ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ

1.1. Общие сведения, термины и определения

Необходимость в получении информации о состоянии того или иного про-цесса или объекта возникает во всех областях науки и техники при проведении различных физических экспериментов, при контроле производственных и технологических процессов, при управлении движущимися объектами и т. п. При этом измерения являются основным методом, позволяющим получить первичную количественную информацию о величинах, характеризующих изучаемый или контролируемый объект или процесс. Информация, получаемая в результате измерений, называется измерительной информацией. При этом важную роль играет точность измерения, которая непосредственно зависит от точности измерительного устройства, являющегося техническим средством получения информации о контролируемом процессе.

Точность измерительного устройства определяется его принципом действия, структурным построением, выбором конструктивных параметров функ-циональных элементов, мероприятиями, используемыми для снижения статических и динамических погрешностей и другими особенностями его реализации.

Для обеспечения заданной точности измерительных устройств необходимо уже на этом этапе проектирования проводить исследование по выбору структуры и параметров, выявлению и последующему учету внешних и внутренних дестабилизирующих факторов, использованию эффективных методов по устранению их влияния на качество работы измерительного устройства.

Термины и определения основных понятий в области измерений, измерительных приборов и систем нормированы РМГ 29-99 и ГОСТ Р8.596-2002 [1, 2].

Измерением называется нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

(ГОСТ 5.1: Измерение – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины).

Результат измерения есть значение физической величины, найденной путем ее измерения.

Измерительная информация – это количественная оценка состояния материального объекта, получаемая экспериментально, путем сравнения параметров объекта с мерой (овеществленной единицей измерения).

(ГОСТ 5.17: измерительная информация – информация о значениях физических величин)

Измерения основаны на некоторой совокупности физических явлений, представляющих собой принцип измерений. Они осуществляются при помощи технических средств измерений, используемых при измерениях и имеющих нормированные метрологические параметры.

Средства измерений делятся на меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и измерительные системы (информационно – измерительные системы).

(ГОСТ п. 6.2 Средства измерения – техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени).

Мера – средство измерений, предназначенное для восприятия физической величины заданного размера (например, единицы измерения, ее дробного или кратного значения). Пример меры – мерная линейка (метр), являющейся мерой длины.

(ГОСТ п.6.10 Мера физической величины – Средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью).

Измерительный преобразователь – средство измерений для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

(ГОСТ п.6.17 Измерительный преобразователь – Техническое средство с нормативными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи).

По месту расположения измерительного преобразователя в общей структуре прибора, устройства или системы выделяют первичный измерительный преобразователь, вторичный и т. д., включая выходной измерительный преобразователь.

По принципу действия различают термоэлектрический, механический, пневматический и т. д. измерительные преобразователи.

По виду основного информативного сигнала или по характеру измерительного преобразования сигналов различают, например, резистивный, индуктивный, емкостной, пневмоэлектрический.

По варианту исполнения и форме преобразуемых сигналов преобразователя выделяют электронные, аналоговые, цифровые и т. п. измерительные преобразователи.

Кроме термина "измерительный преобразователь" используется близкий к нему термин – "датчик".

Датчик – это один или несколько измерительных преобразователей, служащих для преобразования измеряемой неэлектрической величины в электрическую и объединенных в единую конструкцию.

(ГОСТ п. 6.19 Датчик – Конструктивно обособленный первичный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы (он «дает» информацию))

Термин датчик обычно применяют в сочетании с физической величиной, для первичного преобразования которой он предназначен: датчик давления, датчик температуры, датчик скорости и т. д.

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

(ГОСТ п. 6.11 Измерительный прибор - Средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне).

Измерительная установка – совокупность функционально объединенных средств измерений, предназначенная для выработки нескольких сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем и расположенная в одном месте. Измерительная установка может содержать в своем составе меры, измерительные приборы, а также различные вспомогательные устройства.

(ГОСТ п. 6.12 Измерительная установка – Совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте).

Измерительная система – это совокупность средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления.

