-_7-07~1

РАЗДЕЛ МЕТРОЛОГИЯ

1.3.3. Измерительные преобразователи

Согласно РМГ 29-2013 измерительный преобразователь - средство изме-

рений или его часть, служащее для получения и преобразования информации об измеряемой величине в форму, удобную для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи. Пример — Термопара, трансформатор электрического тока. Измерительный преобразователь или входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы и др.), или применяется вместе с каким-либо средством измерений. Принцип действия измерительных преобразователей основан на различных физических явлениях. Они преобразуют любые физические величины х (электрические, неэлектрические, магнитные) в выходной электрический сигнал Y = f(х). Измерительные преобразователи могут быть составными частями измерительных приборов, установок и комплексов. Классификация измерительных преобразователей:

1)по месту, занимаемому в измерительной цепи, средства измерения - первичные и промежуточные;

2)по характеру преобразования - аналоговые, цифро-аналоговые, аналогоцифровые;

3)по характеру преобразования величины - масштабные и передающие;

4)по наличию источника энергии - генераторные и параметрические.

По месту в измерительной цепи различают первичные и промежуточные преобразователи. Согласно РМГ 29-2013 чувствительный элемент; первичный измерительный преобразователь; датчик - измерительный преобразова-

тель, на который непосредственно воздействует материальный объект или явление, являющееся носителем величины, подлежащей измерению. Промежуточный преобразователь – преобразователь, занимающий в измерительной цепи место после первичного. Функцией промежуточных измерительных преобразователей является преобразование сигналов от первичных преобразователей (термометров сопротивления, токовых датчиков, др.) или параметров сигналов (действующих значений напряжения, частоты, периода, длительности и др.) в унифицированные сигналы постоянного тока или напряжения. Такие преобразователи носят название нормирующих. Нормирующие измерительные преобразователи формируют сигнал тока или напряжения, который линейно зависит от измеренной величины. Они являются неотъемлемой частью современных измерительных комплексов.

Выделяют также масштабные и передающие преобразователи. Для измене-

ния 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. Примером масштабных измерительных преобразователей являются шунты, применяемые в амперметрах для уменьшения силы тока в определенное число раз. Полезно также все измерительные преобра-

61

РАЗДЕЛ МЕТРОЛОГИЯ

зователи разделить на две группы: генераторные (энергетические) и параметрические. Первые характеризуются тем, что для осуществления преобразования не требуется постороннего источника энергии. Измерительный преобразователь её вырабатывает сам за счет воздействия 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 может осуществлять преобразование температуры в сопротивление, только будучи включенным в измерительную схему, питаемую от стороннего источника электрического тока.

В - Преобразователи неэлектрических величин в электрические (кроме генераторов и источников питания) или наоборот аналоговые или многоразрядные преобразователи или датчики для указания или измерения - громкоговорители, микрофоны, термоэлектрические чувствительные элементы, детекторы ионизирующих излучений, звукосниматели, сельсины. К таким преобразователям можно отнести согласно ГОСТ 22261-94:

Т - трансформаторы, автотрансформаторы - трансформаторы тока и напряжения, стабилизаторы;

U - преобразователи электрических величин в электрические, устройства связи - модуляторы, демодуляторы, дискриминаторы, инверторы, преобразователи частоты, выпрямители.

Примеры измерительных преобразователей, являющихся частью измерительного прибора - чувствительная катушка платинового термометра сопротивления, ротор турбинного расходомера, трубка Бурдона в манометре, поплавок в приборе для измерения уровня, фотоэлемент спектрометра, термотропный жидкий кристалл, который изменяет цвет в зависимости от температуры. Конструктивно обособленные первичный преобразователь или совокупность первичного и других измерительных преобразователей называют датчиком. Датчик может быть вынесен на значительное расстояние от средства измерений, принимающего его сигналы. В области измерений ионизирующих излучений применяют термин детектор. Примеры - датчики запущенного метеорологического радиозонда передают измерительную информацию о температуре, давлении, влажности и других параметрах атмосферы. Примеры датчиков из ГОСТ 22261-94:

Q - выключатели и разъединители в силовых цепях - разъединители, короткозамыкатели, автоматические выключатели (силовые);

S - устройства коммутационные в цепях управления, сигнализации и измерительных - выключатели, переключатели, выключатели, срабатывающие от различных воздействий.

