Классификация средств измерений

Средство измерений представляет собой техническое устройство, пред­назначенное для измерений, имеющее в этих целях нормированные метроло­гические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физи­ческой величины.

Отличием средства измерений от других технических устройств является, главным образом, наличие меры и нормированных метрологических характеристик.

К средствам измерений относятся следующие:

1. Меры,предназначенные для воспроизведения и (или) хранения физи­ческой величины одного или нескольких заданных размеров. К мерам относятся гири, концевые меры длины, нормальные элементы (меры ЭДС) и др.

Меры, воспроизводящие физическую величину одного размера, называются однознач­ными. Меры, воспроизводящие физическую величину разных размеров, назы­ваются многозначными. Примером многозначной меры является миллиметро­вая линейка, воспроизводящая наряду с миллиметровыми также и сантиметро­вые размеры длины.

Применяются также меры в виде наборов и магазинов мер. Набор мер пред­ставляет собой комплект однородных мер разного размера, предназначенных для применения в различных сочетаниях (например, набор концевых мер длины). Магазин мер — набор мер, конструктивно объединенных в единое устрой­ство, в котором предусмотрено ручное или автоматизированное соединение мер в необходимых комбинациях (например, магазин электрических сопротив­лений).

Часто к однозначным мерам относят стандартные образцы и стандартные вещества.Стандартный образец материала или вещества представляют собой специально оформленное тело (пробу вещества) с установленными по резуль­татам метрологической аттестации значениями физической величины, которая характеризует свойство или состав материала (вещества). Примером стандарт­ного образца свойства является набор 10 эталонных тел — минералов для опре­деления числа твердости по условной шкале Мооса. Каждый последующий ми­нерал этой шкалы является более твердым, чем предыдущий. Использование образцов позволяет приближенно оценивать относительную твердость минера­лов (в отличие от описанных выше условных шкал твердости, позволяющих оценивать характеристики твердости металлов). Примером стандартного об­разца состава является образец чистого цинка, служащий для воспроизведе­ния температуры 419,527 ^оС по температурной шкале МТШ-90.

Указанное на мере значение величины является номинальным значением меры. В специальном свидетельстве, придаваемом мере, указывается действи­тельное значение, определенное при высокоточных измерениях с помощью соответствующего эталона. Разность между номинальным и действительным значениями называется погрешностью меры. Величина, обратная погрешности меры по знаку, представляет поправку к номинальному значению меры.

2. Измерительные преобразователи— средства измерений, предназначенные для преобразования измеряемой величины в другую однородную или неоднородную величину с целью представления измеряемой величины в форме, удобной при обработке, хранении (например, в памяти ЭВМ), дальнейших преобразованиях, передаче в показывающее устройство. Измерительные преобразователи не имеют устройств отображения измерительной информации, они или входят в состав измерительных приборов (установок), или применяются совместно с ними.

Измеряемая (преобразуемая) величина, поступающая на измерительный преобразователь, называется входной, преобразованная — выходной. Соотношение между входной и выходной величинами, представляемое формулой, графиком, таблицей, называется функцией преобразования измерительного преобразователя и является для него основной метрологической характеристикой.

Самым распространенным по количеству видом средств измерений являются первичные измерительные преобразователи,которые служат для непосред­ственного (первого) восприятия измеряемой величины, как правило, неэлектрической и преобразования ее в другую величину — электрическую. Первичные измерительные преобразователи иногда не изменяют рода физической величины, а служат лишь для изменения размера измеряемой величины (например, делители или усилители напряжения) или для ее трансформации (модуляции) в целях удобства дальнейших преобразований или индицирования. В этом случае первичные преобразователи встраиваются в измерительный прибор (устройство, систему). Часть первичного преобразователя, воспринимающая измерительный сигнал на его входе, называется чувствительным элемен­том или сенсором (например, термопара).

Первичный измерительный преобразователь, конструктивно оформлен­ный как обособленное средство измерений (без отсчетного устройства) с нор­мированной функцией преобразования, называется датчиком.

Вподавляющем большинстве случаев датчик предназначен для преобразования неэлектрической физической величины в электрический ток, электрическое напряжение и т. д. Часто неправомерно сенсоры называют датчиками.

Промежуточными(вторичными) измерительными преобразователями называются преобразователи, расположенные в измерительной цепи после первичного преобразователя и обычно по измеряемой (преобразуемой) физической величине однородные с ним. Другими словами, промежуточные преобразователи, как правило, не предназначены для изменения рода физической величины. Эти преобразователи иногда неоправданно относят к датчикам.

По характеру преобразования измерительные преобразователи разделяются на аналоговые, аналого-цифровые (АЦП), цифро-аналоговые (ЦАП). Допустимо рассматривать и цифровые преобразователи, служащие, например, для изменения формата цифрового сигнала. Указанные преобразователи почти всегда являются промежуточными.

3. Измерительные приборы— средства измерений, предназначенные для извлечения измерительной информации, преобразования ее для возможности отображения в том или ином виде.