(ГОСТ п. 6.14 Измерительоная система – Совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта и т, п. с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях)

В связи с переходом к получению и использованию результатов многократных измерений, представляющих из себя поток измерительной информации о множестве однородных или разнородных измеряемых величин, возникла проблема их восприятия и обработки за ограниченное время, создания средств, способных разгрузить человека (экипаж) от необходимости сбора, обработки и представления в форме, доступной для восприятия и ввода в устройства управления или другие технические системы. Решение этой проблемы привело к появлению нового класса средств измерения, предназначенных для автоматизированного сбора информации от объекта, преобразования ее, обработки и раздельного или интегрального (обобщенного) представления. Такие средства (и не только бортовые) вначале получили название информационно – измерительные системы или измерительные информационные системы (ИИС). В последние годы все более часто их называют измерительно – вычислительными системами (ИВС).

Информационно – измерительные системы и измерительно – вычислительные системы – это совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств для получения измерительной информации, ее преобразования, обработки в целях представления потребителю (в том числе ввода в автоматические системы управления) в требуемом виде, либо автоматического осуществления логических функций контроля, диагностики, идентификации.

(ГОСТ 29-99 п. 6.15 стр. 10 Измерительно-вычислительный комплекс – это функционально-объединенная совокупность средств измерений, ЭВМ и вспомагательных устройств, предназначенная для выполения в составе измерительной системы конкретной измерительной задачи).

В общем случае под ИИC (ИВС) понимают системы, предназначенные для автоматического получения количественной информации от изучаемого (контролируемого) объекта путем процедур измерения и контроля, обработки этой информации по определенному алгоритму и выдачи ее в форме, удобной для восприятия или последуещего использования для управления объектом и решения других задач.

В составе ИИС и ИВС объединяются технические средства, начиная от датчиков и задатчиков и кончая устройствами выдачи информации, а также все алгоритмы и программы, необходимые как для управления работой системы, так и позволяющие решать измерительные, вычислительные и вспомагательные задачи.

Возможно объединения измерительных, информационно – измерительных и измерительно – вычислительных систем в измерительные, информационно – измерительные и измерительно – вычислительные комплексы в целях обеспечения совместной (комплексной) обработки их информации с необходимой точностью и надежностью.

1.2. Назначение и классификация измерительных приборов и систем

В виду многообразия типов и областей применения измерительных приборов и систем их назначение и признаки классификации рассмотрим на примере авиационных приборов и измерительных систем.

Как отмечается в работе [3], авиационные приборы и измерительные системы обеспечивают на борту измерение большого числа параметров, характеризующих режим полета самолета. В ходе полета эти параметры непрерывно изменяются. Информация о параметрах режимов полета используется для ручного или автоматического управления полетом, для контроля режимов работы силовых установок, определения параметров окружающей среды и т. п.

Движение самолета как твердого тела в пространстве состоит из поступательного движения (движения центра масс) и углового движения (движение вокруг центра масс). Положение центра масс самолета (точка O, рис. 1.1) относительно заданной системы отсчета OX₀Y₀Z₀ определяется линейными координатами: H – высотой полета; L – пройденным расстоянием; Z – боковым отклонением. Система OX_дY_д Z_д движется поступательно с центром масс самолета.

Высота измеряется по вертикали между самолетом и поверхностью, принятой за начало отсчета. Различают абсолютную, относительную, истинную высоты. Абсолютная высота H отсчитывается от уровня моря, относительная высота H_отн отсчитывается от некоторого выбранного уровня, например от места взлета или посадки; истинная высота H_истотсчитывается от места, над которым находится самолет в данный момент времени.

Рис. 1.1 Координаты поступательного движения центра масс самолета

Рис. 1.2 Координаты углового движения самолета относительно центра масс

Рис.1.3. Истинный, магнитный и компасный курсы самолета

Рис. 1.4. Положение скоростной системы координат

по отношению к связанной системе

Для определения углового положения самолета в пространстве вводится связанная система координат OXYZ (рис. 1.2). Ось OX направлена по продольной оси самолета. Ось OY расположена в плоскости симметрии и перпендикулярна оси OX. Ось OZ направлена в сторону правого крыла, перпендикулярна плоскости симметрии. Угловое положение самолета определяется тремя углами Эйлера (угловыми координатами): Dψ, υ, g. Угол Δψ между осью OX_д и проекцией связанной оси OX на горизонтальную плоскость X_дOZ_д называется углом рыскания. Угол υ между связанной осью OX и горизонтальной плоскостью называется углом тангажа. Угол γ между плоскостью симметрии самолета XOY и вертикальной плоскостью, проходящей через связанную ось OX, называется углом крена.