62

РАЗДЕЛ МЕТРОЛОГИЯ

1.3.4. Измерительные приборы

Согласно РМГ 29-2013 измерительный прибор (прибор) - средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия. Примеры — вольтметр, микрометр, термометр, электронные весы. Измерительный прибор, в котором сигнал измерительной информации представлен в визуальной форме, называют

показывающим измерительным прибором. Сигнал измерительной информации может быть представлен в визуальной, звуковой или другой заданной форме. Он также может быть передан одному или нескольким другим средствам измерений. Измерительный прибор может быть эталоном. Измерительный прибор может выполнять запись своих показаний. Выходной сигнал может быть представлен в визуальной или звуковой форме. Он также может быть передан одному или нескольким другим устройствам. Примерами из ГОСТ 22261-94 являются:

Р - приборы, измерительное оборудование - показывающие, регистрирующие и измерительные приборы, счетчики, часы.

Электроизмерительные приборы можно классифицировать по следующим признакам:

1)принципу действия;

2)форме выходного сигнала (типу отсчетного устройства);

3)роду измеряемой величины;

4)степени точности;

5)способу представления показаний;

6)реализованному методу измерений.

По принципу действия электроизмерительные приборы подразделяются на следующие основные типы. Для каждой из перечисленных групп приняты свои обозначения.

1)Приборы магнитоэлектрической системы, основанные на принципе вза-

имодействия катушки с током и внешнего магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом.

2)Приборы электродинамической системы, основанные на принципе элек-

тродинамического взаимодействия двух катушек с токами, из которых одна неподвижна, а другая подвижна.

3)Приборы электромагнитной системы, в которых используется принцип взаимодействия магнитного поля неподвижной катушки с током и подвижной железной пластинки, нaмагниченной этим полем.

4)Тепловые измерительные приборы, использующие тепловое действие электрического тока. Нагретая током проволока удлиняется, провисает, и вследствие этого подвижная часть прибора получает возможность повернуться под действием пружины, выбирающей образовавшуюся слабину проволоки.

5)Приборы индукционной системы, основанные нa принципе взаимодействия вращающегося магнитного поля с токами, индуктированными этим полем

вподвижном металлическом цилиндре.

63

РАЗДЕЛ МЕТРОЛОГИЯ

6)Приборы электростатической системы, основанные на принципе взаи-

модействия подвижных и неподвижных металлических пластин, заряженных разноименными электрическими зарядами.

7)Приборы термоэлектрической системы, представляющие собой сово-

купность термопары с каким-либо чувствительным прибором, например магнитоэлектрической системы. Измеряемый ток, проходя через термопару, способствует возникновению термотока, воздействующего на магнитоэлектрический прибор.

8)Приборы вибрационной системы, основанные нa принципе механического резонанса вибрирующих тел. При заданной частоте тока наиболее интенсивно вибрирует тот из якорьков электромагнита, период собственных колебаний которого совпадает с периодом навязанных колебаний.

9)Электронные измерительные приборы - приборы, измерительные цепи которых содержат электронные элементы. Они используется для измерений практически всех электрических величин, а также неэлектрических величин, предварительно преобразованных в электрические.

По форме выходного сигнала (типу отсчетного устройства) различают аналоговые и цифровые приборы. В аналоговых приборах измеряемая или пропорциональная ей величина непосредственно воздействует на положение подвижной части, на которой расположено отсчетное устройство. 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. В цифровых приборах подвижная часть отсутствует, а измеряемая или пропорциональная ей величина преобразуется в числовой эквивалент, регистрируемый цифровым индикатором.

По роду измеряемой величины различают приборы одного и того же принципа действия, но предназначенные для измерения разных величин могут значительно отличаться друг от друга по своей конструкции: приборы для измерения температуры, давления, электрического тока, электрического напряжения и т.д.

По степени точности различают высокоточные (прецизионные) приборы и иные, определяемые классом точности.

По способу представления показаний измерительные приборы делятся на показывающие, регистрирующие и интегрирующие. Показывающие приборы допускают только снятие мгновенных значений измеряемой физической величины. Указатель отсчетного устройства перемещается относительно шкалы и наблюдается визуально. К показывающим измерительным приборам относят также приборы с цифровым отсчетом. Их отсчетное устройство выдает показания в цифровой форме. Показанное цифровым прибором число соответствует значению измеряемой величины. Показывающий измерительный прибор - из-

мерительный прибор, в котором выходной сигнал представлен в визуальной форме. В некоторых областях для этого понятия используют термины «детектор».

64

РАЗДЕЛ МЕТРОЛОГИЯ

Детектор - устройство или вещество, которое указывает на наличие явления, тела или вещества, когда превышается пороговое значение соответствующей величины. Примеры - галогенный течеискатель, лакмусовая бумага. Примеры детекторов согласно ГОСТ 22261-94:

Н - устройства индикационные и сигнальные (приборы звуковой и световой сигнализации, индикаторы);

К - реле, контакторы, пускатели - реле токовые и напряжения, реле электротепловые, реле времени, контакторы, магнитные пускатели.

