Классификация средств измерения си по разным критериям. Метрологические характеристики измерительных средств. Метрологические характеристики СИ

Средства измерений и их характеристики.

В научной литературе средства технических измерений делят на три большие группы. Это: меры, калибры и универсальные средства измерения, к которым относятся измерительные приборы, контрольно--измерительные приборы (КИП), и системы.

• · Мера представляет собой такое средство измерений, которое предназначается для воспроизведения физической величины положенного размера. К мерам относятся плоскопараллельные меры длины (плитка) и угловые меры.
• · Калибры представляют собой некие устройства, предназначение которых заключается в использовании для контролирования и поиска в нужных границах размеров, взаиморасположения поверхностей и формы деталей. Как правило, они подразделяются на: гладкие предельные калибры (скобы и пробки), а также резьбовые калибры, к которым относятся резьбовые кольца или скобы, резьбовые пробки и т.п.
• · Измерительный прибор, представленный в виде устройства, вырабатывающего сигнал измерительной информации в форме, понятной для восприятия наблюдателей.
• · Измерительная система, понимаемая как некая совокупность средств измерений и неких вспомогательных устройств, которые соединяются между собой каналами связи. Она предназначена для производства сигналов информации измерений в некой форме, которая подходит для автоматической обработки, а также для трансляции и применения в автоматических системах управления.
• · Универсальные средства измерения, предназначение которых находится в использовании для определения действительных размеров. Любое универсальное измерительное средство характеризуется назначением, принципом действия, т. е физическим принципом, положенным в основу его построения, особенностями конструкции и метрологическими характеристиками.

При контрольном измерении угловых и линейных показателей применяют прямые измерения, реже встречаются относительные, косвенные или совокупные измерения. В научной литературе среди прямых методов измерений выделяют, как правило, следующие:

• · метод непосредственной оценки, представляющий собой такой метод, при котором значение величины определяют по отсчетному устройству измерительного прибора;
• · метод сравнения с мерой, под которым понимается метод, при котором данную величину, возможно, сравнить с величиной, воспроизводимой мерой;
• · метод дополнения, под которым обычно подразумевается метод, когда значение полученной величины дополняется мерой этой же величины с тем, чтобы на используемый прибор для сравнения действовала их сумма, равная заранее заданному значению;
• · дифференциальный метод, который характеризуется измерением разности между данной величиной и известной величиной, воспроизводимой мерой. Метод дает результат с достаточно высоким показателем точности при применении грубых средств измерения;
• · нулевой метод, который, по сути, аналогичен дифференциальному, но разность между данной величиной и мерой сводится к нулю. Причем нулевой метод обладает определенным преимуществом, поскольку мера может быть во много раз меньше измеряемой величины;
• · метод замещения, представляющий собой сравнительный метод с мерой, в которой измеряемую величину заменяют известной величиной, которая воспроизводится мерой. Вспомним о том, что существуют и нестандартизованные методы. В эту группу, как правило, включают следующие:
• - метод противопоставления, подразумевающий под собой такой метод, при котором данная величина, а также величина, воспроизводимая мерой, в одно и то же время действуют на прибор сравнения;
• - метод совпадений, характеризующийся как метод, при котором разность между сравниваемыми величинами измеряют, используя совпадение меток на шкалах или периодических сигналов.

Классификация средств измерения.

Средство измерения (СИ) - это техническое средство или совокупность средств, применяющееся для осуществления измерений и обладающее нормированными метрологическими характеристиками. При помощи средств измерения физическая величина может быть не только обнаружена, но и измерена.

Средства измерения классифицируются по следующим критериям:

• · по способам конструктивной реализации;
• · по метрологическому предназначению.

По способам конструктивной реализации средства измерения делятся на:

• · меры величины;
• · измерительные преобразователи;
• · измерительные приборы;
• · измерительные установки;
• · измерительные системы.

Меры величины - это средства измерения определенного фиксированного размера, многократно используемые для измерения. Выделяют:

• · однозначные меры;
• · многозначные меры;
• · наборы мер.

Некоторое количество мер, технически представляющее собой единое устройство, в рамках которого возможно по--разному комбинировать имеющиеся меры, называют магазином мер.

Объект измерения сравнивается с мерой посредством компараторов (технических приспособлений). Например, компаратором являются рычажные весы.

К однозначным мерам принадлежат стандартные образцы (СО). Различают два вида стандартных образцов:

• · стандартные образцы состава;
• · стандартные образцы свойств.

Стандартный образец состава или материала - это образец с фиксированными значениями величин, количественно отражающих содержание в веществе или материале всех его составных частей.

Стандартный образец свойств вещества или материала - это образец с фиксированными значениями величин, отражающих свойства вещества или материала (физические, биологические и др.).