Направление полета самолета относительно земной системы координат определяется курсом ψ самолета, представляющим собой угол, отсчитываемый по часовой стрелке между направлением меридиана и проекцией продольной оси самолета на плоскость горизонта. В зависимости от меридиана, используемого в качестве линии отсчета (географический, магнитный, компасный), различают (рис. 1.3) истинный ψ, магнитный ψ_м и компасный ψ_к курсы. Магнитный курс ψ_м отличается от истинного курса ψ на величину магнитного склонения Δ_м, компасный курс ψ_к от магнитного курса ψ_м – на величину магнитной девиации Δ_к.

На практике курс измеряют также относительно ортодромии (ортодромический курс ψ_о). При этом под ортодромией понимают дугу большого круга, плоскость которого проходит через центр Земли.

Кроме линейных (H, L, Z) и угловых (Δψ, u, g, ψ) координат используются параметры, характеризующие движение самолета по отношению к набегающему потоку воздуха. Для этой цели вводится скоростная система координат OX_аY_аZ_а (рис. 1.4), связанная с вектором скорости движения самолета относительно воздушной среды, называемой истинной воздушной скоростью. Направление оси OX_а скоростной системы координат OX_аY_аZ_а совпадает с направлением вектора . Ось OY_а перпендикулярна оси OX_а и расположена в вертикальной плоскости, проходящей через ось OX_а. Ось OZ_а перпендикулярна плоскости X_аOY_а и направлена в сторону правого крыла.

Положение скоростной системы координат OX_аY_а Z_а по отношению к связанной системе координат OXYZ определяется углами a и b(рис. 1.4).

Угол aмежду проекцией вектора истинной воздушной скорости на плоскость симметрии самолета (XOY) и связанной осью OX называется углом атаки. Угол b между вектором истинной воздушной скорости и плоскостью симметрии самолета XOY называется углом скольжения.

В самолетовождении кроме истинной воздушной скорости используются также такие скорости полета, как индикаторная (приборная), путевая и вертикальная. Индикаторная скорость V_и – это истинная воздушная скорость, приведенная к нормальной (массовой) плотности воздуха. Путевая скорость V_п – это горизонтальная составляющая скорости движения летательного аппарата относительно земли. При наличии ветра путевая скорость равна геометрической сумме горизонтальных составляющих истиной воздушной скорости и скорости ветра. Вертикальная скорость V_в – это вертикальная составляющая скорости движения самолета относительно земли. Безразмерной характеристикой скорости полета самолета является число M, равное отношению истинной воздушной скорости к местной скорости звука.

В целях обеспечения требуемого качества управления движением по траектории в ряде случаев необходимо измерять производные линейных и угловых координат: угловые скорости и ускорения относительно связанных осей (w_x, w_y, w_z, ), линейное ускорение j по направлению связанной оси.

Режим работы силовой установки характеризуется комплексом параметров, определяющих тягу P_т, удельный расход топлива G_{уд. т}, температурную и динамическую напряженность его деталей и устойчивость работы. К этим параметрам относят степень повышения давления в компрессоре П_к^*, температуру газов T_з^* перед турбиной, расход G_в воздуха через двигатель, давление и скорость воздуха и газов по тракту двигателя и т. п.

Основными из отмеченных параметров являются величины T_з^* и П_к^*. В рабочих режимах обычно ограничиваются условием П_к^*=const; T_з^*= const. При неизменных параметрах внешних условий [3] величина П_к^* пропорциональна частоте вращения n в единицу времени. Поэтому в качестве измеряемых параметров при определении тяги, удельного расхода топлива, динамической и температурной напряженности деталей двигателя используют параметры n и T_з^*. Параметры n и T_з^* можно регулировать изменением расходов G_т основного и G_ф форсажного топлива, площади реактивного сопла, а также изменением угла установки лопаток направляющего аппарата компрессора.

В связи с тем, что условия работы приборов на самолете отличаются от условий работы приборов на земле разнообразием и сложным сочетанием различных внешних факторов, влияющих на работу приборов, к измеряемым на самолете параметрам относят также параметры окружающей среды и механических воздействий (вибраций, перегрузок).