В химии для этого понятия часто используют термин «индикатор». Пример. Индикатором наличия (или отсутствия) измерительного сигнала

может служить осциллограф. Индикатор близости к нулю сигнала называют нулевым или нуль-индикатором. При химических реакциях в качестве индикатора применяют лакмусовую бумагу и какие-либо вещества. В области измерений ионизирующих излучений индикатор часто дает световой и (или) звуковой сигнал о превышении уровнем радиации его порогового значения.

Регистрирующие измерительные приборы содержат устройство 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, весьма разнообразны (чернилами, печать, нагретым стержнем на бумаге с восковым слоем и т. д). Приборный парк регистрирующих приборов описанного выше типа постепенно вытесняется современными, более практичными измерительными приборами с цифровой регистрацией. Хранение информации об изменении измеряемой величины в приборах с цифровой регистрацией производится на внешних flash-дисках, микросхемах встроенной памяти и др.

Интегрирующий измерительный прибор - измерительный прибор, в кото-

ром значение измеряемой величины определяются путём её интегрирования по другой величине, обычно по времени. Интегрирующие измерительные приборы обладают способностью интегрировать по времени (суммировать значение физической величины на заданном участке времени) или другой независимой переменной. Примерами интегрирующих приборов могут быть счетчики. Они позволяют определить значение измеряемой величины (расход вещества, электрическую мощность и т. п.) за любой промежуток времени как разность между конечным и начальным отсчетами.

Пример. Электрический счетчик, планиметр.

По реализованному методу измерений измерительные приборы делятся на приборы прямого действия и приборы сравнения. К приборам прямого действия относятся вольтметры, амперметры и т.д., т.е. приборы, имеющие один чувствительный элемент. Согласно РМГ 29-2013 средство сравнения - техническое средство или определенная среда, посредством которых возможно выполнять сравнение друг с другом мер однородных величин или показания измерительных

65

РАЗДЕЛ МЕТРОЛОГИЯ

приборов. Иногда техническое средство снабжается средством измерений, обеспечивающим функцию сравнения. В VIM3 используется термин «устройство сравнения» - устройство, которое используется как средство сличения эталонов.

Примеры 1. рычажные весы, на одну чашку которых устанавливается эталонная гиря, а на другую поверяемая - есть средство для их сравнения;

Примеры 2. жидкость для сравнения показаний ареометров служит необходимой средой для градуировки;

Примеры 3. температурное поле, создаваемое термостатом для сравнения показаний термометров, является необходимой средой;

Примеры 4. давление среды, создаваемое компрессором, может быть измерено поверяемым и эталонным манометрами одновременно.

На основании показаний эталона градуируется поверяемый прибор. Разновидностью средств сравнения являются компараторы.

Компаратор - средство измерений, предназначенное для сличения мер однородных величин, измерительных преобразователей и измерительных приборов.

Пример. Компаратор для сличения нормальных элементов, компаратор напряжения, когда образуется логическая «1» на выходе компаратора, начинается процесс сопоставления значений напряжения. Для проверки такого прибора не потребуется выполнения трудозатратной схемы. Достаточно подключить выходной вольтметр, а на вводы - регулируемое напряжение. При смене входных параметров на вольтметре будет видима функциональность компаратора напряжения, параметры настройки задаются схемой.

По функциональному назначению различают основные и вспомогательные, эталонные и рабочие средства измерений.

Основное средство измерений – средство измерений той физической величины, значение которой необходимо получить в соответствии с измерительной задачей.

Вспомогательное средство измерений – средство измерений той физиче-

ской величины, влияние которой на основное средство измерений или объект измерений необходимо учитывать для получения результатов измерений требуемой точности. Примером вспомогательного средства измерений называют термометр для измерения температуры газа в процессе измерений объемного расхода этого газа. Средства измерений («основные» и «вспомогательные») и дополнительные устройства могут быть объединены в измерительные установки или измерительные системы.

Согласно РМГ 29-2013 измерительная установка – совокупность функционально объединенных и расположенных в одном месте мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких величин. Измерительную установку, применяемую для поверки, называют поверочной установкой. Измерительную установку, входящую в состав эталона, называют эталонной установкой. Согласно РМГ 29-2013 измерительная система – совокупность средств измерений и других средств измерительной техники, размещенных в разных точках.

