Измерительная техника и информационно-измерительные системы

 
 
 
 
 
 
И. В. РЯБОВ 
И. В. ПЕТУХОВ 
 
 
ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА 
И ИНФОРМАЦИОННОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ 
 
 
 
Учебное пособие 
 
2-е издание 
 
 
 
 
 
 
 
 
Йошкар-Ола 
2024 
1 

 
УДК 681.2.08(075.8) 
ББК  32.965.07я73 
Р 98 
 
Рецензенты: 
кандидат технических наук, зав. кафедрой информатики ПГТУ  
А. В. Кревецкий; 
кандидат технических наук, доцент кафедры конструирования  
и производства радиоаппаратуры В. Н. Леухин 
 
 
 
Печатается по решению  
редакционно-издательского совета ПГТУ 
 
 
 
 
Рябов, И. В.  
Р 98      Измерительная техника и информационно-измерительные системы: учебное пособие / И. В. Рябов, И. В. Петухов. – 2-е издание. – Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет, 2024. – 364 с.  
ISBN 978-5-8158-2409-6 
 
В учебном пособии изложены теоретические основы проектирования 
информационно-измерительных систем, даны важнейшие понятия измерительной техники, рассмотрены основные виды и методы измерений 
электрических и неэлектрических величин, актуальные методы преобразования аналоговых сигналов в цифровые, а также основные виды и 
структурные схемы информационно-измерительных систем. 
Для студентов, обучающихся по направлениям «Проектирование и 
технология электронно-вычислительных средств», «Управление и информатика в технических системах». 
 
УДК 681.2.08(075.8) 
ББК 32.965.07я73 
 
ISBN 978-5-8158-2409-6 
© И. В. Рябов, И. В. Петухов, 2024 
© Поволжский государственный  
технологический университет, 2024 
2 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
................................................................................. 6 
СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ........................ 8 
ВВЕДЕНИЕ 
......................................................................................... 9 
 
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ  
ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ...................................................... 14 
1.1. Основные понятия и определения метрологии ................. 14 
1.2. Единицы физических величин ............................................ 19 
1.3. Классификация и методы измерений ................................. 21 
1.4. Классификация средств измерений .................................... 26 
1.5. Метрологические характеристики средств измерений 
..... 33 
1.6. Классификация погрешностей ............................................ 39 
1.7. Модели измерительного процесса 
...................................... 47 
1.8. Систематические погрешности 
........................................... 51 
1.9. Случайные погрешности ..................................................... 55 
1.10. Обработка результатов измерений ................................... 65 
1.11. Суммирование погрешностей ........................................... 71 
1.12. Формы записи результатов измерений 
............................. 74 
Контрольные вопросы ................................................................ 75 
 
2. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ 
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН 
...................................................... 77 
2.1. Электромеханические измерительные приборы ............... 77 
2.2. Электромеханические приборы с преобразователями.... 100 
2.3. Измерительные трансформаторы тока и напряжения .... 104 
2.4. Электронные измерительные приборы ............................ 117 
2.5. Цифровые измерительные приборы ................................. 123 
2.6. Измерительные мосты и компенсаторы 
........................... 127 
Контрольные вопросы .............................................................. 139 
3 

 
3. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИЗМЕРЕНИИ  
НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН 
............................................... 141 
3.1. Основные характеристики измерительных  
преобразователей 
....................................................................... 141 
3.2. Схемы включения преобразователей в мостовые схемы . 147 
3.3. Динамические свойства преобразователей 
...................... 161 
3.4. Классификация измерительных преобразователей 
......... 167 
Контрольные вопросы .............................................................. 171 
 
4. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ...................... 172 
4.1. Фотоэлектрические преобразователи 
............................... 172 
4.2. Емкостные преобразователи ............................................. 184 
4.3. Тепловые преобразователи 
................................................ 192 
4.4. Ионизационные преобразователи 
..................................... 208 
4.5. Реостатные преобразователи 
............................................. 219 
4.6. Тензорезистивные преобразователи 
................................. 225 
4.7. Индукционные преобразователи ...................................... 235 
4.8. Магнитоупругие преобразователи 
.................................... 249 
4.9. Пьезоэлектрические преобразователи 
.............................. 258 
4.10. Гальванические преобразователи ................................... 264 
Контрольные вопросы .............................................................. 270 
 
