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. 
ISBN 978-5-9729-1545-3 
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). 
 
 
 
а) 
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) 
 
     
 
 
а 
б 
Рис. 1.6 Измерительные 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