Устройство средств измерений, принцип их работы

Средства измерений и их классификация

Классификация измерений

Как и всякая классификация, классификация измерений строится по многоуровневому принципу. На верхнем уровне представлены области и соответствующие им виды измерений (таблица 2.1), внутри каждого вида различают ешё и подвиды:

- область измерений - с овокупность измерений физических величин, свойственных какой-либо области науки или техники и выделяющихся своей спецификой:

- вид измерений - часть области измерений, имеющая свои особенности и отличающаяся однородностью измеряемых величин:

- подвид измерений - часть вида измерений, выделяющаяся особенностями измерений однородной величины (по диапазону, по размеру величины и др.), например, при измерении длины выделяют измерения больших длин (в десятках, сотнях, тысячах километров) или измерения сверхмалых длин - толщин пленок.

Таблица 2.1 – Области и виды измерений

Область измерений	Вид измерений
Измерения геометрических величин	Измерение длин; отклонений формы поверхностей; параметров сложных поверхностей; углов
Измерения механических величин	массы; силы; крутящих моментов, напряжений и деформаций; параметров движения; твердости.
Измерения теплотехнических параметров	Измерение температуры, потока, расхода, уровня, объема веществ: массового и объемного расхода жидкостей в трубопроводах; расхода газов; вместимости; параметров открытых потоков; уровня жидкости.
Измерения давлений, вакуумные измерения	Измерение избыточного давления; абсолютного давления; переменного давления; вакуума.

Продолжение таблицы 2.1

Область измерений	Вид измерений
Физико-химические измерения	Измерение вязкости; плотности; содержаний (концентрации) компонентов в твердых, жидких и газообразных веществах; влажности газов, твердых веществ; электрохимические измерения.
Теплофизические измерения	Измерение теплофизических величин: теплоемкости, калориметрия, коэффициентов теплопередачи и др.
Измерения времени и частоты	Измерения времени и интервалов времени; измерения частоты периодических процессов; измерения с использованием методов и средств воспроизведения и хранения единиц и шкал времени и частоты; методов и средств передачи размеров единиц времени и частоты.
Измерения электрических и магнитных величин на постоянном и переменном токе	Измерения силы тока, количества электричества, электродвижущей силы, напряжения, мощности и энергии, угла сдвига фаз; электрического сопротивления, проводимости, емкости, индуктивности и добротности электрических цепей; параметров магнитных полей; магнитных характеристик материалов.
Радиоэлектронные измерения	Измерения интенсивности сигналов; параметров формы и спектра сигналов; параметров трактов с сосредоточенными и распределенными постоянными; свойств веществ и материалов радиотехническими методами; антенные измерения.
Измерения акустических величин	Измерения акустические - в воздушной среде и в газах; акустические - в водной среде; акустические - в твердых телах; аудиометрия и измерения уровня шума.
Оптические и оптико-физические измерения	Измерения световые, оптических свойств материалов в видимой области спектра; энергетических параметров некогерентного оптического излучения; энергетических параметров пространственного распределения энергии и мощности непрерывного и импульсного лазерного и квазимонохроматического излучения; спектральных, частотных характеристик, поляризации лазерного излучения; параметров оптических элементов, оптических характеристик материалов; характеристик фотоматериалов и оптической плотности.
Измерения ионизирующих излучений и ядерных констант	Измерения дозиметрических характеристик ионизирующих излучений; спектральных характеристик ионизирующих излучений; активности радионуклидов; радиометрических характеристик ионизирующих излучений.

В основу классификации на следующих уровнях положены методы измерения, каждый из которых представляет из себя прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений.

Принцип измерений - физическое явление или эффект, положенное в основу измерений, например, применение эффекта Джозефсона для измерения электрического напряжения, применение эффекта Пельтье для измерения поглощенной энергии ионизирующих излучений, применение эффекта Доплера для измерения скорости, использование силы тяжести при измерении массы взвешиванием.

Измерения классифицируют по целому ряду признаков, как показано на рисунке 2.1.

В зависимости от точности средств измерений и условий их применения измерения подразделяют на:

- равноточные (равноточный ряд измерений) - ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью; прежде чем обрабатывать ряд измерений, необходимо убедиться в том, что все измерения этого ряда являются равноточными;

- неравноточные измерения - ряд измерений какой-либо величины, выполненных различающимися по точности средствами измерений и (или) в разных условиях; ряд неравноточных измерений обрабатывают с учетом веса отдельных измерений, входящих в ряд.