Каждый стандартный образец в обязательном порядке должен пройти метрологическую аттестацию в органах метрологической службы, прежде чем начнет использоваться.

Стандартные образцы могут применяться на разных уровнях и в разных сферах. Выделяют:

• · межгосударственные СО;
• · государственные СО;
• · отраслевые СО;
• · СО организации (предприятия).

Измерительные преобразователи (ИП) - это средства измерения, выражающие измеряемую величину через другую величину или преобразующие ее в сигнал измерительной информации, который в дальнейшем можно обрабатывать, преобразовывать и хранить. Измерительные преобразователи могут преобразовывать измеряемую величину по--разному. Выделяют:

• · аналоговые преобразователи (АП);
• · цифроаналоговые преобразователи (ЦАП);
• · аналого--цифровые преобразователи (АЦП). Измерительные преобразователи могут занимать различные позиции в цепи измерения. Выделяют:
• · первичные измерительные преобразователи, которые непосредственно контактируют с объектом измерения;
• · промежуточные измерительные преобразователи, которые располагаются после первичных преобразователей. Первичный измерительный преобразователь технически обособлен, от него поступают в измерительную цепь сигналы, содержащие измерительную информацию. Первичный измерительный преобразователь является датчиком. Конструктивно датчик может быть расположен довольно далеко от следующего промежуточного средства измерения, которое должно принимать его сигналы.

Обязательными свойствами измерительного преобразователя являются нормированные метрологические свойства и вхождение в цепь измерения.

Измерительный прибор - это средство измерения, посредством которого получается значение физической величины, принадлежащее фиксированному диапазону. В конструкции прибора обычно присутствует устройство, преобразующее измеряемую величину с ее индикациями в оптимально удобную для понимания форму. Для вывода измерительной информации в конструкции прибора используется, например, шкала со стрелкой или цифроуказатель, посредством которых и осуществляется регистрация значения измеряемой величины. В некоторых случаях измерительный прибор синхронизируют с компьютером, и тогда вывод измерительной информации производится на дисплей.

В соответствии с методом определения значения измеряемой величины выделяют:

• · измерительные приборы прямого действия;
• · измерительные приборы сравнения.

Измерительные приборы прямого действия - это приборы, посредством которых можно получить значение измеряемой величины непосредственно на отсчетном устройстве.

Измерительный прибор сравнения - это прибор, посредством которого значение измеряемой величины получается при помощи сравнения с известной величиной, соответствующей ее мере.

Измерительные приборы могут осуществлять индикацию измеряемой величины по--разному. Выделяют:

• · показывающие измерительные приборы;
• · регистрирующие измерительные приборы.

Разница между ними в том, что с помощью показывающего измерительного прибора можно только считывать значения измеряемой величины, а конструкция регистрирующего измерительного прибора позволяет еще и фиксировать результаты измерения, например посредством диаграммы или нанесения на какой--либо носитель информации.

Отсчетное устройство - конструктивно обособленная часть средства измерений, которая предназначена для отсчета показаний. Отсчетное устройство может быть представлено шкалой, указателем, дисплеем и др. Отсчетные устройства делятся на:

• · шкальные отсчетные устройства;
• · цифровые отсчетные устройства;
• · регистрирующие отсчетные устройства. Шкальные отсчетные устройства включают в себя шкалу и указатель.

Шкала - это система отметок и соответствующих им последовательных числовых значений измеряемой величины. Главные характеристики шкалы:

• · количество делений на шкале;
• · длина деления;
• · цена деления;
• · диапазон показаний;
• · диапазон измерений;
• · пределы измерений.

Деление шкалы - это расстояние от одной отметки шкалы до соседней отметки.

Длина деления - это расстояние от одной осевой до следующей по воображаемой линии, которая проходит через центры самых маленьких отметок данной шкалы.

Цена деления шкалы - это разность между значениями двух соседних значений на данной шкале.

Диапазон показаний шкалы - это область значений шкалы, нижней границей которой является начальное значение данной шкалы, а верхней - конечное значение данной шкалы.

Диапазон измерений - это область значений величин в пределах которой установлена нормированная предельно допустимая погрешность.

Пределы измерений - это минимальное и максимальное значение диапазона измерений.

Практически равномерная шкала - это шкала, у которой цены делений разнятся не больше чем на 13 % и которая обладает фиксированной ценой деления.

Существенно неравномерная шкала - это шкала, у которой деления сужаются и для делений которой значение выходного сигнала является половиной суммы пределов диапазона измерений.

Выделяют следующие виды шкал измерительных приборов:

• · односторонняя шкала;
• · двусторонняя шкала;
• · симметричная шкала;
• · безнулевая шкала.

