Контрольно-измерительные приборы

Контрольно-измерительные приборы (КИП) — это класс устройств, предназначенных для получения количественной информации о параметрах физических процессов, состояния объектов и веществ путём измерения. КИП являются технической основой метрологии, автоматизации производственных процессов, научных исследований и контроля качества продукции. Они преобразуют измеряемую величину (давление, температуру, расход, уровень, электрический ток и т. д.) в сигнал, доступный для восприятия оператором или для передачи в системы управления.

История развития

Первые приборы для измерения физических величин появились в древности: водяные часы (клепсидры), рычажные весы, солнечные часы. Однако систематическое развитие контрольно-измерительной техники началось в XVII—XVIII веках с изобретением барометра (Эванджелиста Торричелли, 1643), термометра (Галилео Галилей, 1592; усовершенствован Габриэлем Фаренгейтом в 1714) и манометра (Эжен Бурдон, 1849).

В XIX веке, с развитием промышленной революции, возникла потребность в точном контроле параметров пара, давления и температуры в паровых машинах. Это стимулировало создание механических и пневматических контрольно-измерительных приборов. В XX веке, с внедрением электричества и электроники, появились электрические датчики, а затем и цифровые измерительные системы. В СССР и России метрологическая служба была централизована, что привело к созданию единой системы стандартизации и поверки приборов.

Классификация

Контрольно-измерительные приборы классифицируются по нескольким признакам.

По виду измеряемой величины

• Приборы для измерения давления: манометры, вакуумметры, барометры, дифференциальные манометры.
• Приборы для измерения температуры: термометры (жидкостные, биметаллические, термопарные, термометры сопротивления), пирометры.
• Приборы для измерения расхода и количества вещества: расходомеры (электромагнитные, ультразвуковые, вихревые, турбинные), счётчики газа, воды, тепла.
• Приборы для измерения уровня: уровнемеры (поплавковые, ёмкостные, ультразвуковые, радарные).
• Приборы для измерения электрических величин: амперметры, вольтметры, ваттметры, омметры, мультиметры, частотомеры.
• Приборы для измерения состава и свойств веществ: газоанализаторы, pH-метры, кондуктометры, плотномеры.

По принципу действия

• Механические: основаны на деформации упругих элементов (пружины, мембраны) или на тепловом расширении жидкостей и твёрдых тел.
• Электрические: преобразуют измеряемую величину в электрический сигнал (напряжение, ток, сопротивление, частоту).
• Пневматические: используют сжатый воздух для передачи сигнала (распространены в химической промышленности).
• Электронные: включают микропроцессорные блоки обработки, цифровые дисплеи, интерфейсы связи (RS-485, HART, Ethernet).

По способу представления информации

• Аналоговые: показывают значение на шкале с помощью стрелки или на ленте самописца. Пример — манометр с трубкой Бурдона.
• Цифровые: отображают значение в виде числа на жидкокристаллическом или светодиодном дисплее. Пример — цифровой мультиметр.
• Регистрирующие: записывают измеренные значения на бумагу (самописцы) или в память (логгеры данных).

По функциональному назначению

• Показывающие: только отображают текущее значение (например, термометр).
• Сигнализирующие: выдают сигнал (звуковой, световой) при выходе параметра за заданные пределы.
• Регулирующие: входят в состав систем автоматического регулирования (например, контроллеры с обратной связью).

Устройство и принцип работы

Типовой контрольно-измерительный прибор состоит из трёх основных частей:

1. Первичный преобразователь (датчик): воспринимает измеряемую величину и преобразует её в сигнал, удобный для дальнейшей обработки. Например, в манометре — трубка Бурдона, деформирующаяся под давлением; в термопаре — спай двух разнородных металлов, генерирующий термо-ЭДС.
2. Измерительная цепь: осуществляет обработку сигнала (усиление, фильтрацию, линеаризацию, аналого-цифровое преобразование). В аналоговых приборах это может быть рычажная передача, в цифровых — микроконтроллер.
3. Устройство отображения: представляет результат измерения оператору. В аналоговых приборах — шкала и стрелка, в цифровых — дисплей, в регистрирующих — перо и бумага или память.

