Тема 4 средства измерений

4.1 Классификация средств измерений

Кроме стандартного определения понятия «средство измерений» – техническое средство, предназначенное для измерений и имеющее метрологические характеристики – авторы некоторых публикаций дают свои определения, выделяя в качестве главного тот или иной признак. Так, в одном из определений подчёркивается, что средство измерений (любое) в явной (измерительная линейка) или неявной (электромагнитный вольтметр) форме содержит единицу (меру) измеряемой величины, причём эта мера должна быть неизменной в течение заданного времени.

Разнообразных видов и типов средств измерений в настоящее время во всех сферах человеческой деятельности применяется великое множество. Различаются они по виду измеряемых величин, по принципу действия, по конструктивному устройству, по сфере применения и т.п. Наряду со средствами измерений при измерениях находят применение разнообразные вспомогательные средства: измерительные приспособления (стойки, держатели, щупы, зонды, лупы, термостаты, фильтры, смесители, специальные источники энергопитания и др.), измерительные принадлежности и сменные составные части средств измерений (линии связи, соединители, измерительные механизмы, циферблаты и цифровые табло, демпферы, лентопротяжные механизмы, индикаторы нуля, микропроцессоры, интерфейсы и т.д.). Вся совокупность средств измерений и вспомогательных средств получила наименование средства измерительной техники или просто измерительная техника.

С целью наиболее эффективного и рационального использования, унификации и автоматизации методов проектирования и изготовления средства измерений классифицируются по ряду критериев и признаков.

• По виду измеряемых физических величин или по областям измерений различают средства измерений:

- линейных и угловых величин (длины, расстояния, толщины, высоты, глубины, плоских углов, формы и расположения поверхностей);

- времени и частоты (текущего времени, интервалов времени, периодов, частоты периодических колебаний, частоты вращения тел);

- механических величин (массы, плотности твёрдых тел, силы, механического напряжения, прочности, твёрдости, скорости, ускорения, механических энергии и мощности, параметров вибрации);

- теплотехнических величин (температуры, тепловых энергии и мощности, уровня, давления, расхода, количества жидкостей и газов);

- электро- и радиотехнических величин (силы электрического тока, напряжения, электрических энергии и мощности, сопротивления, проводимости, добротности колебательных контуров, электрической прочности, диэлектрической и магнитной проницаемостей, магнитного потока, напряжённости магнитного поля);

-физико-химических величин (плотности, прозрачности, удельной электрической проводимости жидкостей и газов, состава растворов и смесей, водородного показателя);

- оптических величин (силы света, яркости, освещённости, коэффициента преломления, угла вращения плоскости поляризации, цвета, спектра);

- акустических величин (звукового давления, уровня громкости, спектра звуковых частот, скорости звука, звуковой мощности);

- радиационных или величин ионизирующих излучений (энергии, поглощённой дозы, экспозиционной дозы, активности нуклида в радиоактивном источнике);

- медико-биологических величин (артериального давления, частоты пульса и дыхания, объёма лёгких, электропотенциалов органов и участков тела).

Это разделение средств измерений не является жёстким и однозначным, но именно в соответствии с ним специализируются подотрасли приборостроения, готовятся соответствующие специалисты, в том числе метрологи.

• В основу построения и функционирования любого средства измерений кладётся какой-либо один или несколько физических явлений, принципов, законов, который (которые) и определяют его принцип действия, его устройство и работу. Во многих средствах измерений довольно часто одновременно используются физические принципы разной природы, однако один – два из них являются определяющими, основными. Так, в зависимости от принципа действия (основного физического принципа) средства измерений подразделяются на:

- механические (концевые меры длины, линейки, штангенциркули, микрометры, угольники, угломеры, гири, рычажно-зубчатые индикаторы, рычажные и пружинные весы, твердомеры, деформационные и грузопоршневые манометры, поплавковые уровнемеры, крыльчатые тахометры и счётчики жидкости и газа т.п. );

- пневматические (пробки, длиномеры, ротаметры, компенсационные преобразователи давления, барботажный уровнемер);

- термические, тепловые (жидкостные и газовые термометры, термопреобразователи электрического тока);

- оптические (теодолиты, стереодальномеры, микроскопы, пирометры, интерферометры, фотоколориметры, спектрофотометры и др.);

- электрические и электронные (амперметры, вольтметры, ваттметры, омметры, кондуктометры, электросчётчики, частотомеры, осциллографы, измерительные генераторы, нормальные элементы, магазины сопротивлений, мосты, компенсаторы, радиолокаторы и т. д.);

- радиационные ( радиометры, радиоспектрометры, толщиномеры, уровнемеры, плотномеры, дефектоскопы);

- акустические (эхолоты, ультразвуковые расходомеры, шумомеры, ультразвуковые дефектоскопы и др.);

- комбинированные (оптико-механические, электромеханические, оптико-электронные, пневмоэлектрические, теплоэлектрические и др.).

