Структура измерительных приборов

Действие всякого прибора основано на использовании из­вестных зависимостей между физическими величинами: упру­гой деформации материалов от действующего усилия, приме­няемой для построения манометров, расходомеров и других приборов; механического взаимодействия электрического тока и магнитного поля, на котором основаны электроизмеритель­ные приборы.

Большинство измерительных приборов состоит из несколь­ких отдельных элементов, в которых происходит одно из ряда последовательных преобразований измеряемой величины. Со­вокупность этих преобразовательных элементов образует из­мерительную цепь. С технической точки зрения процесс из­мерения в современных приборах состоит в целенаправленном преобразовании измеряемой величины в любую форму, кото­рая наиболее удобна для конкретного использования челове­ком или машиной.

В общем случае измерительный прибор состоит из ряда преобразователей. По месту, занимаемому в приборе, преоб­разователи подразделяются на:

первичные, к которым подводится непосредственно изме­ряемая величина;

передающие, на выходе которых образуются величины, удобные для их регистрации и передачи на расстояние;

промежуточные, занимающие в измерительной цепи место после первичных.

Конструктивная совокупность ряда измерительных преоб­разователей, размещенных непосредственно у объекта изме­рения, называется датчиком.

Датчики чаще всего являются частью приборов для элек­трических измерений неэлектрических величин, которые имеют также измерительное устройство и регистрирующий прибор, соединенные между собою и датчиком кабелем или другой ли­нией связи. Примером приборов такого типа служат дистан­ционные манометры, термометры и другие приборы, предназ­наченные для исследования скважин.

По структурной схеме измерительные приборы можно раз­делить на две основные группы.

1. Приборы прямого преобразования (действия), структур­ная схема которых представлена цепью последовательно со­единенных звеньев. Их измерительная цепь обычно состоит из чувствительного элемента, преобразующего измеряемую ве­личину л'_вх (давление, расход, температура) в механическое перемещение элемента конструкции, связанного с указателем (пишущим пером). К приборам прямого действия относится большинство манометров, термометров, расходомеров и т. д.

2. Приборы уравновешивающего преобразования, схемы ко­торых характеризуются тем, что некоторые преобразования сигнала измерительной информации, выполняются в обратном направлении (от выхода к входу прибора), причем их резуль­тат полностью или частично уравновешивает либо саму из­мерительную величину, либо одну из промежуточных величин.

 

Конструкция любого прибора, как правило, состоит из двух основных частей: измерительного механизма и отсчетного уст­ройства.

Измерительный механизм прибора — часть конструкции, состоящая из элементов, взаимодействие которых вызывает их взаимное перемещение. Преобразовательный элемент, входя­щий в непосредственное соприкосновение со средой и преобра­зующий измеряемую величину в другую физическую вели­чину, называется чувствительным элементом.

Отсчетное устройство - совокупность деталей прибора, с помощью которых определяют числовое значение измеряе­мой величины. Состоит оно, как правило, из шкалы и указа­теля.

Шкала — часть отсчетного устройства, представляющая собой совокупность отметок (черта, штрих, точка), располо­женных вдоль какой-либо линии, соответствующих ряду по­следовательных значений величины. Промежуток между осями или центрами двух смежных отметок называется делением шкалы. Значение измеряемой величины, соответствующее од­ному делению, является ценой деления, которая может быть выражена в единицах измеряемой величины (именованная шкала) или в условных единицах (относительная шкала). Показания прибора отсчитывают по взаимному расположе­нию указателя и отметок шкалы.

Под показанием измерительного прибора понимают непо­средственный результат измерения, выраженный в виде зна­чения измеряемой величины или в некоторых условных едини­цах, например, процентах.

 

Типы измерительных приборов

По способу отсчета измеряемых величин приборы подраз­делены на показывающие, допускающие только отсчитывание показаний, и регистрирующие.

В свою очередь, показывающие приборы могут быть анало­говыми (показания являются непрерывной функцией измене­ний измеряемой величины) и цифровыми (показания представ­лены в цифровой форме).

