1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ИЗМЕРЕНИЯХ И

1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ИЗМЕРЕНИЯХ И

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРАХ

Измерением называют процесс сравнения изучаемой физической величины с однородной величиной, принятой за единицу, а тела или устройства, воспроизводящие эту единицу, называют мерой.

При исследовании сложных явлений, в частности быстротекущих процессов в двигателях внутреннего сгорания, непосредственное сравнение изучаемых величин с мерой невозможно. В таких случаях измеряемые величины или параметры преобразуют в другие и сравнивают их с соответствующими единицами измерения.

В общем случае путем измерения определяют числовое значение

x=А/α,

показывающее, во сколько раз измеряемая величина А отличается от принятой для нее единицы α измерения. По способу получения числового значения х различают прямые, косвенные и совокупные измерения.

Прямые измерения заключаются в непосредственном сравнении измеряемой величины с ее мерами, в том числе путем использования измерительных приборов, градуированных в единицах измерения данной физической величины. В практике такие измерения осуществляют:

1) методом непосредственной оценки с помощью мер или измерительных приборов (длину — линейкой, диаметр — штангенциркулем, давление — манометром, температуру — термометром);

2) дифференциальным или разностным методом, когда числовое значение определяемой величины получают как разность между измеряемой и известной величинами или между двумя физическими величинами (разность давлений—дифференциальным манометром или пьезометром, разность силы токов — логометром и т. д. );

3) нулевым методом, когда действие измеряемой физической величины уравновешивается действием известной физической величины (измерение термо-э. д. с. термопары — потенциометром, массы — гирями на рычажных весах и т. д. );

4) методом совпадений или совмещений, когда равномерно чередующиеся сигналы, характеризующие измеряемую величину, сравнивают с сигналами от известной физической величины (обороты — строботахометром).

Простейшим примером прямого измерения при данной температуре может служить измерение разности давлений р₁ — p₂ с помощью U-образной стеклянной трубки, заполненной жидкостью (рис. 1 а).

Рис. 1-U-образный жидкостный манометр:

а)-принципиальная схема;

б)-структурная схема

Под действием разности давлений мениски жидкости смещаются в таком манометре на величину

Н=(р₁-p₂)/(ρ g),

где ρ — плотность жидкости, кг/м², g-ускорение силы тяжести, м/сек².

Очевидно единичное перемещение, вызванное действием разности давлений, равной 1 кгс/м²,

h_ед=(р₁-p₂)_ед/(ρ g).

Непосредственное сравнение двух линейных перемещений Н и h_ед дает возможность найти результат измерения как отношение

х=Н/h_ед=(р₁-р₂)/(р₁-р₂)_ед,

где (р₁-р₂) и (р₁-р₂)_ед — соответственно измеряемая и единичная разности давлений.

Для визуального определения результата измерения служит шкала с отметками, расстояние между которыми h_ед, выражаемое в мм, соответствует относительному смещению менисков под действием единичной разности давлений. Следовательно, разность давлений в рассматриваемом примере определяют по показаниям предварительно отградуированной шкалы методом сравнения двух физических величин, когда посредником сравнения служат механические перемещения. .

Косвенные измерения заключаются в определении числового значения измеряемой величины путем математической обработки прямых измерений нескольких величин, связанных с искомой величиной известным уравнением. Например, для определения плотности тела ρ, (кг/м³) прямыми измерениями определяют объем тела V_t (м²) при данной температуре t (° С) и массу m (кг), а затем вычисляют

ρ _t=m/V_t

Косвенные измерения относятся к самым распространенным. Их применяют в случаях, когда искомую величину невозможно или сложно измерить непосредственно, а также когда косвенные измерения дают более точный результат, чем прямые.

Совокупные измерения заключаются в определении числового значения измеряемой величины путем вычисления по результатам прямых измерений одной или нескольких величин, выполненных при различных условиях эксперимента.

Для осуществления непосредственного сравнения измеряемом величины с ее мерой или получения и сравнения соответствующих им значений нового параметра-посредника служат устройства, называемые контрольно-измерительными, или просто измерительными приборами.