По количеству проведения измерений выделяют:

- однократные измерения, выполненные один раз. Во многих случаях на практике выполняются именно однократные измерения;

Пример - Измерение конкретного момента времени по часам производится один раз.

- многократные измерения физической величины одного и того же размера, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений, т.е. состоящие из ряда однократных измерений.

По отношению к основным единицам измерения выделяют:

- абсолютное измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант;

Пример - Измерение силы F = mg основано на измерении основной величины - массы т и использовании физической постоянной g (в точке измерения массы).

- относительное измерение – этоизмерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерение изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

Пример - Измерение активности радионуклида в источнике по отношению к активности радионуклида в однотипном источнике, аттестованном в качестве эталонной меры активности, является относительным измерением.

Рисунок 2.1 – Классификация измерений

По характеру изменения измеряемой величины во времени можно выделить:

- статическое измерение - измерение физической величины, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения, например, измерение длины детали при нормальной температуре, измерение размеров земельного участка;

- динамическое измерение - измерение изменяющейся по размеру физической величины, например, измерения пульсирующих давлений, вибраций, частотных характеристик. Строго говоря, все физические величины подвержены тем или иным изменениям во времени. В этом убеждает применение все более и более чувствительных средств измерений, которые дают возможность обнаруживать изменение величин, ранее считавшихся постоянными, поэтому разделение измерений на динамические и статические является условным.

По целям измерений, определяющим точность результата,выделяют:

- измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровне техники. К ним относятся в первую очередь эталонные измерения, связанные с максимально возможной точностью воспроизведения установленных единиц физических величин, и, кроме того, измерения физических констант, прежде всего универсальных (например, абсолютного значения ускорения свободного падения и др.). К этому же классу относятся и некоторые специальные измерения, требующие высокой точности. Например, поверка мер и измерительных приборов, состоящая из ряда операций, проводимых с целью установления соответствия поверяемых приборов требованиям, которые предъявляются к ним стандартами, инструкциями, другой научно-технической документацией;

- контрольно-поверочные измерения, погрешность которых с определенной вероятностью не должна превышать некоторое заданное значение. К ним относятся измерения, выполняемые лабораториями государственного надзора за внедрением и соблюдением стандартов и состоянием измерительной техники и заводскими измерительными лабораториями с погрешностью заранее заданного значения;

- технические измерения, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерений. Техническими измерениями являются:

1) лабораторные измерения, которые проводят при различных разработках и исследованиях; отличаются большим разнообразием, сложностью и применением наиболее точной измерительной аппаратуры;

2) эксплуатационные, которые проводят с целью контроля и обеспечения необходимых технологических режимов различных производственных установок, действующей аппаратуры на различных стадиях технологического (производственного) процесса, где различают:

a) входной контроль, которому подвергают сырьё, исходные материалы, полуфабрикаты, комплектующие изделия, техническую документацию и т.п., иначе говоря, всё то, что используется при производстве продукции или её эксплуатации;

б) операционный (производственный, технологический) контроль ещё незавершённой продукции проводится на всех операциях производственного процесса;

в) приёмочный (приемо-сдаточный) контроль готовых, сборочных и монтажных единиц осуществляется в конце технологического процесса при передаче готовой продукции потребителю.

В зависимости от измерительных средств, используемых в процессе, измерения можно разделить на:

- измерения инструментальнымметодом, основанным на использовании специальных технических средств, в том числе автоматизированных и автоматических;

- измерения экспертным методом, основанным на использовании данных нескольких специалистов. Данный метод широко применяется в квалиметрии, спорте, искусстве, медицине;

- измерения эвристическим методом, основанным на интуиции. В данном случае широко используют способ попарного сопоставления, когда измеряемые величины сначала сравниваются между собой попарно, а затем производится ранжирование на основании результатов этого сравнения;

- измерения органолептическим методом,основанным на использовании органов чувств человека (осязания, обоняния, зрения, слуха и вкуса). Данный метод часто использует измерения на основе впечатлений (конкурсы мастеров искусств, соревнования спортсменов).

В зависимости от совокупности измеряемых параметров можно выделить:

- поэлементный метод измерения, который характеризуется измерением каждого параметра изделия в отдельности (например, эксцентриситета, овальности, огранки цилиндрического вала);

- комплексный метод измерения, который характеризуется измерением суммарного показателя качества, на который оказывают влияние отдельные его составляющие (например, измерение радиального биения цилиндрической детали, на которое влияют эксцентриситет, овальность и др.).