5. КЛАССИФИКАЦИЯ АЦП, МЕТОДЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ  
И ПОСТРОЕНИЯ АЦП 
.................................................................. 272 
5.1. Аналого-цифровое преобразование сигналов ................. 272 
5.2. Классификация АЦП 
.......................................................... 275 
5.3. Построение АЦП ................................................................ 280 
Контрольные вопросы .............................................................. 292 
 
6. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 
..... 293 
6.1. Основные термины и определения ................................... 293 
6.2. Роль информационных процессов .................................... 297 
4 

 
6.3. Виды и структуры измерительных 
информационных систем 
.......................................................... 299 
6.4. Основные компоненты измерительных 
информационных систем 
.......................................................... 300 
6.5. Математические модели и алгоритмы измерений  
измерительных информационных систем 
............................... 302 
6.6. Разновидности измерительных  
информационных систем 
.......................................................... 304 
6.7. Телеизмерительные системы............................................. 315 
6.8. Системы автоматического контроля ................................ 319 
6.9. Системы технической диагностики 
.................................. 323 
6.10. Системы распознавания образов..................................... 328 
6.11. Особенности проектирования измерительных  
информационных систем 
.......................................................... 331 
6.12. Интерфейсы информационно-измерительных систем.. 349 
Контрольные вопросы .............................................................. 354 
 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
.............................................................. 356 
 
Приложение. Основные и производные единицы измерения 
.... 359 
 
5 

 
 ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
В учебном пособии рассмотрены основные принципы функционирования 
измерительных 
систем 
и 
информационноизмерительных комплексов, дана теоретическая база, необходимая для их последующего проектирования. 
В первой главе подробно показаны основы теории измерений, 
приведена классификация методов и средств измерений, их погрешностей.  
Во второй главе представлена классификация технических 
средств измерений электрических величин, дан анализ типичных 
измерительных приборов, обобщены сведения о принципе их 
действия и сформулированы рекомендации по их практическому 
использованию. 
В третьей главе авторы приводят общие сведения об измерении неэлектрических величин, представляют типовые схемы 
включения преобразователей в мостовые схемы, рассматривают 
вопросы обеспечения динамических свойств преобразователей. 
Четвертая глава посвящена изучению параметрических преобразователей, принцип действия которых основан на различных 
физических эффектах. 
Пятая глава учебного пособия включает сведения о принципах 
аналого-цифрового преобразования как типичного элемента информационно-измерительной системы, определяющего точностные и динамические характеристики измерителя. 
В шестой главе основной акцент сделан на структуре информационно-измерительных систем и принципах их проектирования. 
Рассмотренные в учебном пособии примеры иллюстрированы 
графическими и аналитическими решениями. 
Для систематизации изученного материала и самостоятельной проверки уровня его освоения в конце каждой главы при6 

 
ведены контрольные вопросы, полностью охватывающих теорию раздела. 
Предлагаемое вниманию читателей учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся 
по направлениям бакалавриата и магистратуры «Управление в 
технических системах» и «Конструирование и технология электронных средств». 
Изложенные здесь сведения о теоретических основах измерительной техники, методах и средствах измерений физических 
величин, различных датчиках для измерения электрических и 
неэлектрических величин, способах аналого-цифрового преобразования, а также измерительных информационных системах, 
несомненно, пригодятся им в будущей профессиональной деятельности. 
Авторы выражают благодарность д-ру физ.-мат. наук, профессору проректору по науке Марийского государственного университета А. Н. Леухину и заведующему кафедрой информатики Поволжского государственного технологического университета, 
канд. техн. наук, профессору А. В. Кревецкому, взявшим на себя 
труд по рецензированию данной книги и сделавшим ряд полезных замечаний, учтенных при подготовке рукописи к печати. 
7 