Измерительные приборы представляют собой совокупность взаимосвязанных преобразователей измеряемых величин в величины, удобные для измерения, усиления, передачи на расстояние и индикации результатов.

Работа измерительных приборов основана на различных физических закономерностях, связывающих данную величину А и ее меру α функциональной зависимостью, выраженной в виде линейных, угловых или иных величин, что позволяет осуществлять прямое их сравнение и, с помощью соответствующей шкалы или другого приемлемого отсчетного приспособления, находить числовое значение

х=Н/h_ед= А/α

В измерительных приборах каждое преобразование величин входных в выходные рассматривают как отдельное звено прибора. При анализе приборов звенья их условно изображают в виде прямоугольника со стрелками, указывающими направление действия физических величин. Например, жидкостный манометр, показанный на рис. 1, а, представляет собой прибор с одиночным звеном (рис. 1, б). Входными для него являются величины: разность давлений р₁ — р₂ и температура t окружающей среды, поскольку она влияет на объем жидкости, а выходной величиной — суммарное перемещение менисков, равное Н.

Когда выходные величины малы, в приборы вводят усилительные звенья, включаемые обычно последовательно первым звеньям. Цепочку взаимосвязанных в определенной последовательности звеньев называют структурной схемой прибора. В каждом звене структурной схемы одни величины преобразуются в другие по соответствующему закону, который описывается математическими выражениями, определяющими зависимость выходных величин от входных в состоянии равновесия действующих и противодействующих сил или моментов, т. е, в статике. Поэтому такие математические выражения называют статическими характеристиками прибора, наличие которых и является одним из условий существования звена.

В зависимости от места, которое занимает звено в структурной схеме измерительного прибора, различают первичные, промежуточные и конечные, или выходные, звенья.

Первичные звенья контактируют с изучаемой средой и образуют чувствительный элемент прибора. Если чувствительный элемент преобразует измеряемую физическую величину в параметры другой физической величины, то его называют датчиком; в других случаях — приемником. Приемники должны, следовательно, передавать измеряемую величину в измерительную цепь без искажений. Примером этого может служить измерение статического давления в сосудах и трубопроводах через отверстие в стенке последних. Датчики, обеспечивающие функциональную связь между величинами измеряемой и посылаемой в измерительную цепь, могут быть механическими, гидравлическими, термическими, оптическими, . пьезоэлектрическими и т. д. В исследованиях двигателей особенно широко применяют датчики, позволяющие измерять неэлектрические величины электрическими средствами.

Промежуточные звенья передают физические величины по измерительной цепи от первичных к конечным выходным звеньям. При передаче и одновременном увеличении механических перемещений применяют рычажные, шестеренчатые и другие механизмы, соответственно которым звенья называют передаточно-множительными механизмами. Если используются иные принципы преобразования, промежуточные звенья называют усилительными, согласующими, выпрямительными и т. д.

В зависимости от способа преобразования информации в промежуточном звене все измерительные приборы разделяют в настоящее время на две большие группы: с амплитудными, называемыми также аналоговыми, преобразователями и с дискретными преобразователями.

Приборы аналогового типа преобразуют измеряемую (входную) амплитудно-изменяющуюся величину в однозначно связанную с ней функциональной зависимостью выходную величину, например, угол поворота — в напряжение, сопротивление, частоту и т. д.

Приборы дискретного действия преобразуют входные амплитудно-изменяющиеся величины в сочетание импульсов, однозначно связанных с амплитудой входной величины функциональной зависимостью — кодом. Приборы этого типа обеспечивают большую точность отсчета, так как действуют по принципу «да —нет». Они значительно меньше подвержены влиянию внешних условий (температуры, напряжения питания, вибрации) и даже действию погрешностей изготовления.

Дискретные преобразователи относятся к классу автоматических устройств, называемых дискретными автоматическими системами, для которых характерен процесс квантования, т. е. замена бесчисленного множества значений измеряемой величины конечным количеством этих значений с помощью импульсных модуляторов или кодирующих устройств. Различают квантование по времени, по уровню и одновременно по обоим параметрам. На принципе дискретности счета основаны, например, электронные цифровые приборы, вычислительные и управляющие машины.