По характеру взаимодействия средства измерения с объектом измерения:

- измерения контактным методом, основанным на том, что чувствительный элемент прибора приводится в контакт с объектом измерения;

Примеры:

- измерение диаметра вала измерительной скобой или контроль проходным калибром;

- измерение температуры тела термометром сопротивления или термопарой.

- измерения бесконтактным метод, основанным на том, что чувствительный элемент средства измерений не приводится в контакт с объектом измерения.

Примеры:

- измерение температуры в доменной печи пирометром;

- измерение расстояния до объекта радиолокатором.

По способу получения результата измерения подразделяются на:

- прямые - измерения, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных. При прямых измерениях экспериментальным операциям подвергают измеряемую величину, которую сравнивают с мерой непосредственно или же с помощью измерительных приборов, градуированных в требуемых единицах, например, измерения длины тела линейкой, массы при помощи весов и др.;

- косвенные - определение искомого значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной.

Пример - Определить электрическое сопротивление Rн можно, применив метод вольтметра и амперметра, включив их по схемам, представленным на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 – Измерение электрического сопротивления методом вольтметра-амперметра

Прямыми измерениями получаем значения величин электрического тока I и напряжения V, после чего по формуле

определяем искомое сопротивление. По результатам этих же измерений определяем и электрическую мощность, которая, как известно, выражается формулой

,

где cosj при постоянном токе равен нулю.

Косвенные измерения широко распространены в тех случаях, когда искомую величину невозможно или слишком сложно измерить непосредственно или когда прямое измерение дает менее точный результат. Роль их особенно велика при измерении величин, недоступных непосредственному экспериментальному сравнению, например размеров астрономического или внутриатомного порядка;

- совокупные - проводимые одновременно измерения двух или нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых при прямых измерениях этих величин в различных сочетаниях;

Пример – При измерении электрического сопротивления заземления (рисунок 2.3) попарно измеряют сопротивление трех заземлений – одного основного (рабочего) R_x и двух вспомогательных R_y и R_z:

Рисунок 2.3 – Схема для определения сопротивления защземления с помощью совокупных измерений

Решение системы уравнений R₁=R_x +R_y; R₂=R_y +R_z; R₃=R_x +R_z позволяет определить значения искомых величин R_x,R_y и R_z.

- совместные - проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимостей между ними.

Пример - Требуется определить зависимость сопротивления R резистора от температуры t. Связь между этими величинами приближенно описывается формулой

,

где сопротивление этого резистора при , a - температурный коэффициент сопротивления. Для нахождения значений и a следует при двух каких-либо значениях температуры t₁ и t₂ измерить электрические сопротивления R₁ и R₂, затем решить систему уравнений

.

По способу получения значений измеряемых величин прямыеизмерения подразделяют на:

- измерения методом непосредственной оценки, при котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству средства измерений, например, измерение силы тока амперметром, напряжения вольтметром. Этот метод является наиболее распространенным, но его точность зависит от точности измерительного прибора;

- измерения методом сравнения с мерой (метод сравнения), в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

Примеры:

- измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями (мерами массы с известным значением).

- измерение напряжения постоянного тока на компенсаторе сравнением с известной ЭДС нормального элемента.

При этом точность измерения может быть выше, чем точность непосредственной оценки. Различают следующие разновидности метода сравнения с мерой:

- метод противопоставления, при котором измеряемая и воспроизводимая величина одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между величинами, например, измерение веса с помощью рычажных весов и набора гирь;

- нулевой метод - метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля, что фиксируется высокочувствительным прибором – нуль-индикатором, например, измерение сопротивления резистора с помощью четырехплечевого моста, в котором падение напряжения на резисторе с неизвестным сопротивлением уравновешивается падением напряжения на резисторе известного сопротивления;

- метод замещения - метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины. При этом методе может быть достигнута высокая точность измерений при высокой точности меры известной величины и высокой чувствительности прибора;

Примеры:

- точное измерение малого напряжения при помощи высокочувствительного гальванометра, к которому сначала подключают источник неизвестного напряжения и определяют отклонение указателя, а затем с помощью регулируемого источника известного напряжения добиваются того же отклонения указателя; при этом известное напряжение равно неизвестному;

- взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов (метод Борда).

- метод дополнения, в котором значение измеряемой величины дополняется мерой этой же величины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению:

- дифференциальный метод, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, и при котором измеряется разность между этими двумя величинами;

Пример ы:

- измерения, выполняемые при поверке мер длины сравнением с эталонной мерой на компараторе;

- измерение напряжения постоянного тока с помощью дискретного делителя напряжения, источника образцового напряжения и вольтметра.

