Nguyên Lý Đo Lường và Thiết Bị Đo lường, 3rd Edition của Alan S. Morris

• Tác giả: Alan S. Morris
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Đo lường và Thiết bị đo
• Đề tài: Nguyên tắc Đo lường và Thiết bị đo
• Loại tài liệu: Sách giáo khoa
• Năm xuất bản: 2001
• Địa điểm: Oxford

Tóm tắt

I. Tổng quan về Measurement and Instrumentation Principles

Cuốn sách "Measurement and Instrumentation Principles" của tác giả Alan S. Morris là tài liệu giảng dạy hàng đầu về nguyên lý đo lường và thiết bị đo. Ấn bản thứ ba do nhà xuất bản Butterworth-Heinemann phát hành, cung cấp nền tảng kiến thức toàn diện cho sinh viên kỹ thuật và chuyên gia trong lĩnh vực đo lường. Sách được chia thành nhiều phần rõ ràng. Phần đầu tiên trình bày các nguyên tắc cơ bản của đo lường. Phần tiếp theo đi sâu vào đặc trưng kỹ thuật của thiết bị đo. Các chương sau thảo luận về sai số, hiệu chuẩn, và kỹ thuật xử lý tín hiệu đo lường. Mỗi chương đều có câu hỏi tự kiểm tra ở cuối. Điều này giúp người đọc củng cố kiến thức một cách chủ động. Văn phong sách rõ ràng, logic, phù hợp cho cả người mới bắt đầu và người đã có kinh nghiệm. Tác giả nhấn mạnh tầm quan trọng của việc hiểu rõ đặc trưng tĩnh và động của thiết bị đo. Kiến thức này là nền tảng để lựa chọn thiết bị phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể. Cuốn sách cũng đề cập đến xu hướng phát triển của thiết bị đo thông minh trong thời đại công nghệ số.

1.1. Giới thiệu sách và tác giả Alan S. Morris

Alan S. Morris là giáo sư kỹ thuật tại Đại học Sheffield Hallam, Anh Quốc. Ông có nhiều năm kinh nghiệm giảng dạy và nghiên cứu trong lĩnh vực đo lường công nghiệp. Cuốn "Measurement and Instrumentation Principles" là kết tinh của quá trình nghiên cứu và thực hành lâu dài. Ấn bản thứ ba được cập nhật với nhiều nội dung mới. Các chủ đề về thiết bị đo thông minh và hệ thống đo lường số được mở rộng đáng kể. Sách cũng bổ sung thêm ví dụ thực tế và bài tập minh họa. Nhà xuất bản Butterworth-Heinemann phát hành cuốn sách này như một phần trong series sách kỹ thuật uy tín. ISBN 0 7506 5081 8 giúp định danh chính xác tài liệu trong hệ thống thư viện toàn cầu.

1.2. Cấu trúc nội dung chính của cuốn sách

Cuốn sách được tổ chức thành nhiều phần nội dung logic. Phần 1 trình bày nguyên tắc đo lường cơ bản, bao gồm giới thiệu về đo lường, loại thiết bị và đặc trưng kỹ thuật, sai số trong quá trình đo. Phần 2 đi sâu vào kỹ thuật đo các đại lượng vật lý cụ thể như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng và dịch chuyển. Phần 3 tập trung vào xử lý tín hiệu đo lường. Các kỹ thuật khuếch đại, lọc tín hiệu, và chuyển đổi analog-số được trình bày chi tiết. Phần 4 đề cập đến hiển thị, ghi dữ liệu và truyền thông trong hệ thống đo lường hiện đại. Mỗi chương bắt đầu bằng mục tiêu học tập và kết thúc bằng câu hỏi tự kiểm tra. Cấu trúc này tạo điều kiện cho việc tự học hiệu quả.

