Функциональная схема измерительного устройства: типовые звенья
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 представляет собой прибор с одиночным звеном. 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 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 первичным преобразователем информации; 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.
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.
Конечные звенья образуют указатель или регистрирующую выходную часть прибора, которую снабжают шкалой, цифровым указателем (при дискретном счете) или автоматическим записывающим устройством.
Погрешности измерительных устройств: статические и динамические
Известно, что измерения не могут быть выполнены абсолютно точно и всегда содержат некоторую ошибку. Несмотря на разнообразие причин, характера и природы ошибок измерений, все погрешности разделяют на два основных вида: объективные и субъективные.
Объективные погрешности возникают вследствие несовершенства принятого метода измерения, особенностей конструкции прибора и влияния внешних условий на процесс измерения. При этом различают погрешности: статические, наблюдаемые при измерении постоянных по времени величин, и динамические, наблюдаемые при измерении переменных по времени величин.
Статические и динамические погрешности образуют категорию так называемых систематических погрешностей.
К объективным относят также категорию случайных погрешностей.
Статические погрешности складываются: во-первых, из погрешностей, связанных со свойствами материалов, технологией их обработки, качеством изготовления и сборки деталей прибора и другими параметрами прибора-инструмента; во-вторых, из погрешностей, связанных только с методикой измерения, положенной в основу построения данного прибора. В силу этого статические погрешности разделяют на инструментальные и методические.
К инструментальным погрешностям относят погрешности, возникающие от трения, излишних зазоров в опорах, неточности изготовления, сборки и регулировки узлов, изменения упругих свойств и линейных размеров деталей с течением времени, в связи с перегрузками и изменением температуры и т. д.
Чтобы уменьшить инструментальные погрешности, в приборах применяют специальные материалы, вводят компенсаторы, экранирование, герметизацию и, как правило, оговаривают рабочие пределы внешних условий.
Методические погрешности обусловливаются самим принципом построения прибора. Они не связаны с многочисленными факторами, порождающими инструментальные погрешности. Поэтому уменьшить или устранить их можно лишь путем изменения или замены схем и методов, положенных в основу работы звеньев измерительного прибора.
Динамические погрешности обусловливаются инерционными свойствами прибора. Наличие механической, тепловой и других видов инерционности приводит к тому, что показания прибора запаздывают при изменении входной величины или достигают нового значения после длительного затухающего колебания (успокоения), или же нарастают (уменьшаются) пропорционально скорости изменения входной величины.
Колебательное движение подвижных частей прибора порождает амплитудные и фазовые погрешности вследствие перемещения системы в новое положение равновесия. Пока колебательное движение не прекратилось или амплитуда колебаний не уменьшилась до приемлемого предела, производить отсчет не следует.