2. Классификация средств измерений

В число средств измерений входят меры, эталоны, измерительные приборы, измерительные преобразователи; к ним относятся также измерительные принадлежности, которые, однако, не могут применяться самостоятельно, а служат для расширения диапазона измерений, повышения точности измерений, передачи результатов измерений на расстояние и обеспечения техники безопасности в процессе измерения. К средствам измерения не следует относить устройства, служащие для создания заданных условий измерений (различные регулирующие устройства, реостаты, термостаты, барокамеры и т. п.).

По РМГ 29-99 различают основное средство измерений, рабочее и вспомогательное; стандартизованное и нестандартизованное как средство, стандартизация требований к которому признана нецелесообразной; автоматизированное и автоматическое средство измерений.

Автоматическое средство измерений – это средство измерений, производящее без непосредственного участия человека измерения и все операции, связанные с обработкой результатов измерений, их регистрацией, передачей данных или выработкой управляющего сигнала. В отличии от него автоматизированное средство производит в автоматическом режиме одну или часть измерительных операций.

Автоматическое средство измерений, встроенное в автоматическую технологическую линию, нередко называют измерительный автомат или контрольный автомат. Применяют также понятие измерительные роботы, под которыми нередко понимают разновидность контрольно-измерительных машин, отличающихся хорошими манипуляционными свойствами, высокими скоростями перемещений и измерений.

По назначению средства измерений разделяют на меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и измерительные системы (рисунок 4.1). По метрологическому назначению средства измерений делят на эталоны и рабочие.

Рабочие средства измерений применяются для измерений, не связанных с передачей размера единиц. Они предназначены для измерений размеров величин, необходимых в разнообразной деятельности человека.

Каждое рабочее средство измерения должно применяться только по своему прямому назначению. Не разрешается применять рабочие средства измерений для проведения поверочных работ; точно так же запрещается использование эталонов для измерений, не связанных с поверкой.

Запрещение применять эталоны для практических измерений – одно из важнейших требований метрологии. Однако им нередко пренебрегают или недооценивают его значение. Каким бы точным не было бы средство измерений, применяемое для практических измерений, его нельзя использовать для поверки других средств измерений. Само оно должно поверяться по эталону, имеющему более высокую точность.

Мерой называется средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Примерами мер являются аттенюаторы – меры затухания, магазины сопротивлений – меры сопротивления, измерительные генераторы – меры напряжения (мощности) и частоты сигналов и т. д. К мерам относятся также образцы и образцовые вещества.

Существуют однозначные и многозначные (переменные) меры (рисунок 4.2). Мера, воспроизводящая физическую величину одного размера, называется однозначной, например, гиря, плоскопараллельная концевая мера длины, измерительная колба, мера ЭДС – нормальный элемент, конденсатор постоянной емкости. Величины, для которых операция сложения выполняется сравнительно легко, воспроизводятся с помощью многозначных или однозначных мер, объединяемых в наборы или магазины мер.

Рисунок 4.2. Классификация мер

Мера, воспроизводящая ряд одноименных величин различного размера, называется многозначной. Этот ряд может быть непрерывным или дискретным. Наиболее распространенными многозначными мерами являются миллиметровая линейка, вариометр индуктивности, конденсатор переменной емкости.

В качестве многозначной меры может быть использован набор мер – специально подобранный комплект мер, применяемых не только по отдельности, но и в различных сочетаниях с целью воспроизведения ряда одноименных величин различного размера; например набор гирь, набор образцовых конденсаторов и т. д.

Магазин мер – это набор мер, конструктивно объединенных в одно целое. В нем имеется коммутирующее устройство для получения требуемого значения воспроизводимой величины, например магазин активных сопротивлений как набор резисторов.

Измерительные преобразователи. Согласно РМГ-29-99 измерительный преобразователь – это техническое средство с нормативными техническими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи. Принцип их действия основан на различных физических явлениях. Измерительные преобразователи преобразуют любые физические величины (электрические, неэлектрические, магнитные) в выходной электрический сигнал .