Односторонняя шкала - это шкала, у которой ноль располагается в начале.

Двусторонняя шкала - это шкала, у которой ноль располагается не в начале шкалы.

Симметричная шкала - это шкала, у которой ноль располагается в центре.

Измерительная установка - это средство измерения, представляющее собой комплекс мер, ИП, измерительных приборов и прочее, выполняющих схожие функции, используемые для измерения фиксированного количества физических величин и собранные в одном месте. В случае, если измерительная установка используется для испытаний изделий, она является испытательным стендом.

Измерительная система - это средство измерения, представляющее собой объединение мер, ИП, измерительных приборов и прочее, выполняющих схожие функции, находящихся в разных частях определенного пространства и предназначенных для измерения определенного числа физических величин в данном пространстве.

По метрологическому предназначению средства измерения делятся на:

• · рабочие средства измерения;
• · эталоны.

Рабочие средства измерения (РСИ) - это средства измерения, используемые для осуществления технических измерений. Рабочие средства измерения могут использоваться в разных условиях. Выделяют:

• · лабораторные средства измерения, которые применяются при проведении научных исследований;
• · производственные средства измерения, которые применяются при осуществлении контроля над протеканием различных технологических процессов и качеством продукции;
• · полевые средства измерения, которые применяются в процессе эксплуатации самолетов, автомобилей и других технических устройств.

К каждому отдельному виду рабочих средств измерения предъявляются определенные требования. Требования к лабораторным рабочим средствам измерения - это высокая степень точности и чувствительности, к производственным РСИ - высокая степень устойчивости к вибрациям. Ударам, перепадам температуры, к полевым РСИ - устойчивость и исправная работа в различных температурных условиях, устойчивость к высокому уровню влажности.

Эталоны - это средства измерения с высокой степенью точности, применяющиеся в метрологических исследованиях для передачи сведений о размере единицы. Более точные средства измерения передают сведения о размере единицы и так далее, таким образом образуется своеобразная цепочка, в каждом следующем звене которой точность этих сведений чуть меньше, чем в предыдущем.

Сведения о размере единицы предаются во время проверки средств измерения. Проверка средств измерения осуществляется с целью утверждения их пригодности.

предельный допуск метрологический преобразователь

Средство измерения - это техническое устройство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства.

Технические устройства, предназначенные для обнаружения (индикации) физических свойств, называются индикаторами (стрелка компаса, лакмусовая бумага). С помощью индикаторов устанавливается только наличие измеряемой физической величины интересующего нас свойства материи.

По метрологическому назначению средства измерений делятся на образцовые и рабочие.

Образцовые предназначены для поверки по ним других средств измерений как рабочих, так и образцовых менее высокой точности.

Рабочие средства измерений предназначены для измерения размеров величин, необходимых в разнообразной деятельности человека.

Сущность разделения средств измерений на образцовые и рабочие состоит не в конструкции и не в точности, а в их назначении.

К средствам измерения относятся:

1. Меры, предназначеные для воспроизведения физической величины заданного размера. Различают однозначные и многозначные меры, а также наборы мер (гири, кварцевые генераторы и т. п.). Меры, воспроизводящие физические величины одного размера, называются однозначными. Многозначные меры могут воспроизводить ряд размеров физической величины, часто даже непрерывно заполняющих некоторый промежуток между определенными границами. Наиболее распространенными многозначными мерами являются миллиметровая линейка, вариометр и конденсатор переменной емкости.

К однозначным мерам относятся также образцы и образцовые вещества. В зависимости от погрешности аттестации меры подразделяются на разряды (меры 1, 2-го и т. д. разрядов), а погрешность мер является основой их деления на классы.

2. Измерительные преобразователи - это средства измерений, перерабатывающие измерительную информацию в форму, удобную для дальнейшего преобразования, передачи, хранения и обработки, но, как правило, не доступную для непосредственного восприятия наблюдателем (термопары, измерительные усилители и др.).

Преобразуемая величина называется входной, а результат преобразования - выходной величиной. Соотношение между ними задается функцией преобразования (статической характеристикой). Если в результате преобразования физическая природа величины не изменяется, а функция преобразования является линейной, то преобразователь называется масштабным, или усилителем, (усилители напряжения, измерительные микроскопы, электронные усилители). Слово “усилитель” обычно употребляется с определением, которое приписывается ему в зависимости от рода преобразуемой величины (усилитель напряжения, гидравлический усилитель) или от вида единичных преобразований, происходящих в нем (ламповый усилитель, струйный усилитель). В тех случаях, когда в преобразователе входная величина превращается в другую по физической природе величину, он получает название по видам этих величин (электромеханический, пневмоемкостный и так далее).

