2.4. Класифікація засобів вимірювань

В основі дії засобу вимірювання певного виду покладений фізичний принцип, який зазвичай знаходить відображення у назві засобу вимірювання, наприклад: термоелектричний термометр, деформаційний манометр, електромагнітний витратомір і т.п.

Основними класифікаційними ознаками засобів вимірювань в метрології є вид, тип і метрологічне призначення.

Видом називають сукупність засобів вимірювань, призначених для вимірювань даної фізичної величини (наприклад, амперметри, омметри, термометри, манометри – все це види засобів вимірювань). Вид засобів вимірювань може включати декілька їх типів. Тип – це сукупність засобів вимірювань одного і того ж призначення, що базуються на одному і тому ж принципі дії, які мають однакову конструкцію і виготовлених за однією і тією ж технічною документацією.

Засоби вимірювання можна класифікувати за різними ознаками залежно від їх специфіки, призначення, конструктивних особливостей і т.д. (рис. 2.6).

1. За складністю і конструктивним особливостям засоби вимірювань поділяють на міри, вимірювальні перетворювачі, вимірювальні прилади, вимірювальні установки та вимірювальні системи.

Мірою фізичної величини називають засіб вимірювань, призначений для відтворення і (або) зберігання фізичної величини одного або декількох заданих розмірів, значення яких виражені у встановлених одиницях і відомі з необхідною точністю. Міри, які відтворюють фізичну величину одного розміру, називаються однозначними (наприклад, гиря 1 кг, кінцева міра довжини 100 мм, конденсатор постійної ємності). Міри, які відтворюють фізичну величину різних розмірів, називаються багатозначними (наприклад, міліметрова лінійка, конденсатор змінної ємності). Комплект мір різного розміру однієї і тієї ж фізичної величини, необхідний для застосування на практиці, як окремо, так і в різних поєднаннях називається набором мір (наприклад, набір кінцевих мір довжини). Найчастіше міри конструктивно об’єднують в єдиний пристрій – магазин мір, – в якому є пристосування для їх об’єднання в різних комбінаціях (наприклад, магазин електричних опорів).

Рис. 2.6. Класифікація засобів вимірювань

До мір відносять також стандартні зразки складу та властивостей речовин і матеріалів, які широко застосовуються в фізико-хімічних вимірюваннях, наприклад, при градуюванні приладів, атестації методик кількісного хімічного аналізу, проведенні повірочних робіт. Стандартний зразок (СЗ) – це зразок речовини (матеріалу) з встановленими в результаті метрологічної атестації значеннями однієї або більше величин, що характеризують склад або властивість цієї речовини (матеріалу). СЗ, як правило, не є виробами, вони являють собою частину або порцію однорідного речовини (матеріалу). До стандартних зразків складу речовини відносять, наприклад СЗ складу вуглецевої сталі, СЗ газової суміші. До стандартних зразків властивості речовини відносять, наприклад СЗ твердості, СЗ кольору тощо.

Вимірювальний перетворювач – це засіб вимірювань, що служить для перетворення вимірюваної величини в іншу величину або вимірювальний сигнал, зручний для обробки, зберігання, подальших перетворень, індикації або передачі. Сигнал вимірювальної інформації у цьому випадку не доступний для безпосереднього сприйняття спостерігача. Вимірювальні перетворювачі отримали дуже широке поширення. До них відносять, наприклад, термопари, вимірювальні підсилювачі і трансформатори, перетворювачі тиску. Вони не мають пристроїв відображення вимірювальної інформації і конструктивно виконуються або окремими блоками, або складовою частиною вимірювального приладу (вимірювальної установки, вимірювальної системи). Це пов’язано з тим, що в багатьох випадках неможливо або недоцільно створювати засіб вимірювання так, щоб вимірювана величина безпосередньо впливала на його вимірювальний механізм. Зазвичай вимірювана величина піддається попередньому перетворенню, яке може бути багатоступеневим.

Вимірювальні перетворювачі представляють вимірювальну інформацію зазвичай у вигляді сигналів постійного або змінного струму або напруги, тиску стисненого повітря або рідини, частоти гармонійних коливань, послідовності прямокутних імпульсів і т.п. Вимірювана (перетворювана) величина, яка надходить на перетворювач, називається вхідною, перетворена – вихідною. Співвідношення між вхідними і вихідними величинами називають функцією перетворення.

За місцем, що займають у вимірювальному колі, перетворювачі поділяють на первинні та проміжні. На первинний вимірювальний перетворювач безпосередньо впливає вимірювана величина, тобто він є першим у вимірювальному колі засобом вимірювання. Як правило, первинний перетворювач служить для перетворення неелектричної величини в електричну (наприклад, термопара в колі термоелектричного термометра). Проміжний (вторинний) вимірювальний перетворювач розташований в вимірювальному колі після первинного.