Пример: манометр с трубкой Бурдона

Под действием давления трубка Бурдона (изогнутая трубка эллиптического сечения) стремится распрямиться. Её перемещение через рычажный механизм передаётся на стрелку, которая движется по шкале, градуированной в единицах давления (Па, кгс/см², бар).

Пример: термопара

При нагреве спая двух разнородных металлов (например, хромеля и алюмеля) возникает термоэлектродвижущая сила, пропорциональная разности температур между горячим и холодным спаями. Электронная схема усиливает этот сигнал, компенсирует температуру холодного спая и выводит значение температуры на дисплей.

Применение

Контрольно-измерительные приборы используются во всех отраслях промышленности, энергетики, транспорта, науки и быта.

• Промышленность: контроль давления в трубопроводах, температуры в реакторах, расхода жидкостей и газов, уровня в резервуарах. В химической, нефтегазовой, металлургической промышленности КИП являются основой систем автоматизации (АСУ ТП).
• Энергетика: на тепловых и атомных электростанциях — контроль параметров пара, воды, топлива, электрических величин.
• Жилищно-коммунальное хозяйство: учёт потребления воды, газа, тепла с помощью счётчиков; контроль давления в системах отопления и водоснабжения.
• Транспорт: на автомобилях, самолётах, судах — приборы контроля скорости, уровня топлива, температуры двигателя, давления в шинах.
• Научные исследования: в лабораториях — точные измерители температуры, давления, электрических сигналов, спектрометры, хроматографы.
• Медицина: тонометры, термометры, газоанализаторы, приборы для измерения биопотенциалов.

Метрологическое обеспечение

Для обеспечения точности и достоверности измерений контрольно-измерительные приборы подлежат обязательной поверке или калибровке. В России эту деятельность регулирует Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт). Поверка — это установление пригодности средства измерений к применению на основе экспериментального определения метрологических характеристик. Калибровка — определение действительных значений, но без выдачи заключения о пригодности.

Точность прибора характеризуется классом точности (например, 0,5; 1,0; 2,5), который указывает на допустимую погрешность в процентах от диапазона измерения. Чем меньше число, тем выше точность.

Современные тенденции

Современные контрольно-измерительные приборы всё чаще интегрируются в цифровые сети. Они оснащаются микропроцессорами, позволяющими выполнять самодиагностику, линеаризацию, фильтрацию помех, запись истории измерений. Широко применяются «умные» датчики с цифровыми интерфейсами (HART, Profibus, Foundation Fieldbus, Modbus), которые могут передавать данные непосредственно в системы управления предприятием.

Развитие беспроводных технологий (WirelessHART, LoRaWAN) позволяет создавать распределённые системы мониторинга без прокладки кабелей. В быту и промышленности распространяются IoT-приборы (интернет вещей), передающие показания на смартфоны или в облачные сервисы.

Интересные факты

• Самый старый из сохранившихся манометров (XVIII века) был изготовлен для паровой машины Джеймса Уатта.
• В СССР существовала единая система приборов «ГСП» (Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации), которая стандартизировала унифицированные выходные сигналы (0-5 мА, 0-20 мА, 0-10 В).
• Точность современных эталонных манометров достигает 0,01% от диапазона.
• В России действует Федеральный закон «Об обеспечении единства измерений» (№ 102-ФЗ), который устанавливает правовые основы метрологии.

Источники

• Федеральный закон от 26.06.2008 № 102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений».
• ГОСТ 8.401-80 «ГСИ. Классы точности средств измерений. Общие требования».
• ГОСТ 2405-88 «Манометры, вакуумметры, мановакуумметры, напоромеры, тягомеры и тягонапоромеры. Общие технические условия».
• Шишмарев В. Ю. «Средства измерений» — учебник для вузов, 2015.
• Британская энциклопедия (Encyclopaedia Britannica) — статья «Measurement instrument».