По месту, занимаемому в приборе, преобразователи подразделяются на (рис. 3.1): первичные, передающие, промежуточные.

3. Измерительные приборы относятся к средствам измерений, предназначенным для получения измерительной информации о величине, подлежащей измерению, в форме, удобной для восприятия наблюдателем.

Наибольшее распространение получили приборы прямого действия, при использовании которых измеряемая величина подвергается ряду последовательных преобразований в одном направлении, т. е. без возвращения к исходной величине. К приборам прямого действия относится большинство манометров, термометров, амперметров, вольтметров и т. д.

По способу отсчета значений измеряемых величин приборы подразделяются на показывающие, в том числе аналоговые и цифровые, и на регистрирующие.

По способу записи измеряемой величины регистрирующие приборы делятся на самопишущие и печатающие.

4. Вспомогательные средства измерений . К этой группе относятся средства измерений величин, влияющих на метрологические свойства другого средства измерений при его применении или поверке.

5. Измерительные установки. Для измерения какой-либо величины или одновременно нескольких величин иногда бывает недостаточно одного измерительного прибора. В этих случаях создают целые комплексы расположенных в одном месте и функционально объединенных друг с другом средств измерений (мер, преобразователей, измерительных приборов и вспомогательных средств), предназначенных для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем.

6. Измерительные системы - это средства и устройства, территори-ально разобщённые и соединённые каналами связи. Информация может быть представлена в форме, удобной как для непосредственного восприятия, так и для автоматической обработки, передачи и использования в автоматизированных системах управления.

Средством измерений (СИ) называют техническое средство (или их комплекс), используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики. В отличие от таких технических средств, как индикаторы, предназначенных для обнаружения физических свойств (компас, лакмусовая бумага, осветительная электрическая лампочка), СИ позволяют не только обнаружить физическую величину, но и измерить ее, т.е. сопоставить неизвестный размер с известным. Если физическая величина известного размера есть в наличии, то она непосредственно используется для сравнения (измерение плоского угла транспортиром, массы - с помощью весов с гирями). Если же физической величины известного размера в наличии нет, то сравнивается реакция (отклик) прибора на воздействие измеряемой величины с проявившейся ранее

реакцией на воздействие той же величины, но известного размера (измерение силы тока амперметром). Для облегчения сравнения ещё на стадии изготовления прибора отклик на известное воздействие фиксируют на шкале отсчетного устройства, после чего наносят на шкалу деления в кратном и дольном отношении. Описанная процедура называется градуировкой шкалы. При измерении она позволяет по положению указателя получать результат сравнением непосредственно по шкале отношений.

Итак, СИ (за исключением некоторых мер - гирь, линеек) в простейшем случае производят две операции:

Обнаружение физической величины;

Сравнение неизвестного размера с известным или сравнение откликов на воздействие известного и неизвестного размеров.

Другими отличительными признаками СИ являются:

- ≪умение≫ хранить (или воспроизводить) единицу физической величины;

Неизменность размера хранимой единицы.

Если же размер единицы в процессе измерений изменяется более, чем установлено нормами, то с помощью такого средства невозможно получить результат с требуемой точностью. Отсюда следует, что измерять можно только тогда, когда техническое средство, предназначенное для этой цели, может хранить единицу, достаточно неизменную по размеру (во времени).

Классификация средств измерений

СИ можно классифицировать по двум признакам:

Конструктивное исполнение;

Метрологическое назначение.

По конструктивному исполнению СИ подразделяют на меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки, измерительные системы.

Меры величины - СИ, предназначенные для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров.

Различают меры:

Однозначные (гиря 1 кг, калибр, конденсатор постоянной ёмкости);

Многозначные (масштабная линейка, конденсатор переменной емкости);

Наборы мер (набор гирь, набор калибров).

Набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях, называется магазином мер. Примером такого набора может быть магазин электрических сопротивлений, магазин индуктивностей. Сравнение с мерой выполняют с помощью специальных технических средств - компараторов (рычажные весы, измерительный мост и т.д.).

К однозначным мерам можно отнести стандартные образцы (СО) . Существуют стандартные образцы состава и стандартные образцы свойств. СО состава вещества (материала) - стандартный образец с установленными значениями величин, характеризующих содержание определенных компонентов в веществе (материале).

СО свойств веществ (материалов) - стандартный образец с установленными значениями величин, характеризующих физические, химические, биологические и другие свойства.

Новые СО допускаются к использованию при условии прохождения ими метрологической аттестации. Указанная процедура - это признание этой меры, узаконенной для применения на основании исследования СО. Метрологическая аттестация проводится органами метрологической службы.

