Метрология и средства измерений

В.Ф. ПЕЛЕВИН

МЕТРОЛОГИЯ 
И СРЕДСТВА 
ИЗМЕРЕНИЙ

Допущено 
Министерством образования Республики Беларусь 
в качестве учебного пособия для студентов 
учреждений высшего образования 
по техническим и технологическим специальностям  

2022

Москва
«ИНФРАМ»

УДК [006.91+621:53.08](075.8)
ББК 30.10я73
 
П24

Пелевин, В.Ф.
Метрология и средства измерений : учебное пособие / 
В.Ф. Пелевин. — Москва : ИНФРА-М, 2022. — 273 с. : ил. — 
(Высшее образование: Бакалавриат).

ISBN 978-5-16-006769-8 (print)
ISBN 978-5-16-104498-8 (online)

Изложены основы метрологии и измерительной техники. Приведена классификация и описаны основные методы и средства автоматического контроля 
основных параметров технологических процессов в пищевой и химической 
промышленности. Рассмотрены вопросы обработки результатов измерений. 
Приводятся сведения о новых видах современных средств измерений, в том 
числе интеллектуальных.
Для студентов вузов, обучающихся по техническим и технологическим специальностям, и слушателей института повышения квалификации.

УДК [006.91+621:53.08](075.8)
ББК 30.10я73

П24

 
© Пелевин В.Ф., 2013
 
© ООО «Новое знание», 2013
ISBN 978-5-16-006769-8 (print)
ISBN 978-5-16-104498-8 (online)

Р е ц е н з е н т ы:
кафедра радиоэлектроники Полоцкого государственного университета 
(зав. кафедрой — кандидат технических наук, доцент С.В. Мальцев);
проректор по научной работе Белорусско-Российского университета,  доктор технических наук В.М. Пашкевич

Оглавление

Предисловие................................................................................................................................5

Список сокращений..................................................................................................................7

Введение.....................................................................................................................................9

Глава 1. Основы метрологии и измерительной техники.......................................13
1.1..Основные.понятия.и.определения..........................................................................13
1.2..Классификация.измерений........................................................................................18
1.3..Единицы.измерений.....................................................................................................20
1.4..Классификация.методов.измерений.......................................................................21
1.5..Классификация.средств.измерений........................................................................23
1.6..Государственная.система.промышленных.приборов.и.средств.

автоматизации.................................................................................................................26

1.7..Основные.элементы.и.структурные.схемы.измерительных.приборов......28
1.8..Метрологические.характеристики.средств.измерений....................................31
1.9..Надежность.средств.измерений...............................................................................45
1.10..Метрологическая.служба.и.единство.измерений............................................47
1.11..Погрешности.результатов.измерений..................................................................52
1.12..Обработка.результатов.измерений........................................................................57
1.13..Методы.повышения.точности.измерений.и.точности.средств.

измерений.........................................................................................................................62

1.14..Неопределенность.измерения.и.оценка.неопределенности.

результата.измерений...................................................................................................66

Глава 2. Первичные измерительные преобразователи (датчики)....................70

Глава 3. Системы передачи измерительной информации....................................83
3.1..Назначение.и.классификация.систем.передачи.измерительной.

информации.....................................................................................................................83

3.2..Электрические.системы.передачи.измерительной.информации.................84
3.3..Пневматическая.система.передачи.измерительной.информации...............92
3.4..Пневмоэлектрические.и.электропневматические.преобразователи...........94

Глава 4. Измерение температуры..................................................................................97
4.1..Температурные.шкалы.и.классификация.средств.измерения.

температуры.....................................................................................................................97

4.2..Термометры.расширения............................................................................................99
4.3..Термоэлектрические.термометры......................................................................... 107
4.4..Электрические.термометры.сопротивления.

(термопреобразователи.сопротивления)............................................................ 122

4.5..Динамические.характеристики.средств.измерения.температуры............ 140

Оглавление
4

4.6..Измерение.температуры.твердых.тел................................................................. 142
4.7..Измерение.температуры.газовых.и.жидкостных.потоков..

Погрешности.измерения.......................................................................................... 145

4.8..Пирометры.излучения.............................................................................................. 148

Глава 5. Измерение давления, разряжения и разности давлений................ 164
5.1..Виды.давления..Классификация.средств.измерения.давления................ 164
5.2..Жидкостные.средства.измерения.давления..................................................... 166
5.3..Деформационные.средства.измерения.давления............................................ 172
5.4..Поршневые.манометры............................................................................................ 184
5.5..Электрические.манометры...................................................................................... 186
5.6..Интеллектуальные.средства.измерения.давления......................................... 189
5.7..Выбор.средств.измерения.давления.и.их.установка..................................... 195

Глава 6. Измерение количества и расхода жидкости, газа, пара 
и сыпучих тел...................................................................................................................... 197
6.1..Основные.понятия..Классификация.средств.измерения.расхода............ 197
6.2..Весовые.измерители.количества.твердых.и.сыпучих.веществ.................. 198
6.3..Счетчики........................................................................................................................ 204
6.4..Расходомеры.скоростного.напора........................................................................ 212
6.5..Расходомеры.переменного.перепада.давления.(дроссельные.