- метод совпадения, при котором измеряют разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов; например, измерение частоты вращения детали с помощью мигающей лампы стробоскопа: наблюдая положение метки на вращающейся детали в моменты вспышек лампы, по известной частоте вспышек и смещению метки определяют частоту вращения детали.

К средствам измерительной техники относят средства измерений (СИ) и их совокупности (измерительные системы, измерительные установки), измерительные принадлежности, измерительные устройства

Средство измерений - 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.

Важно. Приведенное определение вскрывает суть средства измерений, заключающуюся, 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, таким средством 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 во времени.

При оценивании величин по условным шкалам шкалы выступают как бы «средством измерений» этих величин.

Индикатор - техническое средство или вещество, предназначенное для установления наличия какой-либо физической величины или превышения уровня ее порогового значения и не обладающее метрологическими характеристиками.

Примеры:

- индикатором наличия (или отсутствия) измерительного сигнала может служить осциллограф; индикатор близости к нулю сигнала называют нулевым или нуль-индикатором;.

- при химических реакциях в качестве индикатора применяют лакмусовую бумагу и какие-либо вещества;

- в области измерений ионизирующих излучений индикатор часто дает световой и (или) звуковой сигнал о превышении уровнем радиации его порогового значения.

На верхнем уровне классификации СИ разделяют по областям измерений - механических, электрических, магнитных, тепловых и других физических величин (см. таблицу 2.1).

На последующем уровне, как показано на рисунке 2.4, СИ классифицируют по целому ряду признаков.

Рисунок 2.4 - Классификация средств измерений

По метрологическому назначению средства измерений подразделяют на:

- образцовое средство измерения, предназначенное для поверки других средств измерений и официально утверждённые в качестве образцовых;

- рабочее средство измерений, предназначенное для измерений, не связанных с передачей размера единицы другим средствам измерений, т.е. по ним нельзя поверять другие СИ.

По выполняемым функциям средства измерений подразделяют на:

- измерительный преобразователь (ИП) - техническое средство с нормированными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающийся непосредственному восприятию наблюдателем. ИП или входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы и др.), или применяется вместе с каким-либо средством измерений.

По характеру преобразования различают преобразователи:

- аналоговые;

- аналого-цифровые преобразователи (АЦП);

- цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП).

По месту в измерительной цепи различают первичные и промежуточные преобразователи. Выделяют также масштабные и передающие преобразователи;

Важно. Различают преобразователи для электрических измерений электрических величин и преобразователи для электрических измерений неэлектрических величин, например, термопара в термоэлектрическом термометре (преобразование неэлектрической величины – температуры в электрическую величину - напряжение), измерительный трансформатор тока (преобразование электрической величины – тока в электрическую величину – ток), упругий элемент (мембрана, сильфон) в датчике давления (преобразование неэлектрической величины – давления в неэлектрическую величину – перемещение.

- первичный измерительный преобразователь (первичный преобразователь, чувствительный элемент) - измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, т.е. первый преобразователь в измерительной цепи измерительного прибора (установки, системы) который непосредственно воспринимает измеряемую физическую величину; в одном средстве измерений может быть несколько первичных преобразователей.

Примеры:

- термопара в цепи термоэлектрического термометра;.

- ряд первичных преобразователей измерительной контролирующей системы, расположенных в разных точках контролируемой среды

Конструктивно обособленный первичный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы, называют датчиком (он «дает» информацию);

Пример - Датчик может быть вынесен на значительное расстояние от средства измерений, принимающего его сигналы, например, датчики запущенного метеорологического радиозонда передают измерительную информацию о температуре, давлении, влажности и других параметрах атмосферы. В области измерений ионизирующих излучений применяют термин детектор.

- мера физической величины (мера величины, мера) - 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. Различают следующие разновидности мер:

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

2) многозначная мера - мера, воспроизводящая физическую величину разных размеров (например, штриховая мера длины);

3) набор мер - комплект мер разного размера одной и той же физической величины, предназначенных для применения на практике, как в отдельности, так и в различных сочетаниях (например, набор концевых мер длины, набор гирь);

4) магазин мер - набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях (например, магазин электрических сопротивлений).

При оценивании величин по условным (неметрическим) шкалам, имеющим реперные точки, в качестве «меры» нередко выступают вещества или материалы с приписанными им условными значениями величин. Так, для шкалы Мооса мерами твердости являются минералы различной твердости. Приписанные им значения твердости образуют ряд реперных точек условной шкалы.

