Цифровые и шкальные измерительные приборы

Измерительные приборы и установки

Измерительный прибор — средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне ее изменения и выработки сигнала измерительной информации, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Обобщенная структурная схема измерительного прибора

Данный класс средств измерений включает большое число приборов, различающихся измеряемыми величинами, областью применения, техническими характеристиками, принципом действия, используемой элементной базой и другими особенностями. Тем не менее все эти приборы имеют некоторые общие черты. Обобщенная структурная схема измерительного прибора показана на рис. 7.13.

Измеряемая ФВ воздействует на устройство преобразования, состоящее из первичного измерительного преобразователя и совокупности элементарных средств измерений. Первичный преобразователь преобразует измеряемую ФВ в другую величину, однородную или неоднородную с ней. Сигнал с выхода преобразователя проходит через совокупность элементарных СИ. В простейших измерительных приборах такая совокупность может отсутствовать.

Например, в аналоговых вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется в угол поворота стрелки с помощью первичного электромеханического ИП.

На выходе устройства преобразования формируется сигнал, параметры которого соответствую входным характеристикам отсчетного устройства.

Отсчетное устройство

Отсчетное устройство — это элемент СИ, преобразующий измерительный сигнал в форму, доступную восприятию органами чувств человека. По форме представления показаний отсчетные устройства делятся на аналоговые и цифровые.

Составными частями отсчетного устройства являются шкала и указатель. Шкала — это часть отсчетного средства, представляющая собой ряд отметок, соответствующих последовательному ряду значений величины вместе со связанной с ними нумерацией. Шкала наносится на прямолинейном участке или дуге окружности. Отметка шкалы — это знак на шкале СИ (черточка, зубец, точка и т.д.

), соответствующий некоторому значению ФВ. Для цифровых шкал сами числа являются эквивалентами отметок шкалы. Отметки на шкалах могут быть нанесены равномерно или неравномерно. В связи с этим шкалы называют равномерными и неравномерными. Практически равномерной считается шкала, длины делений которой отличаются не более чем на 30% и имеют постоянную цену деления.

Промежуток между двумя соседними отметками шкалы средства измерений называется делением шкалы. Длиной деления шкалы, называется расстояние между осями или центрами двух соседних отметок шкалы, измеренное вдоль воображаемой линии, проходящей через середины самых коротких отметок шкалы.

Длина линии, проходящей через центры всех самых коротких отметок шкалы СИ и ограниченная начальной и конечной отметками, называется длиной шкалы. Линия может быть реальной или воображаемой, кривой или прямой.

Цена деления шкалы

Отметка шкалы СИ, у которого проставлено число отсчета, называется числовой отметкой шкалы. Отметки облегчают оператору считывание показаний прибора, которое производится по положению указателя относительно отметок шкалы. Деления шкалы имеют цену.

Цена деления шкалы — это разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы СИ. Отметки наносятся на шкалу при градуировке прибора, т.е. при подаче на его вход сигнала с выхода образцовой многозначной меры.

Указатель — часть отсчетного устройства, положение которого относительно отметок шкалы определяет показания измерительного прибора. Указатель выполняется в виде подвижных стрелок разной формы (клиновидной, ножевидной и др.), луча света, пера самописца и т.п.

Шкала СИ имеет начальное и конечное значения. Они соответствуют наименьшему и наибольшему значениям измеряемой величины, которые могут быть отсчитаны по шкале СИ. Например, для медицинского термометра начальное значение шкалы равно 34,3 °С, а конечное — 42 °С.

При измерении с показывающего устройства считывается показание. Каждое СИ характеризуется диапазоном показаний и диапазоном измерений. Диапазоном показаний называется область значений шкалы СИ, ограниченная ее начальным и конечным делениями. Так, для медицинского термометра диапазон показаний составляет 7,7°С.

Диапазоном измерений называется область значений ФВ, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности СИ. Значения величины, ограничивающие диапазон снизу и сверху (слева и справа), называются соответственно нижним и верхним пределами измерений.

Диапазон измерений всегда меньше или равен диапазону показаний.