В зависимости от уровня признания (утверждения) и сферы применения различают категории СО - межгосударственные, государственные, отраслевые и СО предприятия (организации).

Измерительные преобразователи (ИП) - СИ, служащие для преобразования измеряемой величины в другую величину или сигнал измерительной информации, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований. По характеру преобразования различают аналоговые (АП), цифроаналоговые (ЦАП), аналого-цифровые (АЦП) преобразователи. По месту в измерительной цепи различают первичные (ИП, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина) и промежуточные (ИП, занимающий место в измерительной цепи после первичного ИП) преобразователи.

Конструктивно обособленный первичный ИП, от которого поступают сигналы измерительной информации, является датчиком. Датчик может быть вынесен на значительное расстояние от СИ, принимающего его сигналы. Например, датчики запущенного метеорологического радиозонда передают информацию о температуре, давлении, влажности и других параметрах атмосферы.

Если преобразователи не входят в измерительную цепь и их метрологические свойства не нормированы, то они не относятся к измерительным. Таковы, например, силовой трансформатор в радиоаппаратуре, термопара в термоэлектрическом холодильнике.

Измерительный прибор - СИ, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. Прибор, как правило, содержит устройство для преобразования измеряемой величины и её индикации в форме, наиболее доступной для восприятия. Устройство для индикации имеет шкалу со стрелкой или другим устройством, диаграмму с пером или цифроуказатель, с помощью которых могут быть произведены отсчет или регистрация значений физической величины. В случае сопряжения прибора с мини-ЭВМ отсчет может производиться с помощью дисплея.

По степени индикации значений измеряемой величины измерительные приборы подразделяют на показывающие и регистрирующие. Показывающий прибор допускает только отсчитывание показаний измеряемой величины (микрометр, аналоговый или цифровой вольтметр). В регистрирующем приборе предусмотрена регистрация показаний - в форме диаграммы, путем печатания показаний (термограф или, например, измерительный прибор, сопряженный с ЭВМ, дисплеем и устройством для печатания показаний).

Измерительная установка совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенных для измерений одной или нескольких физических величин и расположенных в одном месте. Примером являются установка для измерения удельного сопротивления электротехнических материалов, установка для испытаний магнитных материалов. Измерительную установку, предназначенную для испытаний каких-либо изделий, иногда называют испытательным стендом.

Измерительная система - совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого пространства с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому пространству. Примером может служить радионавигационная система для определения местоположения судов, состоящая из ряда измерительных комплексов, разнесенных в пространстве на значительном расстоянии друг от друга.

≪Лицо≫ современной измерительной техники определяется автоматизированными измерительными системами (АИС), информационно-измерительными системами (ИИС), измерительно-вычислительными комплексами (ИВК). Типичная ИИС содержит в своем составе ЭВМ и обеспечивает сбор, обработку и хранение информации, поступающей от многочисленных датчиков, характеризующих состояние объекта или процесса. При этом результаты измерений выдаются как по заранее заданной программе, так и по запросу.

В условиях расширяющейся автоматизации измерительных процессов обработки деталей и сборки узлов и агрегатов, повышения требований к производительности, точности и качеству всё большее значение приобретают автоматические средства измерения и контроля.

Автоматическое средство измерения – это средство измерения, производящее без непосредственного участия человека измерения и все операции, связанные с обработкой результатов измерений, их регистрацией, передачей данных или выработкой управляющего сигнала. Если это средство встроено в автоматическую технологическую линию, оно называется измерительным автоматом или контрольным автоматом.

Автоматические средства измерения классифицируются по степени автоматизации, виду воздействия на технологический процесс, способу преобразования измерительного импульса, месту установки, числу проверяемых параметров.

По метрологическому назначению все СИ подразделяются на два вида:

Рабочие СИ;

Эталоны.

Рабочие СИ (РСИ) предназначены для проведения технических измерений. По условиям применения они могут быть:

Лабораторными, используемыми при научных исследованиях, проектировании технических устройств, медицинских измерениях;

Производственными, используемыми для контроля характеристик технологических процессов, контроля качества готовой продукции, контроля отпуска товаров;

Полевыми, используемыми непосредственно при эксплуатации таких технических устройств, как самолеты, автомобили, речные и морские суда и др.

К каждому виду РСИ предъявляются специфические требования:

– к лабораторным - повышенная точность и чувствительность;

– к производственным - повышенная стойкость к ударно-вибрационным нагрузкам, высоким и низким температурам;

– к полевым - повышенная стабильность в условиях резкого перепада температур, высокой влажности.

