Системы и средства измерений

Всесредства измеренийопределяются как технологические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики. Под характеристиками будем понимать такие свойства средств измерений, которые позволяют судить об их пригодности для измерений определённой физической величины в заданном диапазоне её значений и с заданной точностью.

По характеру участия в процессе измерений можно выделить четыре основные группы средств измерений: меры, измерительные устройства, измерительные установки, измерительные системы.

Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Меры подразделяются на однозначные и многозначные.

Однозначная мера воспроизводит физическую величину одного размера. По сути, она воспроизводит либо единицу измерения, либо некоторое определённое числовое значения данной физической величины.

Многозначная мера воспроизводит ряд одноименных величин различного размера.

Самым многочисленным видом средств измерений является измерительные устройства.

По роду измеряемой величины измерительные устройства подразделяют на амперметры – для измерения тока, термометры – для измерения температуры, манометры – для измерения давления, концентраторы – для измерения концентрации веществ.

По степени защиты измерительные устройства бывают в нормальном (обыкновенном), пыле -, водо -, взрывозащищенном, герметичном исполнении.

В зависимости от формы представления сигнала измерительной информации измерительные устройства подразделяются на измерительные приборы и измерительные преобразователи.

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительный прибор всегда имеет устройство, позволяющее человеку воспринимать информацию о числовом значении измеряемой величины. Результаты измерений приборами выдаются их отсчетными устройствами. В качестве такого устройства могут использоваться шкала с указателем, цифровое табло, цифропечатающая машинка, устройство записи на диаграмме.

Измерительные приборы могут быть классифицированы по ряду признаков: по методу измерения, по способу предоставления величин, по способу предоставления показаний, по типу вычислительного устройства. По характеру применения измерительные приборы подразделяют на стационарные (щитовые), корпус которых приспособлен для жесткого крепления на месте установки, и переносные, корпус которых не предназначен для жесткого крепления.

По способу определения значения измеряемой величины приборы делятся на две группы: прямого действия и сравнения.

Приборы прямого действия (непосредственной оценки) позволяют получить значения измеряемой величины на отсчётном устройстве. Такие приборы состоят из нескольких элементов, осуществляющих необходимое преобразование измеряемой величины в сигнал того или иного вида или, если необходимо, усиление этого сигнала, чтобы вызвать перемещение подвижного органа отсчетного устройства.

Характерной особенностью приборов непосредственной оценки является то, что результаты, полученные с их помощью, не требует сравнения с показаниями эталонных средств измерений.

К таким прибором относятся большая часть вольтметров, амперметров, манометров, термометров.

В приборах сравнения значение измеряемой величины определяют сравнением с известной величиной, соответствующей воспроизводящей ее мере. Для сравнения измеряемой величины с мерой используют компенсационные или мостовые измерительные цепи. Характерной особенностью приборов, основанных на методе сравнения, является то, что погрешность измерения с их помощью определяется в основном погрешностью мер, с которыми сравнивают измеряемые величины.

По способу представления величин подразделяются на аналоговые и цифровые приборы.

Аналоговые приборы – это, как правило, стрелочные приборы с отсчетными устройствами, состоящими из двух элементов – шкалы и указателя, связанного с подвижной частью прибора. Показания таких приборов являются непрерывной функцией измерений измеряемой величины.

Цифровые измерительные приборы автоматически вырабатывают дискретные сигналы измерительной информации, которые представляют в цифровой форме. Отсчёт у них производится с помощью механических или электронных цифровых отсчетных устройств.

Цифровые измерительные приборы широко применяют для измерения электрических напряжений, частоты колебаний, параметров электрических и радиотехнических цепей и многих других величин. В последние годы они все чаще заменяют стрелочные приборы.

По способу образования показаний приборы подразделяют на показывающие и регистрирующие. Показывающие приборы, в свою очередь, подразделяются на аналоговые и цифровые приборы.

Цифровые измерительные приборы по сравнению с аналоговыми приборами имеют ряд достоинств: процесс измерения автоматизирован, что исключает возникновение погрешностей, обусловленных ошибками оператора; время измерения очень мало; результата измерений, выдаваемый в цифровой форме, легко фиксируется цифропечатающим устройством и удобен для ввода в электронно-вычислительную машину.

Регистрирующие измерительные приборы подразделяют на самопишущие (барографы, термографы, шлейфовые осциллографы), выдающие показания в форме диаграммы, и печатающие, которые выдают результат измерений в цифровой форме на бумажной ленте. Регистрирующие приборы находят широкое применение при измерении физических величин – параметров процессов или свойств объектов и динамических режимах, когда непрерывно изменяются те или иные условия измерения (температура, давление).

По типу вычислительного устройства суммирующие, интегрирующие и вычисляющие сложные функции.

Суммирующий измерительный прибор – измерительный прибор, показания которого функционально связаны с суммой двух или нескольких величин, подводимых к нему по различным каналам.

Интегрирующий измерительный прибор это прибор, в котором подводимая величина подвергается интегрированию по времени или по другой независимой переменной.

