Файл: Минобрнауки россии федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Тульский государственный университет.docx

Классификация приборов и систем

Современные приборы и системы широко применяются в жизни людей. В зависимости от их назначения различают измерительные, информацион­ные, управляющие, регистрирующие, контрольные, испытательные, техни­ческие, наблюдательные и другие приборы и системы (табл. 2).

Таблица 2. Назначение приборов и систем

Название	Назначение
Измерительные	Измерение физических величин, исследование объектов, распо­знавание образов, диагностика
Информацион­ные	Обнаружение объектов, информирование, сигнализация, накоп­ление, обработка информации
Контрольные	Установка принадлежности объекта контроля заданному классу объектов, учёт
Управляющие	Управление объектами, регулирование процессов, навигация, координация действий
Регистрирующие	Регистрация (запись) процессов, передача данных
Испытательные	Проведение испытаний устройств, объектов, продукции
Наблюдательные	Наблюдение за объектами и процессами, охрана объектов
Технические	Повышение качества жизни, обеспечение безопасности, создание комфортных условий

В зависимости от физического принципа действия различают механические, электрические, электронные, акустические и другие приборы и системы, в зависимости от области их применения — авиационные, теплотехнические, медицинские, навигационные, транспортные, геодезические, судовые, промышленные, бытовые, специального назначения и др.

Все приборы и системы содержат в своем составе устройства, с помощью которых одна физическая величина (принимаемая за входной сигнал) преобразуется в другую физическую величину (выходной сигнал). Такие

---

устройства обычно имеют нормируемые характеристики, т.е. выполняют необходимое преобразование в рамках установленных норм. В измеритель­ных приборах и системах они называются измерительными устройствами.

Основной функцией ИУ является преобразование величины, подавае­мой на его вход, в сигнал, несущий информацию о количественном зна­чении этой величины. Поэтому к ИУ относится широкий круг средств измерений, включая измерительные приборы (ИП) и измерительные пре­образователи (ИПр). Частично в него входят измерительные системы (ИС) и измерительные установки (ИУс) (рис. 1). Рассмотрим их подробнее.



Рисунок 1. Виды измерительных устройств

Измерительным прибором называется средство измерений, предназна­ченное для получения значения измеряемой физической величины в уста­новленном диапазоне.

Отличительным признаком измерительного прибора является то, что его показания должны быть доступны для непосредственного восприятия потребителем информации, т.е. он должен иметь устройство индикации (стрелочное, цифровое или иное), с которого непосредственно снимается показание.

По способу преобразования измерительного сигнала различают при­боры прямого действия (прямого преобразования) и приборы сравнения (уравновешивающего преобразования). В ИП прямого действия измеряе­мая величина испытывает ряд последовательных измерительных преобра­зований, в результате которых она «доводится» до показания ИП. Погреш­ность таких ИП равна сумме погрешностей всех их звеньев, поэтому для достижения высокой точности измерений все звенья этих приборов должны обладать высокой точностью. В результате приборы прямого дей­ствия уступают приборам уравновешивающего преобразования по точно­сти. Однако такие приборы обладают более простой конструкцией и высо­ким быстродействием, поэтому они чаще других встречаются на практике.

В ИП уравновешивающего преобразования зна­чение измеряемой величины определяют на основе ее сравнения с мерой, которая хранится в ИП или воспроизводится в нем с помощью отрица­тельной обратной связи. В таких приборах погрешности звеньев, охвачен­ных обратной связью, оказывают меньшее влияние на общую погрешность измерений, чем в ИП прямого преобразования. Поэтому с помощью ИП уравновешивающего преобразования можно осуществлять прецизионные измерения. Недостатком приборов с обратной связью является более слож­ная конструкция и возможность потери устойчивости.

---

В зависимости от способа формирования сигнала обратной связи различают приборы с ручным, автоматическим и программным уравновеши­ванием. В приборах с ручным уравновешиванием сигнал обратной связи создается потребителем информации. В приборах с автоматическим уравновешиванием этот сигнал формируется автоматически. В приборах программного уравновешивания он поступает от специального устройства, задающего программу уравновешивания.

В зависимости от значения сигнала уравновешивания в установившемся режиме измерений различают ИП астатического и статического уравно­вешивания. В ИП астатического уравновешивания этот сигнал равен нулю, в ИП статического уравновешивания — отличен от нуля.

По способу индикации значения измеряемой физической величины ИП делятся на показывающие и регистрирующие. В показывающих ИП допу­скается только считывание показаний, в регистрирующих — их запись на бумажную ленту, магнитный носитель и пр., т.е, документирование и хранение результатов измерений.

По виду выходного сигнала ИП делят на аналоговые, цифровые и ана­лого-цифровые. Показание аналоговых ИП является непрерывной функ­цией измеряемой величины, т.е. при бесконечно малом изменении этой величины изменяется столь же мало. Такие ИП обычно имеют стрелочное отсчетное устройство. Показания цифровых ИП представляются в цифро­вом виде. В них автоматически осуществляются дискретизация, квантова­ние и кодирование измерительного сигнала.

Нужно ясно понимать, что аналого-цифровое преобразование изме­рительного сигнала является источником дополнительной погрешности измерений. Поэтому высокая точность цифровых ИП обеспечивается не столько этим преобразованием, сколько теми дополнительными воз­можностями обработки измерительных сигналов, которые появляются благодаря цифровой форме их представления.