Эталоны являются высокоточными СИ, а поэтому используются для проведения метрологических измерений в качестве средств передачи информации о размере единицы. Размер единицы передаётся ≪сверху вниз≫, от более точных СИ к менее точным ≪по цепочке≫: первичный эталон - вторичный эталон - рабочий эталон 0-го разряда - рабочий эталон 1-го разряда... - рабочее средство измерений.

Передача размера осуществляется в процессе поверки СИ. Целью поверки является установление пригодности СИ к применению. Соподчинение СИ, участвующих в передаче размера единицы от эталона к РСИ, устанавливается в поверочных схемах СИ .

Поверочная схема – это документ, содержащий правила передачи размера единицы от эталона рабочим средствам измерений. Россия располагает самой современной эталонной базой. Она входит в тройку самых совершенных наряду с базами США и Японии. Эталонная база в дальнейшем будет развиваться в количественном и главным образом в качественном отношении. Перспективно создание многофункциональных эталонов, т.е. эталонов, воспроизводящих на единой конструктивной и метрологической основе не одну, а несколько единиц физических величин или одну единицу, но в широком диапазоне измерений. Так, метрологические институты страны создают единый эталон времени, частоты и длины, который позволит, кстати, уменьшить погрешность воспроизведения единицы длины до 1 10 -11 .

По уровню стандартизации средства измерений подразделяются на:

. стандартизованные, изготовленные в соответствии с требованиями государственного или отраслевого стандарта;

. нестандартизованные (уникальные), предназначенные для решения специальной измерительной задачи, в стандартизации требований к которым нет необходимости.

Основная масса СИ являются стандартизованными. Они серийно выпускаются промышленными предприятиями и в обязательном порядке подвергаются государственным испытаниям. Нестандартизованные средства измерений разрабатываются специализированными научно-исследовательскими организациями и выпускаются единичными экземплярами. Они не проходят государственных испытаний, их характеристики определяются при метрологической аттестации.

По отношению к измеряемой физической величине средства измерений делятся на:

. основные — это СИ той физической величины, значение которой необходимо получить в соответствии с измерительной задачей;

. вспомогательные — это СИ той физической величины, влияние которой на основное средство измерений или объект измерения необходимо учесть для получения результатов измерения требуемой точности.

Классификация по роли в процессе измерения и выполняемым функциям является основной и представлена на рис. 1. Элементы, составляющие данную классификацию, рассмотрены в последующих разделах.

Рис. Классификация средств измерений по их роли в процессе измерения и выполняемым функциям.

Элементарные средства измерений предназначены для реализации отдельных операций прямого измерения. К ним относятся меры, устройства сравнения и измерительные преобразователи. Каждое из них, взятое по отдельности, не может осуществить операцию измерения.

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

Операцию воспроизведения величины заданного размера можно формально представить как преобразование цифрового кода N в заданную физическую величину Х м, основанное на единице данной физической величины [Q]. Поэтому уравнение преобразования меры запишется в виде Х м = N [Q].

Выходом меры является квантованная аналоговая величина Х м заданного размера, а входом следует считать числовое значение величины N (рис.1)

Рис. 1 Обозначение меры в структурных схемах (а) и функция преобразования многозначной меры (б)

Меры подразделяют на следующие типы:

. однозначные, воспроизводящие физическую величину одного размера, например: гиря 1 кг, плоскопараллельная концевая мера 100 мм, конденсатор постоянной емкости, нормальный элемент;

. многозначные, воспроизводящие ФВ разных размеров, например: конденсатор переменной емкости, штриховая мера длины.

Кроме этого, различают наборы мер, магазины мер, установочные, встроенные и ввозимые меры.

Степень совершенства меры определяется постоянством размера каждой ступени квантования [Q] и степенью многозначности, т.е. числом N воспроизводимых известных значений ее выходной величины. С наиболее высокой точностью посредством мер воспроизводятся основные физические величины: длина, масса, частота, напряжение и ток.

Устройство сравнения (компаратор) — это средство измерений, дающее возможность сравнивать друг с другом меры однородных величин или же показания измерительных приборов. Примерами могут служить: рычажные весы, на одну чашку которых устанавливается образцовая гиря, а на другую — поверяемая; градуировочная жидкость для сличения показаний образцового и рабочего ареометров; тепловое поле, создаваемое термостатом для сравнения показаний термометров. Во многих относительно простых СИ роль компаратора выполняют органы чувств человека, главным образом зрение, например при сравнении отклонения указателя прибора и числа делений, нанесенных на его шкале.

