1-3. ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕМЕНТОВ И СВОЙСТВ ПРИБОРОВ
Каждый измерительный прибор состоит из ряда частей и узлов и обладает заданными метрологическими свойствами.
а) Основные элементы измерительных приборов
Главными узлами измерительного прибора являются измерительное и отсчетное устройства. Первое из них непосредственно осуществляет измерение физической величины при помощи чувствительного элемента и при необходимости усиливает входной сигнал, а второе — показывает, записывает или интегрирует полученное значение.
Измерительное устройство приборов весьма различно и зависит от рода измеряемой величины (давление, температура и т. д.) и принципа действия прибора (механический, электрический и пр.). В большинстве случаев измерительное устройство состоит из подвижной и неподвижной частей. Перемещение подвижной части происходит под воздействием измеряемой величины на чувствительный элемент прибора.
Отсчетное устройство в зависимости от характера показаний приборов выполняется в виде: шкалы и указателя (показывающие приборы), записывающего приспособления и диаграммной бумаги (самопишущие приборы) и счетного устройства (интегрирующие приборы).
Шкала показывающего прибора состоит из ряда последовательно нанесенных на плоском или профильном (цилиндрическом) циферблате1 ( 1 Циферблатом называется лицевая сторона прибора, на которой нанесены шкала, условные обозначения и пояснительные надписи. ) отметок (делений), соответствующих числовым значениям измеряемой величины..
Отметки и числа на циферблате называются градуировкой шкалы. Разность значений, соответствующих двум соседним отметкам шкалы, выраженная в единицах измерения, носит название цены деления шкалы.
Показание прибора, характеризующее значение измеряемой величины, определяется согласно уравнению (1-1) как число отсчитанных делений, умноженных на цену деления шкалы. В некоторых случаях показание находится умножением отсчета на постоянную прибора, выражаемую в единицах измерения, а также по данным градуировочной характеристики прибора, представляющей зависимость (таблицу или график) отсчета от значения измеряемой величины, или посредством особого расчета.
Рис. 1-1. Шкалы измерительных приборов, а- прямолинейная; б- дуговая; в- круговая.
Начальное и конечное значения шкалы определяют собой диапазон показаний (пределы шкалы) прибора, а допускаемая по шкале по условиям точности область измерения представляет диапазон измерений прибора. В частном случае диапазоны показания и измерения могут быть равны между собой.
Шкала измерительных приборов бывает прямолинейной, дуговой и круговой (рис. 1-1). Дуговая шкала имеет центральный угол меньше, а круговая - больше 180°. Кроме того, шкала может быть равномерной и неравномерной (рис. 1-2). Равномерная шкала имеет одинаковые расстояния между отметками поэтому более удобна для измерений, чем неравномерная, у которой эти расстояния обычно изменяются по определенному закону (параболе,синусоиде и т. п.). Точность отсчета показаний по равномерной шкале выше, чем по неравномерной.
Если шкала прибора начинается с нуля, то она называется односторонней, если отметки расположены по обе стороны от нуля - двусторонней. Иногда измерительные приборы выполняются с безнулевой шкалой, начинающейся не с нуля, а с некоторого значения. Измерение по прибору с безнулевой шкалой точнее, чем с односторонней или двусторонней шкалой, так как она имеет меньшую цену деления. У некоторых измерительных приборов циферблат со шкалой делается вращающимся, а указатель - неподвижным. Приборы с одним диапазоном показаний имеют однострочную шкалу, а с многими - двухстрочную, трехстрочную и т. д.
Рис. 1-2. Круговые шкалы приборов, а - равномерная; б - неравномерная.
Указателем (рис. 1-3) у промышленных приборов служит хорошо заметная на расстоянии клиновая или клиновая стержневая стрелка, тогда как более точные приборы снабжаются ножевой стрелкой, конец которой имеет вид лезвия, расположенного нормально к плоскости шкалы.