Регистрирующие приборы могут быть аналоговыми и циф­ровыми. В этом случае они соответственно именуются само­пишущими (запись показаний в форме диаграммы) и печата­ющими, в которых предусмотрено печатание показаний в циф­ровой форме.

Глубинные (скважинные) приборы для гид­родинамических исследований. Большинство изме­рительных приборов используют по своему прямому назначе­нию в различных отраслях промышленности. В отдельных от­раслях часто применяют специальные приборы и аппаратуру, имеющие узко целевое назначение (например, глубинные при­боры, предназначенные для исследования скважин). Характер­ная особенность глубинных приборов состоит в том, что с их помощью можно измерять различные физические величины (давление, температуру, расход и др.) в точках, находящихся под земной поверхностью — в скважинах, колодцах, на дне океанов, морей и т. д.

По способу получения измерительной информации глубин­ные приборы подразделены на две группы: 1) автономные, результаты измерения которых можно получить только после извлечения их из скважины, и 2) дистанционные, обеспечива­ющие передачу сигнала измерительном информации по кабе­лю на поверхность земли

Автономные приборы выполнены, как правило, в виде еди­ной конструкции, спускаемой в скважину на проволоке или устанавливаемой в насосно-компрессорных трубах и в испы­тателях пластов. Используют их в основном для измерения давления, уровня жидкости и температуры.

Дистанционные приборы состоят из датчика, спускаемого в скважину на кабеле, и соединенного с ним наземного при­бора. Преимущества их заключаются в возможности непосред­ственного наблюдения за ходом исследования, я также одно­временного измерения нескольких величин. Скважинные при­боры, снабженные несколькими датчиками для определения разных физических величин, называют комплексными. Исполь- зование таких приборов позволяет повысить достоверность по­лучаемой в процессе исследования скважин информации. В настоящее время широко применяют дистанционные расхо­домеры, влагомеры и термометры, а также комплексные при­боры, обеспечивающие измерение двуx или более величин (давление, температура, расход, влагосодержание и др.).

С помощью дистанционных приборов послойно изучают продуктивные пласты и пропластки, а также контролируют работу механизированных скважин.

Погрешность измерений

Результаты всякого измерения, как бы тщательно оно ни выполнялось, неизбежно отличается от истинного значения ве­личин. Это отличие может обусловливаться несовершенством методов и средств измерений, недостаточным учетом влияния условий измерения, природой самих величин и различными другими факторами. Отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины называется погрешностью (ошибкой) измерения. (За истинное принимают действительное значение величины, полученное с наивысшей практически достижимой точностью).

 

Различают аб­солютную и относительную погрешности.

Абсолютная погрешность ∆х — разность между результатом измерения Q и действительным значением измеряемой вели­чины X:

Абсолютная погрешность выражается в единицах измеряемой величины. Так, если определяют длину, то абсолютную по­грешность выражают в миллиметрах или сантиметрах, если температуру — то в градусах и т. д.

Относительная погрешность δx — отношение абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины:

Величина относительной погрешности отвлеченное число и обычно выражается в процентах. Качество результатов изме­рений обычно удобно характеризовать такой погрешностью.

В зависимости от причин, вызывающих погрешность (иначе — их природы), различают систематическую и случай­ную погрешности и промахи.

К систематическим относят погрешности, которые при по­вторных измерениях в одних и тех же условиях проявляются одинаковым образом: значение их либо меняется по опреде­ленному закону, либо остается постоянным. Природа таких погрешностей в большинстве случаев известна, а их значение можно с достаточной точностью определить. К случайным от­носят погрешности, значение которых различно при повтор­ных измерениях одной и той же величины, выполненных оди­наковым образом. Кроме того, при измерениях могут быть допущены промахи, т. е. грубые ошибки, явно искажающие результат.

Часть общей систематической погрешности, зависящая от погрешности применяемых средств измерений, называется ин­струментальной погрешностью.