Номинальное значение физической величины, указанное на мере, на самом деле является действительным значением, приписанным мере на основании ее калибровки или поверки, например, в состав государственного эталона единицы массы входит платиноиридиевая гиря с номинальным значением массы 1 кг, тогда как действительное значение ее массы составляет 1,000000087 кг, полученное в результате международных сличений с международным эталоном килограмма, хранящимся в Международном Бюро Мер и Весов (МБМВ) (в данном случае это калибровка);

- стандартный образец (СО) - образец вещества (материала) с установленными в результате метрологической аттестации значениями одной или более величин, характеризующими свойство или состав этого вещества (материала). Различают стандартные образцы свойства и стандартные образцы состава. Стандартные образцы свойств веществ и материалов по метрологическому назначению выполняют роль однозначных мер. Они могут применяться в качестве рабочих эталонов (с присвоением разряда по государственной поверочной схеме);

Примеры:

- СО свойства: СО относительной диэлектрической проницаемости, СО высокочистой бензойной кислоты;

- СО состава: СО состава углеродистой стали.

- средство сравнения - техническое средство или специально создаваемая среда, посредством которых возможно выполнять сравнения друг с другом мер однородных величин или показания измерительных приборов; иногда техническое средство снабжается средством измерений, обеспечивающим функцию сравнения;

Примеры:

- рычажные весы, на одну чашку которых устанавливается эталонная гиря, а на другую поверяемая, есть средство для их сравнения;

- градуированная жидкость для сравнения показаний эталонного и рабочего ареометров служит необходимой средой для градуирования рабочих ареометров;

- температурное поле, создаваемое термостатом для сравнения показаний термометров, является необходимой средой;

- давление среды, создаваемое компрессором, может быть измерено поверяемым и эталонным манометрами одновременно. На основании показаний эталонного прибора градуируется поверяемый прибор.

- компаратор - средство сравнения, предназначенное для сличения мер однородных величин;

Примеры:

- рычажные весы;

- компаратор для сличения нормальных элементов.

- измерительный прибор (прибор) - средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне в форме доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. В свою очередь измерительные приборы можно классифицировать:

1) по способу индикации значений измеряемой величины измерительные приборы разделяют на показывающие и регистрирующие - самопишущие и печатающие;

2) по действию измерительные приборы разделяют на интегрирующие и суммирующие;

3) по методу измерения различают также приборы прямого преобразования (когда сигнал измерительной информации преобразуется в одном направлении) и приборы сравнения (в которых происходит сравнение измеряемой величины известной величиной - так называемые приборы с отрицательной обратной связью);

4) по форме сигнала измерительной информации на аналоговые (показания которого являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины) и цифровые (автоматически вырабатывающие дискретный (кодированный) сигнал измерительной информации и дающие показания в цифровой форме) ;

5) по степени усреднения измеряемой величины – приборы, дающие показания мгновенныхзначений, приборы интегрирующие, показания которых определяются интегралом по времени или по другой независимой переменной; суммирующиеприборы, показания которых функционально связаны с суммой двух или нескольких величин, подводимых к нему по различным каналам;

- измерительное устройство - часть измерительного прибора (установки или системы), связанная с измерительным сигналом и имеющая обособленную конструкцию и назначение;

Примеры:

- измерительным устройством может быть названо регистрирующее устройство измерительного прибора (включающее ленту для записи, лентопротяжный механизм и пишущий элемент;

- измерительный преобразователь.

- измерительная цепь - совокупность элементов средств измерений, образующих непрерывный путь прохождения измерительного сигнала одной физической величины от входа до выхода; измерительную цепь измерительной системы называют также измерительным каналом;

- измерительный механизм средства измерений (измерительный механизм) - совокупность элементов средства измерений, которые обеспечивают необходимое перемещение указателя (стрелки, светового пятна и т.д.);

Пример - Измерительный механизм милливольтметра состоит из постоянного магнита и подвижной рамки.

- измерительные принадлежности - вспомогательные средства, служащие для обеспечения необходимых условий для выполнения измерений с требуемой точностью.

Пример - термостат, барокамера, специальные противовибрационные фундаменты, устройства, экранирующие влияние электромагнитных полей, тренога для установки прибора по уровню.