Особенно широкое распространение компараторы получили в современной электронной технике, где они используются для срав-нения напряжений и токов. Для этой цели был разработан специальный тип интегральных микросхем. Сравнение, выполняемое компаратором, может быть одно- и разновременным. Первое из них используется гораздо чаще. В электронных компараторах оно реализуется путем последовательного соединения вычитающего устройства (ВУ), формирующего разность входных сигналов (X 1 —Х 2), и усилителя переменного напряжения с большим коэффициентом усиления (усилителя-ограничителя УО), выполняющего функции индикатора знака разности. Выходной сигнал УО равен его положительному напряжению питания (принимаемого за логическую единицу), если разность (Х 1 -Х 2) >0, и отрицательному напряжению питания (принимаемому за логический нуль), если (Х 1 -Х 2)<0.

Рис 2. Структурная схема компаратора (а) и его функция преобразования (б)

Функция преобразования идеального компаратора, показанная на рис.2,б, описывается уравнением

U n ÷ 1 при X 1 > X 2

U n ÷ 1 при X 1 > X 2

Степень совершенства компаратора определяется минимально возможным порогом чувствительности Δ n , а также его быстродействием — временем переключения из одного состояния в другое. У идеального компаратора порог Δ n и время переключения равны нулю. В реальном компараторе наличие порога приводит к возникновению аддитивной погрешности.

Измерительный преобразователь (ИП) предназначен для выполнения одного измерительного преобразования. Его работа протекает в условиях, когда помимо основного сигнала X, связанного с измеряемой величиной, на него воздействуют множество других сигналов Z i , рассматриваемых в данном случае как помехи (рис.3.а)

Рис.3. Структурная схема измерительного преобразователя (а) и его функции

преобразования (б)

Важнейшей характеристикой ИП является функция (уравнение) преобразования

(рис.3,б), которая описывает статические свойства преобразователя и в общем случае записывается в виде Y = F(Х, Z i).

В подавляющем большинстве случаев стремятся иметь линейную функцию преобразования. Функция Y(Х) идеального ИП при отсутствии помех описывается уравнением Y = kХ. Она линейна, безынерционна, стабильна и проходит через начало координат. Реальная передаточная функция в статическом режиме имеет вид

Y = k(1+γ)Х+Δ 0 +Δ и может отличаться от идеальной смещением нуля Δ 0 , наклоном γ и нелинейной составляющей Δ. Такие отклонения реальной передаточной функции ИП приводят к возникновению аддитивной, мультипликативной и нелинейной составляющих погрешности.

Измерительные преобразователи классифицируются по ряду признаков.

По местоположению в измерительной цепи преобразователи делятся на первичные и промежуточные. Первичный преобразователь — это такой ИП, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, т.е. он является первым в измерительной цепи средством измерений. Промежуточные преобразователи располагаются в измерительной цепи после первичного. Зачастую конструктивно обособленные первичные измерительные преобразователи называют датчиками. Например, резистивный датчик перемещения — это первичный преобразователь, в котором перемещение преобразуется в изменение активного сопротивления. Детально первичные измерительные преобразователи рассмотрены в специальной научной литературе.

Средство измерений представляет собой техническое средство, предназначенное для нахождения опытным путем с оцененной точностью значения заранее выбранной измеряемой физической величины.

Средство измерений имеет нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным в пределах установленной погрешности и в течение известного интервала времени.

В зависимости от степени стандартизации выделяют:

• 1) стандартизованные средства измерений, изготовленные в соответствии с требованиями национального стандарта;
• 2) нестандартизованные средства измерений – уникальные средства измерений, предназначенные для специальной измерительной задачи, в стандартизации требований к которому нет необходимости. Нестандартизованные средства измерений не подвергаются государственным испытаниям (поверкам), а подлежат метрологическим аттестациям.

По степени автоматизации средства измерений делят:

• 1) на автоматические средства измерений , производящие в автоматическом режиме все операции, связанные с обработкой результатов измерений, их регистрацией, передачей данных или выработкой управляющего сигнала;
• 2) автоматизированные средства измерений, производящие в автоматическом режиме одну или часть измерительных операций;
• 3) неавтоматические средства измерений, не имеющие устройств для автоматического выполнения измерений и обработки их результатов (рулетка, теодолит и т.д.).

По конструктивному исполнению средства измерения делятся на: меры; измерительные преобразователи; измерительные приборы; измерительные установки; измерительно- информационные системы (рис. 4.4).

Рис. 4.4.

Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины заданного размера. Мера выступает в качестве носителя единицы физической величины и служит основой для измерений. К мерам относятся гири, концевые меры длины, нормальные элементы (меры ЭДС); кварцевый резонатор (мера частоты электрических колебаний). Меры, воспроизводящие физическую величину одного размера, называют однозначными. Меры, которые воспроизводят физическую величину разных размеров, называют многозначными. Примером многозначной меры является миллиметровая линейка, которая воспроизводит не только миллиметровые, но и сантиметровые размеры длины.