• По назначению (месту, роли) в процессе измерения средства измерений разделяются на:

- меры;

- дозаторы;

- измерительные приборы;

- измерительные преобразователи;

- измерительные установки и машины;

- измерительно-вычислительные комплексы;

- измерительные (измерительно-информационные) системы;

- технические системы и устройства с измерительными функциями.

Меры – средства измерений, предназначенные для воспроизведения (реализации) и хранения одного или нескольких значений какой-либо физической величины. По виду воспроизводимой величины они делятся на меры активных величин (нормальный элемент – источник Э.Д.С., стабилизированный источник напряжения или тока, задатчик давления, грузопоршневой манометр, измерительный генератор, калибратор частот и др.) и меры пассивных величин (гиря – мера массы, концевая мера длины, калибр (скоба, пробка), угольник, поверочные линейка и плита, мерная колба, резистор – мера электрического сопротивления, конденсатор – мера электрической ёмкости, светофильтр – мера оптической плотности, камертон – мера частоты звука, кварцевый резонатор – мера частоты электрических колебаний и др.). К мерам относятся также стандартные образцы – меры свойств или состава веществ и материалов (плотности, твёрдости, диэлектрической или магнитной проницаемости, удельной электрической проводимости, содержания компонентов, концентрации). Конструктивно меры пассивных величин выполняются или однозначными, или многозначными (наборы или магазины мер). Стандартные образцы дополнительно разделяются на расходуемые и не расходуемые.

Дозаторы – средства измерений, предназначенные для формирования физического объекта с наперёд заданным значением физического свойства и с установленной точностью. Такой физический объект представляет собой или порцию, дозу жидкого, газообразного, сыпучего вещества (материала, продукта), отрезок длинномерного материала (ленты, полосы, проволоки, нити) заданных массы, объёма, длины или поток (подачу) названных веществ и материалов с заданными расходом (массовым или объёмным), скоростью. В первом случае дозатор является дискретным, во втором – непрерывным. Кроме того, дозаторы могут быть однозначными (с фиксированным, неизменным значением заданной дозы) и многозначными (с изменяемой, переменной дозой). В последнем случае дозаторы обязательно должны иметь в своём составе задающий узел, который позволяет вводить в него значение дозируемой порции или потока вещества. Примерами дозаторов являются такие устройства как торговые автоматы по отпуску напитков, топливозаправочные колонки, автоматические порционные весы, конвейерные весы. Дозаторы включают в себя как узлы, выполняющие измерение массы, объёма, длины, расхода, скорости, так и узлы, обеспечивающие автоматическое формирование и выдачу порций и потоков веществ и материалов. К дозаторам можно отнести также и устройства «дозирования» времени: таймер – задатчик интервала времени, метроном – задатчик последовательности интервалов времени.

Измерительные приборы – средства измерений, предназначенные для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне и в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем, т.е. в форме показаний (стрелка и шкала, цифровое табло, линия на экране электроннолучевой трубки, запись на бумажной ленте и т.п.). По своему устройству и выполняемым функциям измерительные приборы разделяются на: однодиапазонные и многодиапазонные, простые (измеряющие одну физическую величину) и комбинированные (измеряющие несколько однородных физических величин), ручные (требующие ручных операций со стороны оператора) и автоматические, аналоговые (шкальные) и цифровые, показывающие и регистрирующие, требующие дополнительного источника питания для своей работы и не требующие, и др. Особый вид представляют собой интегрирующие (по времени) измерительные приборы (счётчики).

Зачастую в разговорной практике (и не только) понятие «измерительный прибор» распространяется вообще на всякое средство измерений, т.е. происходит подмена и смешение понятий, что метрологически грамотный специалист допускать не должен.

Измерительные преобразователи – средства измерений, предназначенные для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной (пригодной) для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения (запоминания) с помощью других технических средств, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Такой формой может быть сигнал на выходе преобразователя в виде изменяющихся пропорционально значению измеряемой величины силы или напряжения постоянного тока, давления сжатого воздуха (пневматический сигнал), частоты переменного тока, цифрового кода (последовательности электрических или световых импульсов). Граница между измерительным прибором и измерительным преобразователем проходит как раз по различию форм представления результатов измерений: в первом случае он воспринимается только человеком, во втором – только каким-то техническим средством (передатчиком, регулятором, устройством электрозаписи, электронно-вычислительной машиной). Под измерительным преобразователем следует понимать функционально законченное и конструктивно обособленное изделие со своим полным набором метрологических характеристик, используемое, как правило, в составе измерительных установок, комплексов и систем. Часто отдельные типы средств измерений (особенно современные, компьютеризованные) соединяют в себе одновременно и прибор, и преобразователь; в этом случае их обычно относят к приборам.