Измерительные приборы представляют собой конструктивно объединенную совокупность первичных и промежуточных преобразователей (в ряде случаев при измерении активных сигналов измерительной информации — силы электрического тока, напряжения и др. — первичные преобразователи отсутствуют).

Особое место занимают измерительные приборы прямого действия,преобразующие измеряемую величину, как правило, без изменения ее рода и отображающие ее на показывающем устройстве, проградуированном в единицах этой величины (амперметры, вольтметры и др.).

Более точными являются приборы сравнения,предназначенные для срав­нения измеряемых величин с величинами, значения которых известны. Сравнение осуществляется с помощью компенсационных цепей прибора (например, при измерении массы установкой эталонных гирь на равноплечных весах) или с помощью мостовых цепей.

Измерительные приборы подразделяются на аналоговые и цифровые. В соответствии с формулой измерения значение величины равно произведению ее числового значения на размер единицы измерения. Информация о числовом значении физической величины, называемая измерительной информацией, в процессе измерения передается с помощью тех или иных сигналов. В аналоговых приборах сигналы измерительной информации являются непрерывными функциями измеряемых физических величин. В аналоговых средствах измерений устанавливается прямая связь между значением измеряемой величины и значени­ем сигнала физической величины. В простейшем аналоговом средстве измерений — ртутном термометре высота столбика ртути соответствует конкретному значению температуры. При этом, очевидно, используется не само числовое значение, а аналоговая величина.

В противоположность этому в цифровых измерительных приборах аналоговые сигналы измерительной информации дискретизируются и передаются для отображения в виде отдельных кратковременных импульсов, являющихся но­сителями измерительной информации. Отсчетные устройства цифровых прибо­ров, как правило, отображают измеренное значение величины в цифровом виде. В некоторых случаях и первичные сигналы измерительной информации, поступающие на измерительный прибор, могут быть дискретными по времени (импульсными).

По способу записи измеряемой величины регистрирующие измерительные приборы делятся на самопишущие и печатающие. В самопишущих приборах запись показаний представляется в графическом виде (например, шлейфовый осциллограф), в печатающих — в числовой форме.

4. Измерительные установки и системыпредставляют собой совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств с целью измерений одной или нескольких физических величин объекта измерений (контроля).

В настоящее время большинство измерительных систем являются автоматизированными, реже автоматическими. Несмотря на различные наименования (АИС — автоматизированная измерительная система, ИИС — информационно-измерительная система, ИВК — измерительно-вычислительный комплекс) все они по существу обеспечивают автоматизацию процессов измерений, обработки и отображения результатов измерений, в том числе ввода измерительной информации в автоматизированные системы управления.

5. Измерительные принадлежностипредставляют собой вспомогательные устройства, служащие для обеспечения операций измерений, передачи измерительной информации на расстояние, обработки ее результатов и т. п.

Очевидно, измерительные принадлежности, как и измерительные приборы, имеют нормированные метрологические характеристики. К измерительным принадлежностям относятся источники электрического питания средств измерений (имеются и эталонные источники питания), коммутаторы (в АИС), термостаты и др. Измерительные принадлежности могут вносить в результат измерений погрешности, которые обычно необходимо учитывать.

По метрологическому назначениювсе средства измерений подразделяются на два вида.

1. Рабочие средства измерений,которые предназначены для измерений параметров и характеристик объектов контроля и измерений.

К таким объектам относятся технические устройства, технологические процессы, окружающая среда, расход веществ и материалов, показатели жизнедеятельности человека и др. По условиям применения рабочие средства измерений могут быть: лабораторными,используемыми при научных исследованиях, проектировании технических устройств, медицинских измерениях (обычно лабораторные средства измерений обладают наибольшей точностью, чувствительностью, стабильностью); производственными,используемыми для обеспечения заданных характеристик технологических процессов, контроля готовой продукции при приемосдаточных испытаниях, ремонте технических устройств и др. (эти средства должны обладать по сравнению с лабораторными высокой стойкостью к ударно-вибрационным нагрузкам, воздействиям тепла, холода, повышенной влажности и др.); полевыми,используемыми непосредственно при эксплуатации таких технических устройств, как самолеты, автомобили, речные и морские суда и др. К полевым обычно относят и встроенные средства измерений в объекты контроля и измерений, подверженные влиянию изменяющихся в широких пределах внешних воздействий.

2.Эталоны— средства измерений, относящиеся к высокоточным мерам (системам мер) и предназначенные для воспроизведения и хранения единицы величины (кратных или дольных значений единицы) с целью передачи ее размера другим средствам измерений. До последнего времени между рабочими средствами измерений и государственными эталонами «располагалась» еще одна группа средств измерений — образцовые средства измерений, которые относились к средствам метрологического обеспечения. При этом образцовые средства измерений подразделялись на разряды от первого (наиболее высокой точности, т. е. уступающие по точности только эталонам) до второго, третьего и т. д. В настоящее время термин «образцовые средства измерений» меняется на термин «рабочие эталоны 1-го, 2-го и т. д. разряда».

Лекция 6.