II. Phân tích đặc trưng và sai số trong đo lường

Việc hiểu rõ đặc trưng kỹ thuật của thiết bị đo là yếu tố then chốt trong đo lường chính xác. Cuốn sách phân loại đặc trưng thành hai nhóm chính: đặc trưng tĩnh và đặc trưng động. Mỗi nhóm phản ánh một khía cạnh khác nhau của hiệu suất thiết bị. Đặc trưng tĩnh bao gồm độ chính xác, độ nhạy, dải đo, và độ lặp lại. Độ chính xác thể hiện sự gần đúng giữa giá trị đo và giá trị thực. Độ nhạy cho biết mối quan hệ giữa thay đổi đầu vào và thay đổi đầu ra của thiết bị. Đặc trưng động mô tả hành vi của thiết bị theo thời gian. Thiết bị bậc zero, bậc nhất, và bậc hai có đáp ứng động khác nhau. Hiểu rõ các đặc trưng này giúp dự đoán hành vi thiết bị trong điều kiện vận hành thực tế. Sai số đo lường là vấn đề không thể tránh khỏi. Sách phân loại sai số thành sai số có hệ thống và sai số ngẫu nhiên. Sai số có hệ thống xuất hiện do nhiều nguyên nhân: ảnh hưởng môi trường, mài mòn thiết bị, và nhiễu đo lường.

2.1. Đặc trưng tĩnh và động của thiết bị đo

Đặc trưng tĩnh của thiết bị đo bao gồm nhiều thông số quan trọng. Độ chính xác thể hiện mức độ gần đúng của phép đo so với giá trị thực. Độ chính xác khác biệt với độ chụm, phản ánh khả năng cho kết quả lặp lại. Dải đo xác định giới hạn trên và dưới của đại lượng đo được. Độ nhạy đo lường là tỷ lệ giữa thay đổi đầu ra và thay đổi đầu vào. Trong ví dụ nhiệt điện cặp tungsten-rhenium, độ nhạy được tính bằng mV trên độ C. Độ nhạy nhiễu đo lường ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài. Nhiệt độ môi trường có thể gây ra trôi độ nhạy và trôi zero. Thiết kế cẩn thận và hiệu chuẩn định kỳ giúp giảm thiểu các ảnh hưởng này.

2.2. Các nguồn sai số trong quá trình đo lường

Sai số có hệ thống là loại sai số lặp lại có quy luật. Chúng xuất hiện nhất quán trong cùng điều kiện đo. Các nguồn chính bao gồm nhiễu từ quá trình đo, ảnh hưởng môi trường, và mài mòn linh kiện thiết bị. Nhiễu đo lường xảy ra khi thiết bị đo tác động ngược lại đối tượng đo. Ví dụ, nhiệt kế tiếp xúc sẽ hấp thụ nhiệt từ vật đo, làm thay đổi nhiệt độ thực tế. Sai số ngẫu nhiên không theo quy luật nhất định. Chúng dao động không thể dự đoán trước. Phân tích thống kê là công cụ chính để xử lý loại sai số này. Đường phân bố tần số giúp trực quan hóa và đánh giá mức độ sai số ngẫu nhiên một cách khoa học.

III. Phương pháp hiệu chuẩn và giảm thiểu sai số đo

Giảm thiểu sai số đo lường đòi hỏi nhiều phương pháp phối hợp. Cuốn sách trình bày các kỹ thuật từ thiết kế thiết bị đến quy trình hiệu chuẩn. Mỗi phương pháp phù hợp với loại sai số cụ thể. Thiết kế cẩn thận là bước đầu tiên trong giảm sai số. Chọn vật liệu phù hợp, bố trí mạch điện tối ưu, và cách ly nhiễu môi trường là các yếu tố quan trọng. Thiết kế tốt giúp giảm thiểu sai số ngay từ gốc. Phương pháp đối kháng đầu vào sử dụng kỹ thuật bù để loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu. Kỹ thuật phản hồi lợi suất cao cải thiện tuyến tính và ổn định của thiết bị. Hiệu chỉnh thủ công đầu ra cũng được sử dụng trong một số trường hợp. Hiệu chuẩn là quy trình không thể thiếu. Thiết bị phải được so sánh với chuẩn đo để xác định sai số thực tế. Quy trình hiệu chuẩn phải được thực hiện định kỳ để đảm bảo độ tin cậy của phép đo. Phân tích thống kê đóng vai trò quan trọng trong đánh giá sai số ngẫu nhiên một cách khoa học.