Измерительные преобразователи по своему конкретному функциональному назначению разделяются на первичные, промежуточные, масштабные, передающие.

Первичный измерительный преобразователь – преобразователь, к входу которого подведена измеряемая величина непосредственно. Первичным преобразователь может быть только в том случае, когда для измерения требуется минимум два средства измерений: первичный и передающий преобразователи или первичный преобразователь и измерительный прибор выходной величины (сигнала) первичного преобразователя. Для того, чтобы к первичному преобразователю была подведена измеряемая величина, он должен быть расположен на или в объекте измерения, или в непосредственной близости от него. Здесь возможны две схожие ситуации: первая – на объекте измерения располагается часть средства измерений, конструктивно обособленная, но функционально не самостоятельная; вторая – на объекте измерений располагается не только конструктивно обособленное, но и функционально законченное средство измерений с нормированными метрологическими характеристиками. В строгом смысле слова первичный измерительный преобразователь будем иметь только во второй ситуации. В первой ситуации указанную часть средства измерений можно назвать первичным преобразователем, но никак не измерительным. На практике часто не делают такого различия, следствием чего является терминологическая и смысловая путаница. Эта путаница ещё больше усиливается наличием понятия «датчик», которое, по существу, является синонимом первичному преобразователю в обеих выше рассмотренных ситуациях. К сожалению, новый терминологический стандарт по метрологии РМГ 29 – 99 должной ясности в эту неопределённость не внёс, а только лишь её закрепил.

Первичный преобразователь (датчик) как измерительный, так и не измерительный практически всегда является преобразователем измеряемой физической величины одной природы в промежуточную физическую величину другой природы, чаще всего в электрическую. Примеры первичных измерительных преобразователей: термоэлектрические преобразователи (термопары), термопреобразователи сопротивления, преобразователи давления резистивные типа «Сапфир», преобразователи силы, напряжения и мощности электрического тока серии Е.

Промежуточный измерительный преобразователь – преобразователь, занимающий в цепи измерительных преобразователей промежуточное место между первичным и оконечным преобразователями, примерами которого являются усилитель мощности электрического сигнала, нормирующий преобразователь, аналогово-цифровой или цифро-аналоговый преобразователь, кодирующие и декодирующие устройства.

Масштабный измерительный преобразователь – преобразователь, предназначенный для изменения размера измеряемой физической величины в заданное число раз и являющийся, по существу, разновидностью промежуточного преобразователя. Примеры: редуктор, измерительный трансформатор тока или напряжения, резистивный делитель напряжения, измерительный усилитель напряжения.

Передающий измерительный преобразователь – преобразователь, предназначенный для дистанционной передачи сигнала измерительной информации, так называемой телеметрии. При этом дистанция может составлять от десятков метров до сотен и тысяч километров, а способ передачи – проводной, радиоволновый, световодный.

Во многих случаях конкретный тип измерительного преобразователя может совмещать в себе все или часть функций названных разновидностей преобразователей.

Измерительные установки и машины – совокупность различных видов средств измерений (мер, дозаторов, приборов, преобразователей) и вспомогательных средств, объединённых функционально и конструктивно в единое изделие, предназначенное для проведения прямых и косвенных измерений взаимоувязанных физических величин одного или одновременно нескольких объектов измерений, при, как правило, участии оператора. Измерительные установки и машины преимущественно являются средствами для лабораторных измерений. Примеры: установка для измерения удельного электрического сопротивления или электрической прочности электротехнических материалов, координатно-измерительная машина, разрывная машина (измерение механических характеристик металлов), установка для анализа крови, поверочная установка.

Измерительные установки и машины являются изделиями заводской готовности, т.е. их параметры и характеристики, в том числе метрологические, обеспечиваются изготовителем при выпуске из производства.

Измерительно-вычислительные комплексы (ИВК) – функционально и конструктивно объединённая совокупность мер, измерительных приборов и преобразователей (кроме первичных), вычислительных устройств и вспомогательных средств, предназначенная для выполнения измерений нескольких однородных и разнородных физических величин в производственных условиях без или с минимальным участием оператора; выпускаются и поставляются как единые изделия с максимальной заводской готовностью к использованию и используются, как правило, в составе измерительных систем.