Измерительные преобразователи являются составными частями измерительных приборов, установок и систем. Они классифицируются по характеру преобразования входной величины, месту в измерительной цепи, физическому принципу действия и другим признакам (рисунок 4.3).

Физические величины могут быть непрерывными по значению и квантованными (они представляются обычно цифровыми сигналами). Если входная и выходная величины измерительного преобразователя – непрерывные величины, такой преобразователь называют – аналоговым. Измерительный преобразователи одного кодового сигнала в другой получили название кодовых. Преобразователи аналог-код превращают непрерывную величину в кодовый сигнал, например, АЦП – аналого-цифровой преобразователь, а преобразователи код-аналог – кодовый сигнал в сигнал, непрерывный по значению (например, ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь, преобразователь двоичного числа в постоянное напряжение).

Рисунок 4.3. Классификация измерительных преобразователей

По месту, занимаемому в измерительной цепи средства измерения, преобразователи подразделяются на первичные, промежуточные, передающие, масштабные.

Первичный преобразователь – это преобразователь, на который воздействует измеряемая физическая величина, т. е. первый преобразователь в измерительной цепи измерительного прибора (установки, системы). Физическая величина, в которую преобразует измеряемую величину первичный преобразователь, может быть подведена к измерительному механизму, может быть подана на другой преобразователь или использована, например, для целей телеизмерений.

Примером первичного преобразователя может служить термопара в цепи термоэлектрического термометра.

Конструктивно обособленный первичный измерительный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы, называется датчиком. Он «дает» информацию.

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; тензопреобразователь, наклеенный на упругий элемент и воспринимающий его деформацию, также является датчиком.

Промежуточный преобразователь – преобразователь, занимающий в измерительной цепи место после первичного.

Передающий преобразователь – измерительный преобразователь, служащий для дистанционной передачи измерительной информации. Для этих преобразователей характерно назначение величины, образуемой на его «выходе». Очевидно, что преобразователь может одновременно выполнять функции первичного и передающего.

Часто используют термин «выходной преобразователь» – это преобразователь, стоящий последним в измерительной цепи. Он снабжается отсчетным или регистрирующим устройством, фиксирующим значение измеряемой величины.

Для изменения в определенное число раз значения одной из величин, действующих в измерительной цепи, без изменения ее физической природы используют масштабные преобразователи: делители напряжения, измерительные трансформаторы тока, измерительные усилители и т. п.

Полезно также все измерительные преобразователи разделить на две группы: генераторные (энергетические) и параметрические. Первые характеризуются тем, что для осуществления преобразования не требуется постороннего источника энергии. Измерительный преобразователь вырабатывает ее сам за счет энергии преобразуемой величины. Параметрические же преобразователи должны быть возбуждены от постороннего источника энергии. Например, преобразователь в виде термопары для измерения температуры сам вырабатывает электрическую энергию, а термометр сопротивления (нагреваемая проволока) может осуществлять преобразование температуры в сопротивление только будучи нагретым источником электрического тока.

Измерительные преобразователи могут быть встроены в корпус прибора и вместе с другими его устройствами образовать единую конструкцию. В этом случае метрологические характеристики нормируются для измерительного прибора в целом. В тех случаях, когда измерительные преобразователи (один или несколько) являются конструктивно обособленными элементами, метрологические характеристики нормируются на эти элементы. Это очень важно при построении измерительных средств на базе блочно-модульного принципа, при построении измерительных установок и систем, которые могут включать десятки различных измерительных преобразователей.

Измерительные преобразователи бывают взаимозаменяемыми, ограниченно-взаимозаменяемыми и невзаимозаменяемыми или индивидуальными.

Взаимозаменяемые преобразователи могут без каких-либо ограничений заменять друг друга. При такой замене свойства прибора не должны измениться. Для того чтобы обеспечивалась такая взаимозаменяемость, нормируют ряд характеристик преобразователей. Для них устанавливают и стандартизуют рациональный ряд коэффициентов преобразования. Под коэффициентом преобразования понимается отношение значения величины на входе преобразователя к значению соответствующей ей величины на выходе.