Основные параметры, характеризующие режимы полета самолета и их измерители приведены в табл. 1.1 [3].

Авиационные приборы и измерительные системы можно классифицировать по назначению, принципу действия, дистанционности и способу воспроизведения измерямой величины.

По назначению приборы и системы подразделяют на пилотажно – навигационные приборы и системы, приборы контроля работы силовых установок, приборы для измерения параметров окружающей среды и приборы контроля за работой отдельных систем и агрегатов самолета.

По принципу действия приборы могут быть механическими, электрическими, гидравлическими, оптическими и др., а также комбинированными (электромеханическими и т. п.).

По способу управления приборы разделяют на недистанционные и дистанционные. Для дистанционного прибора характерно наличие линии связи, соединяющей разнесенные на некоторое расстояние датчик и индикатор. Линия связи может быть электрической, оптической, механической, пневматической, гидравлической.

По способу воспроизведения измеряемой величины приборы могут быть: с непосредственной выдачей информации, регистрирующими и измерительными преобразователями (датчики). Приборы с непосредственной выдачей информации подразделяют: на приборы с индикацией информации в виде цифровых или аналоговых данных; на приборы с выдачей изображения в виде силуэта самолета, экрана с картой обстановки и т. п.; на приборы, выдающие информацию в виде световых табло с надписями; на приборы, выдающие информацию в виде звукового сигнала, и др.

Регистрирующие приборы фиксируют информацию непрерывно на бумаге, магнитных лентах или дискретно с помощью печатающего устройства.

Измерители основных параметров полетаТаблица 1.1

Наименование параметра	Обозначение	Применяемый параметр
Пилотажно-навигационные параметры
Углы: рыскания тангажа крена курса   Истинная воздушная скорость Индикаторная скорость   Число Маха Путевая скорость   Высота полета   Боковое отклонение Пройденное расстояние   Вертикальная скорость   Угол атаки Угол скольжения Угловая скорость Угловое ускорение Линейное ускорение Угол сноса   Перегрузка	D ψ u γ ψ, ψм, ψк, ψо   V   Vи M Vп H, Hист, Hотн Z L Vв   α β ω j βс nп	Гирополукомпас, курсовая система Авиагоризонт, гировертикаль Авиагоризонт, гировертикаль Гироиндукционный компас, курсовая система Измеритель скорости, система воздушных сигналов Измеритель скорости, система воздушных сигналов Система воздушных сигналов Доплеровский измеритель скорости и угла сноса Корректор высоты, система воздушных сигналов Автоматическое навигационное устройство, навигационное вычислительное устройство Вариометр, дифференцирующее устройство Датчик угла атаки Датчик угла скольжения Датчик угловой скорости Дифференцирующее устройство Датчик линейных ускорений Доплеровский измеритель скорости и угла сноса Датчик перегрузок
Параметры режимов работы силовых установок
Частота вращения Температура в двигателе: перед турбиной за турбиной масла воздуха	n Tз* T4 Tм Tв	Измеритель частоты вращения   Термометры

Таблица 1.1 (продолжение)
Наименование параметра	Обозначение	Применяемый параметр
Давление в двигателе: топлива масла за компрессором в воздухозаборнике Перепад давлений на турбине Расход топлива: основного форсажного Количество топлива в баках: объемное весовое Крутящий момент Тяга двигателя Амплитуда вибрации Частота вибрации	Pм Pк Pпр   εт Gт Gф Vт Gт Mкр Pт aв fв	Манометры   Дифманометр   Расходомеры Топливомеры Моментомер Измеритель тяги Аппаратура для измерения параметров вибрации
Параметры окружающей среды
Параметры атмосферы: плотность относительная плотность температура давление влажность скорость ветра	ρ Δп T р χ W	Плотномеры   Термометр Манометр (барометр) Гигрометр Измеритель скорости

1.3. Условия эксплуатации измерительных приборов и систем

На измерительные приборы и системы в процессе работы и при длительной эксплуатации оказывают влияние различные внешние воздействия и факторы, основными из которых являются изменение температуры и давления окружающей среды, ионизирующие излучения, пыль и влажность, механические удары и вибрации, линейные и угловые ускорения и т. д.

