Всего на сайте:
119 тыс. 927 статей

Главная | Метрология, Стандартизация и Сертификация

Средства измерений, Понятие о средстве измерений  Просмотрен 37

 

4.1. Понятие о средстве измерений

 

Понятие «средство измерений» является одним из важнейших в теоретической метрологии. ГОСТ 16263-70 определяет средство измерений как техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства.

Средство измерений является обобщенным понятием, объединяющим самые разнообразные конструктивно законченные устройства, которые реализуют одну из функций:

1. воспроизводят величину заданного (известного) размера (например, гиря – заданную массу, магазин сопротивлений – ряд дискретных значений сопротивления);

2. вырабатывают сигнал (показание), несущий информацию о значении измеряемой величины. Показания средства измерений либо непосредственно воспринимаются органами чувств человека (например, показания стрелочного или цифрового приборов), либо они недоступны восприятию человеком и используются для преобразования другими средствами измерений.

Последняя функция, являющаяся основной, может быть реализована только посредством измерения, которое состоит из отдельных операций.

Средство измерений должно содержать устройства (блоки, модули), которые выполняют эти элементарные операции. В их число входят измерительные преобразователи, меры и устройства сравнения (компараторы).

Измерительный преобразователь – это техническое устройство, построенное на определенном физическом принципе и выполняющее одно частное измерительное преобразование, т.е. операцию преобразования входного сигнала Х в выходной Х1, информативный параметр которого с заданной степенью точности функционально связан с информативным параметров входного сигнала и может быть измерен с достаточной степенью точности.

Информативным параметром входного сигнала средства измерений является параметр входного сигнала, функционально связанный с измеряемой величиной и используемый для передачи ее значения или являющийся самой измеряемой величиной.

Иными словами,измерительный преобразователь (ИП) – это средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и/или хранения, но не поддающийся непосредственному восприятию наблюдателем. Таким образом, измерительный преобразователь не позволяет непосредственно получить результат измерений, а осуществляет преобразование одной физической величины (входной) в другую(выходную).

Измерительные преобразователи являются основой для построения более сложных средств измерений: измерительных приборов и измерительных систем.

 

 

 

    Устройство сравнения (компара-тор)
Измерительный преобразователь F

X Х1=F(X)

 

       
   
 

 

 

 

Устройство управления или оператор

|Xм-X|<[Q]

 

       
   
 
 
Многозначная мера [Q]

 

Хм=N[Q]

 

 

Y1=N

Y2=Xм

Y3=X1

 

Рис.4.1. Обобщенная структурная схема средств измерений

 

Мера – это средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.

Устройство сравнения (компаратор) – это средство измерений, дающее возможность выполнять сравнение мер однородных величин или же показаний измерительных приборов.

Обобщенная структурная схема средства измерений имеет вид, изображенный на рис. 4.1.

Входной сигнал преобразуется измерительным преобразователем в пропорциональный ему сигнал Х1.

Сигнал с выхода ИП поступает на один из входов устройства сравнения, на второй вход которого подается известный сигнал с выхода многозначной меры. Роль меры могут выполнять самые разные устройства. Например, при взвешивании на весах мерой являются гири с известным весом. Во многих простых СИ роль меры выполняют отсчетные шкалы, предварительно проградуированные в единицах измеряемой величины. К таким средствам измерений относятся линейка, термометр, электромеханические вольтметры и др. Значение выходной величины многозначной меры изменяется в зависимости от величины цифрового кода N, который условно считается ее входным сигналом. Изменение кода осуществляется автоматически или оператором (взвешивание на весах).

Так как цифровой код – величина дискретная, то и выходной сигнал меры изменяется ступенями (квантами), кратными единице сравниваемых величин. Например, при измерении температуры бытовым термометром квант равен 1°С, медицинским термометром – 0,1°С.

Сравнение измеряемой и известной величин осуществляется при помощи устройства сравнения. Роль последнего в простейших СИ, имеющих отсчетные шкалы, выполняет человек. Например, при измерении длины тела он сопоставляет с многозначной мерой - линейкой и находит количество N квантов меры, равное с точностью до кванта измеряемой длине. Устройство сравнения дает информацию о том, какое значение выходного сигнала многозначной меры должно быть установлено автоматически или при участии оператора. Процесс изменения прекращается при достижении равенства между величинами Х1 и Хм с точностью до кванта [Q].

Выходным сигналом может служить один из трех сигналов: Y1; Y2 и Y3. Если выходной сигнал предназначен для непосредственного восприятия человеком, то его роль выполняет сигнал Y1=N. В данном случае код N является привычным для человека десятичным кодом.

Если же выходной сигнал СИ предназначен для применения в других СИ, то в качестве него может быть использован любой из трех сигналов Y1; Y2 или Y3.

Первый из них при этом является цифровым, как правило, двоичным кодом, который “понимают” входные цифровые устройства последующих СИ.

Аналоговый сигнал Y2 квантован по уровню и представляет собой эквивалент цифрового кода N, а средство измерений в этом случае предназначено для воспроизведения физической величины заданного размера и состоит только из одного блока – многозначной меры.

Сигнал Y3 представляет собой измерительное преобразование входного сигнала Х, средство измерений при этом используется только как измерительный преобразователь, а остальные его блоки отсутствуют.

 

 

4.2. Классификация средств измерений

 

Средства измерений 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.