Классификация измерительных приборов

Для учета всех особенностей многообразных измерительных приборов применяют классификацию по различным признакам. По форме индикации измеряемой величины различают измерительные приборы:

• показывающие, которые допускают только отсчитывание показаний измеряемой величины, например стрелочный или цифровой вольтметр;
• регистрирующие, предусматривающие регистрацию показаний на том или ином носителе информации, например на бумажной ленте. Регистрация может производится в аналоговой или цифровой форме. Различают самопишущие и печатающие приборы.

По методу преобразования измеряемой величины различают приборы прямого, компенсационного (уравновешивающего) и смешанного преобразования.

По назначению измерительные приборы делятся на вольтметры, омметры, термометры, гигрометры и т.д.

По форме преобразования используемых измерительных сигналов приборы подразделяют на аналоговые и цифровые.

Цифровые приборы — это приборы, принцип действия которых основан на квантовании измеряемой или пропорциональной ей величины. Показания таких приборов представлены в цифровой форме. Наличие операции квантования приводит к появлению у цифровых приборов специфических свойств, обуславливающих существенные различия в методах выбора, анализа, описания и нормирования метрологических характеристик по сравнению с аналоговыми приборами.

В процессе квантования бесконечному множеству значений измеряемой величины ставится в соответствие конечное и счетное множество возможных показаний цифрового прибора. Их число определяется схемой аналого-цифрового преобразователя, выполняющего в цифровом приборе операцию квантования. Одновременно с квантованием, как правило, осуществляется дискретизация по времени измерительных сигналов. Структурная схема цифрового прибора показана на рис 7.14.

Рис. 7.14. Обобщенная структурная схема цифрового измерительного прибора

Измеряемая физическая величина X воздействует на первичный измерительный преобразователь (ПП), имеющий коэффициент преобразования Кпп. Он преобразует величину X в электрический сигнал, в качестве которого используется главным образом напряжение. В рассматриваемом случае u=КппХ.

Диапазон изменения измеряемой величины X разбивается на Nn поддиапазонов.

Диапазоны измерения

Среди диапазонов измерения выбираются основной и дополнительные. Основным считается тот диапазон, на котором измеряемая величина претерпевает наименьшее число преобразований на пути от входа прибора до входа АЦП. Все остальные диапазоны считаются дополнительными. На практике возникают ситуации, когда выделить основной диапазон по указанным признакам невозможно. В этом случае в качестве основного выбирают диапазон с наименьшими пределами допускаемых погрешностей или устанавливают его по соглашению.

Масштабный преобразователь так изменяет (уменьшает или увеличивает) входное напряжение в заданное число К; раз (i = 1; 2; …; Nn), чтобы сигнал ин на его выходе был нормирован, т.е. его значение находилось в заданных пределах. Как правило, стараются обеспечить выполнение условий, при которых пределы изменения нормированного напряжения совпадают с большей частью допустимого диапазона изменения входного сигнала АЦП при всех возможных значениях измеряемого сигнала. Это позволяет минимизировать погрешности, вносимые АЦП.

Полученный двоичный цифровой код поступает на преобразователь кодов (ПК). Он необходим для преобразования выходного цифрового кода АЦП в код, «понимаемый» цифровым отсчетным устройством (ОУ). Наиболее частым в практике является преобразование двоичного кода в двоично-десятичный. Числа, представляемые кодами N и Nj, в точности равны друг другу, отличаются только формами представления, и поэтому в дальнейшем рассмотрении будем оперировать кодом N.

Цифровые ОУ выполняются в виде цифровых табло, дисплеев, основанных на различных физических принципах. Они преобразуют код в показания СИ, понятные человеку.

Важной характеристикой ОУ является его разрядность — число полных десятичных разрядов, которые индицируются цифрами от О до 9. Цифровые ОУ, позволяющие индицировать еще один дополнительный разряд, но неполностью, называются отсчетными устройствами с расширенным диапазоном измерений.

Разрядность ОУ определяет разрешающую способность цифрового прибора, выражаемую в значении (ЕМР) показаний прибора.

Измерительная установка. Это — совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в удобной для непосредственного восприятия наблюдателем форме и расположенная в одном месте.