66

РАЗДЕЛ МЕТРОЛОГИЯ

Пример 1. Измерительная система теплоэлектростанции, позволяющая получать измерительную информацию о ряде величин в разных энергоблоках, она может содержать сотни измерительных каналов.

Пример 2. Радионавигационная система для определения местоположения различных объектов, состоящая из ряда измерительно-вычислительных комплексов, разнесенных в пространстве на значительное расстояние друг от друга. Измерительная система в зависимости от решаемой измерительной задачи может рассматриваться как единое средство измерений.

Согласно РМГ 29-2013, VIM 3 измерительная цепь - последовательность элементов средства измерений, которая образует единый путь сигнала от чувствительного элемента к выходному элементу, формирующему показание. Измерительную цепь измерительной системы называют измерительным каналом.

Пример 1. Электроакустическая измерительная цепь, содержащая микрофон, аттенюатор, фильтр, усилитель и вольтметр.

Пример 2. Механическая измерительная цепь, состоящая из трубки Бурдона, системы и рычагов, двух шестерен и лимба.

Эталонное средство измерений (или комплекс средств измерений), предназначены для воспроизведения и хранения единицы физической величины (кратных либо дольных значений единицы этой величины) с целью передачи ее размера другим средствам измерений данной физической величины. До недавнего времени вместе с термином «эталон» использовался термин «образцовое средство измерений» под которым понималось средство измерений, служащее для поверки по нему других средств измерений (как рабочих, так и образцовых меньшей точности). В настоящее время с целью упорядочения терминологии и приближения ее к международной в технической литературе термин «образцовое средство измерений» заменяют термином «рабочий эталон». Размер единицы передается «сверху вниз», от более точных средств измерений 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 или калибровки средства измерений. Целью поверки является установление пригодности средства измерений к применению. Соподчинение средств измерений, участвующих в передаче размера единицы от эталона к рабочим средствам измерений, устанавливается в поверочных и калибровочных схемах средств измерений. Рабочее средство измерений применяют для измерений, не связанных с передачей размера единиц. Рабочие средства измерений – это многообразие измерительных приборов, преобразователей, измерительных установок и систем, применяемых во всех областях деятельности человека.

67

РАЗДЕЛ МЕТРОЛОГИЯ

1.3.5. Типовые элементы измерительных приборов

Типовыми элементами средств измерений являются чувствительный элемент, измерительный механизм, измерительная цепь, устройство отображения информации.

Шкала измерительного прибора - часть средства измерений, представляющая собой упорядоченный набор меток вместе со значениями соответствующей величины.

Цена деления (шкалы) - разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы средства измерений. Длина шкалы - длина линии, проходящей через центры всех самых коротких отметок шкалы средства измерений и ограниченной начальной и конечной метками. Линия может быть реальной или воображаемой, кривой или прямой. Длина шкалы выражается в единицах длины независимо от единиц, указанных на шкале.

Начальное значение шкалы - наименьшее значение величины, которое может быть отсчитано по шкале средства измерений.

Пример. для медицинского термометра начальным значением шкалы явля-

ется 34,3 °С.

Конечное значение шкалы - наибольшее значение величины, которое может быть отсчитано по шкале средства измерений.

Пример. Для медицинского термометра конечным значением шкалы является 42 °С.

Важной характеристикой средства измерений является показание - значение величины, формируемое средством измерений или измерительной системой. Показание может быть представлено в визуальной или звуковой форме или может быть передано на другое устройство. Показание часто представляется в виде позиции указателя на дисплее для аналоговых выходов, отображенного или напечатанного числа для цифровых выходов, кодовой комбинации для кодовых выходных сигналов или приписанного значения величины для материальных мер. Показание и соответствующее значение измеряемой величины не обязательно являются значениями величин одного рода.

Фоновое показание - показание, полученное от явления, тела или вещества, подобного исследуемому, для которых предполагается, что представляющая интерес величина отсутствует или не вносит вклад в показание.

РМГ 29-2013 устанавливает следующие термины, относящиеся к показанию.

Номинальный размах (показаний) - абсолютное значение разности между предельными значениями величины номинального диапазона показаний.

Вариация, вызванная влияющей величиной - разность показаний для дан-

ного значения измеряемой величины, обусловленная тем, что влияющая величина принимает последовательно два разных значения.

Вариация показаний (измерительного прибора) - разность показаний из-

мерительного прибора в одной и той же точке диапазона измерений при плавном

68

РАЗДЕЛ МЕТРОЛОГИЯ

подходе к этой точке со стороны меньших и больших значений измеряемой величины. В высокочувствительных (особенно в электронных) измерительных приборах вариация приобретает иной смысл и может быть раскрыта как колебания его показаний около среднего значения (показание «дышит»).