У жидкостных стеклянных приборов указателем служит видимый уровень (мениск) жидкости в измерительной трубке (рис. 1-4). Если жидкостью является вода или спирт, то из-за хорошей смачиваемости стенок образуется вогнутый мениск и отсчет показаний производится по нижней его границе, а в случае применения ртути — выпуклый мениск, позволяющий производить отсчет по верхней его границе.
У некоторых приборов применяется световой указатель отсчета (зайчик), получаемый от специальной лампочки при отражении луча на шкалу от зеркальца, закрепленного на подвижной части измерительного устройства. При измерении вначале отсчитывается целое число делений, пройденных указателем, а затем оценивается на глаз оставшаяся часть деления до указателя. При наличии колебаний измеряемой величины делается отсчет среднего ее значения.
Для отсчета показаний жидкостных стеклянных приборов (высоты столба жидкости в трубке) с точностью до десятых долей миллиметра иногда применяется нониус, каждое деление шкалы которого на 0,1 меньше деления основной шкалы.
При отсчете показаний прибора положение глаз наблюдателя должно быть нормальным к плоскости шкалы, что исключает ошибку от неправильной проекции стрелки или мениска жидкости на шкалу по причине параллакса1.( 1 Параллаксом называется относительное смещение видимой части предмета в зависимости от положения глаз наблюдателя.).
Примеры правильного I и неправильных II (заниженное показание) и III (завышенное показание) положений глаз наблюдателя при измерении жидкостным стеклянным прибором показаны на рис. 1 5.
При уменьшения расстоянияния l между шкалой и указателем и угла смещения глаз наблюдателя ошибка от параллакса понижается. Для устранения влияния параллакса в некоторых приборах на циферблате рядом со шкалой помещается узкая полоска зркала (рис. 1-6). Отсчет показаний у этих приборов производится при таком положении глаз наблюдателя, при котором указатель и его изображение в зеркале совпадают.
В самопишущих приборах обычно применяются бумажные диаграммные ленты и диски (рис. 1-7).
Диаграммная лента шириной 100—250 мм и длиной 15—30 м закладывается в прибор в виде рулонаили пакета (при складывающейся ленте).
В большинстве случаев она имеет прямоугольную координатную сетку, по ширине которой отложены значения измеряемой величины, а по длине — значения времени. Скорость движения диаграммной ленты в приборах составляет 20 - 7200 мм/ч.
Диаграммный диск диаметром 250-300 мм имеет полярную координатную сетку в виде концентрических окружностей, соответствующих значениям измеряемой величины, и радиальных дуг, отвечающих значениям времени. Частота вращения диаграммного диска - 1 или 2 об/сут
3апись показаний прибора на диаграмме осуществляется непрерывной или точечной линией. Непрерывная запись производится чаще в одноточечных приборах и выполняется металлическим или пластмассовым пером с запасом чернил.
Ширина линии записи показаний не превышает 0,6 мм. Точечная запись применяется в многоточечных приборах с диаграммной лентой и осуществляется периодическим (через несколько секунд) прижатием к диаграмме печатающего барабана, наносящего на ней точки, совмещенные с цифрами, указывающими порядковый номер места измерения. При вращении барабан касается обоймы с пропитанной краской прокладкой.
Для перемещения диаграммы служит электрический или механический привод, содержащий встроенный в прибор синхронный микродвигатель с редуктором1 (1 Синхронные однофазные микродвигатели самопишущих приборов обеспечивают правильный ход диаграммы во времени при постоянстве частоты, так как число оборотов микродвигателя меняется пропорционально частоте сети. Обычно погрешность перемещения диаграммы за сутки составляет не более 5 мин.) или часовой механизм.
Движение диаграммной ленты производится вращающимся ведущим валиком с шипами (пуклев-ками), входящими в пробитые по краям бумаги отверстия (перфорацию), а диаграммного диска - вращающейся осью, снабженной для закрепления на ней бумаги особым зажимом. Механический привод диаграммы применяется у приборов, устанавливаемых в пунктах, не имеющих источника электрического питания, а также во взрывоопасных местах.
