Комплексные средства измерений.

Понятие "средство измерений" является одним из важнейших в теоретической метрологии. ГОСТ 16263-70 определяет средство измерений как техническое средство, используемое при измерени­ях и имеющее нормированные метрологические свойства. Такое определение представляется слишком кратким и не раскрывает все стороны этого многогранного понятия. Более удачным является другое: средство измерений — это техническое средство (или их комплекс), предназначенное для измерений, име­ющее нормированные метрологические характеристики, воспроиз­водящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной по­грешности) в течение известного интервала 'времени. Данное опре­деление раскрывает метрологическую сущность средств измерения, заключающуюся в умении хранить (или воспроизводить) единицу ФВ и в неизменности размера хранимой единицы во времени. Пер­вое обуславливает возможность выполнения измерения, суть кото­рого, как известно, состоит в сравнении измеряемой величины с ее единицей. Второе принципиально необходимо, поскольку при из­менении размера хранимой единицы ФВ с помощью данного сред­ства измерения нельзя получить результат с требуемой точностью.

Средство измерений является обобщенным понятием, объе­диняющим самые разнообразные конструктивно законченные уст­ройства, которые реализуют одну из двух функций:

• воспроизводят величину заданного (известного) размера — например, гиря — заданную массу, магазин сопротивлений — ряд дискретных значений сопротивления;

• вырабатывают сигнал (показание), несущий информацию о значении измеряемой величины. Показания СИ либо непосредст­венно воспринимаются органами чувств человека (например, пока­зания стрелочного или цифрового приборов), либо они недоступны восприятию человеком и используются для преобразования други­ми СИ.

Последняя функция, являющаяся основной, может быть реали­зована только посредством измерения.Очевидно, что СИ должны содержать устройства (блоки, модули), которые выполняют эти элемен­тарные операции. Такие устройства называются элементарными средствами измерений. В их число входят измерительные преоб­разователи, меры и устройства сравнения (компараторы).

Измерительный преобразователь — это техническое устройст­во, построенное на определенном физическом принципе и выпол­няющее одно частное измерительное преобразование, т.е. операцию преобразования входного сигнала X в выходной Х₁ информатив­ный параметр которого с заданной степенью точности функцио­нально связан с информативным параметром входного сигнала и может быть измерен с достаточной степенью точности. Информа­тивным параметром входного сигнала СИ является параметр вход­ного сигнала, функционально связанный с измеряемой величиной и используемый для передачи ее значения или являющийся самой измеряемой величиной.

Мера — это средство измерений, предназначенное для воспро­изведения и (или) хранения физической величины одного (одно­значная мера) или нескольких (многозначная мера) размеров, зна­чения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.

Устройство сравнения (компаратор) — это средство измере­ний, дающее возможность выполнять сравнение мер однородных величин или же показаний измерительных приборов.

Обобщенная структурная схема СИ показана на рис. 1. Вход­ным сигналом является измерительный сигнал, один из парамет­ров которого однозначно связан с измеряемой ФВ:

X = X{a₀ [ψ(t)], a₁, a₂, …, a_n},

где а₀ — информативный параметр входного сигнала; ψ(t) — изме­ряемая ФВ;

a₁, a₂, …, a_n— неинформативные параметры входного сигнала. Неинформативным параметром входного сигнала СИ называется его параметр, не используемый для передачи значения измеряемой величины.

Входной сигнал преобразуется измерительным преобразовате­лем в пропорциональный ему сигнал Х₁ Следует отметить, что преобразователь может отсутствовать, тогда входной сигнал будет подаваться непосредственно на один из входов устройства сравне­ния. Однако в большинстве случаев он входит в состав СИ.

Рис 1. Обобщенная структурная схема средства измерения

Сигнал с выхода измерительного преобразователя поступает на первый вход устройства сравнения, на второй вход которого подает­ся известный сигнал с выхода многозначной меры. Роль меры могут выполнять самые разные устройства. Например, при взвешивании на весах мерой являются гири с известным весом. Во многих про­стых СИ роль меры выполняют отсчетные шкалы, предварительно проградуированные в единицах измеряемой величины. К таким сред­ствам измерений относятся линейка, термометр, электромеханиче­ские вольтметры и др. Значение выходной величины многозначной меры изменяется в зависимости от величины цифрового кода N, который условно считается ее входным сигналом. Изменение кода осуществляется оператором (например, при взвешивании на весах) или автоматически. Так как цифровой код — величина дискретная, то и выходной сигнал меры изменяется ступенями — квантами, кратными единице сравниваемых величин. Например, при измере­нии температуры обычным бытовым термометром квант равен 1°С, а при использовании медицинского термометра он равен 0,1°С.

Сравнение измеряемой и известной величин осуществляется при помощи устройства сравнения. Роль последнего в простейших СИ, имеющих отсчетные шкалы, выполняет человек. Например, при измерении длины тела он сопоставляет ее с многозначной

мерой — линейкой и находит количество N квантов меры, равное с точно­стью до кванта измеряемой длине. Устройство сравнения дает ин­формацию, о том, какое значение выходного сигнала многозначной меры должно быть установлено автоматически или при участии оператора. Процесс изменения прекращается при достижении равенства между величинами X₁ и Хм с точностью до кванта [Q].

Выходным сигналом может служить один из трех сигналов: Y₁, Y₂ и Y₃. Если выходной сигнал предназначен для непосредственного восприятия человеком, то его роль выполняет сигнал Y₁ = N. В данном случае код N является привычным для человека десятичным кодом.

Если же выходной сигнал СИ предназначен для применения других СИ, то в качестве него может быть использован любой и трех сигналов: Y₁, Y₂ и Y₃. Первый их них при этом является цифровым, как правило, двоичным кодом, который "понимают" входные цифровые устройства последующих СИ. Аналоговый сигнал квантован по уровню и представляет собой эквивалент цифрового кода N, а СИ в этом случае предназначено для воспроизведения физической величины заданного размера и состоит только из одного блока — многозначной меры. Сигнал Y₃ представляет собой измерительное преобразование входного сигнала X, СИ при этом используется только как измерительный преобразователь, а остальные его блоки отсутствуют.

Таким образом, структурная схема, показанная на рисунке, описывает три возможных варианта:

• СИ включает все блоки и вырабатывает сигнал y₁, доступны восприятию органами чувств человека. Возможно формирование выходных сигналов Y₁ и Y₂, предназначенных только для преобразования другими СИ;

• СИ состоит только из измерительного преобразователя, выходной сигнал которого равен Y₃;

• СИ содержит только меру, выходной сигнал которой равен Y₂. В общем случае выходной сигнал Y(X) описывается выражением

Y=Y{ b₀[Х], b₁, b₂, ...., b_m, S₁, S₂, ...,S_L, ξ₁, ξ₂, …, ξ_k}, где b₀[Х] - информативный параметр выходного сигнала, функционально связанный с информативным параметром входного сигнала; b₁, b₂, ...., b_m — неинформативные параметры выходного сигнала; S₁, S₂, ...,S_L -параметры СИ, зависящие от его методической и аппаратной реализации; ξ₁, ξ₂, …, ξ_k — влияющие величины. Неинформативным параметром выходного сигнала СИ называется параметр, не используемый для передачи или индикации значения информативного параметра входного сигнала.