3.1. Kỹ thuật hiệu chuẩn và hiệu chỉnh thiết bị

Hiệu chuẩn là quy trình so sánh thiết bị đo với chuẩn đo đã biết. Mục đích là xác định mối quan hệ giữa giá trị đầu vào thực tế và giá trị đầu ra của thiết bị. Quy trình này giúp xây dựng đường chuẩn để hiệu chỉnh kết quả đo. Thiết bị đo phải được hiệu chuẩn trước khi đưa vào sử dụng. Sau đó, hiệu chuẩn định kỳ cần được thực hiện theo lịch trình. Tần suất hiệu chuẩn phụ thuộc vào mức độ yêu cầu chính xác và điều kiện vận hành. Cuốn sách trình bày chi tiết các bước trong quy trình hiệu chuẩn. Các chuẩn đo cấp quốc gia và quốc tế được giới thiệu. Hệ thống truy xuất nguồn gốc đo lường đảm bảo tính nhất quán của phép đo trên toàn cầu.

3.2. Phương pháp giảm thiểu sai số có hệ thống

Phương pháp đối kháng đầu vào là kỹ thuật hiệu quả để loại bỏ sai số có hệ thống. Nguyên lý cơ bản là tạo ra một tín hiệu bù có độ lớn bằng nhưng ngược chiều với nhiễu. Kết quả là nhiễu bị triệt tiêu, chỉ còn lại tín hiệu đo thực sự. Kỹ thuật phản hồi lợi suất cao sử dụng mạch khuếch đại có lợi suất lớn. Thiết kế này cải thiện tuyến tính hóa đặc trưng đầu vào-đầu ra. Đồng thời, nó giảm ảnh hưởng của biến đổi tham số bên trong thiết bị. Cách ly nhiễu môi trường cũng là biện pháp quan trọng. Che chắn điện từ, kiểm soát nhiệt độ, và giảm rung động giúp bảo vệ thiết bị đo. Các biện pháp này đặc biệt cần thiết trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt.

IV. Ứng dụng thực tế của nguyên lý đo lường và thiết bị đo

Nguyên lý đo lường và thiết bị đo có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Công nghiệp sản xuất, dầu khí, hóa chất, và năng lượng đều phụ thuộc vào hệ thống đo lường chính xác. Cuốn sách của Alan S. Morris cung cấp nền tảng lý thuyết cho tất cả các ứng dụng này. Trong đo lường công nghiệp, việc lựa chọn thiết bị phù hợp là quyết định quan trọng. Chi phí ban đầu chỉ là một yếu tố trong đánh giá. Độ bền, khả năng bảo trì, và tính ổn định lâu dài có ý nghĩa quyết định hơn. Thiết bị đo thông minh đang thay đổi cách thức đo lường hiện đại. Chúng tích hợp khả năng tự hiệu chuẩn, tự chẩn đoán, và truyền thông số. Xu hướng này đòi hỏi kỹ sư đo lường cập nhật kiến thức liên tục. Cuốn sách nhấn mạnh vai trò của kỹ sư thiết bị đo trong thực tiễn. Người kỹ sư giỏi phải hiểu rõ nguyên lý hoạt động, biết đánh giá sai số, và có khả năng lựa chọn thiết bị tối ưu cho từng tình huống đo cụ thể.

4.1. Ứng dụng trong công nghiệp sản xuất và năng lượng

Trong ngành công nghiệp dầu khí, đo lường áp suất và lưu lượng đóng vai trò sống còn. Các cảm biến áp suất và lưu lượng kế phải hoạt động chính xác trong điều kiện khắc nghiệt. Nhiệt độ cao, áp suất lớn, và môi trường ăn mòn là thách thức chính. Ngành sản xuất điện tử đòi hỏi đo lường với độ chính xác rất cao. Các phép đo kích thước vi mô, nhiệt độ chính xác, và đặc trưng điện cần thiết bị có độ phân giải cao. Đo lường y tế là lĩnh vực ứng dụng quan trọng khác. Thiết bị đo sinh hiệu như điện tâm đồ, huyết áp, và nồng độ oxy yêu cầu độ tin cậy cao. An toàn người bệnh phụ thuộc trực tiếp vào chất lượng đo lường.