Счетное устройство интегрирующих приборов (счетчиков или интеграторов) для отсчета показаний имеет стрелочный, роликовый или стрелочно-роликовый счетный указатель (рис. 1-8). В первом случае указатель содержит ряд круговых шкал, из них одна большая (шкала единиц) и несколько маленьких (шкала десятков, сотен и т. д.) с отношением 1 : 10, стрелки которых связаны между собой и с ведущей осью зубчатой передачей. Во втором случае указатель состоит из нескольких роликов (десятизубных колес) с нанесенными на ободе цифрами от 0 до 9, одна из которых у каждого ролика видна в окне циферблата. Крайнее справа колесо (колесо единиц) при каждом обороте ведущей оси поворачивается на один вубец. В момент перехода цифры с 9 на 0 это колесо вызывает поворот на один зубец смежного с ним колеса (колеса десятков), в окне которого появляется следующая очередная цифра, и т. д. В третьем случае отсчет первой цифры производится по стрелочному указателю, а всех последующих по роликовому.
Приборы имеют конечный предел показаний счетного устройства, по достижении которого они снова начинают счет с нуля.
Измерительный прибор может быть конструктивно выполнен как одно целое (в общем корпусе) или состоять из нескольких частей (в отдельных корпусах), самостоятельно участвующих в процессе измерения и представляющих собой измерительный комплект.
Прибор, имеющий один корпус, чаще всего является местным, а состоящий из нескольких корпусов - с дистанционной передачей показаний
В обоих случаях прибор связывается с местом измерения при помощи соединительной линии (проводов или трубок), передающей ему значение измеряемой величины.
Большинство измерительных приборов с дистанционной передачей показаний содержит в себе две самостоятельные части: первичный измерительный преобразователь (датчик) и вторичный прибор.
Первичный преобразователь, являющийся воспринимающей и передающей частью комплекта, снабженный чувствительным элементом, располагается, как правило, в месте измерения и подвергается непосредственному воздействию измеряемой величины.
Вторичный прибор, или измеряющая часть, выдает показания измеряемой величины, преобразовывая при помощи измерительного устройства получаемый им .выходной сигнал от первичного преобразователя в соответствующее перемещение отсчетного устройства. Вторичный прибор связывается с первичным преобразователем соединительной линией и устанавливается обычно на щите управления агрегата.
Некоторые из вторичных приборов дополнительно снабжаются электроконтактным сигнализирующим устройством, воздействующим на аппаратуру светозвуковой сигнализации при отклонении контролируемой величины за допускаемые пределы.
Приборы с более сложным устройством могут еще иметь промежуточный измерительный преобразователь, включаемый между первичным преобразователем и вторичным прибором и служащий, как правило, для преобразования, усиления и формирования выходного сигнала первичного преобразователя.
Для защиты вторичных приборов и преобразователей от механических повреждений, пыли, влаги и агрессивных газов применяются обыкновенные, пылебрызгозащищенные и взрыеозащищенные корпуса, которые по форме бывают прямоугольные и круглые (рис. 1-9), а по габаритам - полногабаритные, малогабаритные и миниатюрные. Прямоугольная форма корпуса промышленных приборов позволяет полнее, чем круглая, использовать площадь щита управления.
Защитные корпуса приборов изготовляются из алюминиевых сплавов, стали, пластмассы или дерева. Передняя сторона корпуса (перед отсчетным устройством) выполняется застекленной, причем усамопишущих приборов для доступа внутрь (при смене диаграммной бумаги, заполнении пера чернилами и пр.) корпус снабжается застекленной крышкой на петлях, имеющей замок и рукоятку.
Корпуса приборов приспособлены для выступающего или утопленного монтажа (стационарные приборы), а также для установки на столе (переносные приборы). Приборы для выступающего монтажа закрепляются на поверхности щитов и стен (рис. 1-10, а), а также на колоннах, кронштейнах, подставках и т. д. Приборы для утопленного монтажа устанавливаются в специальных вырезах в панели щита, из которых наружу выступает лишь передняя часть корпуса (рис. 1-10, б). Корпуса переносных приборов обычно выполняются в виде ящика со съемной крышкой, снабженного ручкой.