Важные характеристики взаимозаменяемых преобразователей следующие:

– значение входной и выходной величин каждой в отдельности. Так, например, государственными стандартами устанавливаются следующие диапазоны изменения входных и выходных величин: сила постоянного электрического тока мA; мA, постоянное напряжение В, переменное напряжение В, частота электрических колебаний Гц; Гц. Установление определенного ряда этих значений и обеспечивает широкую взаимозаменяемость преобразователей. Благодаря установлению таких рядов значительно сокращается количество разновидностей первичных преобразователей и вторичных устройств (конструктивно обособленная остальная часть элементов измерительной цепи);

– точность и постоянство коэффициента преобразования во всем диапазоне его работы.

Для большинства взаимозаменяемых преобразователей устанавливают классы точности. При выборе преобразователя стремятся к обеспечению его метрологической совместимости, т. е. чтобы его класс точности был не ниже класса точности измерительной цепи или прибора, применяемого с преобразователем, иначе говоря, чтобы применение преобразователя как можно меньше снижало общую точность измерения данным прибором.

Требования, предъявляемые к взаимозаменяемым преобразователям, высокие. В ряде случаев некоторые из них невыполнимы или выполнение их экономически нецелесообразно. Тогда их применяют ограниченно, причем последнее обуславливается невыполнением какого-либо одного требования.

Чаще всего взаимозаменяемые преобразователи используют только для измерительного прибора одного вида или типа, одной его конструкции, о чем на преобразователе делается соответствующая надпись.

Применение индивидуальных (невзаимозаменяемых) преобразователей позволяет улучшить метрологические характеристики измерительного прибора и установки за счет специальных регулировок.

Измерительные приборы. Измерительный прибор – средство измерения, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне.

Физический принцип, положенный в основу построения измерительного прибора, называют принципом действия прибора, который часто отражается в названии прибора, например, электродинамический ваттметр, термоэлектрический термометр.

Принципиально измерительный прибор состоит из ряда измерительных преобразователей, каналов связи, согласующих элементов, измерительного механизма, которые в совокупности образуют измерительную цепь прибора.

Вход измерительной цепи формируется чувствительным элементом, являющимся составной частью первичного преобразователя. На этот элемент непосредственно воздействует измеряемая величина. Выход цепи реализуется отсчетным устройством, с помощью которого наблюдатель определяет значение измеряемой величины, выраженное в принятых единицах измерения. Это значение называют показанием средства измерения, т. е. отсчетом в виде отвлеченного числа, снятом при измерении с отсчетного устройства прибора. Переход от отсчета к показанию осуществляется умножением отсчета на цену деления шкалы, под которой понимается разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы.

Измерительные приборы можно классифицировать по различным признакам: структуре преобразования; виду выходной информации; способу ее выдачи; роду измеряемой величины; условиям применения и т. д. Классификация измерительных приборов по этим признакам представлена на рисунке 4.4.

Измерительные приборы представляют собой определенное сочетание измерительных преобразователей и устройства сравнения, условно изображаемые функциональной схемой. По ней можно проследить все преобразования, которым подвергается измеряемая величина в процессе работы прибора.

По действию измерительные приборы можно разделить на четыре вида: приборы прямого преобразования, приборы уравновешивающего преобразования и приборы смешанного преобразования.

Средство измерений прямого преобразования. Схема прибора прямого преобразования показана на рисунке 4.5, где , ,…, – преобразователи; , , ,..., – информативные параметры сигналов.

Как видно из рисунка 4.5, входной сигнал последовательно претерпевает несколько преобразований, формируя на выходе сигнал .

Сигнал получают в виде, удобном для передачи и дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, а также адаптированным к непосредственному восприятию наблюдателем, например, в виде отклонения указателя отсчетного устройства.

Примером прибора прямого преобразования является амперметр для измерения больших постоянных токов, в котором измеряемый ток вначале преобразуется в падение напряжения на шунте, затем в малый ток, поступающий в измерительный механизм, который вызывает отклонение указателя последнего.

