1. Для создания и изучения измерительных систем и отдельных средств измерений часто применяют так называемые общие структурные схемы средств измерений и контроля. На этих схемах изображены отдельные элементы средств измерений в виде символических блоков, соединенных друг с другом сигналами, характеризующими физические величины.
Документ РМГ 29—99 «ГСИ. Метрология. Основные термины и определения» описывает следующие общие структурные элементы средств измерений: чувствительный и преобразовательный элементы, измерительная цепь, измерительное, показывающее и регистрирующее устройства.
Первичной задачей любого средства измерений является восприятие ФВ. Эту функцию выполняет чувствительный элемент.
Чувствительный элемент средства измерений — часть измерительного преобразователя в измерительной цепи, воспринимающая входной измерительный сигнал. Именно этот элемент определяет способность средства измерений реагировать на изменения измеряемой величины.
Конструктивные разновидности чувствительного элемента весьма разнообразны.
Основным назначением этого элемента является выработка сигнала измерительной информации в форме, удобной для дальнейшей обработки. Этот сигнал может быть механическим (перемещение, поворот), пневматическим, электрическим и др.
При использовании для измерений определенных физических явлений возникает необходимость преобразовывать сигнал, полученный чувствительным элементом, в другую ФВ (например, давление — в электрическую величину, температуру — в давление и т.п.).
Эту функцию выполняет преобразовательный элемент. Он
предназначен для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения (например, преобразования 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 преобразователя и более.
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 и измерительные усилители — к масштабным измерительным преобразователям.
2. Измерительная цепь средств измерений — это совокупность элементов средств измерений, образующих непрерывный путь прохождения измерительного сигнала одной ФВ от входа до выхода.
Измерительный механизм — часть конструкции средства измерений, состоящая из элементов, взаимодействие которых вызывает их взаимное перемещение. Например, измерительный механизм индикатора часового типа (рис. 9.2) состоит из зубчатых колес 1 — 3 и зубчатой рейки 4.
Рис. 9.2. Конструкция измерительного механизма индикатора часового типа: 1—3 — зубчатые колеса; 4 — зубчатая рейка
Измерительное устройство — часть измерительного прибора (установки или системы), связанная с измерительным сигналом и имеющая обособленную конструкцию.
3. Регистрирующее устройство средства измерений — это совокупность элементов средства измерений, которые регистрируют значение измеряемой или связанной с ней величины. Оно часто включает в себя шкалу и указатель. В самопишущих приборах отсчетное устройство осуществляет запись в виде диаграммы, а в интегрирующем приборе чаще всего применяется счетный механизм.
Шкала — часть показывающего устройства средства измерений, представляющая собой упорядоченный ряд отметок вместе со связанной с ними нумерацией. Шкалы бывают одно- (рис. 9.3, а) и двухсторонними (рис. 9.3, б), а также безнулевыми (рис. 9.3, в). В односторонних шкалах один из пределов измерений средства измерений равен нулю, в двухсторонних нулевое значение рас положено на шкале, а в безнулевых — нулевое значение отсутствует на шкале.
Рис. 9.3. Виды шкал:
а — односторонняя; б — двухсторонняя; в — безнулевая
В соответствии с ГОСТ 8.401—80 «ГСИ. Классы точности средств измерений. Общие требования» практически равномерной называется шкала, длины делений которой отличаются друг от друга не более чем на 30 % и имеют постоянную цену делений. Существенно неравномерная шкала — это шкала с сужающимися делениями, а степенная шкала, отличная от указанных шкал, имеет расширяющиеся деления.
Указатель — часть показывающего устройства, положение которой относительно отметок шкалы определяет показания средства измерений. Указатель может быть выполнен в виде материального стержня — стрелки (см. рис. 9.2) или в виде луча света — светового указателя.
В показывающих приборах при наличии шкалы и указателя возможны отсчетные устройства двух видов, у которых 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, у которых измеряемая величина преобразуется в соответствующие углы поворота валов (например, отсчетные устройства у некоторых типов бензоколонок, приборов с цифровой лентой, цифровым роликом и др.).
Световые табло, состоящие, как правило, из системы индикаторных устройств на жидких кристаллах, используются в электронных цифровых средствах измерений, у которых измеряемые величины преобразуются в определенную последовательность импульсных сигналов (например, табло электронных часов, штангенциркуль с электронным цифровым отсчетным устройством и др.).
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.
Каждое отдельное средство измерений также может быть изображено соответствующей структурной схемой. Например, на рис. 9.4, а представлена схема преобразователя давления. Мембрана 1 воспринимает измеряемую величину (давление воздуха) и через рычаг 2 перемещает движок 3 реостата, изменяя его электрическое сопротивление, которое для этого устройства является выходной величиной. В соответствии с принятой терминологией элемент 1 структурной схемы (рис. 9.4, б) является первичным преобразователем, а элементы 2 и 3 — промежуточным и передающим преобразователями.
Рис. 9.4. Схемы преобразователя давления:
а — схема устройства: 1 — мембрана; 2 — рычаг; 3 — движок реостата; б — структурная схема: 1 — первичный преобразователь; 2 — промежуточный преобразователь; 3 — передающий преобразователь; р — давление воздуха; R — электрическое сопротивление
Объединение и сочетание в различных комбинациях средств измерений, их структурных элементов и вспомогательных устройств позволяет получить широкую гамму измерительных систем, предназначенных для автоматизации процесса измерений и использования результатов измерений для автоматического управления различными процессами производства.
Зайцев С.А. Метрология, стандартизация и сертификация в машиностроении с.203-209