Методы и средства измерений, контроля и испытаний

Н. И. Иванова







        МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ, КОНТРОЛЯ И ИСПЫТАНИЙ



Учебное пособие





















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 006.91
ББК 30.10
     И20



Рецензенты:
заслуженный деятель науки и техники РФ, д. т. н., профессор, профессор кафедры «Автоматизация технологических процессов» ФГБОУ ВО «Тверской государственный технический университет» Дмитриев Г. А.;
к. т. н., инженер-технолог ООО «Научно-производственное предприятие Система» Жигулин С. Ю.





    Иванова, Н. И.
И20 Методы и средства измерений, контроля и испытаний : учебное пособие / Н. И. Иванова. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 208 с. : ил., табл.
           ISBN978-5-9729-1545-3

           Рассмотрены современные методы и средства измерения, применяемые в различных отраслях. Описаны их принципы действия и схемы. Дается анализ преимуществ и недостатков, особенностей применения и погрешностей отдельных методов и средств измерения.
           Для бакалавров и магистров, обучающихся по направлениям подготовки «Стандартизация и метрология», «Управление в технических системах» и «Приборостроение».

УДК 006.91
                                                             ББК 30.10











ISBN 978-5-9729-1545-3

     © Иванова Н. И.,2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

Оглавление


Введение...........................................................6
Глава 1. Общие сведения о средствах измерений......................7
1.1. Классификация средств измерений.................................7
1.2. Структурные схемы средств измерений............................16
1.3. Метрологические характеристики измерительных устройств.........20
1.4. Статическая характеристика и параметры измерительных устройств.21
1.5. Динамические характеристики измерительных устройств............24
1.6. Погрешности измерительных устройств............................29
1.7. Нормирование метрологических характеристик.....................38
1.8. Основные понятия теории метрологической надежности.............42
1.9. Выбор средства измерения.......................................44
1.10. Методы повышения точности средств измерений...................47
Глава 2. Методы и средства измерения массы..........................51
2.1. Общие сведения о массе........................................51
2.2. Средства измерений массы......................................51
Глава 3. Методы и средства измерения длин...........................58
3.1. Общие сведения о длине.........................................58
3.2. Механические средства измерения длин...........................58
3.3. Оптико-механические средства измерения длин....................62
Глава 4. Методы и средства измерения электрических величин..........65
4.1. Общие сведения об электрических величинах......................65
4.2. Меры...........................................................66
4.3. Масштабные измерительные преобразователи.......................68
4.4. Электромеханические измерительные приборы......................71
Глава 5. Методы и средства измерения магнитных величин..............76
5.1. Общие сведения о магнитных величинах...........................76
5.2. Методы и приборы для измерения магнитного потока...............76
5.3. Методы и приборы для измерений магнитной индукции..............79
Глава 6. Методы и средства измерения температуры....................83
6.1. Общие сведения о температуре...................................83
6.2. Термоэлектрический измерительный преобразователь...............84
6.3. Термометр сопротивления........................................88
6.4. Пирометры......................................................92
6.5. Манометрические термометры.....................................98
Глава 7. Методы и средства измерения давления......................104
7.1. Общие сведения о давлении.....................................104
7.2. Деформационный манометр.......................................104
7.3. Дифференциальный манометр.....................................107
7.4. Деформационные измерительные преобразователи давления, основанные на методе прямого преобразования........................110
Глава 8. Методы и средства измерения уровня........................115
8.1. Общие сведения об уровне......................................115
8.2. Визуальные средства измерения уровня..........................115