расходомеры)................................................................................................................ 214

6.6..Расходомеры.постоянного.перепада.давления................................................ 230
6.7..Расходомеры.переменного.уровня....................................................................... 235
6.8..Электромагнитные.расходомеры.......................................................................... 237
6.9..Тепловые.расходомеры............................................................................................. 238
6.10..Ультразвуковые.расходомеры.............................................................................. 241
6.11..Вихревые.расходомеры.......................................................................................... 245
6.12..Кориолисовые.расходомеры................................................................................. 246
6.13..Оптические.(лазерные).расходомеры............................................................... 248
6.14..Интеллектуальные.средства.измерения.расхода.......................................... 250

Приложение. Функции метрологической службы предприятия................... 270

Литература.......................................................................................................................... 271

Предисловие

В основе.настоящего.учебного.пособия.—.курс.лекций.по.дисципли
не.«Метрология,.технологические.измерения.отрасли.и.сертификация.
приборов»,.читавшихся.автором.для.студентов.третьего.курса.Могилевского.государственного.университета.продовольствия.по.специальности.
1-53.01.01.«Автоматизация.технологических.процессов.и.производств»..
Пособие.составлено.в.соответствии.с.рабочей.программой.курса,.рассчитанной.на.два.семестра.лекционных.занятий.

Дисциплина.«Метрология,.методы.и.приборы.технических.измере
ний».входит.в.цикл.основных.общепрофессиональных.дисциплин.по.специальности.«Автоматизация.технологических.процессов.и.производств»..
Целью.данной.дисциплины.является.изучение.основных.средств.получения,.передачи.и.представления.измерительной.информации.в.ТП.

Основные задачи.изучения.данной.дисциплины:

‰ сформировать.представление.о.методах.и.средствах.получения.ИИ;

‰ ознакомить.с.различными.средствами.получения.и.представле
ния.ИИ,.их.классификацией,.принципами.действия,.техническими.и.метрологическими.характеристиками,.а.также.с.основами.теории.погрешностей.измерений;

‰ привить.навыки.обоснованного.выбора.СВИ.в.зависимости.от.

значений.контролируемых.параметров.и.специфики.ТП;

‰ научить. выбирать. верный. метод. получения. достоверной. ИИ,.

а.также.использования.методик.поверок.и.аттестации.средств.получения.ИИ.

После.изучения.данной.дисциплины.студент.должен.иметь пред
ставление:

‰ о.метрологии,.метрологических.характеристиках.(МХ).СВИ,.мет
рологическом.контроле.и.надзоре.за.СВИ,.метрологическом.обеспечении.производства;

‰ методах.автоматического.анализа.параметров.ТП;

‰ видах.и.оценке.погрешностей.методов.измерений.и.СВИ,.методах.

обработки.ИИ;

‰ информационно-измерительных.системах.(ИИС),.их.построении.

и.использовании.

После.изучения.данной.дисциплины.студент.должен.знать:

‰ основы.метрологии.и.организации.метрологической.службы;

‰ виды.СВИ.основных.параметров.ТП.и.принцип.их.действия;

‰ метрологические.характеристики.основных.СВИ;

‰ методы.измерения.технологических.параметров.отрасли;

‰ основные.типы.первичных.измерительных.преобразователей;.вто
ричных.приборов.и.комплексов.для.автоматизированных.измерений;

Предисловие
6

‰
‰ основы выбора измерительных средств в ГСП;

‰
‰ основы методов обработки сигналов ИИ в современных измери
тельных комплексах и системах;

‰
‰ основы сертификации ИП.
Содержание пособия предполагает предварительное изучение студентами таких дисциплин, как:

‰
‰ высшая математика с основами теории вероятностей и математической статистики;

‰
‰ информатика с технологией хранения и обработки информации;

‰
‰ физика в полном объеме;

‰
‰ химия органическая и неорганическая;

‰
‰ теоретические основы электротехники с теорией электрических 

цепей постоянного и переменного тока и теорией электромагнитного 
поля;

‰
‰ электроника и электронные устройства автоматики с элементами 

цифровой техники.