Измерительную установку, предназначенную для испытания каких-либо изделий, называют испытательным стендом (например, для измерения удельного сопротивления электрических материалов, испытания магнитных материалов).

Источник: https://www.metalcutting.ru/content/izmeritelnye-pribory-i-ustanovki

Pereosnastka.ru

Универсальные измерительные приборы

Категория:

Разметка

Универсальные измерительные приборы

К универсальным измерительным средствам контроля размеров в современном машиностроении относится также большая группа измерительных приборов. В зависимости от передаточного механизма эти приборы можно разделить на рычажно-механические, рычажно-оптические, пневматические и электрические.

Рычажно-механические приборы являются наиболее распространенными видами универсальных средств для относительных измерений, определения значений отклонений геометрической формы и биения проверяемых деталей. Их механизм преобразовывает незначительное возвратно-поступательное перемещение измерительного стержня в круговое движение стрелки по шкале, что удобно для отсчета.

В этой группе инструментов наибольшее распространение получили индикаторы, индикаторные скобы и индикаторные нутромеры. В инструментальном производстве, а также в лабораторных измерениях широко используют также рычажные индикаторы, миниметры, рычажные скобы и т. д.

Индикаторы применяют для измерения отклонений от заданного размера, при проверке биения,эксцентричности и т. п.

Согласно ГОСТу 577-68 индикаторы выпускают двух типов: I — с перемещением измерительного стержня параллельно шкале и II — торцовые с перемещением измерительного стержня перпендикулярно шкале.

Основные достоинства индикатора — удобство применения, надежность и быстрота измерения. В машиностроении применяют следующие индикаторы часового типа: нормальные, малогабаритные и малогабаритные торцовые с ценой деления 0,01 мм.

ГОСТом 577-68 предусмотрен выпуск индикаторов часового типа двух классов точности: 0-го и 1-го.

Шкала нормального индикатора разделена на 100 равных частей (рис. 31,а). Действие индикатора основано на преобразовании поступательного перемещения измерительного стержня во вращательное движение стрелки, осуществляемое с помощью передаточного механизма (рис. 31,6).

Передача в механизме устроена так, что при перемещении измерительного стержня на 0,01 мм стрелка индикатора отклоняется на одно деление шкалы. При полном обороте стрелки измерительный стержень перемещается на 1 мм. У нормальных индикаторов кроме большой стрелки имеется маленькая стрелка со шкалой для отсчета целых миллиметров.

Нормальные индикаторы изготовляются с пределами измерений 0—5 и 0—10 мм, а малогабаритные — с пределами измерений 0—1 и 0—2 мм.

Индикатор можно применять как для абсолютных, так и для относительных (сравнительных) измерений. Абсолютный метод измерения применяется в том случае, если размер измеряемых деталей не превышает пределов измерений по шкале. При относительном методе измеряемая деталь сравнивается с установочной мерой (блоком плоскопараллельных плиток), по которой устанавливается индикатор. Более точным является относительный метод измерения.

При любом измерении индикатором (абсолютном или относительном) его нужно установить в некоторое начальное положение. Для этого измерительный наконечник приводят в соприкосновение с поверхностью установочной меры (или столика). Индикатор подводят так, чтобы стрелка его сделала примерно один оборот.

Таким образом стержню индикатора дается «натяг» для того, чтобы в процессе измерения индикатор мог показать как отрицательные, так и положительные отклонения от начального положения или установочной меры. Стрелка индикатора при этом устанавливается против какого-либо деления шкалы. Дальнейшие отсчеты следует вести от этого показания стрелки, как от начального. Чтобы облегчить отсчеты, обычно приводят начальное показание к нулю. Установка индикатора на йуль осуществляется поворотом циферблата или стержня.

Скобы индикаторные, или регулируемые скобы, применяемые для контроля диаметров наружных поверхностей деталей, имеют то преимущество, что они позволяют компенсировать износ измерительных поверхностей путем перемещения измерительных пяток 2 н 4 (рис. 1,в).

Пятка 2 может свободно передвигаться в пределах 50 мм у скоб малых размеров и 100 мм у скоб больших размеров.

Для удобства измерения скоба снабжена упором 3, который при настройке скобы на размер устанавливается так, чтобы линия измерения проходила через ось проверяемой детали.