По уровню агрегирования и автоматизации средства измерений подразделяют на:

- автоматическое средство измерений - средство измерений, производящее без непосредственного участия человека измерения и все операции, связанные с обработкой результатов измерений, их регистрацией, передачей данных или выработкой управляющего сигнала. Здесь различают:

1) измерительный или контрольный автомат - автоматическое средство измерений, встроенное в автоматическую технологическую линию;

2) измерительный робот, под которым нередко понимают разновидность контрольно-измерительной машины, отличающейся хорошими манипуляционными свойствами, высокими скоростями перемещений и измерений;

- автоматизированное средство измерений - средство измерений, производящее в автоматическом режиме одну или часть измерительных операций, например, барограф (измерение и регистрация результатов), электрический счетчик электроэнергии (измерение и регистрация данных нарастающим итогом);

- измерительная установка (установка) - совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте (установка для измерений удельного сопротивления электротехнических материалов, установка для испытаний магнитных материалов). По назначению измерительные установки различают на:

- поверочные, применяемые для поверки;

- эталонные, входящие в состав эталона;

- измерительные машины - измерительные установки крупных размеров, предназначенные для точных измерений физических величин, характеризующих изделие;

Пример - Силоизмерительная машина, машина для измерения больших длин в промышленном производстве, делительная машина, координатно-измерительная машин.

- измерительная система - совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта и т.п. с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях.

Примеры:

- измерительная система теплоэлектростанции, позволяющая получать измерительную информацию о ряде физических величин в разных энергоблоках. Она может содержать сотни измерительных каналов;

- радионавигационная система для определения местоположения различных объектов, состоящая из ряда измерительно-вычислительных комплексов, разнесенных в пространстве на значительное расстояние друг от друга.

В зависимости от назначения измерительные системы разделяют на:

- измерительные информационные,

- измерительные контролирующие,

- измерительные управляющие системы

- гибкие измерительние системы, перестраиваемые в зависимости от изменения измерительной задачи, и др.;

- измерительно-вычислительный комплек с - функционально объединенная совокупность средств измерений, ЭВМ и вспомогательных устройств, предназначенная для выполнения в составе измерительной системы конкретной измерительной задачи.

По уровню стандартизации средства измерений подразделяют на:

- стандартизованное средство измерений – это средство измерений, изготовленное и применяемое в соответствии с требованиями государственного или отраслевого стандарта. Обычно стандартизованные средства измерений подвергают испытаниям и вносят в Госреестр;

- узаконенное средство измерений - средство измерений, признанное годным и допущенное для применения уполномоченным на то органом.

Примеры:

- государственные эталоны страны становятся узаконенным средством измерения в результате утверждения первичных эталонов национальным органом по стандартизации и метрологии;

- рабочие средства измерений, предназначенные для серийного выпуска, узакониваются путем утверждения вида и типа.

Вид средства измерений - совокупность средств измерений, предназначенных для измерений данной физической величины. Вид средств измерений может включать несколько их типов, например, амперметры и вольтметры (вообще) являются видами средств измерений, соответственно, силы электрического тока и напряжения.

Тип средства измерений - совокупность средств измерений одного и того же назначения, основанных на одном и том же принципе действия, имеющих одинаковую конструкцию и изготовленных по одной и той же технической документации. Средства измерений одного типа могут иметь различные модификации (например, отличаться по диапазону измерений).

- нестандартизованное средство измерений - средство измерений, стандартизация требований к которому признана нецелесообразной.

По отношению к измеряемой величине средства измерений подразделяют на:

- 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.

Средство измерения можно рассматривать как преобразователь физической величины, воспринимаемой за входной сигнал x, в другую физическую величину - выходной сигнал y, пригодную для отсчёта человеком (оператором) или удобную для дальнейшей переработки без участия человека.

Средство измерений, как правило, состоит из ряда преобразователей, в которых измерительная информация претерпевает определенные преобразования с целью получения выходного сигнала в нужной форме и нужного уровня. Все эти преобразования принято показывать на схеме, на которой показаны в виде условных изображений или обозначений составные части (звенья) изделия и связи между ними. При этом различают:

- структурные схемы, служащие для общего ознакомления со средством измерения, его основными звеньями, их назначением и взаимосвязью; поэтому составные части изделия изображаются упрощенно в виде прямоугольников, допускается применять условные графические обозначения;

- функциональные схемы, разъясняющие определённые процессы, протекающие в отдельных функциональных звеньях, цепях изделия или в изделии в целом; этими схемами пользуются для изучения принципов работы средства измерения, а также при их наладке, контроле, ремонте.

Структурной схемой средства измерения называют его условную схему, на которой упрощенно показаны все звенья измерительной цепи и путь преобразования входной величины в выходную величину.

На рисунке 2.5 показана структурная схема средства измерения, состоящего из одного преобразователя (звена).

