Классификация средств измерений
В основе действия средства измерения определенного вида положен физический принцип, который обычно находит отражение в названии средства измерения, например: термоэлектрический термометр, деформационный манометр, электромагнитный расходомер и т.п.
Основными классификационными признаками средств измерений в метрологии являются тип, вид и метрологическое назначение.
Видом называют совокупность средств измерений, предназначенных для измерений данной физической величины (например, амперметры, омметры, термометры, манометры – все это виды средств измерений). Вид средств измерений может включать несколько их типов. Тип – это 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 можно классифицировать по различным признакам в зависимости от их специфики, назначения, конструктивных особенностей и т.д. (рис. 2.1).
Далее даны краткие пояснения к приведенной на рис. 2.1 классификации.
Рис. 2.1 Классификация средств измерений
По сложности и конструктивным особенностям средства измерений подразделяют на меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и измерительные системы.
Мерой физической величины называют 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. Меры, воспроизводящие физическую величину одного размера, называются однозначными (например, гиря 1 кг, концевая мера длины 100 мм, конденсатор постоянной емкости, нормальный элемент). Меры, воспроизводящие физическую величину разных размеров, называются многозначными (например, миллиметровая линейка, конденсатор переменной емкости). Комплект мер разного размера одной и той же физической величины, необходимый для применения на практике, как в отдельности, так и в различных сочетаниях называется набором мер (например, набор концевых мер длины). Зачастую меры конструктивно объединяют в единое устройство – магазин мер, – в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях (например, магазин электрических сопротивлений).
К мерам относят также стандартные образцы состава и свойств веществ и материалов, которые широко применяются в физико-химических измерениях, например, при градуировке приборов, аттестации методик количественного химического анализа, проведении поверочных работ. Стандартный образец (СО) – это образец вещества (материала) с установленными в результате метрологической аттестации[4] значениями одной или более величин, характеризующими состав или свойство этого вещества (материала).
СО, как правило, не являются изделиями, они представляют собой часть или порцию однородного вещества (материала). К стандартным образцам состава вещества относят, например, СО состава углеродистой стали, СО газовой смеси. К стандартным образцам свойства вещества относят, например, СО твердости, СО цвета, СО шероховатости.
Измерительный преобразователь – это средство измерений, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи. Сигнал измерительной информации в данном случае не доступен для непосредственного восприятия наблюдателя. Измерительные преобразователи получили очень широкое распространение. К ним относят, например, термопары, измерительные усилители и трансформаторы, преобразователи давления. Они не имеют устройств отображения измерительной информации и конструктивно выполняются либо отдельными блоками, либо составной частью измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы). Это связано с тем, что во многих случаях невозможно или не целесообразно создавать средство измерения так, чтобы измеряемая величина непосредственно воздействовала на его измерительный механизм. Обычно измеряемая величина подвергается предварительному преобразованию, которое может быть многоступенчатым.
Измерительные преобразователи представляют измерительную информацию обычно в виде сигналов постоянного или переменного тока или напряжения, давления сжатого воздуха или жидкости, частоты гармонических колебаний, последовательности прямоугольных импульсов и т.п.
Измеряемая (преобразуемая) величина, поступающая на преобразователь, называется входной, преобразованная – выходной. Соотношение между входной и выходной величинами называют функцией преобразования.
По месту, занимаемому в измерительной цепи, преобразователи подразделяют на первичные и промежуточные.
На первичный измерительный преобразовательнепосредственно воздействует измеряемая величина, т.е. он является первым в измерительной цепи средством измерений. Как правило, первичный преобразователь служит для преобразования неэлектрической величины в электрическую (например, термопара в цепи термоэлектрического термометра).
Промежуточный (вторичный) измерительный преобразователь расположен в измерительной цепи после первичного.
Преобразователи могут быть приемными (на них непосредственно воздействует измеряемая величина) и передающими (преобразуют и передают сигнал измерительной информации). Также измерительный преобразователь может одновременно выполнять функции приемного и передающего.