Индикаторная головка глубиномера устанавливается в державке основания (траверсы) и крепится стопорным винтом. Измерительные стержни выбирают в зависимости от проверяемого размера и устанавливают в глубиномере.

Затем устанавливают индикаторный глубиномер на нуль вращением ободка индикатора до совпадения большой стрелки с нулевым штрихом циферблата.

Нутромеры индикаторные (рис. 2), применяемые для измерения диаметров глубоких отверстий, выпускаются двух типов и тестированы двумя стандартами. По ГОСТу 868-63 нутромеры снабжаются отсчет-иым устройством с ценой деления 0,01 мм и предназначаются для контроля отверстий диаметром от 6 до 500 мм; по ГОСТу 9244-59 нутромеры снабжаются от-счетным устройством с ценой деления 1 и 2 мкм.

Завод «Калибр» выпускает нутромеры с пределами измерения 2—3; 3—6; 6—10 мм, с ценой деления от-счетного устройства 0,001 мм и нутромеры с пределами измерения 10—18; 18—50; 50—100; 100—160; 160— 250 мм, с ценой деления отсчетного устройства 0,002 мм.

Нутромер индикаторный состоит из корпуса (рис. 2,а), в котором вмонтирована направляющая втулка. С одной стороны втулки помещен неподвижный измерительный стержень, а с другой — подвижный измерительный стержень. В процессе измерения стержень перемещается и его движение через толкатель передается установленному в трубке вертикальному штоку, к которому прижимается наконечник индикатора. Прибор снабжается комплектом сменных неподвижных стержней.

Рис. 2. Нутромер индикаторный: а—устройство: б—приемы измерения: в и г—примеры отсчета размеров

Перед измерением необходимо установить нутромер на измеряемый размер. Для этого следует выбрать стержень, соответствующий этому размеру, ввернуть его в гнездо и навинтить на него контргайку. Установка нутромера может производиться по блоку концевых мер со специальными боковиками, гладкому микрометру или образцовому кольцу.

При установке по микрометру измерительные стержни нутромера располагают между измерительными плоскостями микрометра, предварительна установленного на измеряемый размер, а при установке по блоку концевых мер — между измерительными плоскостями боковиков.

Вывинчивая измерительный стержень, подводят стержни в соприкосновение с плоскостями микрометра, а после того как стрелка индикатора сделает один-два оборота, измерительную вставку стопорят контргайкой.

Далее надо установить нутромер так, чтобы его измерительные стержни располагались перпендикулярно измерительным плоскостям микрометра.

При этом следует помнить, что в индикаторном нутромере, в отличие от обычного индикатора, перемещение стрелки вправо соответствует уменьшению размера, а влево — увеличению, поэтому при наибольшем отсчете по шкале значение измеряемого размера будет наименьшим, а следовательно, измерительные стержни при этом перпендикулярны плоскостям микрометра.

При установке по образцовому кольцу и при измерении покачивают нутромер в осевом сечении (рис. 2, б), так как установка по диаметру обеспечивается центрирующим мостиком.

При измерении внутренних диаметров измерительные стержни вводят внутрь отверстия и устанавливают в поверяемом сечении. При покачивании нутромера находят точку возврата стрелки. Для определения диаметра к размеру, на который установлен нутромер, надо прибавить величину отсчета по шкале, если точка возврата находится влево от нуля (рис. 2,в), и отнять, если вправо (рис. 2,г).

При этом отсчетом является величина отклонения точки возврата от нуля. Допустим, что точка возврата стрелки совпадает с 17-м делением шкалы слева от нуля, а нутромер установлен на размер 100 мм, тогда измеряемый размер будет равен 100 + + 0,17=100,17 мм (рис. 2,в).

При прежней установке нутромера на размер 100 мм, но при отклонении стрелки вправо от нуля на 0,06 мм измеряемый размер будет равен 100—0,06=99,94 мм (рис. 2,г).

