1.2 Принципы построения измерительных приборов

В соответствии с определением, измерительный прибор (ИП) представляет собой совокупность измерительных преобразователей и отсчётного устройства. Набор измерительных преобразователей, входящих в состав измерительного прибора, называют измерительной цепью.

Все ИП, в зависимости от принципов построения можно разделить на две группы:

Первая группа - простейшая: ИП, построенные по разомкнутой структурной схеме (рис.1), в них реализуется группа методов измерения, которая называется методами непосредственного отсчёта, а ИП называются ИП прямого действия. Отличительной особенностью таких ИП является отсутствие в их составе меры как устройства. Сравнение с мерой, без которой невозможна измерительная процедура вообще, в таких приборах осуществляется косвенным путём (опосредовано). Эти слова следует понимать следующим образом: мера используется для градуировки шкалы прибора и сравнения измеряемой физической величины с физической величиной, воспроизводимой мерой осуществляется при считывании показаний по отсчетному устройству.

Приведем обобщённую структурную схему построения таких приборов:

Рис. 1

ИПр – измерительный преобразователь;

ОУ – отсчётное устройство;

х – измеряемая физическая величина.

Название приборов «приборами прямого действия» обусловлено тем, что сигнал измерительной информации преобразуется только в одном направлении – от входа к выходу.

В качестве измерительного преобразователя (ИПр) в таких приборах могут быть использованы различные электронные и электротехнические узлы и устройства. Пример: измерительный усилитель, измерительный делитель напряжения, измерительный трансформатор, детектор. Названные устройства и узлы отличаются тем, что у них нормированы метрологические характеристики.

В зависимости от места расположения ИПр в структурной схеме прибора различают следующие разновидности ИПр:

1) первичные ИПр, которые непосредственно взаимодействуют с измеряемой физической величиной. Их называют датчиками или сенсорами;

2) оконечные ИПр, нагрузкой которых является отсчётное устройство;

3) промежуточные ИПр, к которым относятся все остальные ИПр.

Необходимо отметить, что тип оконечного ИПр в значительной степени определяется типом отсчётного устройства. Если измеряемая физическая величина аналоговая (т.е. непрерывно изменяется во времени), а отсчётное устройство представляет собой цифровой дисплей, то оконечный ИПр представляет собой АЦП. Если измеряемая физическая величина аналоговая, а отсчётное устройство представляет собой шкалу, то оконечный ИПр представляет собой, как правило, преобразователь электромеханического типа, причём чаще всего, это магнитоэлектрический ИПр.

Совокупность оконечного ИПр и отсчётного устройства иногда называют измерительным устройством.

ИПр еще бывают разного типа в зависимости от того, какая физическая величина преобразуется.

- ИПр электрических величин в неэлектрические;

- ИПр неэлектрических величин в электрические.

К основным недостаткам таких приборов следует отнести то, что все узлы соединены последовательно и, следовательно, погрешности преобразования измеряемой физической величины каждым из узлов суммируются, причём в вероятностном смысле. Поэтому такие приборы характеризуются относительно низкими точностными показателями.

Вторая группа приборов реализуется по замкнутой обобщенной структурной схеме (рис.2), которая отличается от разомкнутой наличием обратной связи, или канала обратного преобразования сигнала измерительной информации.

В этой группе приборов сигнал измерительной информации преобразуется в прямом и обратном направлениях.

В связи с наличием канала обратной связи такие приборы называются приборами уравновешивающего (компенсационного) типа. Отличием таких приборов является наличие в них меры как устройства, а группа методов измерения, которая используется в этих приборах, называется методами сравнения.

Вследствие вышесказанного, эта группа приборов характеризуется большей сложностью по сравнению с приборами прямого действия.

Обобщенная структурная схема приборов уравновешивающего типа:

Рис.2

КППр – канал прямого преобразования сигнала измерительной информации;

КОПр – канал обратного преобразования сигнала измерительной информации;

М – мера.

В канале обратного преобразования (КОПр) вырабатывается сигнал управления мерой. В результате на выходе меры формируется то значение физической величины, с которым сравнивается измеряемая физическая величина х.

Следствия:

1.ИПр1 выполняет функцию устройства сравнения.

2.Мера в составе таких ИП должна быть многозначной и регулируемой.

Такие ИП, вследствие наличия канала ОС, принципиально являются более точными, поскольку в них осуществляется компенсационная погрешность.