Приемные и приемно-передающие преобразователи часто называют датчиками. Это конструктивно обособленные первичные преобразователи, от которых поступают сигналы измерительной информации. Датчик может быть вынесен на значительное расстояние от средства измерения, принимающего его сигналы (например, датчики запущенного метеорологического радиозонда передают измерительную информацию о температуре, давлении, влажности и других параметрах атмосферы).
По виду функции преобразования измерительные преобразователи подразделяют на масштабные и функциональные. Масштабный измерительный преобразователь служит для изменения в определенное число раз значения величины, без изменения ее физической природы (например, измерительный трансформатор напряжения, измерительный микроскоп, гидравлический усилитель). Чаще всего масштабные измерительные преобразователи являются одним из видов приемных преобразователей, хотя могут служить и передающими. Функциональный преобразователь преобразует входную величину в другую по физической природе (например, электромеханический, пневмоемкостный).
Измерительный прибор – это средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в установленном диапазоне в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительный прибор преобразует измеряемую величину (она может подводиться к нему через измерительный преобразователь) в показание или сигнал, пропорциональный измеряемой величине или связанный с ней другой функциональной зависимостью. Измерительная информация обычно представляется в виде перемещения указателя по шкале, перемещения пера по диаграмме или в виде цифр, появляющихся на табло. Отличительная конструктивная особенность прибора – это наличие отсчетного устройства.
В зависимости от типа вычислительного устройства приборы подразделяют на суммирующие, в которых осуществляется суммирование двух или нескольких величин, подводимых к нему по различным каналам (ваттметр) и интегрирующие, в которых производится интегрирование измеряемой величины по времени или по другой независимой переменной (счетчик электроэнергии).
Иногда для измерения какой-либо величины недостаточно одного измерительного прибора. В этих случаях создают целые комплексы расположенных в одном месте и функционально объединенных друг с другом средств измерений (мер, измерительных приборов, преобразователей и вспомогательных устройств), предназначенных для измерения одной или нескольких величин. Подобные комплексы называют измерительными установками. Их часто используют в научных исследованиях, при контроле качества продукции, для определения метрологических характеристик средств измерений (например, поверочные установки, установки для испытания электротехнических, магнитных и других материалов). Некоторые большие измерительные установки называют измерительными машинами, они предназначены для точных измерений физических величин, характеризующих изделия (например, силоизмерительная машина, машина для измерения больших длин в промышленном производстве, координатно-измерительная машина).
Измерительная система – это совокупность функционально средств измерений (мер, измерительных приборов, преобразователей), ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта, соединенных между собой каналами связи, с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту. Измерительная система вырабатывает сигналы измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления. Пример измерительных систем: 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.
Отдельные средства измерений, входящие в измерительную систему, могут быть значительно удалены друг от друга (иногда на десятки, сотни и даже миллионы километров) и соединены между собою каналами проводной или беспроводной связи. В зависимости от назначения измерительные системы разделяют на измерительные информационные, измерительные контролирующие, измерительные управляющие и др.
И в установках и в системах выходной сигнал измерительной информации может иметь форму, удобную как для непосредственного восприятия, так и для автоматической обработки, передачи и использования в автоматических системах управления.
Наиболее существенной с позиций метрологии является классификация средств измерений по метрологическому назначению, в соответствии с которой принято различать рабочие и средства измерений и эталоны.