Измерительные (измерительно-информационные) системы (ИИС) – функционально объединённая совокупность средств измерений (мер, измерительных преобразователей и приборов, измерительно-вычислительных комплексов), электронных вычислительных машин (компьютеров) и вспомогательных средств, размещённых в разных точках сложного объекта измерений (технологическая линия, производственный участок, технологический комплекс, научно-экспериментальный комплекс или природный объект) и соединённых между собой линиями и каналами связи. ИИС создаются непосредственно на объекте измерений и проходят метрологическую аттестацию в индивидуальном порядке. Как правило, ИИС входят в качестве подсистемы в автоматизированные системы управления и кроме измерений физических величин, характеризующих объект измерения в реальном времени, выполняют такие функции как контроль и диагностирование.

Технические системы и устройства с измерительными функциями – технические системы и устройства, которые наряду с их основными функциями выполняют измерительные функции. Примерами таких систем и устройств являются автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП), фасовочные и упаковочные автоматы, тарированный гаечный ключ и т.п.

•По метрологическому назначению средства измерений разделяются на метрологические и рабочие.

Метрологические – это средства измерений, предназначенные для целей обеспечения единства измерений: воспроизведение и (или) хранение единиц физических величин, передача размера единицы рабочим средствам измерений, т.е. их поверки. К метрологическим средствам измерений относятся эталоны, эталонные установки, поверочные установки, устройства сравнения (компараторы), стандартные образцы состава и свойств.

Рабочие – это все остальные средства измерений, применяемые для всех измерений, кроме метрологических.

Одно и то же средство измерений может использоваться как рабочее, так и метрологическое, если у него достаточная точность; однако в последнем случае средство измерений должно пройти обязательную метрологическую аттестацию, которую оно теряет даже после однократного использования его для выполнения рабочих измерений.

• По виду измеряемых величин и в зависимости от принципа действия и конструктивного исполнения средства измерений разделяют на виды и типы.

Вид средства измерений – это совокупность, группа, класс средств измерений, предназначенных для измерения одной конкретной или нескольких физических величин, тесно связанных между собой, выраженных в одних и тех же единицах, но имеющие, как правило, разные принципы действия. Примеры: амперметры, вольтметры, ваттметры, мультиметры (комбинированные), манометры, динамометры, весы, расходомеры, штангенциркули, микрометры, угломеры, счётчики, тахометры и т.п. Возможно деление видов на подвиды в зависимости от природы измеряемой величины, её размера, частично принципа действия: электростатические вольтметры, вольтметры постоянного и переменного тока, настольные и напольные весы, поплавковые и ёмкостные уровнемеры и т.д.

Тип средства измерений – совокупность средств измерений одного и того же вида и назначения, предназначенных для измерений одних и тех же величин, выраженных в одних и тех же единицах , основанных на одном и том же принципе действия, имеющих одну и ту же конструкцию и изготовляемых по одной и той же конструкторской документации и технологии. Средства измерений одного типа могут иметь различные модификации и исполнения, отличающиеся между собой, например, по диапазону измерений или способу размещения на объекте измерений. Средства измерений одного типа (модификации) являются полностью взаимозаменяемыми. Примеры: амперметр М93, штангенциркуль ШЦ II, вертикальный оптиметр ОВО-1, милливольтметр В38, преобразователь термоэлектрический ТХА 9713-00, весы настольные РН-6ЦВУ.

Виды и типы средств имеют наименование, а тип – ещё и условное обозначение. Наименования могут быть однословными и многословными и образовываться с использованием ограниченного числа способов. Наиболее употребительные из них следующие:

- наименование единицы ФВ + слово «метр»: амперметр, омметр, люксметр, калориметр;

- наименование ФВ (иностранное) + слово «метр»: спидометр, анемометр, спектрометр, термометр, барометр;

- наименование ФВ (русское) + слово «мер»: длиномер, уровнемер, толщиномер, расходомер, частотомер, секундомер, плотномер;

- по принципу действия: счётчик (электроэнергии, воды), компенсатор, осциллограф, анализатор, дозатор, оптикатор;

- исторически сложившиеся наименования: весы, часы, линейка, рулетка, штангенциркуль, (измерительный) мост, магазин (сопротивлений), нормальный элемент, угольник.

Примеры многословных наименований: электромагнитный амперметр, индукционный электросчётчик, светолучевой осциллограф, поплавковый уровнемер, пружинные весы, оптический толщиномер, уравновешенный мост, мост переменного тока, манометр избыточного давления, измеритель сопротивления заземления, радиолокационный дальномер.

Условное обозначение типа средства измерений представляет собой чаще всего набор прописных букв и цифр, разделённых или не разделённых между собой дефисами; примеры обозначений даны выше.