3

8.3. Поплавковые средства измерения уровня.......................116
8.4. Буйковые средства измерения уровня..........................117
8.5. Гидростатические средства измерения уровня..................118
8.6. Электрические средства измерения уровня.....................120
8.7. Акустические средства измерения уровня......................121
Глава 9. Методы и средства измерения количества и расхода жидкости, газа и пара......................................................123
9.1. Общие сведения о расходе....................................123
9.2. Расходомеры с непрерывно движущимся телом...................124
9.2.1. Объемные счетчики.........................................124
9.2.2. Скоростные счетчики.......................................126
9.2.3. Силовые расходомеры.......................................129
9.3. Расходомеры, использующие гидродинамические методы..........131
9.3.1. Расходомеры переменного перепада давления (дроссельные расходомеры).....................................................131
9.3.2. Расходомеры обтекания.....................................134
9.3.3. Расходомеры переменного уровня............................136
9.3.4. Вихревые расходомеры......................................137
9.3.5. Парциальные расходомеры...................................138
9.4. Расходомеры, основанные на различных физических явлениях....140
9.4.1. Электромагнитные расходомеры..............................140
9.4.2. Тепловые расходомеры......................................142
9.4.3. Ультразвуковые (акустические) расходомеры.................144
9.4.4. Ионизационные расходомеры.................................145
9.4.5. Оптические расходомеры....................................147
9.5. Расходомеры, основанные на особых методах...................149
9.5.1. Концентрационные расходомеры..............................149
9.5.2. Меточные расходомеры......................................152
9.5.3. Струйные расходомеры......................................154
Глава 10. Методы и средства измерения плотности жидкостей и газов.157
10.1. Общие сведения о плотности.................................157
10.2. Весовые или пикнометрические плотномеры....................158
10.3. Поплавковые, или ареометрические плотномеры................159
10.4. Гидро- и аэростатические плотномеры........................160
10.5. Гидро-газо(аэро)динамические плотномеры....................161
10.6. Вибрационные плотномеры....................................162
Глава 11. Методы и средства измерения вязкости жидкостей и газов.164
11.1. Общие сведения о вязкости..................................164
11.2. Капиллярные вискозиметры (вискозиметры истечения)..........164
11.3. Вискозиметры с падающим телом (шариковые вискозиметры).....166
Глава 12. Методы и средства измерения концентрации...............169
12.1. Общие сведения о концентрации..............................169
12.2. Термокондуктометрические газоанализаторы...................172
12.3. Диффузионные газоанализаторы...............................174
12.4. Магнитные газоанализаторы..................................176

4

12.5. Сорбционные газоанализаторы................................178
12.6. Испарительные и конденсационные анализаторы................179
12.7. Диэлькометрические анализаторы.............................182
12.8. Инфракрасные анализаторы...................................183
12.9. Оптические анализаторы, в работе которых используется излучение видимой части спектра............................................185
12.10. Ионизационные газоанализаторы.............................189
12.11. Термохимические анализаторы...............................190
12.12. Электрокондуктометрические анализаторы....................192
12.13. Потенциометрические анализаторы...........................196
12.14. Электролизные анализаторы.................................198
12.15. Пламенные ионизационные и фотометрические газоанализаторы.200
12.16. Хемилюминесцентные газоанализаторы........................201
12.17. Хроматографические методы и средства автоматического анализа состава..........................................................202
Библиографический список.........................................206

