Средства измерений.

Средство измерения – это техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящие и (или) хпанящее единицу физической величины (размер которой принимается неизменным в пределах установленной погрешности в течение определенного интервала времени). Этот интервал называется межповерочным интервалом.

Под метрологическими характеристиками понимают такие характеристики средства измерений, которые позволяют судить об их пригодности для измерений в известном диапазоне с известной точностью. Эта точность определяется классом точности и другими характеристиками средства измерений, о которых будет сказано позже.

Средства измерений позволяют обнаружить физическую величину и измерить ее. Существуют технические средства, которые предназначены для обнаружения физических величин, но не могут осуществлять измерения. Их называют индекаторами, сигнализаторами, детекторами. Строго говоря, такие технические средства не могут быть отнесены к средствам измерений.

Средства измерений являются обобщенным понятием, объединяющим самые разнообразные конструктивно законченные устройства, которые реализуют одну (или обе) из следующих функций:

воспроизводят физическую величину заданного размера (например, гиря);

вырабатывают сигнал о значении измеряемой величины.

Показания средства измерений либо непосредственно воспринимаются органами чувств человека, либо они недоступны восприятию человеком и используются для преобразования другими средствами измерений.

Классификация средств измерений

Средства измерений могут быть классифицированы по ряду различных признаков следующим образом.

По метрологическому назначению:

• рабочие средства измерений (применяемые для текущих измерений);

• эталоны (применяемые для воспроизвеления единицы измерения и (или) ее хранения или передачи размера единицы рабочим средствам измерений).

По уровню автоматизации:

• неавтоматические;

• автоматизированные (производящие в автоматическом режиме одну или часть измерительной операции);

автоматические (производящие в автоматическом режиме измерения и все операции, связанные с обработкой их результатов).

По уровню стандартизации:

• стандартизованные;

• нестандартизованные (уникальные)

Нестандартизованные средства измерения предназначены для решения узких научных задач. Поэтому в их стандартизации нет необходимости.

Ранее выделялась еще одна группа средств измерений — так называемые образцовые средства измерений. По последним нормативным документам понятие «образцовое средство измерений» заменено другим понятием, а именно понятием «рабочий эталон». Но на производстве понятие и обозначение образцовых средств измерений сохранилось и по прежнему широко исплоьзуется. Поэтому необходимо знать оба эти термина.

Рабочие средства измерений применяются для текущих измерений, служащих тем или иным конкретным целям в разнообразной деятельности человека.

Эталоны – это средства измерения, предназначенные для хранения единиц измерения, воспроизведения их с наивысшей точностью.

Рабочие средства измерений делятся на лабораторные и технические. Это накладывает определенный отпечаток на конструкцию прибора. Так, лабораторные средства измерений должны, как правило, обладать большей точностью. В их показания может при необходимости вводиться поправка.

Технические приборы, как правило, должны быть механически более прочными, защищены от механических ударов, по возможности не содержать драгоценных металлов, быть относительно недорогими и простыми в эксплуатации, обладать высокой надежностью, работать в неблагоприятных условиях (пыль, влага, жара, вибрации т.д.). Их показания должны быть хорошо видимы на расстоянии.

Средства измерения можно классифицировать по роду измеряемой величины:

Температура – термометры, пирометры;

Давление – манометры, барометры, вакуумметры;

Уровень – уровнемеры;

Расход – расходомеры;

Числа оборотов – тахометры; и т. д.

Основной для средств измерений является классификация по их роли в процессе измерения и выполняемым функциям (см рис. )

Рис. Развернутая классификация средств измерений.

Мера – это средство измерения, которое предназначено для воспроизведения физической величины заданного размера. Например, мера массы — гиря.

Набор мер – совокупность мер, применяемых как отдельно, так и в различных сочетаниях с целью воспроизведения ряда значений величины в определенных пределах. Например, набор гирь.

Необходимо подчеркнуть, что под набором мер подразумевается не произвольная группа мер с любыми значениями, а совокупность мер с целесообразно выбранным рядом значений.

Магазин мер – набор мер, в котором меры объединены в одно конструктивное целое с устройством для соединения их в различных сочетаниях. Магазины мер широко применяются в электротехнике (магазины сопротивления, магазины индуктивности, магазины емкости).

Компаратор (устройство сравнения) — это средство измерения, дающее возможность выполнять сравнения мер однородных величин или же показаний измерительных приборов. В качестве простейшего компаратора можно привести хорошо знакомые рычажные весы.

Особенно широкое распространение компараторы получили в современной электронной технике, где они используются для сравнения напряжений и токов.

Измерительный прибор — это средство измерения, которое предназначено для выработки информации об измеряемой величине в доступной для визуального восприятия форме.

Как правило, измерительный прибор устанавливается на объекте измерения, имеет контакт (полный или частичный) с измеряемой средой и имеет собственную шкалу. Но это свойственно не всем измерительным приборам. Для измерения температуры могут использоваться пирометры — измерительные приборы, которые определяют температуру объекта по его излучению. Они могут работать на значительном удалении от объекта измерения, и если и имеют контакт с измеряемой средой, то только посредством теплового электромагнитного излучения.

Еще одним отличительным признаком измерительного прибора является наличие собственной шкалы. Впрочем, как мы увидим далее, наличие собственной шкалы характерно еще для средств измерений, которые называются вторичные преобразователи.

В отличие от меры измерительный прибор не воспроизводит известное значение величины, а измеряемая величина должна подводиться к нему извне. Пример – ртутный термометр, технический манометр и т.д.

В состав измерительного прибора входят узлы и детали, служащие для восприятия воздействующей на прибор величины, а также для преобразования ее в показания, которые могут быть отсчитаны наблюдателем. Измерительный прибор может содержать так же узлы, предназначенные для выполнения дополнительных действий, например, регулирования, сигнализации и т.п.

