Средства измерений. 
Технические измерения и приборы

Средство измерений — техническое средство (или их комплекс), 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. Суть средства измерений заключается, во-первых, в «умении» хранить или воспроизводить единицу физической величины; во-вторых, в неизменности размера хранимой единицы. Эти важнейшие факторы и обуславливают возможность выполнения измерения (сопоставление с единицей), т. е. «делают» техническое средство средством измерений. Если размер единицы в процессе измерений изменяется более, чем установлено нормами, то таким средством измерений нельзя получить результат с требуемой точностью. Это означает, что измерять можно лишь тогда, когда техническое средство, предназначенное для этой цели, может хранить единицу, достаточно неизменную по размеру и времени.

Средства измерений должны удовлетворять следующим группам требований: техническим, техники безопасности, правилам приёмки и методам испытаний.

В общем случае средство измерений имеет следующую структурную схему (рис. 1.12).

Рис. 1.12. Структурная схема средства измерений:

X- входной сигнал (измеряемая величина); Y- выходной сигнал.

Первичный измерительный преобразователь (ПИП) — измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, т. е. первый преобразователь в измерительной цепи измерительного прибора, установки, системы. В одном средстве измерений может быть несколько первичных преобразователей.

Первичные измерительные преобразователи классифицируют по роду измеряемой величины (температуры, давления, уровня и т. д.) и по выходной величине (генераторные, параметрические) и др.

Датчик является конструктивно обособленным первичным измерительным преобразователем, от которого поступают измерительные сигналы. Датчик может быть вынесен на значительное расстояние от средства измерений, принимающего его сигналы. В подавляющем большинстве случаев датчик предназначен для преобразования неэлектрической физической величины в электрический ток, напряжение и т. д.

Измерительный преобразователь (ИП) — 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. Измерительный преобразователь или входит в состав какоголибо измерительного прибора, или применяется вместе с какимлибо средством измерений. По характеру преобразования различают аналоговые, цифроаналоговые (ЦАП) и аналогоцифровые (АЦП) преобразователи. По месту в измерительной цепи различают первичные и промежуточные преобразователи. Выделяют также масштабные и передающие преобразователи.

Рассмотрим коротко некоторые из измерительных преобразователей.

Усилители служат для усиления электрических сигналов. Они являются наиболее универсальными электронными устройствами, которые используются практически во всех электронных системах.

Преобразователь сопротивления преобразует высокое выходное сопротивление каскада в низкое (например, эмиттерный или катодный повторитель) или наоборот.

Интегратор — это устройство для интегрирования входного сигнала.

Дифференцирующее устройство на базе операционного усилителя.

Компаратор (лат. comparator, от сотраго — сравниваю) служит для сравнения двух величин и скачкообразного изменения выходного напряжения, когда одно из сравниваемых напряжений больше или меньше другого.

Схема логарифмического сжатия (логарифмический усилитель) сжимает динамический диапазон выходного сигнала.

Преобразователь ток-напряжение преобразовывает токовый выходной сигнал в соответствующее изменение напряжения.

Преобразователь действующих значений преобразовывает выходной сигнал переменного тока в сигнал постоянного тока с тем же действующим значением.

Фильтр (франц. filter, от средневек. лат. filtrum — букв, войлок) — устройство, предназначенное для разделения частот. Частотные свойства фильтра характеризуются его амплитудночастотной характеристикой.

Схема линеаризации корректирует выходной сигнал с целью линеаризации статической характеристики.

Нормирующий преобразователь приводит входной сигнал X в выходной Y, размер информативного параметра которого приведён к стандартному диапазону (см. табл. 1.5) по формуле.

где X_min, X_max — нижний и верхний пределы диапазона измерений X; a _min, X*max — минимальное и максимальное значение нормированного сигнала.

Калибратор (франц. caliber) — многозначная мера, включающая в свой состав ЦАП и служащая для периодической поверки средства измерений путём подключения к его входу.

Амплитудный ограничитель предназначен для ограничения амплитуды или изменения формы сигнала.

Фиксаторы уровня используют для смещения сигнала, в том числе импульсного, по оси ординат на определённый уровень. Различают фиксаторы нулевого и ненулевого уровня.

Вторичный прибор (ВП), показывающее устройство средства измерений — совокупность элементов средства измерений, которые обеспечивают визуальное восприятие значений измеряемой величины или связанных с ней величин.

Шкала средства измерений — часть показывающего устройства средства измерений, представляющая собой упорядоченный ряд отметок вместе со связанной с ними нумерацией.

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

Используемые в различных областях науки и техники средства измерений чрезвычайно разнообразны. Однако для этого множества можно выделить некоторые общие признаки, присущие всем средствам измерений независимо от области применения.

По роли, выполняемой в системе обеспечения единства измерений, средства измерений делят на следующие:

• — метрологические, предназначенные для метрологических целей — воспроизведения единицы и (или) её хранения или передачи размера единицы рабочим средствам измерений;
• — рабочие, предназначенные для измерений, не связанных с передачей размера единицы другим средствам измерений.

Подавляющее большинство используемых на практике средств измерений принадлежит ко второй группе.

