2. Средства и методы измерений
2.1. Классификация средств измерений
Средство измерений (СИ) - это техническое средство, предназначенное для измерения, имеющее нормированные метрологические характеристики, хранящее или воспроизводящее единицу ФВ, размер которой принимается неизменным в течение известного интервала времени.
В этом определении указаны главные особенности, делающие техническое средство средством измерений.
1. Средство измерений должно быть пригодно для выполнения необходимых операций и, в первую очередь, для проведения сравнения измеряемой ФВ с единицей этой ФВ.
2. Средство измерений должно "уметь" хранить или воспроизводить единицу ФВ. В большинстве случаев это достигается включением в состав СИ меры ФВ.
3. Размер единицы ФВ, хранимой СИ, должен быть неизменным в заданных пределах по крайней мере в течение отрезка времени, когда сравниваются между собой численные значения результатов измерений, полученных при помощи данного СИ.
По метрологическому назначению СИ подразделяются на рабочие СИ, то есть предназначенные для выполнения технических измерений, и на метрологические СИ, то есть предназначенные для выполнения метрологических измерений по воспроизведению, хранению и передаче размера единицы рабочим СИ (например, путем их градуировки, калибровки, поверки).
По конструктивному исполнению все СИ подразделяются на меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки, измерительные системы, измерительные комплексы.
Мера физической величины - это СИ, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью. Меры бывают однозначные и многозначные. Например, нормальный элемент - мера единицы напряжения постоянного тока [вольт] с известным номинальным значением, магазин сопротивлений - многозначная мера единицы сопротивления [ом], кварцевый генератор - мера единицы частоты электрических колебаний [герц]. Важнейшее свойство меры - это ее материальность. Мера - это всегда вещь, причем, вещь определенная. Именно благодаря материальности и определенности (вещественности), о мере можно говорить, что она неизменна (или изменяется в известный интервал времени в заданных пределах), ибо этот факт можно установить в опыте.
Измерительный прибор - это СИ, предназначенное для получения значений измеряемой ФВ в установленном диапазоне значений путем выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Принципиальные особенности измерительного прибора следующие. Во-первых, измерительный прибор преобразует измеряемую ФВ, недоступную восприятию человеком при помощи органов чувств, в другую ФВ, доступную для восприятия. Например, малый электрический ток, не ощущаемый человеком, представляется микроамперметром в виде углового перемещения стрелки, наблюдаемого визуально. Во-вторых, это наличие внутри измерительного прибора меры ФВ, с которой сравнивается измеряемая ФВ. Так, в стрелочном амперметре сравниваются механические моменты пружины (подвеса) и катушки (рамки) с током. При этом подразумевается, что механический момент пружины не изменяется во времени.
Измерительная установка - это совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенных для измерения одной или нескольких ФВ, расположенная в одном месте. Измерительную установку метрологического назначения называют эталонной или поверочной установкой. Другие частные случаи измерительных установок - это испытательный стенд, измерительная машина.
Измерительная система - это совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств (например, линий связи), размещенных в разных точках контролируемого пространства (среды, объекта) с целью измерений одной или нескольких ФВ, свойственных этому пространству (среде, объекту и т.п.). Примеры измерительных систем - радиоинтерферометр, измерительная система контроля параметров сигнала в каналах фазированной антенной решетки, измерительная система контроля радиационной безопасности ядерного реактора и т. п.
Измерительный преобразователь - техническое средство, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или сигнал измерительной информации, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи, и имеющее нормированные метрологические характеристики. Под метрологическими понимают характеристики средств измерений, влияющие на результат измерений или его погрешность.
Различают измерительные преобразователи по месту в цепи преобразований измеряемой величины: первичные и промежуточные. Первичные преобразователи - это те, на которые непосредственно воздействует измеряемая величина. Например, при измерениях мощности излучения сначала энергию излучения преобразуют в другой вид энергии, например, в тепло. Следующие за первичными преобразователи относятся к промежуточным. В каждом отдельном приборе могут содержаться несколько преобразователей. Например, преобразуется приращение тепловой энергии в приращение сопротивления, затем в приращение напряжения постоянного тока. Широко распространенные преобразователи напряжений бывают аналоговыми, например, усилитель постоянного тока, аналого-цифровыми или цифро-аналоговыми.
Индикатор - техническое средство или вещество, предназначенное для установления наличия какой-либо ФВ или для определения ее порогового значения. Например, лакмусовая бумага для индикации pН или неоновая лампочка для указания наличия напряжения сети и т.п.
Компаратор - средство измерений, предназначенное для сравнения (сличения) мер однородных величин. Простейший пример компаратора - рычажные весы, при помощи которых сравнивают массу продукта с массой мер - гирь. Другой пример компаратора - потенциометр (компаратор) постоянного тока для сличений мер ЭДС между собой. В измерительной технике иногда применяют компараторы в качестве самостоятельных приборов, как в приведенных примерах. Но еще чаще устройства, являющиеся компараторами, входят в состав приборов, особенно в состав сложных радиоизмерительных приборов, и являются их неотъемлемой частью. Так, например, измерители ослабления, разности фаз, цифровые вольтметры, измерители коэффициента шума, гетеродинные частотомеры и многие другие радиоизмерительные приборы по существу являются комбинацией (совокупностью) трех составных частей - меры, компаратора и отсчетного устройства. Отсчетное устройство средства измерений - часть элементов СИ, представляющая значение измеряемой ФВ или связанных с ней величин в форме, воспринимаемой человеком (устройство визуального наблюдения, визуализации).