5

Введение


    Нет практически ни одной сферы деятельности человека, где бы активно не использовались результаты измерений, испытаний и контроля.
    В производственной сфере состояние измерений, испытаний и контроля влияет на основные технико-экономические показатели деятельности предприятий: качество продукции, производительность труда, экономию материальных ресурсов, снижение себестоимости продукции, эффективность мероприятий по охране окружающей среды. Оснащение предприятий современными средствами и методами измерений, испытаний, контроля необходимо для поддержания оптимальных режимов технологических процессов, объективного контроля качества сырья, материалов, полупродуктов и готовой продукции. Это позволит предприятию успешно решать проблемы интенсификации производства, внедрения новых технологий, рационального использования ресурсов, улучшения качества продукции, прибыльности ее производства. Все это обеспечивает конкурентные преимущества предприятию на отечественном и международном рынках.
    Инженеры по ремонту и обслуживанию различных видов техники должны владеть необходимыми знаниями о методах и средствах измерения, контроля и испытаний, поскольку инструментальный контроль позволяет наиболее объективно подтвердить соответствие объекта предъявляемым требованиям.
    Данное учебное пособие содержит теоретические материалы, включающие сведения о видах и методах измерений, контроля и испытаний, классификации средств измерения. Дана классификация средств измерения электрических и магнитных величин, а также температуры, давления, уровня, расхода, вязкости, плотности и концентрации. В пособии приведены принципы действия, схемы, работа, характеристики и область применения средств измерения.
    Пособие предназначено для бакалавров и магистров направлений «Стандартизация и метрология», «Управление в технических системах» и «Приборостроение», а также может быть полезно научным работникам и инженерам, занимающимся разработкой средств измерений для любых сфер.
    Содержание учебного пособия соответствует учебным программам дисциплин «Методы и средства измерений, контроля и испытаний», «Автоматизация измерений, контроля и испытаний», «Аналоговые измерительные устройства», «Метрология и измерительная техника», «Автоматический контроль качества».

6

Глава 1. Общие сведения о средствах измерений


    1.1. Классификация средств измерений

    В метрологии средства измерений принято классифицировать по виду, принципу действия и метрологическому назначению.
    По виду средства измерения разделяются на меры, измерительные устройства, измерительные установки и измерительные системы.
    Мера - это средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. По виду меры бывают образцовые и рабочие. Образцовые меры служат для поверки и градуировки рабочих средств измерений. Различают меры 1, 2 и 3-го разряда. Наименьшая погрешность у мер 1-го разряда. Рабочие меры используются для измерений. Однозначные меры воспроизводят величину одного размера (например, меры сопротивления рис. 1.1 а), индуктивности), многозначные меры - величину одного размера (например, магазин сопротивлений (рис 1.1 б).


Рис. 1.1 Меры: а - однозначная мера (мера сопротивления); б - многозначная мера (магазин сопротивления)

    Самым многочисленным видом средств измерений являются измерительные устройства, применяемые самостоятельно или в составе измерительных установок и измерительных систем. Классификация устройств представлена на рис. 1.2.
    В зависимости от формы представления сигнала измерительной информации измерительные устройства подразделяют на измерительные приборы и измерительные преобразователи.
    Измерительный прибор - это средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительная информация обычно представляется в виде перемещения указателя по шкале, перемещения пера по диаграмме или в виде цифр, появляющихся на табло.
    Измерительные приборы могут быть классифицированы по ряду признаков. Наиболее важные с позиции метрологии признаки отражены на рис. 1.3. Примеры приборов представлены на рис. 1.4-1.6.


7

Рис. 1.2 Классификация измерительных устройств

Рис. 1.3 Классификация измерительных приборов

8

а                     б

Рис. 1.4 Измерительные приборы по методу измерения: а - прямого действия (манометр); б - сравнения (весы)

а                   б

Рис. 1.5 Измерительные приборы по способу представления величин: а - аналоговый (мультиметр); б - цифровой (мультиметр)

б

Рис. 1.6Измерительные приборы по способу представления показаний: а - показывающий; б - регистрирующий (потенциометр)

    Измерительный преобразователь - это средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающийся непосредственному восприятию наблюдателем. Измерительная информация представляется преобразователями обычно в виде сигналов постоянного или переменного тока или напряжения, давления сжатого воздуха или жидкости, частоты гармонических колебаний, последовательности прямоугольных импульсов и т. п.