В процессе изучения дисциплины «Метрология. Методы и приборы 

технических измерений» студенты выполняют лабораторные работы, 
решают задачи и пишут курсовую работу.

В пособии рассмотрены вопросы метрологии с основами теории по
грешности; физические явления, положенные в основу работы различных СВИ; схемы измерительных приборов и преобразователей; системы 
передачи ИИ. В него вошли также материалы по современным средствам измерения температуры, давления, расхода, основанных на интеллектуальных технологиях. Включены сведения по применению концепции неопределенности измерений при обработке результатов измерений.
Предлагаемое учебное пособие направлено не только на изучение 

данной дисциплины, но и на помощь будущим инженерам по автоматизации как в решении задач, возникающих в их практической деятельности, так и в перспективе рассмотренных проблем.

Терминология, излагаемая в пособии, соответствует действующим 

Государственным стандартам Республики Беларусь.

Список сокращений

 АВСВИ — автоматическое средство измерения
 
АК — автоматический контроль

 
АР — автоматический регулятор

 АСВИ — автоматизированное средство измерения
 
АСУ — автоматическая система управления

 
АЦП — аналого-цифровой преобразователь

 
АЧТ — абсолютно черное тело

 
АЧХ — амплитудная частотная характеристика

 
БИС — большая интегральная схема

 
ВПИ — верхний предел измерений

 
ВУ — вычислительное устройство

 
ГСП — Государственная система промышленных приборов и средств

автоматизации

 
ГХ — градуировочная характеристика

 
ДМ — дифференциальный манометр

 
ДТП — дифференциальный трансформаторный преобразователь

 
ДХ — динамическая характеристика

 
ЖКИ — жидкокристаллический индикатор

 
ИВ — измеряемая величина

 
ИВК — измерительно-вычислительный комплекс

 
ИВС — измерительно-вычислительная система

 
ИД — интеллектуальный датчик

 
ИИ — измерительная информация

 
ИИС — измерительная информационная система

 
ИМ — исполнительный механизм

 
ИП — измерительный прибор

 
ИПР — измерительный преобразователь

 
ИПС — источник питания стабилизированный

 
ИС — измерительная система

 
ИСГ — измерительный сигнал

 
ИУ — измерительное устройство

 
КП — коэффициент передачи

 
КТ — класс точности

 
МИ — методика измерений

 
МО — метрологическое обеспечение

 
МП — микропроцессор

 
МС — метрологическая служба

 
МХ — метрологическая характеристика

 
НИ — нуль-индикатор

 
НП — нормирующий преобразователь

Список сокращений
8

 
НСХ — номинальная статистическая характеристика

 
ОИ — объект измерения

 
ОС — обратная связь

 
ПИП — первичный измерительный преобразователь

 
ПТС — полупроводниковый термопреобразователь сопротивления

 
ПФ — передаточная функция

 
РМ — расходомер

 
САК — система автоматического контроля

 
САР — система автоматического регулирования

 
СВИ — средство измерения

 
СИИ — сигнал измерительной информации

 
СКО — среднее квадратическое отклонение

 СКОП — средняя квадратическая относительная погрешность
 СОЕИ — система обеспечения единства измерений
 СПИИ — система передачи измерительной информации
 
СТД — система технической диагностики

 
СУ — сужающее устройство

 
СХ — статическая характеристика

 
СЭС — спектральная энергетическая яркость

 
СЭЯ — спектральная энергетическая яркость

 
ТИ — технологические измерения

 
ТИС — телеизмерительная система

 
ТКС — температурный коэффициент электрического сопротивления

 
ТП — технологический процесс

 
ТПС — термопреобразователь сопротивления

 
ТСП — термопреобразователь сопротивления платиновый

 
ТСМ — термопреобразователь сопротивления медный

 
ТХП — технологические параметры

 
ТЭП — термоэлектрический преобразователь

 
УМ — уравновешенный мост

 
УФС — унифицированный сигнал

 
ФВ — физическая величина

 
ФП — функция преобразования

 
ФЧХ — фазовая частотная характеристика

 
ФЭ — фотоэлемент

 
ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь

 
ЦИУ — цифровое измерительное устройство

 
ЧХ — частотная характеристика

 
ЧЭ — чувствительный элемент

 
ЭДС — электродвижущая сила

ВВЕДЕНИЕ

Проведение. современного. технологического. процесса. (ТП).

ввиду.его.сложности.невозможно.без.автоматизации,.т.е..без.создания.системы.автоматического.контроля.(АК).параметров,.системы.автоматического.регулирования.(САР).и.автоматизированной.
системы.управления.технологического.процесса.(АСУ.ТП)..Для.
успешного.функционирования.этих.систем.следует.располагать.
информацией.о.состоянии.объекта.автоматизации,.которую.можно.
получить.только.путем.измерений.