Для удобства монтажа, обслуживания и ремонта в корпусах некоторых вторичных приборов имеется внутренний откидной (на петлях) или выдвижной (на роликах или салазках) кронштейн, на котором закрепляются все основные блоки, узлы и детали. При открытой крышке корпуса откидной кронштейн может быть повернут на угол 180°, а выдвижной - полностью выдвинут наружу, чем обеспечивается свободный доступ к внутреннему устройству прибора. С наружной и внутренней стороны корпуса приборов окрашиваются в черный или серый цвет.
б) Основные свойства измерительных приборов
В зависимости от назначения, устройства и принципа действия измерительные приборы обладают различными метрологическими свойствами, которые в основном характеризуются точностью, чувствительностью, быстродействием и надежностью работы.
Точность измерительного прибора определяется степенью достоверности его показаний, т. е. тем, насколько результаты измерений отличаются от истинных значений измеряемой величины.
Чувствительность прибора выражается отношением линейного или углового перемещения указателя (стрелки, пера или уровня жидкости) к изменению измеряемой величины, вызвавшему это перемещение. Если обозначить l перемещение указателя прибора и Х - соответствующее изменение измеряемой величины, то чувствительность прибора S может быть определена по формуле
Выражение (1-5) показывает, что чем меньшее отклонение измеряемой величины -отмечается прибором, тем выше его чувствительность. Как видно, чувствительность обратно ропорциональна цене деления шкалы. Поэтому более высокой чувствительностью обладают приборы со шкалой, имеющей небольшую цену деления.
Быстродействие прибора зависит от его инерционности, вызывающей запаздывание показаний. Последнее характеризует время с момента начала изменения измеряемой величины до момента показания его прибором. Инерционность приборов в большинстве случаев вызывается тепловыми, механическими и гидравлическими факторами. Чем более быстродействующим является прибор, тем выше его качество.
Надежность прибора 1 ( 1 ГОСТ 13216-74. Приборы и средства автоматизации ГСП. Надежность.) характеризует его свойство сохранять работоспособность в течение заданного времени. Под работоспособностью подразумевается состояние прибора, при котором он может выполнять свои функции в соответствии с установленными для него техническими требованиями. Часто в технической документации на прибор указывается вероятность безотказной его работы в заданном интервале времени.
Степень влияния на показания приборов неблагоприятных внешних условий (температуры, влажности и запыленности окружающего воздуха, вибрации и т. п.) также в известной мере определяет их качество. Условия эксплуатации приборов должны по возможности соответствовать условиям их градуировки
.Обычно установка приборов разрешается в местах, не подверженных вибрации и загрязнению, а также воздействию высокой или низкой температуры и влажности окружающего воздуха.
Нормальная температура окружающего воздуха, при которой приборы должны давать правильные показания, принимается равной 20 °С*.(* ГОСТ 9249-59. Нормальная температура.).
Допускаемые пределы колебания температуры воздуха для большинства приборов составляют 10 - 40 °С, а относительной влажности 30 -80%.
Выбор того или иного типа измерительного прибора производится в зависимости от его свойств и технической характеристики, наличия у него необходимых основных (показание, запись) и дополнительных (интегрирование, сигнализация) устройств, дистанционной передачи показаний и рода выходного сигнала. При этом учитываются габариты и масса прибора, а также условия его эксплуатации, монтажа и ремонта.
Каждый поставляемый предприятием-изготовителем прибор снабжается паспортом, содержащим основные технические характеристики, а также техническим описанием и инструкцией по эксплуатации. В дальнейшем организация, использующая измерительный прибор, заводит на него карточку (или формуляр), в которой последовательно отмечаются все изменения состояния прибора, условия его работы, характер производимых ремонтов, поверки и т. п.