 
СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 
 
АИС – аппроксимирующая информационная система  
АЦП – аналого-цифровое преобразование  
ВАХ – вольтамперная характеристика 
ГСП – государственная система приборов 
ГСТ – генератор стабильного тока  
ИВК – измерительно-вычислительный комплекс 
ИИП – индукционные измерительные приборы  
ИИС – измерительная информационная система 
ИМ – измерительный механизм 
ИС – измерительная система 
ИТН – измерительный трансформатор напряжения 
ИТТ – измерительный трансформатор тока 
ИУ – измерительные установки 
КПТ – компенсатор постоянного тока 
КТС – комплексное техническое средство  
МКС-система (метр, килограмм, секунда) 
МП – масштабные преобразователи 
МЭП – магнитоэлектрические приборы 
СГС-система (сантиметр, грамм, секунда) 
СИ – средство измерений 
ТЗ – техническое задание 
ТП – технический проект 
ТЭО – технико-экономическое обоснование 
УУ – устройство управления  
ФД – фотодиод  
ФДПУ – ферродинамические измерительные приборы 
ЦАП – цифроаналоговый преобразователь  
ЦИП – цифровые измерительные приборы  
ЦОУ – цифровое отсчетное устройство  
ЭВ – электронные вольтметры 
ЭДИП – электродинамические измерительные приборы 
ЭМИП – электромагнитные измерительные приборы  
ЭСИП – электростатические измерительные приборы 
8 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Трудно переоценить роль информационно-измерительной 
техники и измерительных технологий во всех сферах деятельности и жизни общества. Еще великий Галилео Галилей (XVII век) 
утверждал: «Надо измерять все измеряемое и делать измеримым 
то, что пока еще не поддается измерению». Измерение – один из 
важнейших способов познания. Крылатой фразой стало изречение Д. И. Менделеева: «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять; точная наука немыслима без меры». 
В различные исторические периоды состояние мер и измерительной техники находилось в зависимости от хозяйственной деятельности, общественных, религиозных и других факторов жизни общества. 
Крупнейшие строительные работы глубокой древности на реке Ниле, строительство храмов, дворцов, надгробий в Египте 
возможны были только при достаточно хорошо разработанной 
технике линейных, поверхностных, объемных измерений и наличии довольно точных узаконенных мер. 
Широко известны древние меры Египта, Вавилона и Руси. 
Принципы построения вавилонской системы мер проникли в другие страны (Сирию, Финикию, Индию, Турцию и др.). Вавилоняне впервые в истории народов установили единицы времени: 
год, месяц, час, минута, секунда. Им же принадлежит идея построения кратных и дробных производных однородных единиц 
измерения. 
Наиболее ранняя попытка создания узаконенных мер имела 
место в Греции в период правления Соломона (VI век до нашей 
эры). Мерой длины в то время в Греции был фут, равный приблизительно 297 мм. 
9 

 
В более позднее время попытка введения мер, обязательных 
для всех измерений и одинаковых во всей стране, имела место в 
Англии в 1001 и 1215 годах, во Франции (1321), в Австрии 
(1438). Узаконенные меры появились в Англии в 1494 году. Во 
Франции эталон длины туаз (1735), в России эталон единицы 
массы один фунт (1747), в Англии были изготовлены эталоны 
единицы длины – ярд и единица массы – фунт (1766). 
В 1790 году в Учредительном собрании Франции был поставлен вопрос о создании и узаконении единой и для всех обязательной, контролируемой государственной системы мер. Платиновые эталоны метра и килограмма в 1799 году были переданы 
на хранение в архив Французской республики. Вся совокупность 
метрических мер, созданных и узаконенных во Франции в конце 
XVIII века, легла в основу метрической системы мер, некоторые 
единицы метрических мер вошли в качестве основных единиц в 
систему единиц СИ. 
В связи с бурным развитием науки об электричестве стали создаваться электроизмерительные приборы. Русский академик 
Г. В. Рихтер изобрел в 1745 году электрометр, А. Ампер демонстрировал первый гальванометр (1820), О де ля Рив изготовил и 
демонстрировал тепловой электроизмерительный прибор (1837), 
Ф. Уппенборн изобрел электромагнитный прибор (1881). Карл 
Гаусс в 1832 году изложил методику составления системы магнитных единиц, которую Вебер (1804-1891) дополнил электрическими единицами. М. О. Доливо-Добровольскому принадлежит 
первенство в создании индукционных приборов: ваттметра, фазометра и др. 
В 1867 году в Париже был организован Международный комитет мер и весов, основная задача которого состояла в тщательном изучении метрических мер, сравнении их с другими мерами, 
10