Конечные звенья образуют указатель или регистрирующую выходную часть прибора, которую снабжают шкалой, цифровым указателем (при дискретном счете) или автоматическим записывающим устройством.

При наличии шкалы на нее наносят отметки (штрихи), каждая из которых условно изображает определенное числовое значение измеряемой величины. Начальная отметка шкалы соответствует наименьшему, а конечная —наибольшему значениям или пределам измеряемой величины. Область между начальной и конечной отметками называют диапазоном измерения. Участок шкалы между двумя соседними штрихами называют делением шкалы, а приращение измеряемой величины, соответствующее одному делению, — ценой деления. Эта величина часто дается как постоянная прибора, т. е. как число, на которое надо умножить отсчет, чтобы получить значение измеряемой величины.

Одной из основных характеристик аналоговых приборов является зависимость перемещения стрелки их указателя от величины измеряемого параметра. Если при этом известна статическая характеристика прибора, то можно определить его чувствительность.

Чувствительностью прибора называют отношение линейного или углового перемещения стрелки указателя к изменению измеряемой величины, вызвавшему это перемещение.

При линейной статической характеристике чувствительность прибора k_л определяется отношением любого значения выходной величины а к значению вызвавшей ее измеряемой величины А:

k_л=α /А

При нелинейной статической характеристике чувствительность прибора по диапазону его шкалы меняется. В этом случае используют мгновенную чувствительность k_пл. Ее величину находят дифференцированием статической характеристики по входной величине:

k_пл=dα /dA

Чем больше единиц шкалы приходится на единицу измеряемой величины, тем чувствительнее прибор.

Порог чувствительности измерительного прибора характеризуется минимальным значением измеряемой величины, которое можно уверенно обнаружить с помощью данного прибора. Порог чувствительности имеет большое значение для приборов, применяемых в качестве нуль-индикаторов при измерении нулевым методом.

Точность измерительного прибора определяется степенью достоверности результатов измерения им. Ее принято оценивать величиной положительного и отрицательного пределов (±) наибольшей допускаемой прибором погрешности ∆ А. Чем меньше по абсолютной величине эта погрешность, тем больше точность прибора и выше класс его точности.

Класс точности приборов выражают величиной приведенной погрешности, т. е. отношением наибольшего значения абсолютной погрешности к предельному или верхнему α _мах значению шкалы приора в процентах:

δ _прив=(A/α _мах)∙ 100

Наибольшая приведенная относительная погрешность и является, следовательно, классом точности измерительных приборов. Например, по ГОСТ 1845—59 электроизмерительные приборы подразделяют на классы от 0, 1 до 4, 0. Более грубые приборы обозначения класса точности не имеют. Класс прибора обозначают на шкале соответствующей цифрой, обведенной окружностью. При этом к классу точности, положим 1, 0, могут быть отнесены только приборы, у которых в нормальных условиях эксплуатации приведенная относительная погрешность не превышает ± 1, 0%.

Если известен класс точности прибора и верхний предел измерения, на который он рассчитан, то легко можно вычислить возможные абсолютную и относительную погрешности конкретного измерения. Попытки измерить данным прибором с точностью большей, чем присущая ему, не имеют практического смысла.

Вариацией показаний прибора называют наибольшую разность между его отдельными повторными показаниями, соответствующими одному и тому же значению измеряемой величины при неизменных внешних условиях. Величина вариации большинства аналоговых приборов зависит в основном от трения в опорах подвижной их части, в дискретных — от характеристик элементов управления ими.

Сообразно с точностью измерений приборы делят на образцовые и рабочие.

Образцовые измерительные приборы служат эталонами, позволяющими воспроизводить и хранить единицы измерения, а также проверять и градуировать другие измерительные приборы.

Рабочие приборы служат для практических измерений. Различают лабораторные контрольные приборы, в которых предусмотрено внесение поправок к показаниям в процессе измерения, и более грубые — технические приборы. В показания последних поправок не вносят, но в паспорте прибора указывают гарантированную точность измерения в определенном интервале изменения внешних условий.