По условиям применения различают рабочие средства измерений:

• — лабораторные, используемые при научных исследованиях, проектировании технических устройств, медицинских измерениях и т. п. Обычно лабораторные средства измерений обладают наибольшей точностью, чувствительностью и стабильностью;
• — производственные, используемые для обеспечения заданных параметров технологических процессов, контроля готовой продукции и ир. Эти средства обладают по сравнению с лабораторными повышенной стойкостью к ударно-вибрационным нагрузкам, воздействиям влаги, тепла и холода. Они могут иметь погрешность 15 — 20% и более;
• — полевые, используемые при эксплуатации самолётов, автомобилей, речных и морских судов и т. п.

По уровню автоматизации все средства измерений деляг на три основные группы:

• — неавтоматические;
• — автоматизированные, которые проводят в автоматическом режиме одну или часть измерительных операций.
• — автоматические, производящие без непосредственного участия человека измерения и все операции, связанные с обработкой результатов измерений, их регистрацией, передачей данных или выработкой управляющего сигнала.

По уровню стандартизации средства измерений делят па следующие:

• — стандартизованные, изготовленные согласно требованиям соответствующих государственных или отраслевых стандартов. Обычно стандартизованное средство измерений подвергают испытаниям и вносят в Госреестр;
• — нестандартизованные — средства измерений, стандартизация требований к которым признана нецелесообразной. Обычно это уникальные средства измерений, применяемые для решения измерительных задач в специальных направлениях науки и техники, в стандартизации требований к ним нет необходимости.

Подавляющее большинство средств измерений является стандартизированными. Их выпускают серийно, и они обязательно проходят государственные испытания. Нсстандартизованные средства измерений разрабатываются специализированными НИИ и выпускаются единичными экземплярами. Они нс проходят государственных испытаний и их характеристики определяют при метрологической аттестации.

По отношению к измеряемой физической величине средства измерений подразделяют на следующие:

• — основные — это средства измерений той физической величины, значение которой необходимо получить в соответствии с измерительной задачей;
• — вспомогательные — это средства измерений той физической величины, влияние которой на основное средство измерений или объект измерения необходимо учесть для получения результатов измерения требуемой точности. Например, термометр для измерения температуры газа в процессе измерений объёмного расхода этого газа.

По структурной схеме средства измерений делят на аналоговые и цифровые.

Аналоговый измерительный прибор — средство измерений, показания которого являются непрерывной функцией измерения измеряемой величины.

Цифровой измерительный прибор (ЦИП) — средство измерений, автоматически вырабатывающее дискретные сигналы измерительной информации, показания которого представлены в цифровой форме (ГОСТ 16 263−70).

Цифровой измерительный прибор имеет перед аналоговым следующие преимущества:

• — удобство и объективность отсчёта измеряемой величины;
• — высокая точность результатов измерений;
• — широкий динамический диапазон при высокой разрешающей способности;
• — высокое быстродействие из-за отсутствия подвижных электромеханических элементов;
• — возможность автоматизации процесса измерения, включая автоматический выбор полярности и пределов измерений;

возможность использования новейших достижений микроэлектроники при конструировании и изготовлении;

• — высокая устойчивость к внешним механическим и климатическим воздействиям;
• — возможность математической обработки сигнала;
• — простота связи с ЭВМ.

По реализации процедуры измерения средства измерений бывают элементарными и комплексными.

По конструктивному исполнению все средства измерений делят на показывающие и регистрирующие, среди которых различают самопишущие и печатающие.

Средства измерений подразделяют на меры, устройства сравнения (компараторы), измерительные приборы, измерительные установки, машины и системы.

Мера — см. п. 1.2.

Компаратор — средство сравнения, предназначенное для сличения мер однородных величин, например, рычажные весы.

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

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

По действию измерительные приборы разделяют на интегрирующие и суммирующие.

Различают также приборы прямого действия и приборы сравнения, аналоговые и цифровые, самопишущие и печатающие.

Измерительная установка — это совокупность функционально объединённых мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте.

Измерительная машина — это измерительная установка крупных размеров, предназначенная для точных измерений физических величин, характеризующих изделие, например, силоизмерительная машина.

Измерительная система есть совокупность функционально объединённых мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещённых в разных точках контролируемого объекта с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в различных целях.

Измерительные в свою очередь делят на информационноизмерительные системы, измерительно-вычислительные комплексы и компьютерно-измерительные системы.

Информационно-измерительная система — совокупность измерительных, связующих, вычислительных компонентов, образующих измерительные каналы и вспомогательные устройства (компонентов измерительной системы), функционирующие как единое целое, предназначенная:

• — для получения информации о состоянии объекта с помощью измерительных преобразователей в общем случае множества изменяющихся во времени и пространстве величин, характеризующих это состояние;
• — машинной обработки результатов измерений;
• — регистрации и индикации результатов измерений и результатов их машинной обработки;
• — преобразования этих данных в выходные сигналы системы в разных целях.

Измерительно-вычислительный комплекс (от лат. complexus — связь, сочетание) — это функционально объединённая совокупность средств измерений, ЭВМ и вспомогательных устройств, предназначенная для выполнения в составе измерительной системы конкретной измерительной задачи.