4.2. Vai trò của kỹ sư thiết bị đo trong thực tiễn

Kỹ sư thiết bị đo phải có kiến thức nền tảng vững chắc về nguyên lý đo lường. Hiểu rõ đặc trưng tĩnh và động của thiết bị là yêu cầu cơ bản. Kiến thức về sai số và kỹ thuật hiệu chuẩn cũng không thể thiếu. Việc lựa chọn thiết bị đo cho ứng dụng cụ thể đòi hỏi kỹ năng đánh giá toàn diện. Đặc trưng kỹ thuật phải đáp ứng yêu cầu tối thiểu của phép đo. Chi phí, độ bền, và khả năng bảo trì là các yếu tố cần cân nhắc thêm. Công nghệ đo lường phát triển liên tục. Thiết bị thông minh, cảm biến MEMS, và hệ thống đo lường không dây là xu hướng mới. Đọc sách tham khảo uy tín như cuốn này là cách xây dựng nền tảng kiến thức vững bền.

Trích đoạn nội dung tài liệu

org Measurement and Instrumentation Principles www.org To Jane, Nicola and Julia Measurement and Instrumentation Principles Alan S. Morris OXFORD AUCKLAND BOSTON JOHANNESBURG MELBOURNE NEW DELHI Butterworth-Heinemann Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP 225 Wildwood Avenue, Woburn, MA 01801-2041 A division of Reed Educational and Professional Publishing Ltd A member of the Reed Elsevier plc group First published 2001  Alan S. Morris 2001 All rights reserved. No part of this publication may be reproduced in any material form (including photocopying or storing in any medium by electronic means and whether or not transiently or incidentally to some other use of this publication) without the written permission of the copyright holder except in accordance with the provisions of the Copyright, Designs and Patents Act 1988 or under the terms of a licence issued by the Copyright Licensing Agency Ltd, 90 Tottenham Court Road, London, England W1P 9HE. Applications for the copyright holder’s written permission to reproduce any part of this publication should be addressed to the publishers British Library Cataloguing in Publication Data A catalogue record for this book is available from the British Library ISBN 0 7506 5081 8 Typeset in 10/12pt Times Roman by Laser Words, Madras, India Printed and bound in Great Britain www.org Contents Preface xvii Acknowledgements xx Part 1: Principles of Measurement 1 1 INTRODUCTION TO MEASUREMENT 3 1.2 Measurement system applications 6 1.3 Elements of a measurement system 8 1.4 Choosing appropriate measuring instruments 9 2 INSTRUMENT TYPES AND PERFORMANCE CHARACTERISTICS 12 2.1 Review of instrument types 12 2.1 Active and passive instruments 12 2.2 Null-type and deflection-type instruments 13 2.3 Analogue and digital instruments 14 2.4 Indicating instruments and instruments with a signal output 15 2.5 Smart and non-smart instruments 16 2.2 Static characteristics of instruments 16 2.1 Accuracy and inaccuracy (measurement uncertainty) 16 2.2 Precision/repeatability/reproducibility 17 2.4 Range or span 18 2.6 Sensitivity of measurement 19 2.9 Sensitivity to disturbance 20 2.3 Dynamic characteristics of instruments 23 vi Contents 2.1 Zero order instrument 25 2.2 First order instrument 25 2.3 Second order instrument 28 2.4 Necessity for calibration 29 2.5 Self-test questions 30 3 ERRORS DURING THE MEASUREMENT PROCESS 32 3.2 Sources of systematic error 33 3.1 System disturbance due to measurement 33 3.2 Errors due to environmental inputs 37 3.3 Wear in instrument components 38 3.3 Reduction of systematic errors 39 3.1 Careful instrument design 39 3.2 Method of opposing inputs 39 3.3 High-gain feedback 39 3.5 Manual correction of output reading 42 3.4 Quantification of systematic errors 42 3.1 Statistical analysis of measurements subject to random errors 43 3.2 Graphical data analysis techniques – frequency