49. Классификация средств измерений

Средства измерений, используемые в различных областях науки и техники, чрезвычайно многообразны. Однако для этого множества можно выделить некоторые общие признаки, присущие всем СИ независимо от области применения. Эти признаки положены в осно­ву различных классификаций СИ, которые рассмотрены далее.

По роли, выполняемой в системе обеспечения единства измерений, СИ делятся на:

эталоны, предназначенные для воспроизведения и (или) хранения единицы и передачи её размера нижестоящим по поверочной схеме СИ и утвержденные в качестве эталонов в установленном порядке;

образцовые - это меры, измерительные приборы или преобразователи, служа-щие для поверки по нашим других СИ и утверждённые в качестве образцовых;

рабочие, применяемые для измерений, не связанных с передачей размера единиц.

По уровню автоматизации все СИ делятся на три группы:

неавтоматические;

автоматизированные, производящие в автоматическом режиме одну или часть измерительной операции;

автоматические, производящие в автоматическом режиме измерения и все операции, связанные с обработкой их результатов, регистрацией, передачей данных или выработкой управляющих сигналов.

В настоящее время всё большее распространение получают автоматизированные и автоматические СИ. Это связано с широким использованием в СИ электронной и микропроцессорной техники.

По отношению к измеряемой физической величине средства измерений делятся на:

основные - это СИ той физической величины, значение кото­рой необходимо получить в соответствии с измерительной задачей;

вспомогательные - это СИ той физической величины, влия­ние которой на основное средство измерений или объект измерения необходимо учесть для получения результатов измерения требуемой точности.

Классификация по роли в процессе измерения и выполняемым функциям является основной и представлена на рисунке 1.3. Элементы, составляющие данную классификацию, рассмотрены в последующих разделах.

Операцию воспроизведения величины заданного размера можно формально представить как преобразование цифрового кода N в заданную физическую величину Х_М, основанное на единице данной физической величины [Q]. Поэтому уравнение преобразования меры запишется в виде Х_М= N [Q].

Выходным сигналом является квантованная аналоговая величина Х_М заданного размера, а входным сигналом следует считать числовое значение величины N (рисунок 1.4).

Меры подразделяются на следующие типы:

однозначные, воспроизводящие физическую величину одного размера, например: гиря 1 кг, плоскопараллельная концевая мера 100мм, конденсатор постоянной ёмкости, нормальный элемент;

многозначные, воспроизводящие величины разных размеров, например: конденсатор переменной ёмкости, штриховая мера длины.

Кроме этого, различают наборы мер, магазины мер, установочные, встроенные и ввозимые меры.

Важнейшей характеристикой ИП является функция (уравнение) преобразования (рисунок 1.6,б), которая описывает статические свойства преобразователя и в общем случае записывается в виде Y =F(X, Z_j).

В подавляющем большинстве случаев стремятся иметь линейную функцию преобразования. Функция Y(X) идеального ИП при отсутствии помех описывается уравнением Y=kX. Она линейна, безынерционна, стабильна и проходит через начало координат. Реальная передаточная функция в статическом режиме имеет вид Y = k(1+)X+₀+[F(X)] и может отличаться от идеальной смещением нуля ₀, наклоном  и нелинейной составляющей [F(Х)]. Такие отклонения реальной передаточной функции ИП приводят к возникновению аддитивной, мультипликативной и нелинейной составляющих погрешности.

ИП классифицируются по ряду признаков.

По местоположению в измерительной цепи преобразователи де­лятся на первичные и промежуточные. Первичный измерительный преобразователь - это такой ИП, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, т.е. он является первым в измерительной цепи средством измерений. Промежуточные преобразователи располагаются в измерительной цепи после первичного. Зачастую конструктивно обособленные первичные измерительные преобразователи называют датчиками. Например, резистивный датчик перемещения - это первичный преобразователь, в котором перемещение преобразуется в изменение активного сопротивления.

По характеру преобразования входной величины ИП делятся на линейные и нелинейные. Линейный преобразователь - это ИП, имеющий линейную связь между входной и выходной величинами. Их важной разновидностью является масштабный ИП, предназначенный для изменения размера величины или измерительного сигнала в заданное число раз. Его уравнение преобразования имеет вид Y=kX, где X, Y - однородные входная и выходная величины; k - постоянный коэффициент передачи. Примерами масштабных преобразователей могут служить усилители, делители напряжения, измерительные трансформаторы напряжения. У нелинейных ИП связь между входной и выходными величинами нелинейная.

По виду входных и выходных величин ИП делятся на:

аналоговые, преобразующие одну аналоговую величину в другую аналоговую величину;

аналогово-цифровые (АЦП), предназначенные для преобразования аналогового измерительного сигнала в цифровой код;

цифроаналоговые (ПАП), предназначенные для преобразования цифрового кода в аналоговую величину.

Измерительный прибор - средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне ее изменения и выработки сигнала изме­рительной информации, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Классификация измерительных приборов. Для учета всех особенностей многообразных измерительных приборов применяют классификацию по различным признакам. По форме индикации измеряемой величины различают измерительные приборы:

показывающие, которые допускают только отсчитывание показаний измеряемой величины, например стрелочный или цифровой вольтметр;

регистрирующие, предусматривающие регистрацию показаний на том или ином носителе информации, например на бумажной ленте. Регистрация может производиться в аналоговой или цифровой форме. Различают самопишущие и печатающие приборы.

По методу преобразования измеряемой величины различают приборы прямого, компенсационного (уравновешивающего) и смешанного преобразования.

По назначению измерительные приборы делятся на амперметры, вольтметры, омметры, термометры, гигрометры и т. д.

По форме преобразования используемых измерительных сигналов приборы подразделяют на аналоговые и цифровые.

Измерительная установка - совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в удобной для непосредственного восприятия наблюдателем форме и расположенная в одном месте.

Измерительную установку, предназначенную для испытания каких-либо изделий, называют испытательным стендом (например, для измерения удельного сопротивления электрических материалов, испытания магнитных материалов).

Измерительную установку с включенными в нее эталонами, применяемую для поверки СИ, называют поверочной установкой (например, установка для поверки вольтметров). Некоторые большие измерительные установки, используемые главным образом в машиностроении, называют измерительными машинами (например, силоизмерительная машина, делительная машина).

Измерительно-вычислительный комплекс - это автоматизированное СИ элек-трических величин, на основе которого возможно создание информационно-измерительных систем, систем автоматизации научных исследований, систем автоматизации испытаний и других систем автоматизации измерений. В него входит совокупность программно-управляемых измерительных, вычислительных и вспомогательных технических средств, функционирующих на основе единого метрологического обеспечения и реализующих алгоритмы получения, обработки, представления и использования измерительной информации.

Под информационно-измерительной системой понимают совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и вспомогательных технических средств для получения измерительной информации, ее преобразования и обработки с целью представления пользователю в требуемом виде, либо автоматического осуществления логических функций контроля, диагностики, идентификации.