Средства измерительной техники

Средства измерительной техники — обобщающее понятие, охватывающее технические средства, специально предназначенные для измерений. К средствам измерительной техники относят средства измерений и их совокупности (например, измерительные системы, измерительные установки), измерительные принадлежности (например, термостат), измерительные устройства.

Средство измерений (СИ) — техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени. «Умение» хранить (или воспроизводить) единицу физической величины неизменного размера, необходимое для выполнения измерений (т. е. для сопоставления с единицей) и превращает техническое средство в средство измерений.

Основное средство измерений — средство измерений той физической величины, значение которой необходимо получить в соответствии с измерительной задачей.

Вспомогательное средство измерений — средство измерений той физической величины, влияние которой на основное средство измерений или объект измерений необходимо учитывать для получения результатов измерений требуемой точности.

Например, термометр для измерения температуры газа в процессе измерений объемного расхода этого газа.

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

Замечание

Различают следующие разновидности мер:

• однозначная мера — мера, воспроизводящая физическую величину одного размера (например, гиря 1 кг);

• многозначная мера — мера, воспроизводящая физическую величину разных размеров (например, штриховая мера длины);

• набор мер — комплект мер разного размера одной и той же физической величины (например, набор концевых мер длины);

• магазин мер — набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором имеется приспособление для их соединения в различных комбинациях (например, магазин электрических сопротивлений).

Измерительный прибор — средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне.

Примечание

По способу индикации значений измеряемой величины измерительные приборы принято разделять на показывающие и регистрирующие.

Измерительный преобразователь — техническое средство с нормативными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи.

Замечание

Измерительный преобразователь или входит в состав какого-либо измерительного прибора (или измерительной установки, или измерительной системы и др.), или применяется совместно с каким-либо средством измерений.

По характеру преобразования различают аналоговые, цифро-аналоговые, аналого-цифровые преобразователи.

По расположению в измерительной цепи различают первичные и промежуточные преобразователи.

Выделяют также передающие и масштабные преобразователи. Передающим измерительным преобразователем называют элемент измерительного устройства, предназначенный для дистанционной передачи сигнала измерительной информации. Примером передающего измерительного преобразователя может служить токовый преобразователь, встраиваемый в мембранный дифманометр. С его помощью деформация мембраны преобразуется в унифицированный сигнал постоянного тока 0...5 мА. Масштабным измерительным преобразователем называют измерительный преобразователь, предназначенный для изменения величины в заданное число раз, например, измерительный трансформатор тока, делитель напряжения и т. п.

Первичный измерительный преобразователь (ПИП) — измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, т. е. это первый преобразователь в измерительной цепи измерительного прибора (или измерительной установки, или измерительной системы и др.).

Например, термопара, рН-электрод, трубка Бурдона, биметаллическая пластинка, поплавок ротаметра, терморезистор.

Активный измерительный преобразователь (генераторный преобразователь) непосредственно преобразует одну форму энергии в другую, не нуждаясь во внешнем источнике энергии.

Например, термопара преобразующая тепловую энергию в электрическую.

Пассивный измерительный преобразователь (параметрический преобразователь) не может непосредственно преобразовывать энергию, но он управляет энергией, поступающей от внешнего источника.

Терморезистор не может непосредственно преобразовать тепловую энергию в электрическую. Но изменение его сопротивления влияет на протекающий в цепи электрический ток, создаваемый внешним источником.

Датчик — конструктивно обособленный первичный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы (он «дает» информацию). Датчик может быть вынесен на значительное расстояние от средства измерений, принимающего его сигналы.

При внешней простоте, малых габаритных размерах и массе датчик представляет собой сложную конструкцию, чувствительный элемент которой может работать в тяжелых эксплуатационных условиях, в диапазоне температур от —253 °С до +3000 °С, давлений от 0,001 МПа до 300 МПа, при вибрациях до и акустических шумах до 194 дБ. Датчики являются важными элементами информационно-измерительных систем и систем автоматического управления технологическими процессами.

Средство сравнения {компаратор) — техническое средство, предназначенное для сравнения друг с другом мер однородных величин или показаний измерительных приборов.