distributions 46 3.6 Aggregation of measurement system errors 56 3.1 Combined effect of systematic and random errors 56 3.2 Aggregation of errors from separate measurement system components 56 3.3 Total error when combining multiple measurements 59 3.7 Self-test questions 60 References and further reading 63 4 CALIBRATION OF MEASURING SENSORS AND INSTRUMENTS 64 4.1 Principles of calibration 64 4.2 Control of calibration environment 66 4.3 Calibration chain and traceability 67 4.4 Calibration records 71 References and further reading 72 5 MEASUREMENT NOISE AND SIGNAL PROCESSING 73 5.1 Sources of measurement noise 73 5.3 Noise due to multiple earths 74 Contents vii 5.4 Noise in the form of voltage transients 75 5.2 Techniques for reducing measurement noise 76 5.1 Location and design of signal wires 76 5.3 Introduction to signal processing 78 5.4 Analogue signal filtering 78 5.1 Passive analogue filters 81 5.2 Active analogue filters 85 5.5 Other analogue signal processing operations 86 5.9 Phase-sensitive detector 93 5.10 Lock-in amplifier 94 5.6 Digital signal processing 95 5.2 Sample and hold circuit 97 5.3 Analogue-to-digital converters 97 5.4 Digital-to-analogue (D/A) conversion 99 5.7 Other digital signal processing operations 101 References and further reading 101 6 ELECTRICAL INDICATING AND TEST INSTRUMENTS 102 6.1 Voltage-to-time conversion digital voltmeter 103 6.2 Potentiometric digital voltmeter 103 6.3 Dual-slope integration digital voltmeter 103 6.4 Voltage-to-frequency conversion digital voltmeter 104 6.1 Moving-coil meters 105 6.2 Moving-iron meter 106 6.3 Electrodynamic meters 107 www.org viii Contents 6.4 Clamp-on meters 108 6.6 Measuring high-frequency signals 109 6.8 Electronic analogue voltmeters 111 6.9 Calculation of meter outputs for non-standard waveforms 112 6.3 Cathode ray oscilloscope 114 6.1 Cathode ray tube 115 6.3 Single-ended input 117 6.6 Vertical sensitivity control 117 6.7 Display position control 118 6.4 Digital storage oscilloscopes 118 References and further reading 118 7 VARIABLE CONVERSION ELEMENTS 119 7.2 Voltmeter–ammeter method 135 7.3 Resistance-substitution method 135 7.4 Use of the digital voltmeter to measure resistance 136 7.6 Codes for resistor values 137 7.1 Alphanumeric codes for capacitor values 139 7.1 Digital counter-timers 142 7.2 Phase-locked loop 142 7.3 Cathode ray oscilloscope 143 7.4 The Wien bridge 144 7.1 Electronic counter-timer 145 7.4 Phase-sensitive detector 147 7.8 Self-test questions 147 References and further reading 150 Contents ix 8 SIGNAL TRANSMISSION 151 8.1 Transmission as varying voltages 151 8.2 Current loop transmission 152 8.3 Transmission using an a.3 Fibre-optic transmission 155 8.1 Principles of fibre optics 156 8.4 Optical wireless telemetry 160 8.6 Digital transmission protocols 163 References and further reading 164 9 DIGITAL COMPUTATION AND INTELLIGENT DEVICES 165 9.1 Principles of digital computation 165 9.1 Elements of a computer 165 9.4 Practical considerations in adding computers to measurement systems 176 9.4 Communication with intelligent devices 183 9.5 Computation in intelligent devices 184 9.6 Future trends in intelligent devices 185 9.3 Self-test questions 185 References and further reading 186 10 INSTRUMENTATION/COMPUTER NETWORKS 187 10.2 Serial communication lines 188 10.3 Parallel data bus 190 10.4 Local area networks (LANs) 192 10.2 Ring and bus networks 194 10.8 Communication protocols for very large systems 198 10.9 Future development of networks 199 References and further reading 199 x Contents 11 DISPLAY, RECORDING AND PRESENTATION OF MEASUREMENT DATA 