Перетворювачі можуть бути приймальними (на них безпосередньо впливає вимірювана величина) і передавальними (перетворюють і передають сигнал вимірювальної інформації). Також вимірювальний перетворювач може одночасно виконувати функції приймального і передавального. Приймальні та приймально-передавальні перетворювачі часто називають датчиками. Це конструктивно відокремлені первинні перетворювачі, від яких надходять сигнали вимірювальної інформації. Датчик може бути винесений на значну відстань від засобу вимірювання, що приймає його сигнали (наприклад, датчики запущеного метеорологічного радіозонда передають вимірювальну інформацію про температуру, тиск, вологість та інші параметри атмосфери).

За видом функції перетворення вимірювальні перетворювачі поділяють на масштабні і функціональні. Масштабний вимірювальний перетворювач служить для зміни в певну кількість разів значення величини, без зміни її фізичної природи (наприклад, вимірювальний трансформатор напруги, вимірювальний мікроскоп, гідравлічний підсилювач). Найчастіше масштабні вимірювальні перетворювачі є одним з видів приймальних перетворювачів, хоча можуть служити і передавальними. Функціональний перетворювач перетворює вхідну величину в іншу за фізичною природою (наприклад, електромеханічний, пневмоємнісний).

Вимірювальний прилад – це засіб вимірювань, призначений для вироблення сигналу вимірювальної інформації в установленому діапазоні у формі, доступній для безпосереднього сприйняття спостерігачем. Вимірювальний прилад перетворює вимірювану величину (вона може надходити до нього через вимірювальний перетворювач) в покази або сигнал, пропорційний вимірюваній величині або пов’язаний з нею іншої функціональної залежністю. Вимірювальна інформація зазвичай представляється у вигляді переміщення покажчика по шкалі, переміщення пера по діаграмі або в вигляді цифр, що з’являються на табло. Відмінна конструктивна особливість приладу – це наявність лічильного пристрою. Залежно від типу обчислювального пристрою прилади поділяють на підсумовуючі, в яких здійснюється підсумовування двох або декількох величин, що підводяться до нього різними каналами (ватметр) та інтегруючі, в яких виробляється інтегрування (сумування) вимірюваної величини в часі або за іншою незалежною змінною (лічильник електроенергії).

Іноді для вимірювання неявної величини недостатньо одного вимірювального приладу. У цих випадках створюють цілі комплекси розташованих в одному місці і функціонально об’єднаних один з одним засобів вимірювань (мір, вимірювальних приладів, перетворювачів і допоміжних пристроїв), призначених для вимірювання однієї або декількох величин. Подібні комплекси називають вимірювальними установками. Їх часто використовують в наукових дослідженнях, при контролі якості продукції, для визначення метрологічних характеристик засобів вимірювань (наприклад повірочні установки, установки для випробування електротехнічних, магнітних та інших матеріалів). Деякі великі вимірювальні установки називають вимірювальними машинами, вони призначені для точних вимірювань фізичних величин, які характеризують вироби (наприклад, силовимірювальна машина, машина для вимірювання великих довжин в промисловому виробництві, координатно-вимірювальна машина).

Вимірювальна система – це сукупність засобів вимірювань, ЕОМ та інших технічних засобів, розміщених в різних точках контрольованого об’єкта, з’єднаних між собою каналами зв’язку, з метою вимірювань однієї або декількох фізичних величин, властивих цьому об’єкту. Вимірювальна система виробляє сигнали вимірювальної інформації у формі, зручній для автоматичної обробки, передачі і (або) використання в автоматичних системах управління. Приклад вимірювальних систем: вимірювальна система теплоелектростанції, що дозволяє отримувати вимірювальну інформацію про низку фізичних величин в різних енергоблоках (вона може містити сотні вимірювальних каналів), радіонавігаційна система для визначення місця розташування різних об’єктів.

Окремі засоби вимірювань, що входять до вимірювальної системи, можуть бути значно віддалені один від одного (іноді на десятки, сотні і навіть мільйони кілометрів) і з’єднані між собою каналами дротового або бездротового зв’язку. Залежно від призначення вимірювальні системи поділяють на вимірювальні інформаційні, вимірювальні контролюючі, вимірювальні керуючі та ін.

2. Найбільш суттєвою з позицій метрології є класифікація засобів вимірювань щодо метрологічного призначення, відповідно до якої прийнято розрізняти робочі засоби вимірювань і еталони.