Измерительная.техника.исторически.развивалась.ввиду.объек
тивных.потребностей.промышленности..Трудоемкость.измерений.
и.контроля.в.развитых.странах.составляет.до.25.%.трудоемкости.
всего.производства.

Различные.измерения.осуществляются.с.помощью.специальных.

технических.средств.измерения.(СВИ).

В.зависимости.от.использованной.элементной.базы,.техноло
гии.изготовления,.схемных.решений,.конструкторских.особенностей.СВИ.исторически.можно.отнести.к.соответствующему.поколению:

1-е поколение.(1930–1950-е.гг.).—.ручное.управление,.электро
вакуумные.приборы,.объемный.монтаж.электрорадиоэлементов,.
большие.габариты,.высокое.энергопотребление,.низкая.надежность.
(250.ч.на.отказ);

2-е поколение.(1960-е.гг.).—.ручное.управление,.полупроводни
ковые.приборы,.объемный.и.печатный.монтаж,.меньшие.веса.и.габариты,.меньшее.энергопотребление,.выше.надежность.(500.ч.на.
отказ);

3-е поколение.(1970-е.гг.).—.полуавтоматическое.управление,.

интегральные.микросхемы,.печатный.монтаж,.уменьшение.веса.
и.габаритов,.повышение.надежности.(более.1000.ч.на.отказ),.цифровая.индикация;

4-е поколение.(1980-е.гг.).—.автоматизированные.приборы.на.

базе.больших.интегральных.схем.(БИС),.многоуровневые.печатные.
платы,.встроенные.микропроцессоры.и.микроЭВМ,.встроенные.
интерфейсные.функции,.единая.форма.приема.и.передачи.сигналов,.возрастание.надежности.в.несколько.раз;

5-е поколение. (1990–2000-е. гг.). —. автоматизация. процессов.

управления,.измерений.и.обработки.результатов.измерений,.встро

Введение
10

енная.цифровая.и.вычислительная.техника,.многослойные.печатные.платы,.встроенный.быстродействующий.интерфейс,.функции.
самодиагностики.и.самопроверки,.адаптация.к.внешним.условиям,.
надежность.более.5000.ч.на.отказ,.увеличение.достоверности.результатов.измерений,.повышение.точности.приборов.до.30.раз,.
уменьшение.веса.и.габаритов.до.10.раз;.упрощение.процесса.работы.с.приборами.

Измерительная.техника.выдает.измерительную.информацию.

(ИИ). для. последующего. анализа,. обработки. и. управления. ТП..
Эта.информация.необходима.для.обеспечения.надежности.и.безопасности.производства,.контроля.качества.продукции..В.процессе.
производства.параметры.ТП.должны.непрерывно.измеряться,.отклонение.их.от.заданных.величин.допусков.приводит.к.перерасходу.материала.и.энергетических.ресурсов,.повышению.себестоимости.продукции.и.износу.оборудования,.созданию.аварийных.
ситуаций..В.современных.условиях.объективная.и.своевременная.информация.обеспечивает.взаимосвязь.спроса,.цены.и.объема.
выпускаемой.продукции,.т.е..экономическую.стабильность.предприятия.

Базой.современной.АСУ.ТП.и.САР.является.система.автома
тического.контроля.(САК)..Научной.основой.САК.служат.метрология.и.физические.принципы.измерений.параметров,.а.технической.базой.—.СВИ.

Современные.измерительные.приборы.и.системы.основаны.на.

использовании.достижений.цифровой.микропроцессорной.техники,.применении.контроллеров.и.персональных.компьютеров,.создании.информационно-измерительных.систем.(ИИС).и.из.ме.ритель.но-вычислительных.комплексов.(ИВК).

Для.повышения.качества.выпускаемых.СВИ,.проведения.самих.

измерений,.а.следовательно,.и.повышения.качества.выпускаемой.
продукции.используется.сертификация.СВИ,.применяются.аттестованные.методики.проведения.измерений.аккредитованными.органами.по.сертификации.и.испытательными.лабораториями.

Усложнение.современных.ТП,.увеличение.скорости.их.проте
кания,.повышение.требований.на.допуски.по.ингредиентам,.повышение.требований.к.качеству.продукции.и.экологии.окружающей.
среды.ведет.к.появлению.новых.методов.измерений.и.СВИ..Такими.
направлениями.являются.повышение.точности,.чувствительности,.
надежности.и.безопасности.СВИ.и.методик.измерения.