Рисунок 2.5 - Схема средства измерения, состоящего из одного звена

Входным сигналом служит измеряемая величина (давление, температура, электрический ток, электрическое напряжение и т.д.). Вид выходного сигнала зависит от способа выдачи измерительной информации, обычно в СИ это отсчетное устройство, выполненное в виде шкалы и указателя. Помимо входного и выходного сигналов на схеме обозначают внутренние параметры , присущие данному СИ, и внешние параметры , отображающие условия, в которых эксплуатируется измерительной устройство. К внутренним параметрам относятся геометрические размеры деталей звена, физические свойства материалов, из которых изготовлены детали, а также внутренние дестабилизирующие воздействия (силы трения, небаланса, температурные изменения и т.д.). Внешние параметры – это параметры окружающей среды (атмосферное давление, температура и т.д.), источников питания, внешних электрических, магнитных, гравитационных полей и т.д.

Для изучения свойств средства измерения на основе анализа его структурной схемы устанавливают его математическую модель, которая описывает связь между входным и выходным сигналами. При этом математическую модель можно представить в трех видах, в зависимости от принятых допущений о существенности влияния тех или иных параметров и их погрешностей.

Первая, и самая простая модель учитывает требуемые точные (или приписанные) показания, реализуемые средствами поверки средства измерений. В этом случае само средство измерения рассматривается как «черный ящик», взаимосвязь внутренних и внешних параметрах не рассматривается, а задается только закон построения его шкалы, т.е. задается желаемая математическая модель в виде

(2.4)

Математическую модель (2.4), при установившихся значениях входного и выходного сигналов называют также, в зависимости от цели её анализа, статической характеристикой СИ или функцией преобразования. Если математическая модель заранее определена техническим заданием при проектировании СИ, её называют заданной или номинальной статической характеристикой, при условии, что все внутренние параметры преобразователя соответствуют своим номинальным чертёжным размерам, т.е выполнены без погрешностей. В этом случае выражение (2.4) записывают в виде

(2.4^*)

Градуировочная характеристика средства измерения (градуировочная характеристика) - зависимость между значениями величин на входе и выходе средства измерений, полученная экспериментально. По своей сути эта характеристика является обратной по отношению к номинальной и её формула имеет вид

(2.5)

где значения y на входе средства измерения задают при помощи образцовых мер или СИ с присущими им погрешностями при поверке испытуемого средства измерения. Существенно, что номинальная и градуировочная характеристики близки, но не тождественны, т.к. номинальная характеристика, в отличие от градуировочной, не включает погрешности поверки, т.е. является идеальной (приписанной).

Математическая модель, учитывающая принятые метод (принцип действия) и схему средства измерения, учитывающая влияние всех внутренних и внешних параметров без учета их погрешностей, имеет вид

(2.6)

Математическую модель вида (2.6) называют также расчетной при номинальных значениях всех внутренних параметрах СИ в целом и каждого преобразователя в отдельности.

Реальная математическая модель, учитывающая погрешности параметров, возникающие либо в процессе изготовления, либо в процессе эксплуатации средства измерения может быть записана в виде:

(2.7)

где q – теоретическое значение внутреннего параметра, z – теоретическое значение внешнего параметра, D - погрешность параметра, i – текущий номер внутреннего параметра, j – текущий номер внешнего параметра, 1 £ i £ n, 1 £ j £ k, n – количество внутренних параметров, k - количество внешних параметров.

На рисунке 2.6 представлено графическое изображение математических моделей, где прямая 1 соответствует номинальной статической характеристике, построенной по уравнению (2.4^*), кривая 2 соответствует расчетной (теоретической) модели, построенной по уравнению (2.6), кривая 3 показывает реальную характеристику, построенную по уравнению (2.7). Необходимо отметить, что последняя кривая сглажена для наглядности, на самом деле она представляет собой набор точек на графике, отмечающих отдельные показания СИ при задании соответствующих входных сигналов. Переход от кривой 3 к кривой 2 и затем прямой 1 осуществляется путем математической обработки результатов измерений различными методами, например методом наименьших квадратов.

1 – номинальная статическая характеристика; 2 – теоретическая модель;

3 – реальная характеристика

Рисунок 2.6 – Графическое представление математических моделей СИ

Математическое описание СИ необходимо для выполнения различных расчетов, включая расчеты на точность и расчеты при анализе погрешностей.

Все звенья, входящие в измерительную цепочку структурной схемы, подразделяют по типовому признаку: чувствительные элементы, передаточные механизмы, отсчётные устройства, электрические преобразователи, масштабные преобразователи и т.д.

Различают два основных вида структурных схем: прямого преобразования и уравновешивающего (компенсационного) преобразования – схемы с отрицательной обратной связью.