Меры могут составлять наборы или магазины мер. Набор мер представляет собой комплект однородных мер разного размера, предназначенных для применения в различных сочетаниях. Например, набор разновесов.

Магазин мер – это набор мер, в котором меры конструктивно объединены в единое устройство. Соединение мер может осуществляться автоматически или вручную. Примером магазина мер может служить магазин электрических сопротивлений.

Измерительный преобразователь предназначен для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному наблюдению человеком (оператором).

Измеряемая (преобразуемая) величина, поступающая на измерительный преобразователь, называется входной величиной, преобразованная величина – выходной. Соотношение между входной и выходной величинами, которое может быть представлено формулой, таблицей, графиком, называется функцией преобра:ювания и является для измерительного преобразователя основной метрологической характеристикой.

Самым распространенным средством измерений является первичный измерительный преобразователь. Например, первичный преобразователь неэлектрической величины в электрическую. Первичные измерительные преобразователи не изменяют рода физической величины, а служат лишь для изменения размера измеряемой величины (например, делители или усилители напряжения). Часто измерительные преобразователи встраиваются в измерительный прибор.

Часть первичного преобразователя, воспринимающая измерительный сигнал на его входе, называется чувствительным элементом, или сенсором.

Первичный измерительный преобразователь, конструктивно оформленный как обособленное средство измерений (без отсчетного устройства) с нормированной функцией преобразования, называется датчиком. Например: датчик давления, датчик температуры, датчик скорости и т.д.

Вторичными (промежуточными ) измерительными преобразователями называются преобразователи, расположенные в измерительной цепи после первичного преобразователя и обычно по измеряемой (преобразуемой) величине однородные с ним.

По характеру преобразования измерительные преобразователи разделяются на аналоговые, аналого-цифровые, цифрово-аналоговые, цифровые. Цифровые преобразователи служат для изменения формата цифрового сигнала.

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия человеком (оператором).

Конструктивно измерительные приборы представляют собой совокупность первичных и промежуточных преобразователей.

Особое место занимают приборы прямого действия. Они преобразуют измеряемую величину, как правило, без изменения ее рода и отображают ее на показывающем устройстве, которое проградуировано в единицах этой величины. Например, амперметр, вольтметр и пр.

Более точными являются приборы сравнения, которые предназначены для сравнения измеряемых величин с величинами, значения которых известны. Сравнение осуществляется с помощью компенсационных цепей прибора. Например, измерение массы осуществляется через установку эталонных гирь на равноплечных весах.

Измерительные приборы подразделяются на аналоговые и цифровые. В соответствии с уравнением измерений (4.1) значение величины равно произведению ее числового значения на размер единицы измерения. Информация о числовом значении физической величины, называемая измерительной информацией, в процессе измерений передается с помощью тех или иных сигналов.

В аналоговых приборах устанавливается прямая связь между значением измеряемой величины и значением сигнала физической величины. Например, в ртутном термометре высота столбика ртути соответствует конкретному значению температуры. При этом, очевидно, используется не само числовое значение, а аналоговая величина.

В цифровых измерительных приборах сигналы измерительной информации подвергаются дискретизации и передаются для отображения в виде отдельных кратковременных импульсов, являющихся носителями измерительной информации.

По способу записи измеряемой величины регистрирующие измерительные приборы делятся на самопишущие и печатающие. В самопишущих приборах запись показаний представляется в графическом виде (например, осциллограф), в печатающих – в числовой форме.

Измерительная установка – совокупность функционально объединенных средств измерений, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного наблюдения человеком и расположенная в одном месте.

Измерительная установка может включать в себя меры, измерительные приборы и преобразователей, а также различные вспомогательные устройства.

Измерительно-информационная система – совокупность средств измерений, соединенных между собой каналами связи и предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления.

По метрологическому назначению средства измерений подразделяются на два вида: рабочие средства измерений и эталоны.

Рабочие средства измерений (далее РСИ) предназначены для измерений параметров и характеристик объектов контроля и измерений. РСИ являются самыми многочисленными и широко применяемыми. Так, к РСИ относят электросчетчик, применяемый для измерения электрической энергии; теодолит – для измерения плоских углов; нутромер – для измерения малых длин (диаметров отверстий); термометр – для измерения температуры; измерительная система теплоэлектростанции, позволяющая получить измерительную информацию о ряде физических величин в разных энергоблоках.

Эталоны предназначены для воспроизведения и хранения единицы величины (кратных или дольных значений единицы) с целью передачи ее размера другим средством измерения.

По общему назначению средства измерений могут использоваться для проведения поверочных мероприятий, калибровки или для осуществления технических измерений.