Измерительным преобразователем называется средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но недоступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

По виду преобразуемых величин различают измерительные преобра­зователи электрических величин в электрические, электрических — в не­электрические, неэлектрических — в электрические и неэлектрических в неэлектрические. Примерами первых могут служить делители напряже­ния и тока, измерительные трансформаторы, измерительные усилители, нормирующие преобразователи и пр.; вторых — измерительные механизмы электроизмерительных приборов, электроприводы и пр.; третьих — дат­чики неэлектрических величин и, наконец, примерами четвертых — упру­гие элементы приборов, передаточно-множительные механизмы и пр,

---

В зависимости от места в измерительном канале различают предвари­тельный, первичный, промежуточные и выходной ИПр. Первичным назы­вают ИПр, к которому с помощью предварительного ИПр «подводится» измеряемая физическая величина. Обычно этим ИПр является чувстви­тельней элемент ИУ.

Совокупность ИПр, осуществляющих преобразование измеряемой величины в первичный электрический сигнал, называется датчиком пер­вичной информации. Обычно датчик представляет собой отдельный кон­структивный узел, который размещается на объекте измерений или вблизи него.

Датчик и предварительный преобразователь в наибольшей степени подвержены воздействию неблагоприятных факторов объекта измере­ний и окружающей среды. Поэтому погрешность измерительного при­бора в основном зависит от наличия предварительного преобразователя и погрешностей датчика.

В свою очередь, погрешности датчика зависят от физического прин­ципа действия и состава его элементов, а также от конструкции датчика. Поэтому выбор физического принципа действия, состава используемых ИПр и конструкции датчика — наиболее важные задачи проектирования прибора.

Вспомогательные элементы прибора выполняют функции, не имеющие непосредственное отношение к преобразованию измерительного сигнала, например, освещение шкалы, вентиляцию, термостатирование, экраниро­вание, виброзащиту и пр. Такие элементы не входят в схему измеритель­ного канала, однако устранение любого из них ухудшает качество ИУ.

Вспомогательные элементы ИП могут заметно влиять на точность измерений. Например, погрешность измерения массового расхода методом переменного перепада давления зависит от результатов измерения темпе­ратуры и плотности контролируемой среды, которые получают с помощью вспомогательных средств измерений. Это справедливо для всех ИУ, реали­зующих косвенный метод измерений.

В зависимости от характера энергетического взаимодействия с объек­том измерений различают генераторные и параметрические ИПр.

Генераторные ИПр для формирования измерительного сигнала исполь­зуют энергию объекта измерения, поэтому они не нуждаются в источнике питания. Это не означает, что приборы, использующие генераторные ИПр, вовсе не имеют источников питания, так как в них могут присутствовать другие элементы, нуждающиеся в электрическом питании, например, уси­литель, вспомогательные элементы и пр. Примерами генераторных ИПр являются термопара, пьезоэлемент, турбинка, упругие элементы приборов, некоторые разновидности электрохимических датчиков, индукционные преобразователи и пр. Выходным сигналом таких ИПр являются ЭДС, электрический заряд, механическое перемещение, напряжение или ток, зависящие от измеряемой величины.

---

Параметрические ИПр, напротив, нуждаются в источнике энергии. В результате их взаимодействия с объектом измерений изменяются соб­ственные параметры преобразователя (электрические, механические, электроакустические и др.), что приводит к изменению информативного параметра сигнала на выходе специальной схемы, называемой схемой включения ИПр. Разумеется, при этом также происходит взаимодействие ИПр с объектом измерений, однако энергия измерительного сигнала, получен­ного в результате этого взаимодействия, является частью энергии источ­ника питания схемы включения преобразователя, а не объекта измерений.

Наиболее широкое распространение получили омические (резистивные), емкостные и индуктивные ИПр. С их помощью измеряемая величина пре­образуется соответственно в изменение активного сопротивления, электри­ческой емкости и индуктивности.

Необходимость стабильного электрического питания может ограни­чивать области применения параметрических ИПр, так как влияет на их автономность, т.е. возможность длительно выполнять свои функции без потребления ресурсов.

В зависимости от степени взаимодействия ИПр с объектом измерений различают бесконтактные и контактные ИПр. В первом случае возмуще­ния, вносимые ИПр в объект измерении, — несущественные, во втором — подлежат обязательному учету, особенно при оценке погрешности изме­рений. Например, если для измерения перемещений объекта необходимо закрепить на нем отражающее зеркало, то размеры и масса этого зеркала могут влиять па движение объекта. В этом случае оптические ИПр, исполь­зуемые при измерении, нельзя считать бесконтактными. Контактные ИПр имеют непосредственный контакт с объектом измерений.

В зависимости от способа построения различают одноканальные и многоканальные ИПр. В первом случае ИПр содержит один физический вход и один выход, во втором — несколько входов и (или) выходов. Примерами ИПр с двумя входами и одним выходом являются сумматоры, сравни­вающие устройства, мостовые схемы с двумя активными плечами и пр.

В зависимости от выполнения принципа суперпозиции ИПр делятся па линейные и нелинейные. В линейных ИПр принцип суперпозиции выполняется, а в нелинейных ИПр нет. Отличительными признаками линейного ИПр являются линейность его статической характеристики и линейность его дифференциального уравнения.

---