Робочий засіб вимірювання призначений для вимірювання фізичної величини, не пов’язаного з передачею розміру одиниці іншим засобам вимірювань. До робочих відносяться переважна більшість використовуваних на практиці засобів вимірювань. За умовами використання робочі засоби вимірювання можуть бути лабораторними, виробничими і польовими.

Лабораторні	використовують при наукових дослідженнях, проектуванні технічних пристроїв, медичних вимірюваннях (зазвичай вони мають найбільшу точність, чутливість, стабільність)
Виробничі	використовують для вимірювання та контролю параметрів технологічних процесів, контролю готової продукції, ремонту технічних пристроїв і т.п. (вони мають високу стійкість до ударно-вібраційних навантажень, впливів тепла, холоду та ін. факторів)
Польові	використовують безпосередньо при експлуатації таких технічних пристроїв, як літаки, автомобілі, морські судна та т.п. (вони стійкі до впливу зовнішніх чинників)

Еталоном називають засіб вимірювання, призначений для метрологічних цілей – відтворення і (або) зберігання одиниці величини з метою передачі її розміру іншим засобам вимірювання. За допомогою еталонів вирішують задачу забезпечення єдності вимірювань. У розв’язанні цього завдання бере участь як людина, так і вимірювальна техніка, причому задача настільки специфічна, що потребує виділення особливої групи засобів вимірювань – робочих еталонів. Суть цього виділення полягає не в конструкції та не в точності, а в призначенні. Одна і та ж міра або вимірювальний прилад можуть бути призначені як для технічних, так і для метрологічних вимірювань (тобто використання як еталону). Лише деякі робочі еталони відрізняються за конструкцією та точністю від робочих засобів вимірювань. Лише міри і прилади самої нижчої точності не можуть бути еталонними, так як немає таких мір і приладів, яким вони могли б передавати одиниці. Але коли міра або прилад призначені для використання в якості еталонних, їх переводять на особливе положення, ізолюють від будь-яких інших вимірів. Для еталона особливо важливі такі властивості, як стабільність і відтворюваність показів. Еталони на відміну від робочих засобів вимірювань нечисленні.

3. Залежно від методу вимірювання, засоби вимірювань поділяють на засоби вимірювань прямої дії та порівняння (головним чином це відноситься до перетворювачів і приладів). В основі застосування засобів вимірювань прямої дії лежить метод безпосередньої оцінки (наприклад, амперметр, вольтметр). Прилад порівняння дає можливість порівнювати вимірювану величину з величиною, що відтворюється мірою (наприклад, терези важільні, потенціометр).

4. За видом вихідного сигналу засоби вимірювань (вимірювальні прилади і перетворювачі) поділяють на аналогові і цифрові. В аналоговому засобі вимірювання вихідного сигналу є незперервною функцією вимірюваної величини (наприклад, ртутний термометр). У цифровому засобі вимірювання він представлений в цифровій формі (наприклад, цифровий вольтметр), яка є результатом дискретного перетворення сигналів вимірювальної інформації.

5. За способом подання вимірювального сигналу засоби вимірювань поділяють на показуючі та реєструючі (самопишучі та друкуючі). У показуючому вимірювальному приладі допускається лише зчитування показів вимірюваної величини (наприклад, стрілочний або цифровий вольтметр). У реєструючому – передбачено запис показів вигляді діаграми або графіка (самописний прилад) або в числовій формі (друкарський прилад).

6. За рівнем автоматизації засоби вимірювань поділяють на:

неавтоматичні;

автоматизовані – вони здійснюють в автоматичному режимі частину вимірювальної операції;

автоматичні – вони здійснюють в автоматичному режимі вимірювання і всі операції, пов’язані з обробкою їх результатів, реєстрацією, передачею і зберіганням даних.

7. За рівнем стандартизації засоби вимірювань поділяють на:

стандартизовані – їх виготовляють відповідно до вимог державного або галузевого стандарту (зазвичай їх піддають випробуванням і вносять Держреєстр);

нестандартизовані – вони призначені для вирішення спеціальної вимірювальної задачі і стандартизація вимог до них недоцільна.

Крім розглянутих ознак класифікації засобів вимірювань в залежності від виду використовуваної енергії їх прийнято поділяти на чотири самостійних групи: електричні, пневматичні, гідравлічні і невикористовуючі допоміжну енергію. Всі засоби вимірювань і пристрої електричної, пневматичної і гідравлічної груп мають уніфіковані вхідні і вихідні сигнали. Зв’язок між пристроями здійснюється за допомогою відповідних перетворювачів сигналів.