Интервал показаний - множество значений величины между предельно возможными показаниями. Интервал показаний обычно устанавливается в виде наименьшего и наибольшего значений величины, например «от 99 В до 201 В». В некоторых областях используется термин «диапазон показаний».

Номинальный интервал показаний - множество значений величины, ограниченное округленными или приближенными предельными показаниями, достижимыми при частичной регулировке элементов управления средства измерений или измерительной системы, и используемое для обозначения этой регулировки. Номинальный интервал показаний обычно определяется наименьшим и наибольшим значениями величины, например, «от 100 В до 200 В». В некоторых областях используется термин «номинальный диапазон».

Номинальный диапазон показаний - абсолютное значение разности между предельными значениями величины номинального интервала показаний. Пример: для номинального интервала показаний от –10 В до +10 В номинальный диапазон показаний составит 20 В. Для номинального диапазона показаний иногда используется термин «размах номинального интервала».

Интервал измерений (рабочий интервал) - множество значений величин одного рода, которые могут быть измерены данным средством измерений или измерительной системой с установленной инструментальной неопределенностью при определенных условиях. В некоторых областях используют термин «измерительный диапазон» или «диапазон измерений». Нижнюю границу интервала измерений не следует путать с пределом обнаружения.

1.3.6. Измерительные системы

Измерительная система (VIM3) (англ. measuring system фр. système de mesure, m) -набор из одного или более средств измерений, а часто и других устройств, включая реактивы и источники питания, собранный и приспособленный для получения информации об измеренных значениях величин в пределах установленных интервалов для величин указанного рода.

Примечание. Измерительная система может состоять только из одного средства измерений.

Измерительная система; ИС (РМГ 29-2013): Совокупность средств измерений и других средств измерительной техники, размещенных в разных точках объекта измерения, функционально объединенных с целью измерений одной или нескольких величин, свойственных этому объекту.

Пример 1. Измерительная система теплоэлектростанции, позволяющая получать измерительную информацию о ряде величин в разных энергоблоках. Она может содержать сотни измерительных каналов.

69

РАЗДЕЛ МЕТРОЛОГИЯ

Пример 2. Радионавигационная система для определения местоположения различных объектов, состоящая из ряда измерительно-вычислительных комплексов, разнесенных в пространстве на значительное расстояние друг от друга.

Измерительная система (ИС) (ГОСТ Р 8.596-2002): Совокупность изме-

рительных, связующих, вычислительных компонентов, образующих измерительные каналы, и вспомогательных устройств (компонентов измерительной системы), функционирующих как единое целое, предназначенная для:

-получения информации о состоянии объекта с помощью измерительных преобразований в общем случае множества изменяющихся во времени и распределенных в пространстве величин, характеризующих это состояние;

-машинной обработки результатов измерений;

-регистрации и индикации результатов измерений и результатов их машинной обработки;

-преобразования этих данных в выходные сигналы системы в разных целях. Примечание — ИС обладают основными признаками средств измерений и

яаляются их разновидностью.

1)Измерительный компонент измерительной системы (измерительный компонент ИС): Средство измерений, для которого отдельно нормированы метрологические характеристики, например измерительный прибор, измерительный преобразователь (первичный, включая устройства для передачи воздействия измеряемой величины на чувствительный элемент; промежуточный, в том числе модуль аналогового ввода-вывода, измерительный коммутатор, искробезопасный барьер, аналоговый фильтр и т. п.), мера.

Примечание. К измерительным компонентам относят и гак называемые аналоговые «вычислительные» устройства, выполняющие по существу нс вычисления (операции над числами), а измерительные преобразования. Такие устройства относят к труппе анатоговых функциональных преобразователей или приборов

содним или несколькими входами.

2)Связующий компонент измерительной системы (связующий компонент ИС): Техническое устройство или часть окружающей среды, предназначенное или используемое для передачи с минимально возможными искажениями сигналов, несущих информацию об измеряемой величине от одного компонента ИС к другому (проводная линия связи, радиоканал, телефонная линия связи, высоковольтная линия электропередачи с соответствующей каиалообразуюшей аппаратурой, а также переходные устройства — клеммные колодки, кабельные разъемы и т. п.).

3)Вычислительный компонент измерительной системы (вычислительный компонент ИС): Цифровое вычислительное устройство (или его часть) с программным обеспечением, выполняющее вычисления результатов прямых, косвенных, совместных или совокупных измерений (выражаемых числом или соответствующим ему кодом) по результатам первичных измерительных преобразований в ИС, а также логические операции и управление работой ИС.

70