Реклама:

Концевые меры длины, калибры и шаблоны

Источник: http://pereosnastka.ru/articles/universalnye-izmeritelnye-pribory

Цифровые измерительные приборы

Работа большинства цифровых измерительных приборов (ЦИП) основана на преобразовании непрерывной (аналоговой) измеряемой величины в дискретную (цифровую). Исключение составляют некоторые приборы, предназначенные для измерения дискретных величин (счетчики ядерных частиц, счетчики количества импульсов и др.). Процесс цифрового кодирования непрерывной величины является совокупностью квантования (дискретизации) этой величины по уровню и по времени.

В цифровых измерительных приборах происходит автоматическое преобразование входной измеряемой величины в цифровой код. Автоматизм преобразования измеряемой величины в цифровой код служит определяющим признаком ЦИП.

На этом основании приборы, в которых результат измерения хотя и выводится на цифровое отсчетное устройство, но образуется за счет ручных операций, к цифровым не относятся.

Так, компенсаторы напряжения постоянного тока и мосты с декадными магазинами сопротивлений, в которых уравновешивание выполняется вручную, цифровыми приборами считать не принято.

ЦИП включают в себя два обязательных функциональных узла: аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и цифровые отсчетные устройства (ЦОУ). Кроме АЦП и ЦОУ цифровые приборы могут содержать цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). АЦП и ЦАП применяют не только как узлы ЦИП, но и как автономные устройства.

В результате квантования измеряемой величины по уровню возникает погрешность дискретности, обусловленная тем, что бесконечное множество значений измеряемой величины отражается лишь ограниченным количеством показаний ЦИП.

Погрешность дискретности присуща ЦИП и отсутствует у аналоговых приборов. Однако эта погрешность не является препятствием для увеличения точности приборов, так как соответствующим выбором количества уровней квантования погрешность дискретности можно сделать сколь угодно малой. Практика показывает, что ЦИП, как правило, имеют значительно меньшие погрешности, чем аналоговые приборы, предназначенные для измерения тех же самых физических величин.

В конструктивном отношении ЦИП можно разделить на электромеханические и электронные. В первых используются контактные элементы (шаговые двигатели, реле), во вторых — бесконтактные элементы (электронные или полупроводниковые). Развитие ЦИП идет по пути замены контактных устройств бесконтактными.

В зависимости от преобразования измеряемой величины в код различают ЦИП последовательного преобразования, ЦИП пространственного преобразования, ЦИП поразрядного уравновешивания (кодоимпульсные) и др.

По роду измеряемой величины ЦИП подразделяют на вольтметры, частотомеры, омметры, фазометры и др. Часто ЦИП являются универсальными, что позволяет одним прибором измерять разные электрические величины. Например, универсальный цифровой прибор может быть предназначен для измерения постоянных и переменных напряжений, постоянных и переменных токов, электрических сопротивлений и др.

Дополнительные сведения по ЦИП приведены в литературных источниках [26, 32, 53, 67].

Сплошными линиями на рис. 20.1 показаны электрические цепи, а пунктиром — механические связи. Шаговый двигатель ДВ может быть связан с ДШ и ЦОУ электрически или механически в зависимости от конструктивного исполнения определенного типа прибора, что отмечено на рисунке двумя линиями (сплошной и пунктирной).

Рис. 20.1. Упрощенная схема электромеханического цифрового вольтметра:

{/х — измеряемое напряжение; U0 — опорное напряжение; ЭС — элемент сравнения; У — усилитель; ДВ — шаговый двигатель; ДШ — дешифратор;

ЦОУ — цифровое отсчетное устройство; П — переключатель

Компенсирующее напряжение Uk, подаваемое на ЭС для сравнения с измеряемым напряжением Ux, определяется соотношением

Отметим, что Uk изменяется ступенями с дискретностью Д Uk= U0/n. Значение AUk определяет погрешность дискретности прибора. Теоретически погрешность дискретности может быть сколь угодно малой (ограничения имеют конструктивный и технический характер). Она зависит от количества сопротивлений, образующих делитель напряжения. Значение Д?/на выходе элемента сравнения напряжения равно разности напряжений (У и Uk:

Если (/ * Uk, то AU * 0 подается на вход усилителя У и после усиления воздействует на шаговый двигатель ДВ, который начинает перемещать подвижный контакт переключателя П. При этом изменяется компенсирующее напряжение Uk, снимаемое с делителя.