Рычажные весы могут служить средством сравнения эталонной гири, установленной на одну чашку весов, и поверяемой гири, установленной на другую чашку.

Измерительная цепь — совокупность элементов средств измерений, образующих непрерывный путь прохождения измерительного сигнала одной физической величины от входа до выхода.

Примечание

Измерительную цепь измерительной системы называют измерительным каналом (см. ниже).

Измерительное устройство — часть измерительного прибора (установки или системы), связанная с измерительным сигналом и имеющая обособленную конструкцию и назначение. Измерительным устройством может быть названо регистрирующее устройство измерительного прибора, включающее ленту для записи, лентопротяжный механизм и пишущий элемент.

Чувствительный элемент средства измерений — часть измерительного преобразователя в измерительной цепи, воспринимающая входной измерительный сигнал.

Показывающее устройство средства измерений — совокупность элементов средства измерений, обеспечивающая визуальное восприятие значений измеряемой величины или связанных с ней величин.

Регистрирующее устройство средства измерений — совокупность элементов средства измерений, регистрирующая значение измеряемой величины или связанной с ней величины.

Шкала средства измерений — часть показывающего устройства средства измерений, представляющая собой упорядоченный ряд отметок (черточка, точка и др.) вместе со связанной с ними нумерацией.

Начальное значение шкалы — наименьшее значение измеряемой величины, которое может быть отсчитано по шкале средства измерений.

Конечное значение шкалы — наибольшее значение измеряемой величины, которое может быть отсчитано по шкале средства измерений.

Табло цифрового измерительного прибора — показывающее устройство цифрового измерительного прибора.

По виду измеряемой величины или сигнала измерительной информации, а также по способу обработки сигнала средства измерительной техники делятся на аналоговые и цифровые.

В аналоговых средствах измерительной техники выходная величина является непрерывной функцией размера измеряемой величины, т. е. может принимать, как и измеряемая величина, бесконечное множество значений.

Высота столбика ртути в ртутном термометре расширения или ТЭДС термопары являются непрерывными функциями измеряемой температуры.

Рис. 1. Структурные схемы:

а — цифрового измерительного устройства; б — информационного измерительного канала ИИС

В цифровых средствах измерительной техники выходная величина является дискретной (прерывистой) во времени и квантованной по размеру, т. е. может принимать лишь конечное число значений. В цифровом средстве измерительной техники непрерывная по размеру и во времени измеряемая величина преобразуется в дискретный сигнал, квантуется и кодируется. Полученный цифровой код может передаваться по каналам связи и отображаться на табло цифрового измерительного прибора. Структурная схема цифрового измерительного прибора приведена на рис. 1, а. Аналоговый первичный измерительный преобразователь преобразует измеряемую величинув величину, обеспечивающую нормальный режим работы аналого-цифрового преобразователя (АЦП), входящего составной частью в цифровой измерительный прибор. Это могут быть масштабные преобразования (усиление или ослабление) или преобразования рода физической величины (например, преобразование сопротивления в напряжение). С выхода АЦП цифровой код поступает на табло и цифровой выход измерительного прибора, позволяющий подключать устройства цифровой регистрации показаний или цифровые каналы связи. Использование измерительного сигнала в цифровой форме позволяет свести к минимуму потерю содержащейся в нем информации.

Измерительная система (ИС) — совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов. В зависимости от назначения измерительные системы разделяют на измерительные информационные (ИИС), измерительные контролирующие, измерительные управляющие системы и др.

ИИС производства азотной кислоты содержит сотни измерительных каналов и позволяет получить измерительную информацию о ряде физических величин в различных технологических аппаратах.

Измерительный канал измерительной системы — конструктивно или функционально выделяемая часть ИС, выполняющая законченную функцию от восприятия измеряемой величины до получения результата ее измерения, выражаемого числом или соответствующим ему кодом, или до получения аналогового сигнала, один из параметров которого — функция измеряемой величины.

Типовой измерительный канал (ИК) включает в себя первичный измерительный преобразователь, линии связи, промежуточный измерительный преобразователь (нормирующий, либо выполняющий иные функции), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), процессор, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП).

Лекция 7.