Структурная схема средства измерения прямого преобразования показана на рисунке 2.7, где - звенья (преобразователи), - входной, - выходной, - промежуточные сигналы (информационные параметры). Как видно, входной сигнал x последовательно претерпевает несколько преобразований и, в конечном счёте, на выходе получается сигнал y.

Рисунок 2.7 - Структурная схема прямого преобразования

Статическая характеристика СИ (функция преобразования) по звеньям:

.

Общая характеристика находится совместным решением системы уравнений:

. (2.8)

Примером средства измерения прямого преобразования может служить манометр для измерения давления, показанный на рисунке 2.8. Он состоит из мембранной коробки 1, преобразующей давление в линейное перемещение центра мембраны, кривошипно-шатунного механизма 2, преобразующего это линейное перемещение в угловое, рычага - указателя 3, который преобразует угловое перемещение кривошипа в линейное перемещение стрелки, находящейся на его конце и отсчетного устройства 4 – шкалы, проградуированной в единицах давления.

Рисунок 2.8 – Принципиальная схема манометра

Из данной схемы видно, что поступающий сигнал измерительной информации о давлении последовательно преобразуется в показание измерительного прибора, при этом все преобразования имеют свое строгое место и назначение в измерительной цепочке, целью которых является получение информации об измеряемом параметре в нужной форме и в нужном масштабе. Например, при необходимости получить сигнал в электрической форме, можно поставить между рычагом 3 и шкалой 4 дополнительный преобразователь перемещения в электрический сигнал в виде потенциометра.

Структурная схема манометра, составленная на основе принципиальной схемы, показана на рисунке 2.9.

Рисунок 2.9 – Структурная схема манометра

Структурная схема СИ уравновешивающего преобразования (с отрицательной обратной связью) имеет вид, показанный на рисунке 2.10.

Рисунок 2.10 – Структурная схема средства измерения с обратной связью

Из данной структурной схемы видно, что Уравнение связи записывается как , где знак «-» означает отрицательную обратную связь, знак «+» - положительную обратную связь. Тогда функция преобразования имеет вид:

. (2.9)

Примером может служить средство измерения давления – манометр с силовой компенсацией, схема которого показана на рисунке 2.11. Манометр состоит из чувствительного упругого элемента (сильфона) 1, тангенсного механизма (рычага) 2, силового механизма, состоящего из двух электромагнитов 3 с якорями 4, индикатора положения 5, усилителя 6 и отсчетного устройства (ОУ) 7.

Рисунок 2.11 – Манометр с силовой компенсацией

Манометр работает следующим образом. Измеряемое давление Р поступает в сильфон 1, который преобразует давление в перемещение тангенсного (рычажного) механизма 2. Если бы манометр работал по принципу прямого преобразования, то это перемещение можно было бы сразу отправить при помощи стрелки на отсчетное устройство. Однако при этом возникает существенная нелинейность, вызванная особенностями тангенсного механизма, статическая характеристика которого заложена уже в самом его названии. Во избежание этого явления и вводится силовая компенсация, которая делает статическую характеристику манометра линейной. Перемещение тангенсного механизма фиксирует индикатор 5, который передает соответствующий сигнал на усилитель 6. Усилитель вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный перемещению тангенсного механизма и передает его на силовой механизм, который возвращает тангенсный механизм в исходное горизонтальное положение. Сигнал, вырабатываемый при этом усилителем, служит мерой измеряемого давления. В свою очередь и сильфон в данном случае является не преобразователем давления в перемещение, а преобразователем давления в силу F₁, сосредоточенную в месте его контакта с рычагом. Силовой механизм вырабатывает силу F₂, уравновешивающую силу F_1.. В измерительной технике эту силу называют перестановочным усилием. В момент равенства этих сил рычаг 2 находится в горизонтальном положении, т.е. его перемещение равно нулю. В этом и состоит метод компенсации, при котором сигналом измерительной информации служит величина электрического тока, необходимого для создания необходимого перестановочного усилия, соответствующего измеряемому давлению. Линеаризация шкалы манометра достигается тем, что тангенсный механизм по сути дела во время всего процесса измерения остается в нейтральном (горизонтальном) положении и, вследствие этого, не вносит искажений за счет перемещения.

Структурная схема рассматриваемого манометра показана на рисунке 2.12.

Из схемы видно, что прямая и обратная цепи преобразования могут содержать не по одному звену, а по несколько последовательно соединённых звеньев. Используя выражения (2.8) и (2.9), можно вывести статическую характеристику данного средства измерения.

Рисунок 2.12 – Структурная схема манометра с силовой компенсацией