200 11.1 Display of measurement signals 200 11.1 Electronic output displays 200 11.2 Computer monitor displays 201 11.2 Recording of measurement data 202 11.1 Mechanical chart recorders 202 11.2 Ultra-violet recorders 208 11.3 Fibre-optic recorders (recording oscilloscopes) 209 11.4 Hybrid chart recorders 209 11.5 Magnetic tape recorders 209 11.3 Presentation of data 212 11.1 Tabular data presentation 212 11.2 Graphical presentation of data 213 11.4 Self-test questions 222 References and further reading 223 12 MEASUREMENT RELIABILITY AND SAFETY SYSTEMS 224 12.1 Principles of reliability 224 12.2 Laws of reliability in complex systems 228 12.3 Improving measurement system reliability 229 12.1 Introduction to safety systems 236 12.2 Operation of safety systems 237 12.3 Design of a safety system 238 12.3 Self-test questions 241 References and further reading 242 Part 2: Measurement Sensors and Instruments 245 13 SENSOR TECHNOLOGIES 247 13.1 Capacitive and resistive sensors 247 13.3 Hall-effect sensors 249 13.3 Distributed sensors 259 www.org Contents xi 13.2 Direction of travel of ultrasound waves 261 13.3 Directionality of ultrasound waves 261 13.4 Relationship between wavelength, frequency and directionality of ultrasound waves 262 13.5 Attenuation of ultrasound waves 262 13.6 Ultrasound as a range sensor 263 13.7 Use of ultrasound in tracking 3D object motion 264 13.8 Effect of noise in ultrasonic measurement systems 265 13.9 Exploiting Doppler shift in ultrasound transmission 265 13.11 Microsensors 268 References and further reading 270 14 TEMPERATURE MEASUREMENT 271 14.1 Principles of temperature measurement 271 14.2 Thermoelectric effect sensors (thermocouples) 272 14.2 Non-zero reference junction temperature 277 14.8 The continuous thermocouple 282 14.3 Varying resistance devices 283 14.7 Thermal expansion methods 294 14.1 Liquid-in-glass thermometers 295 14.9 Fibre-optic temperature sensors 297 14.12 Change of state of materials 299 14.13 Intelligent temperature-measuring instruments 300 14.14 Choice between temperature transducers 300 xii Contents 14.15 Self-test questions 302 References and further reading 303 15 PRESSURE MEASUREMENT 304 15.2 Capacitive pressure sensor 306 15.3 Fibre-optic pressure sensors 306 15.7 Resonant-wire devices 311 15.8 Dead-weight gauge 312 15.9 Special measurement devices for low pressures 312 15.10 High-pressure measurement (greater than 7000 bar) 315 15.11 Intelligent pressure transducers 316 15.12 Selection of pressure sensors 316 16 FLOW MEASUREMENT 319 16.1 Mass flow rate 319 16.1 Conveyor-based methods 319 16.3 Thermal mass flow measurement 320 16.4 Joint measurement of volume flow rate and fluid density 321 16.2 Volume flow rate 321 16.1 Differential pressure (obstruction-type) meters 322 16.2 Variable area flowmeters (Rotameters) 327 16.3 Positive displacement flowmeters 328 16.6 Vortex-shedding flowmeters 332 16.8 Other types of flowmeter for measuring volume flow rate 336 16.4 Choice between flowmeters for particular applications 338 References and further reading 339 17 LEVEL MEASUREMENT 340 17.3 Pressure-measuring devices (hydrostatic systems) 341 17.5 Ultrasonic level gauge 344 17.6 Radar (microwave) methods 346 Contents xiii 17.1 Vibrating level sensor 348 17.2 Hot-wire elements/carbon resistor elements 348 17.4 Fibre-optic level sensors 349 17.9 Intelligent level-measuring instruments 351 17.10 Choice between different level sensors 351 References and further reading 351 18 MASS, FORCE AND TORQUE MEASUREMENT 352 18.1 Electronic load cell (electronic balance) 352 18.2 Pneumatic/hydraulic load cells 