Увеличение Uk (если U > Uk) или его уменьшение (если ?/ < Uk) происходит до тех пор, пока Uк не станет примерно равно измеряемому напряжению ?/. При этом двигатель ДВ останавливается и с ЦОУ производится отсчет показаний.

Дешифратор ДШ, связанный с двигателем и управляющий цифровым отсчетным устройством ЦОУ, обычно (как и ЦОУ) — электронное устройство. В этом случае связи между ДВ, ДШ и ЦОУ электрические. Но рассматриваемые устройства могут быть и электромеханическими. Тогда связи между ними механические.

Следует отметить, что вместо шагового двигателя часто используются электромеханические реле, которые осуществляют необходимую коммутацию в измерительных цепях. Делители напряжений выполняются, как правило, декадными (например, декада целых единиц измеряемой величины, декада десятых долей, декада сотых долей и т.д.).

Быстродействие электромеханических ЦИП составляет 1—2 измерения в 1 с. Типичный класс точности — 0,05. Известны электромеханические цифровые приборы и более высокого класса точности (от 0,01 до 0,005).

Page 3

Времяимпульсные вольтметры относятся к приборам последовательного преобразования. Они основаны на преобразовании измеряемого напряжения во временной интервал и измерении полученного интервала путем заполнения его высокочастотными импульсами (рис. 20.2).

Работа прибора протекает в такой последовательности. Такт работе прибора задает генератор тактовых импульсов, вырабатывающий с заданной периодичностью прямоугольные импульсы их и и2. Импульс и, поступает на счетчик импульсов и переводит его в исходное состояние («сбрасывает на ноль»). Импульс и2 поступает на линию задержки. С некоторой задержкой (необходимой для перевода СЧ в исходное состояние) на выходе ЛЗ появляются импульсы и3 и и4.

Импульс и, поступает на ключ и открывает его. Импульс и4 поступает на генератор пилообразного напряжения и запускает его. С выхода ГП пилообразное напряжение и5 поступает на элемент сравнения. Одновременно на ЭС подается измеряемое напряжение Ux. Через открытый ключ К высокочастотные импульсы и7 поступают на СЧ.

Рис. 20.2. Структурная схема времяимпульсного вольтметра: ГТИ — генератор тактовых импульсов; ЛЗ — линия задержки; ДШ — дешифратор;

ЭС — элемент сравнения; К— ключ; СЧ — счетчик импульсов; ГП — генератор пилообразного напряжения; ЦОУ — цифровое отсчетное устройство;

ГВ — генератор высокочастотных импульсов; Ux — измеряемое напряжение (постоянное или медленно меняющееся); Uy — управляющее напряжение

Количество импульсов, накопленное в счетчике СЧ, преобразуется дешифратором в управляющее напряжение U, воздействующее на цифровое отсчетное устройство, с которого и производится отсчет результата измерения.

На рисунке 20.3 приведены временные диаграммы, поясняющие работу рассматриваемого прибора. Быстродействие времяимпульсных

Рис. 20.3. Временные диаграммы вольтметров обычно составляет 10—15 измерений в 1 с. В отдельных случаях быстродействие может достигать 50—60 измерений в 1 с.

Отметим еще раз, что измеряемое напряжение преобразуется во временной интервал At, который заполняется импульсами, следующими с частотой/0 = 1 /Т0. Количество импульсов N « At/T() подсчитывается счетчиком и отображается на цифровом отсчетном устройстве прибора.

Времяимпульсные приборы имеют сравнительно большие погрешности. Это объясняется наличием погрешности дискретности из-за несовпадения появления счетных импульсов с началом и концом интервала At, а также за счет нелинейного коэффициента преобразования. Другим недостатком этих приборов является их низкая помехозащищенность, что требует применения специальных фильтров для подавления помех.

Промышленность выпускает ЦИП, построенные на описанном принципе. Все они имеют погрешности несколько большие, чем цифровые приборы, построенные на других принципах. Например, погрешность универсального вольтметра типа ВК7-10А/1 при измерении постоянного напряжения составляет 0,1—0,2%.

Источник: https://bstudy.net/689847/tehnika/tsifrovye_izmeritelnye_pribory