Если измерительные преобразователи в разомкнутой схеме прибора прямого преобразования имеют линейную функцию преобразования , то выходная величина прибора связана с измеряемой величиной соотношением

, (4.1)

где , ,…, – коэффициенты преобразования измерительных преобразователей.

При этом чувствительность (коэффициент преобразования) средства измерений прямого преобразования:

. (4.2)

При нелинейной функции преобразования чувствительность и коэффициенты преобразования зависят от входного сигнала.

Мультипликативная погрешность возникает при изменении коэффициентов преобразования. С течением времени и под действием внешних факторов коэффициенты , ,…, могут изменяться соответственно на , , ,, . При достаточно малых изменениях этих коэффициентов можно пренебречь членами второго и большего порядков малости, тогда относительное изменение чувствительности

. (4.3)

Изменение чувствительности приводит к изменению выходного сигнала на . Этому изменению соответствует абсолютная погрешность измерения входной величины

. (4.4)

Видно, что погрешность, вызванная изменением чувствительности, является мультипликативной. Относительная мультипликативная погрешность измерения .

Аддитивная погрешность вызывается дрейфом «нуля» звеньев, наложением помех на полезный сигнал и т. д., приводящих к смещению графика характеристики преобразования i-гo звена на ±x_0i; (рисунок 4.6). Аддитивную погрешность можно определить, введя на структурной схеме после соответствующих звеньев дополнительные внешние сигналы , , …, , равные смещениям характеристик преобразования звеньев.

Для оценки влияния дополнительных сигналов пересчитывают (приводят) их ко входу структурной схемы. Тогда результирующее действие всех дополнительных сигналов равно действию дополнительного сигнала на входе в виде:

. (4.5)

к оторое дает результирующую аддитивную погрешность x₀. Таким образом, как следует из (4.3) и (4.5), средства измерения, построенные по структурной схеме прямого преобразования, суммируют погрешности, вносимые отдельными звеньями, что препятствует созданию средств измерений прямого преобразования с высокой точностью.

Средство измерений уравновешивающего преобразования. Его схема показана на рисунке 4.7.

Измерительная цепь – совокупность элементов средств измерений, образующих непрерывный путь прохождения измерительного сигнала одной физической величины от входа до выхода. Правомочно называть измерительную цепь измерительной системы измерительным каналом. Она содержит две цепи – прямого и обратного преобразования. Последняя формирует в приборе общую отрицательную обратную связь, охватывающая всю цепь прямого преобразования.

Для цепи обратной связи

, (4.6)

где  – коэффициент преобразования цепи обратного преобразования;

, ,…, – коэффициенты преобразования ее отдельных звеньев.

Узел СУ производит сравнение выходного сигнала цепи обратной связи со входным , что описывается соотношением .

При возрастании входного сигнала выходной сигнал прибора будет возрастать, и, следовательно, до тех пор, пока и не станут равными. При этом по значению можно судить об измеряемой величине .

Средства измерений, имеющие такую структурную схему, могут работать как с полной, так и с неполной компенсацией.

При полной компенсации (астатическое преобразование) в установившемся режиме

. (4.7)

Это возможно в тех устройствах, в цепи прямого преобразования которых предусмотрено интегрирующее звено с характеристикой преобразования . Примером такого звена является электродвигатель, для которого угол поворота вала определяется приложенным напряжением и временем.

В этом случае, учитывая (4.6) и (4.7), получим

. (4.8)

Таким образом, в момент компенсации сигнал на выходе средства измерения пропорционален входному сигналу и не зависит от коэффициента преобразования цепи прямого преобразования.

При этом чувствительность (коэффициент преобразования)

. (4.9)

Мультипликативная относительная погрешность, обусловленная нестабильностью коэффициентов преобразования звеньев, при достаточно малых изменениях этих коэффициентов

. (4.10)

Как видно эта погрешность обусловлена только относительным изменением коэффициента преобразования цепи обратного преобразования.

