с уравновешиваемыми платформами).
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 постоянной ценой деления), либо неравномерными (например, с делениями непостоянной длины). Цена деления шкалы – разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы.
Указатель средства измерений – часть отсчетного устройства, положение которого относительно отметок шкалы определяет показание средства измерений. Указатель может быть выполнен в виде стрелки, штриха, светового пятна, кромки детали и т.д. Изменение показаний в системе шкала-указатель, может осуществляться за счет перемещения указателя относительно неподвижной шкалы (стрелка часов) или шкалы относительно неподвижного указателя (круговая шкала на барабане микрометра).
|
|
|
Прибор может быть снабжен несколькими системами шкала-указатель (индикатор часового типа, измерительные головки ИГМ) или одной шкалой с несколькими указателями (часы с одним циферблатом, часовой, минутной и центральной секундной стрелками).
При выдаче измерительной информации на цифровое табло существенно важны такие его структурные элементы, как
· вид выходного кода (десятиричный, двенадцатиричный шестидесятиричный, другой);
· предельное число знаков, в том числе цифр (число разрядов выходного кода) и не цифровых знаков, 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.
Измерительная цепь сложного преобразующего средства измерений может быть представлена в виде структурной или кинематической схемы. Структурную схему обычно изображают в виде условных обозначений преобразовательных элементов (например, прямоугольников) и линий связи между ними, соответствующих каналам передачи измерительной информации (см. рисунок 1.1).
Структурная схема механического средства измерений может быть построена на основе его кинематической схемы. Примеры кинематической (а) и структурной (б) схем прибора для определения массы взвешиванием (равноплечих весов) приведены на рисунке 1.2.
| 3 4 |
| Q Xм |
| (4) х= 0 |
| Q Xм |
| а) б) Рисунок 1.2 – Кинематическая (а) и структурная (б) схемы рычажных 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 еще более мелкое дробление элементов функциональной кинематической схемы на измерительные преобразователи, например: чашка с собственным шарнирным подвесом – шарнирная тяга – равноплечий рычаг..., или объединение простых преобразователей в более сложный. В последнем случае весы можно представить в виде структурной схемы, включающей 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).
Цели и задачи работы
Цель работы: ознакомление со средствами измерений и их структурными элементами.
Задачи:
1. Научиться классифицировать средства измерений.
2. Ознакомиться с основными характеристиками средств измерений и их структурными элементами, включая чувствительные элементы приборов и устройства отображения измерительной информации.
3. Научиться выделять элементы средств измерений и строить структурные схемы.
Материальное обеспечение работы
Объекты измерений: детали типа тел вращения, призм, резисторы, источники постоянного тока, др.
Измеряемые параметры: линейные размеры, объем, масса, сила, электрическое сопротивление, напряжение, сила тока, температура.
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, динамометр.
- мультиметр (авометр) для измерений электрических величин.
- термометр или другое средство измерения температуры.
Порядок выполнения работы
Задание
1. Дать классификацию выбранных средств измерений (СИ).
2. Зафиксировать основные характеристики СИ (приборов, измерительных преобразователей, индикаторов, многозначных и однозначных мер).
3. Ознакомиться со структурными элементами сложных средств измерений (многозначных мер, измерительных преобразователей, измерительных приборов с аналоговым и дискретным выходом), представить их схемы и краткие описания.
При необходимости (например, для лучшего ознакомления с СИ и их структурными элементами, для оценки характеристик СИ) выполнить измерения выбранных физических величин.
Выполнение работы
Работу следует начинать с классификации средств измерений, после чего по отдельности рассматривают средства измерений в группах однородных СИ.
Для однозначных мер определяют физическую величину, воспроизводимую мерой, и ее номинальное значение. Для многозначных мер, образованных механическим объединением однозначных мер, определяют число воспроизводимых мерой номинальных значений физической величины и сами номинальные значения. Для штриховых мер указывают диапазон шкалы и цену деления шкалы. 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 сложных средств измерений 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.). При наличии у средства измерений устройства отображения информации определяют его вид (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), выходной сигнал 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, а при наличии визуального выходного сигнала – лампочка или светодиод.
При рассмотрении такого автономного первичного измерительного преобразователя, как терморезистор, очевидно, что в этом преобразователе используется термоэлектрический принцип преобразования сигнала измерительной информации, характер изменения выходного сигнала – непрерывный, выходной сигнал выдается в форме, не воспринимаемой оператором, устройство отображения информации отсутствует.
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 (35 – 42) о С и ценой деления 0,1 о С. 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 прибора структурная схема приведена на рисунке 1.3.
| Рисунок 1.3 – 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). |
Такая структурная схема не вполне типична, поскольку рассматриваемый прибор имеет только один измерительный преобразователь, к тому же один из элементов преобразователя используется в качестве указателя в устройстве отображения измерительной информации. 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. При анализе измерительных приборов и сложных измерительных преобразователей следует помнить, что самый простой преобразователь содержит не менее двух элементов. Например, двуплечий рычаг обязательно имеет шарнир, шток измерительной головки перемещается в направляющих, зубчатое колесо и зубчатый сектор вращаются вокруг своих осей благодаря опорам и т.д. При этом любой из элементов может входить в соседний преобразователь или в устройство отображения измерительной информации. Так стрелка-указатель находится на равноплечем рычаге весов; зубчатый сектор скобы рычажной – не только второе плечо рычага, но и элемент передачи сектор-триб.
Если для анализа СИ и их структурных элементов выполняют измерения выбранных физических величин, основное внимание уделяют не результатам измерений, которые имеют вспомогательный характер, а изучению СИ.
|
|
|