Рабочее средство измерения предназначено для измерения физической величины, не связанного с передачей размера единицы другим средствам измерений. К рабочим относятся подавляющее большинство используемых на практике средств измерений. По условиям применения рабочие средства измерения могут быть лабораторными, производственными и полевыми. Ниже дана их краткая характеристика.
| Лабораторные | используют при научных исследованиях, проектировании технических устройств, медицинских измерениях (обычно они обладают наибольшей точностью, чувствительностью, стабильностью) |
| Производственные | используют для измерения и контроля параметров технологических процессов, контроле готовой продукции, ремонте технических устройств и т.п. (они обладают высокой стойкостью к ударно-вибрационным нагрузкам, воздействиям тепла, холода и др. факторам) |
| Полевые | используют непосредственно при эксплуатации таких технических устройств, как самолеты, автомобили, морские суда и т.п. (они подвергаются влиянию внешних воздействий, изменяющихся в широких пределах) |
Эталоном называют средство измерения, предназначенное для метрологических целей – воспроизведения и (или) хранения единицы величины с целью передачи ее размера другим средствам измерения.
С помощью эталонов решают задачу обеспечения единства измерений. В решении этой задачи участвует как человек, так и измерительная техника, причем задача настолько специфична, что требует выделения особой группы средств измерений – рабочих эталонов. Сущность этого выделения заключается не в конструкции и не в точности, а в назначении. Одна и та же мера или измерительный прибор могут быть предназначены как для технических, так и для метрологических измерений (т.е. использования в качестве эталона). Лишь немногие рабочие эталоны отличаются по конструкции и точности от рабочих средств измерений. Только меры и приборы самой низшей точности не могут быть эталонными, так как нет таких мер и приборов, которым они могли бы передавать единицы. Но когда мера или прибор предназначены для применения в качестве эталонных, их переводят на особое положение, изолируют от любых других измерений. Для эталона особенно важны такие свойства, как стабильность и воспроизводимость показаний. Эталоны в отличие от рабочих средств измерений немногочисленны. Подробно классификация и назначение эталонов изложена ниже в п. 3.3.
В зависимости от метода измерения, средства измерений подразделяют на средства измерений прямого действия и сравнения (главным образом это относится к преобразователям и приборам). В основе применения средств измерений прямого действия лежит метод непосредственной оценки (например, амперметр, вольтметр). Прибор сравнения дает возможность сравнивать измеряемую величину с величиной, воспроизводимой мерой (например, рычажные весы, потенциометр).
По виду выходного сигнала средства измерений (измерительные приборы и преобразователи) подразделяют на аналоговые и цифровые. В аналоговом средстве измерениявыходной сигнал является непрерывной функцией измеряемой величины (например, ртутный термометр). В цифровом средстве измеренияон представлен в цифровой форме (например, цифровой вольтметр), которая является результатом дискретного преобразования сигналов измерительной информации.
По способу представления измерительного сигнала средства измерений подразделяют на показывающие и регистрирующие (самопишущие и печатающие). В показывающем измерительном приборе допускается только считывание показаний измеряемой величины (например, стрелочный или цифровой вольтметр). В регистрирующем –предусмотрена запись показаний в виде диаграммы или графика (самопишущий прибор) илив числовой форме (печатающий прибор).
По уровню автоматизации средства измерений подразделяют на
неавтоматические;
автоматизированные – они производят автоматическом режиме одну или часть измерительной операции;
автоматические – онипроизводят в автоматическом режиме измерения и все операции, связанные с обработкой их результатов, регистрацией, передачей и хранением данных.
По уровню стандартизации средства измерений подразделяют на
стандартизованные – их изготавливают в соответствии с требованиями государственного или отраслевого стандарта (обычно их подвергают испытаниям и вносят Госреестр);
нестандартизованные – они предназначены для решения специальной измерительной задачи и стандартизация требований к ним нецелесообразна.
Основная масса средств измерения являются стандартизованными. Их серийно выпускают промышленные предприятия и в обязательном порядке подвергают государственным испытаниям.
Кроме рассмотренных признаков классификации средств измерений в зависимости от вида используемой энергии их принято подразделять на четыре самостоятельных группы: электрические, пневматические, гидравлические и не использующие вспомогательную энергию. Все средства измерений и устройства электрической, пневматической и гидравлической групп имеют унифицированные входные и выходные сигналы. Связь между устройствами осуществляется с помощью соответствующих преобразователей сигналов.