Аддитивная погрешность в средствах измерений с полной компенсацией практически обусловлена порогом чувствительности звеньев, расположенных до интегрирующего звена, и порогом чувствительности самого интегрирующего звена. Здесь под порогом чувствительности понимается то наименьшее изменение входного сигнала, которое способно вызвать появление сигнала на выходе звена. Порог чувствительности имеют, например, электродвигатели, часто применяемые в рассматриваемых устройствах. Для реальных звеньев график характеристики преобразования может иметь вид, показанный на рисунке 4.8, где – порог чувствительности.

П орог чувствительности средства измерений с полной компенсацией , (4.11)

где , , … , – пороги чувствительности звеньев цепи прямого преобразования; – порог чувствительности интегрирующего звена.

При наличии порога чувствительности средства измерении состояние компенсации наступает при . Таким образом, изменение входного сигнала в пределах не вызывает изменения выходного сигнала, т. е. появляется абсолютная аддитивная погрешность, значение которой оценивается пределами .

Из выражения (4.11) очевидно, что для уменьшения аддитивной погрешности, обусловленной порогом чувствительности звеньев, следует увеличивать коэффициенты преобразования , , ..., . Предел их увеличения обусловлен динамической устойчивостью средства измерений.

При неполной компенсации (статическое преобразование) интегрирующее звено в средстве измерений отсутствует, выполняется условие (4.6) и

, (4.12)

где – коэффициент цепи прямого преобразования.

В этом случае установившийся режим наступает при некоторой разности

. (4.13)

Зависимость между выходным и входным сигналами, получаемая путем решения уравнений (3.6), (3.12) и (3.13), будет:

, (4.14)

Видно, что при установившемся режиме выходной сигнал пропорционален входному и зависит от коэффициентов цепи как обратного, так и прямого преобразования.

Если выполняется условие , то уравнение (4.14) переходит в (4.8), и при этом нестабильность коэффициента преобразования прямой цепи не влияет на работу устройства. Практически, чем выше , тем меньше влияние , и предел увеличения будет обусловлен только лишь динамической устойчивостью средства измерений с неполной компенсацией, а чувствительность (коэффициент преобразования) последнего сводится к виду:

(4.15)

Мультипликативная погрешность, обусловленная изменением коэффициентов преобразования звеньев при достаточно малых изменениях этих коэффициентов:

, (4.16)

где , .

Если , то . Следовательно, при (что обычно имеет место) составляющая, обусловленная изменением коэффициента , целиком входит в результирующую погрешность, а составляющая, обусловленная изменением коэффициента , входит в результирующую погрешность, ослабленной в раз. Нелинейность характеристики преобразования цепи прямого преобразования можно рассматривать как результат влияния изменения коэффициента преобразования относительно некоторого начального значения при . Полученные уравнения показывают, что нелинейность характеристики преобразования уменьшается действием отрицательной обратной связи в раз.

Аддитивная погрешность может быть найдена путем введения в структурную схему дополнительных сигналов , равных смещениям характеристик преобразования соответствующих звеньев.

Применяя методику, рассмотренную выше, получим абсолютную аддитивную погрешность, равную:

В случае, когда часть цепи преобразования охвачена отрицательной обратной связью, средство измерений представляют комбинированной структурной схемой. Конфигурация структурной схемы средства измерений влияет не только на рассмотренные характеристики (чувствительность, погрешность), но также на входные и выходные сопротивления, динамические свойства и др.

По виду выдаваемой информации все приборы делятся на аналоговые и цифровые. Аналоговым является измерительный прибор, показания которого являются непрерывной функцией измеряемой величины, например, стрелочный вольтметр. Цифровым называется измерительный прибор, автоматически вырабатывающий дискретные сигналы измерительной информации, показания которого представлены в цифровой форме, например, цифровой омметр.

По способу выдачи измерительной информации измерительные приборы делятся на показывающие и регистрирующие (см. рисунок 4.4).

П оказывающие приборы (рисунок 4.9), если на них воздействует измеряемая величина, допускают только отсчитывание показаний. Указатель отсчетного устройства перемещается относительно шкалы и наблюдается визуально. Шкала средства измерения – это часть отсчетного устройства, представляющая собой совокупность отметок и проставленных у некоторых из них чисел отсчета или других символов, соответствующих ряду последовательных значений измеряемой величины.