Далеко не всегда целесообразно, а во многих случаях и невозможно строить средство измерений так, чтобы измеряемая величина непосредственно воздействовала на его измерительный механизм. В большинстве случаев измеряемая величина подвергается предварительному преобразованию, в том числе и в величину иной физической природы, чем измеряемая величина. Это преобразование может быть многоступенчатым. Измерительный механизм измеряет преобразованную величину, находящуюся в определенной зависимости от измеряемой величины. Если эти преобразования выполняются самостоятельными средствами измерения, то говорят об измерительных преобразователях.

Таким образом, измерительный преобразователь – это средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, преобразования, обработки или хранения, но не поддающийся непосредственному восприятию наблюдателем.

Многоступенчатое преоброзование измеряемой величины имеет в современной технике большое значение и преследует самые разнообразные цели.

Первичный преобразователь — это средство измерения, которое предназначено для преобразования измеряемой физической величины в величину другой природы, удобную для дистанционной передачи на расстояние. Для передачи на расстояние удобнее всего использовать электрические величины (ток, напряжение и т.п.), поэтому в большинстве случаев измеряемая величина преобразовывается в эти величины. Но это не всегда так. Во взрыво и пожароопасных производствах широко применяются пневмотические преобразователи.

Первичный преобразователь так же устанавливается на объекте измерения, имеет полный или частичный контакт с измеряемой средой, но в отличие от измерительного прибора, не имеет собственной шкалы и ничего не показывает.

Первичный преобразователь имеет чувствительный элемент, который контактирует с измеряемой величиной. Этот чувствительный элемент носит название “датчик”. Первичный преобразователь кроме датчика может иметь какие-то другие элементы или блоки, а может не иметь, а состоять только из датчика. Поэтому первичный преобразователь очень часто называют датчиком, а это не совсем верно.

К первичным преобразователям можно отнести термопары, термосопротивления, сужающие устройства дифманометров – расходомеров и т.п.

Чтобы преобразовать информацию, пришедшую от вторичного преобразователя в доступную для наблюдателя форму, служат вторичные преобразователи.

Вторичный преобразователь - это средство измерения, которое предназначено для преобразования физической величины, приходящей от первичного преобразователя в информацию об измеряемой величине, доступную для визуального восприятия. Он устанавливается (как правило) на удалении от объекта измерения (на щите или на пульте управления), куда стекается информация с множества объектов измерения. Так же, как и измерительный прибор,он имеет собственную шкалу.

Первичный и вторичный преобразователи образуют так называемый измерительный комплект. На рисунке 2 изображен простейший измерительный комплект, состоящий из термоэлектрического преобразователя (термопары) и вторичного преобразователя (автоматического потенциометра или пирометрического милливольтметра)

Рис.2 Простейший измерительный комплект

Между первичным и вторичным преобразователями могут находиться и другие преобразователи (промежуточные, передающие, масштабирующие, нормирующие и т.д.), а могут и не находиться.

Масштабирующий преобразователь – измерительный преобразователь, служащий для изменения в определенное число раз значения одной из величин, действующих в измерительной цепи без изменения ее природы. К числу таких преобразователей относятся измерительные трансформаторы напряжения, измерительные усилители и т.п.

Кроме отдельных средств измерения и измерительных систем применяются сложные информационно-измерительные системы, позволяющие не только осуществлять автоматические измерения во многих точках, но и производить необходимую обработку результатов измерения по заданным алгоритмам. В связи с этим особенно остро возникает необходимость унификации сигналов, поступающих на вход измерительных преобразователей и вход информационных машин. Унификация сигналов позволяет свести к минимуму разновидности измерительных приборов, обеспечивает взаимозаменяемость средств измерений. Для этих целей предназначены нормирующие преобразователи.

Измерительная установка – совокупность функционально объединенных средств измерений, в которых для преобразования измеряемой величины в сигнал служат одно или несколько измерительных и ряд вспомогательных устройств, расположенных в одном месте.

В состав измерительной установки могут входить измерительные приборы, меры, измерительные приспособления и измерительные преобразователи, а также вспомогательные и регулировочные устройства, источники питания.

Измерительные машины в большинстве случаев обладают большей или меньшей универсальностью, как в отношении номенклатуры измеряемых величин, так и в отношении диапазонов измерений.

Измерительные машины являются измерительными установками более узкого назначения. Как правило, они имеют большие размеры. В качестве примера измерительной машины можно привести разрывную машину, которая используется для определения пределов прочности, текучести, металлов в материаловедении.

Измерительные приборы и вторичные преобразователи могут быть показывающими и регистрирующими. Показывающие имеют шкалу для текущего визуального контроля информации. Регистрирующие, кроме этого, снабжены самописцами для записи информации в течение длительного времени.

Измерительные приборы могут выполняться переносными или стационарными.

Информация об измеряемой величине может быть представлена в аналоговой или дискретной (цифровой) форме. Соответственно и средства измерения бывают аналоговые и цифровые.

Аналоговые – это такие средства измерения, у которых показание (или информационный сигнал преобразователя) меняется непрерывно с изменением измеряемой величины.

Цифровые – это такие средства измерения, у которых показание (или информационный сигнал преобразователя) меняется дискретно (ступенчато) при непрерывном изменении измеряемой величины.

Показания таких приборов представлены в ццифровой форме. Наличие операции квантования приводит к появлению у цифровых приборов специфических свойств, которые обуславливают существенные различия в методах выбора, анализа, описания и нормирования метрологических характеристик по сравнению с аналоговыми приборами.

Существуют и другие принципы классификации средств измерений. Мы познакомили вас с основными из них.