Измерительный преобразователь – средство измерений служащее для выработки измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

Преобразуемая физическая величина называется входной, а результат преобразования – выходной величиной. Связь между входной и выходной величинами преобразователя устанавливается функцией преобразования.

Основное требование к измерительным преобразователям – точная передача информации, то есть минимальные потери информации, иначе говоря, минимальные погрешности. Измерительное преобразование – это отражение размера одной физической величины размером другой физической величины, функционально с ней связанной. На принципе измерительного преобразования построены практически все средства измерений, так как любое средство измерений использует те или иные функциональные связи между входной и выходной величинами. Понятие «измерительный преобразователь» более конкретно, чем «измерительное преобразование», так как одно и то же измерительное преобразование может быть выполнено рядом различных по принципу действия измерительных преобразователей. Например, измерительное преобразование температуры в механическое перемещение может быть выполнено ртутным термометром или биметаллическим элементом либо термопарой, преобразующей температуру в ЭДС, а ЭДС в перемещение указателя.

Как видно из рисунка 1, измерительные преобразователи могут быть классифицированы в зависимости от используемого метода измерения и способа представления величины совершенно аналогично измерительным приборам. Кроме того, принято различать измерительные преобразователи по расположению в измерительной системе и виду функции преобразования, представляющей собой зависимость сигнала измерительного преобразователя от измеряемой величины.

Измерительные преобразователь, к которому подведена измеряемая величина, называется первичным преобразователем (датчик), например термопара в термоэлектрическом термометре.

Промежуточный измерительный преобразователь это преобразователь, занимающий в измерительной цепи место после первого. Измерительный преобразователь, предназначенный для дистанционной передачи сигнала измерительной информации, называется передающим, например индуктивный и пневматические передающие преобразователи.

Измерительный преобразователь, предназначенный для изменения величины в заданное число раз (по существу это усилитель сигнала измерительной информации), называется масштабным, например двигатели напряжений на входе вольтметров или электронных осциллографов, а также измерительные усилители.

Функционально измерительный преобразователь предназначен для формирования сигнала измерительной информации, связанной с измеряемой величиной некоторой заданной функцией.

Измерительные преобразователи являются составной частью измерительных приборов, различных измерительных систем, системы автоматического контроля или регулирования тех или иных процессов.

Измерительная установка – это совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, и расположенных в одном месте. Создания измерительных установок, называемых также измерительными стендами, позволяет наиболее рационально расположить все требуемые средства измерений и соединить их с объектами измерений для обеспечения наиболее высокой производительности труда на данном рабочем месте.

Измерительные системы предназначены для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и использования в автоматических системах управления. Их главная – цель автоматизация процесса измерения и использования результатов измерения для автоматического управления различными процессами производства. В состав таких систем могут входить преобразователи одних величин в другие, схема автоматического регулирования, меры и измерительные приборы. В случае если различные элементы системы разнесены на значительные расстояния друг от друга, связь между ними осуществляется как по проводным, так и беспроводным каналам. В настоящее время измерительные системы часто рассматриваются как один из классов так называемых информационно – измерительных систем.

Информационно – измерительная система (ИИС) – совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств, служащая либо для получения измерительной информации, ее преобразования, обработки в целях представления потребителю (в том числе ввода в АСУ) в требуемом виде, либо для автоматического осуществления логических функций контроля, диагностики, идентификации. В случае если различные элементы системы разнесены на значительные расстояния друг от друга, связь между ними осуществляется как по проводным, так и беспроводным каналам.

Кроме рассмотренной классификации средств измерений по виду существенной является классификация по принципу действия.

Принципом действия средства измерений называют физический принцип, положенный в основу построения средств измерений данного вида. Принцип действия обычно находит отражения в названии средств измерений, например: термоэлектрический термометр, деформационный манометр, электромагнитный расходомер.

В силу того, что для средств измерений различных величин классификация по принципу действия является специфичной, при дальнейшем изложении она будет проводиться для каждой величины.

Рисунок 1 – Классификация средств измерений

Контрольные вопросы

1 Дать определение метрологии

2 Что значит измерить физическую величину?

3 Перечислить виды измерений. Какие измерения называют прямыми? Какие измерения называют косвенными?

4 Перечислить и дать определение видам единиц физических величин

5 Чем определяется качество измерений?

6 Дать определение погрешности

7 Что называют абсолютной погрешностью измерения?

8 Что называют относительной погрешностью измерения?

9 Что называют приведенной погрешностью измерения?

10 Дать определение класса точности прибора

11 Что называют вариацией прибора?

12 Дать определение средствам измерения

13 На какие виды делятся средства измерения по характеру участия в процессе измерений?

14 Что понимают под мерой? Какие виды мер различают?

15 На какие виды делятся измерительные устройства в зависимости от формы представления сигнала измерительной информации?

16 Дать определение измерительному прибору. Привести наиболее распространенные классификации измерительных приборов

17 Что понимают под измерительным преобразователем? Какие классификации измерительных преобразователей выделяют?

18 Что такое измерительная установка?

19 Что такое измерительная система? Информационно-измерительная система?