Шкалы с делениями постоянной длины и с постоянной ценой деления называются равномерными шкалами, а шкалы с делени­ями непостоянной длины – неравномерными.

Примерами показывающих приборов со шкалами могут служить следующие типы приборов: 1) электромеханические: М2027, М2042, ЭА2231; 2) электронные: В3-38, В2-25, В7-13 и др.

К показывающим измерительным приборам относят также приборы с цифровым отсчетом. Их отсчетное устройство выдает показания в цифровой форме, показанное число соответствует значению измеряемой величины.

И змерительные приборы с цифровым отсчетом широко распространены, поскольку они более производительны и удобны для наблюдателя. Примерами показывающих приборов с цифровым отсчетом могут служить следующие типы приборов: В2-37, Щ4310, Ч3-34, В7-22, В7-21 и др.

Регистрирующие измерительные приборы (рисунок 4.10) содержат механизм регистрации показаний. Регистрирующий прибор, в котором предусмотрена запись показаний в форме диаграммы, называют самопишущим прибором.

Диаграмма представляет собой изображение измерений измеряемой величины в зависимости от изменений другой переменной величины. Запись производится на бумаге в виде движущейся ленты или диска, наложенного на барабан. Способы записи, применяемые в настоящее время, весьма разнообразны. Наиболее распространены запись чернилами посредством пера той или иной конструкции и печатание точек через цветные ленты, пропитанные краской. Существуют и другие способы записи: тонкой струйкой чернил, электрической искрой на метал-лизированной бумаге, нагретым стержнем на бумаге с восковым слоем и т. д.

К регистрирующим следует отнести измерительные приборы с печатающими механизмами, дающими показание в виде чисел, отпечатанных на бумажной ленте. Примерами регистрирующих приборов могут служить следующие типы приборов: Н30, Н32, Н310, Н3140 и др.

По роду измеряемой величины приборам присвоены наименования в зависимости от названия единицы этой величины (в том числе кратных и дольных единиц), для измерения которой они предназначены: амперметры, микроамперметры – для измерения тока; веберметры, милливеберметры – для измерения магнитной индукции и т. д.

Измерительные установки и системы. Измерительная установка – это совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, предназначенная для измерения одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте. В качестве примера можно привести измерительные установки для измерений удельного сопротивления электротехнических материалов, для поверки счетчиков электрической энергии и др.

Измерительные установки в большинстве случаев обладают определенной универсальностью как в отношении номенклатуры измеряемых величин, так и в отношении диапазонов измерения. Некоторые измерительные установки крупных размеров для точных измерений физических величин называют измерительными машинами. К ним относят, например, установки для испытаний магнитных материалов, силоизмерительные машины, машины для измерения больших длин в промышленном производстве.

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. Здесь средства измерений территориально разобщены, а передача измерительной информации осуществляется по специальным каналам связи. Измерительные системы широко используются для автоматизации технологических процессов в различных отраслях промышленности, энергетики и сельского хозяйства.

В зависимости от назначения измерительные системы разделяют на измерительные информационные, измерительные контролирующие, измерительные управляющие системы и др. Измерительную систему, перестраиваемую в зависимости от изменения измерительной задачи, называют гибкой измерительной системой (ГИС). Например, измерительная система теплоэлектростанции, позволяющая получать измерительную информацию о ряде физических величин в разных энергоблоках, которая может содержать сотни измерительных каналов или радионавигационная система для определения местоположения различных объектов, состоящая из ряда измерительно-вычислительных комплексов, разнесенных в пространстве на значительное расстояние друг от друга. Как правило, измерительная информация, вырабатываемая измерительной системой, является основой для автоматизации технологических процессов.

Измерительно-вычислительный комплекс – функционально объединенная совокупность средств измерений, ЭВМ и вспомогательных устройств, предназначенная для выполнения в составе измерительной системы конкретной измерительной задачи.