Наиболее тяжелые условия эксплуатации характерны для авиационных приборов и измерительных систем. Требования к оборудованию самолетов и вертолетов, условия их эксплуатации и испытаний устанавливаются "Нормами летной годности самолетов и вертолетов" – НЛГС и НЛГВ [4, 5].

Общие технические требования к оборудованию по внешним воздействиям определяются в зависимости от типа и назначения самолета, условий его эксплуатации, типа и места размещения силовых установок, авиационного оборудования на самолете [3].

Изменение температуры и давления окружающей среды в широком диапазоне объясняется особенностями земной атмосферы. С ростом высоты температура, плотность и давление воздуха меняются, причем их изменение в зависимости от времени года, суток, места и метеоусловий носит различный характер. Это затрудняет градуировку высотно-скоростных приборов, основанных на использовании свойств земной атмосферы. В связи с этим на основе статистической обработки многолетних метеорологических данных разработана модель поведения атмосферы, представляющая характер изменения параметров воздуха от высоты, принятая за основу стандартной атмосферы (СА -73). Значения параметров воздуха на различных высотах по СА – 73 близки к средним значениям этих параметров в летнее время. Для СА – 73 исходными данными являются значения параметров воздуха на уровне моря и широте 45^º: давление 760 мм рт. ст.(101325 Па), температура +15^ºC (288,15 К), плотность 1,225 кг/м³, скорость звука 340,294 м/с. В табл. 1.2 приведены некоторые параметры из СА – 73 на высотах от – 1000 до 20000м [3].

Авиационные приборы и системы должны сохранять свою работоспособность в условиях повышенной и пониженной температур, циклического и быстрого изменения температуры окружающей среды. Изменение температуры приводит к изменению геометрических размеров деталей и физических параметров материалов (электрическое и магнитное сопротивление, модуль упругости и т. п.). С ростом температуры увеличивается износ трущихся поверхностей, понижается механическая и электрическая прочность.

Авиационное оборудование в зависимости от размещения на самолете подразделяется на оборудование, расположенное: а) в отсеках с регулируемой температурой; б) в отсеках с нерегулируемой температурой и в зонах, контактирующих с внешним потоком воздуха; в) в двигательных отсеках.

Во всех случаях нижний предел рабочей температуры равен -60ºC. Верхний предел для случая а равен +60ºC, для случая б определяется режимом полета, для случая в может равняться +300ºC. Скорость изменения температуры в случае а может достигать 2ºC/мин, в остальных случаях – 10ºC/мин. Испытание на устойчивость оборудования к тепловым воздействиям проводится при нормальном атмосферном давлении.

Для снижения вредного влияния изменения температуры среды для приборов выбирают материалы с малыми температурными коэффициентами, применяют схемы температурной компенсации, используют термообогрев и термостатирование приборов.

Значения нормируемых параметров пониженного давления р для авиационного оборудования устанавливают в зависимости от высотности самолетов, на которых оно устанавливается. Различают оборудование, предназначенное для высот до: 6000м (р»350 мм рт. ст.); 10000м (р»200 мм рт. ст.); 15000м (р»90 мм рт. ст.); 26000м (р»15 мм рт. ст.). Оборудование, устанавливаемое в гермокабинах и гермоотсеках, должно нормально функционировать при быстром (не более 15 с) изменении давления от 560 мм рт. ст. до значения, указанного в скобках и в условиях пониженного давления в течение 30 мин [3].

Понижение давления воздуха ухудшает отвод тепла от электрических узлов, усиливает испарение смазки подшипников, уменьшает электрическое напряжение пробоя изоляции. В целях уменьшения влияния понижения давления воздуха применяется герметизация приборов и заполнение их инертным газом.

В измерителях скорости в этих случаях используют специальные компенсаторы.

Повышенная влажность воздуха отрицательно сказывается на работе приборов. Отношение количества паров в определенном объеме к количеству насыщающих паров (при данной температуре) в процентах характеризует степень насыщенности воздуха водяными парами и называется относительной влажностью. Относительная влажность воздуха может меняться до 100%. Предельное количество водяных паров в воздухе зависит от его температуры, оно тем больше, чем выше температура.

Таблица 1.2