9

а                            б

Рис. 1.7 Измерительные приборы по типу вычислительного устройства: а - суммирующий (сумматор); б - интегрирующий (веберметр)

    Как видно из рис. 1.8, измерительные преобразователи могут быть классифицированы в зависимости от используемого метода измерения и способа представления величины совершенно аналогично измерительным приборам. Кроме того, принято различать измерительные преобразователи по расположению в измерительной системе и виду функции преобразования, представляющей собой зависимость сигнала измерительного преобразователя от измеряемой физической величины. На рис. 1.9-1.12 представлены примеры преобразователей по различным признакам.
    По роду измеряемой величины измерительные устройства подразделяют на амперметры - для измерения тока, термометры - для измерения температуры, манометры - для измерения давления, концентраторы - для измерения концентрации веществ и т. п.
    По степени защиты измерительные устройства бывают в нормальном (обыкновенном), пыле-, водо-, взрывозащищенном, герметичном и т. д. исполнении.
    Измерительные приборы подразделяют по характеру применения на стационарные (щитовые), корпус которых приспособлен для жесткого крепления на месте установки, и переносные, корпус которых не предназначен для жесткого крепления.
    По виду выходного дискретного сигнала цифровые измерительные приборы (ЦИП) и аналого-цифровые преобразователи (АЦП) делятся на приборы с двоичной, десятичной и двоично-десятичной формами представления информации. Выходным сигналом генераторных преобразователей являются ЭДС, напряжение, ток или электрический заряд, функционально связанные с измеряемой величиной. К генераторным измерительным преобразователям следует отнести: индукционные, пьезоэлектрические, термоэлектрические и некоторые разновидности электрохимических.

10

Рис. 1.8 Классификация измерительных преобразователей

а

б

Рис. 1.9 Измерительные преобразователи по методу измерения:
а - прямого действия (АЦП); б - сравнения (дифференциальный преобразователь давления)

а

б

в

Рис. 1.10 Измерительные преобразователи по положению в измерительной системе: а - первичный (датчик давления); б - промежуточный (антенный усилитель); в - передающий (шифратор)

11

а                              б

Рис. 1.11 Измерительные преобразователи по функции преобразования: а - функциональный (аудиоконвертер); б - масштабный (усилитель мощности звука)

Рис. 1.12 Измерительные преобразователи по способу представления величин: а - аналоговый (аналого-цифровой модуль);
б - цифровой (цифро-аналоговый преобразователь)

    Измерительная установка - это совокупность функционально объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, и расположенных в одном месте. Измерительные установки (рис. 1.13) обычно используются в научных исследованиях, осуществляемых в различных лабораториях, при контроле качества и в метрологических службах для определения метрологических свойств средств измерений.


Рис. 1.13 Измерительная установка для формирования синусоидального сигнала

12

    Измерительная система - совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления. Пример измерительной системы показан на рис. 1.14.


Рис. 1.14 Автоматизированная система оценки защищенности технических средств от утечки информации по каналу побочных электромагнитных излучений и наводок

    Системы классифицируются по следующим признакам.
    В зависимости от выполняемых функций системы разделяются на:
    -      измерительные системы измерения и хранения информации (условно называемые измерительными системами прямого назначения);
    -     контрольно-измерительные (автоматического контроля);
    -     телеизмерительные системы.
    По числу измерительных каналов системы бывают одно-, двух-, трех- и многоканальные (многомерные). Для совместных и совокупных измерений часто используют многоканальные, аппроксимирующие системы.
    Наиболее бурно в настоящее время разрабатываются и внедряются измерительные системы прямого назначения, основной особенностью которых является возможность программным способом перестраивать их для измерений различных физических величин и менять режим измерений.
    Измерительные системы прямого назначения условно делят на:
    -      информационно-измерительные системы (ИИС), их часто называют термином измерительные информационные системы;
    -     измерительно-вычислительные комплексы (ИВК);
    -      виртуальные информационно-измерительные приборы (устоявшееся у специалистов название - виртуальные приборы; или компьютерно-измерительные системы).
    Самым широким классом измерительных систем прямого назначения являются ИИС. Назначение ИИС определяют как целенаправленное оптимальное ведение измерительного процесса и обеспечение смежных систем высшего уровня достоверной информацией. Основными функциями ИИС являются получение измерительной информации от объекта исследования, ее обработка, передача, представление информации оператору или/и компьютеру, запоминание, отображение и формирование управляющих воздействий.

13