354 18.3 Intelligent load cells 355 18.4 Mass-balance (weighing) instruments 356 18.1 Use of accelerometers 360 18.2 Vibrating wire sensor 360 18.1 Reaction forces in shaft bearings 361 18.3 Measurement of induced strain 362 18.4 Optical torque measurement 364 19 TRANSLATIONAL MOTION TRANSDUCERS 365 19.1 The resistive potentiometer 365 19.2 Linear variable differential transformer (LVDT) 368 19.3 Variable capacitance transducers 370 19.4 Variable inductance transducers 371 19.8 Other methods of measuring small displacements 374 19.9 Measurement of large displacements (range sensors) 378 19.11 Selection of translational measurement transducers 382 19.1 Differentiation of displacement measurements 382 19.2 Integration of the output of an accelerometer 383 19.3 Conversion to rotational velocity 383 19.1 Selection of accelerometers 385 www.org xiv Contents 19.1 Nature of vibration 386 19.5 Shock 388 20 ROTATIONAL MOTION TRANSDUCERS 390 20.1 Circular and helical potentiometers 390 20.2 Rotational differential transformer 391 20.3 Incremental shaft encoders 392 20.4 Coded-disc shaft encoders 394 20.7 The induction potentiometer 402 20.8 The rotary inductosyn 402 20.10 Choice between rotational displacement transducers 406 20.5 The rate gyroscope 415 20.6 Fibre-optic gyroscope 416 20.7 Differentiation of angular displacement measurements 417 20.8 Integration of the output from an accelerometer 417 20.9 Choice between rotational velocity transducers 417 20.3 Measurement of rotational acceleration 417 References and further reading 418 21 SUMMARY OF OTHER MEASUREMENTS 419 21.1 Rules and tapes 419 21.4 Gauge blocks (slip gauges) and length bars 423 21.5 Height and depth measurement 425 21.1 Capillary and tube viscometers 430 21.2 Falling body viscometer 431 21.1 Industrial moisture measurement techniques 432 21.2 Laboratory techniques for moisture measurement 434 Contents xv 21.1 The glass electrode 438 21.2 Other methods of pH measurement 439 21.9 Gas sensing and analysis 439 21.2 Paper tape sensors 441 21.3 Liquid electrolyte electrochemical cells 441 21.4 Solid-state electrochemical cells (zirconia sensor) 442 21.5 Catalytic gate FETs 442 21.9 Infra-red absorption 443 21.11 Gas chromatography 443 References and further reading 444 APPENDIX 1 Imperial–metric–SI conversion tables 445 APPENDIX 2 Thévenin’s theorem 452 APPENDIX 3 Thermocouple tables 458 APPENDIX 4 Solutions to self-test questions 464 INDEX 469 Preface The foundations of this book lie in the highly successful text Principles of Measurement and Instrumentation by the same author. The first edition of this was published in 1988, and a second, revised and extended edition appeared in 1993. Since that time, a number of new developments have occurred in the field of measurement. In particular, there have been significant advances in smart sensors, intelligent instruments, microsensors, digital signal processing, digital recorders, digital fieldbuses and new methods of signal transmission. The rapid growth of digital components within measurement systems has also created a need to establish procedures for measuring and improving the reliability of the software that is used within such components. Formal standards governing instru- ment calibration procedures and measurement system performance have also extended beyond the traditional area of quality assurance systems (BS 5781, BS 5750 and more recently ISO 9000) into new areas such as environmental protection systems (BS 7750 and ISO 14000). Thus, an up-to-date book incorporating all of the latest developments in measurement is strongly needed.