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

- метрологические, предназначенные для метрологических целей – воспроизведения единицы и (или) ее хранения или передачи размера единицы рабочим СИ;

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

Подавляющее большинство используемых на практике СИ принадлежат ко второй группе. Метрологические СИ разрабатываются, производятся и эксплуатируются в специализированных научно-исследовательских центрах.

По уровню автоматизации все СИ делятся на три группы;

- неавтоматические;

- автоматизированные, производящие в автоматическом режиме одну или часть измерительной информации;

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

По уровню стандартизации СИ подразделяются на:

- стандартизованные, изготовленные в соответствии с требованиями государственного или отраслевого стандарта;

- нестандартизованные (уникальные), предназначенные для решения специальной измерительной задачи.

По отношению к измеряемой физической величине СИ 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 основной средство измерений или объект измерения необходимо учесть для получения результатов измерений требуемой точности.

Классификация по роли в процессе измерения и выполняемым функциям является основной и представлена схемой (рис.4.2.).

 

 

 

 

Рис.4.2. Классификация СИ по роли в процессе измерений

 

 

 

4.3. Элементарные средства измерений

 

Элементарные средства измерений предназначены для реализации отдельных операций прямого измерения. К ним относятся меры; устройства сравнения и измерительные преобразователи.

Как уже говорилось, мера – это средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью. Операцию воспроизведения величины заданного размера можно формально представить как преобразование цифрового кода N в заданную физическую величину Хм, основанное на единице данной физической величины [Q].

Уравнение преобразования запишется в виде

Хм=N[Q] (4.1.)

Выходом меры является квантованная аналоговая величина Хм заданного размера, а входом следует считать числовые значение величины N.

Обозначение меры в структурных схемах и графическая функция преобразования приведены на рис 4.3.

 

 
 
Мера [Q]

 

N Хм=N[Q]

 

 

Хм

 

 

 
 

 

N2[Q]

 

N1[Q]

N1 N2 …. Nn N

Рис.4.3. Структурная схема и функция преобразования меры

Меры подразделяются на следующие типы:

- однозначные, воспроизводящие физическую величину одного размера, например, гиря 1 кг; плоскопараллельная концевая мера 100 мм; конденсатор постоянной емкости.

- многозначные, воспроизводящие физическую величину разных размеров, например, конденсатор переменной емкости; штриховая мера длины.

Устройство сравнения (компаратор) – это средство измерений, дающее возможность сравнивать друг с другом меры однородных величин или же показания измерительных приборов. Примерами таковых могут служить: рычажные весы, на одну чашку которых устанавливается образцовая гиря, а на другую – поверяемая; тепловое поле, создаваемое термостатом для сравнения показаний термометров. Во многих простых средствах измерений роль компаратора выполняют органы чувств человека, главным образом зрение, например, при сравнении отклонения указателя прибора и числа делений, нанесенных на его шкале.

Особенно широкое распространение компараторы получили в современной электронной технике, где они используются для сравнения напряжений и токов. Для этой цели был разработан специальный тип интегральных микросхем.

 

 

       
 
ВУ
 
УО
 

 

Х1 Х1-Х2 Y

 

Х2

 

 
 

 

Y

 

+Uп 1

 

X2 X1

-Uп 0

 

Рис.4.4. Структурная схема и функция преобразования компаратора

 

Сравнение, выполняемое компаратором, может быть одно- и разновременным. Первое используется чаще. В электронных компараторах оно реализуется путем последовательного соединения вычитающего устройства (ВУ), формирующего разность входных сигналов (Х1-Х2), и усилителя переменного напряжения с большим коэффициентом усиления (усилителя-ограничителя УО), выполняющего функции индикатора знака разности. Выходной сигнал УО равен его положительному напряжению питания (принимаемого за логическую единицу), если разность (Х1-Х2)>0, и отрицательному напряжению питания (принимаемого за логический нуль), если (Х1-Х2)<0.

Уравнение преобразования имеет вид:

(4.2.)

Измерительный преобразователь (ИП) предназначен для выполнения одного измерительного преобразования. Его работа протекает в условиях, когда помимо основного сигнала Х, связанного с измеряемой величиной, на него воздействуют множество других сигналов Zi, рассматриваемых в данном случае как помехи.

 

 
 
ИП F(X)

 

X Y=f(X,Zi)

 

 

           
   
     
 

 

Zi …

 

 

 
 

 

Y

 

 

 

 
 

 

X

 

 

Рис.4.5. Структурная схема и функция преобразования измерительного преобразователя ( реальная, идеальная)

 

Уравнение преобразования имеет вид:

Y=F(X;Zi) (4.3.)

По местоположению в измерительной цепи преобразователи делятся на первичные и промежуточные.

Первичный преобразователь – это такой ИП, на который непосредственно воздействует измеряемая величина, т.е. он является первым в измерительной цепи средством измерений. Зачастую конструктивно обособленные первичные ИП называют датчиками.

Промежуточные преобразователи располагаются в измерительной цепи после первичного ИП.

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 масштабныйИП, предназначенный для изменения размера величины или измерительного сигнала в заданное число раз. Его уравнение преобразования

Y=kX, (4.4.)

где Y и X – однородные физические величины;

k – постоянный коэффициент передачи.

Примерами масштабных преобразователей могут служить усилители: делители напряжения и т.д.

У нелинейных преобразователей связь между входной и выходной величинами является нелинейной.

По виду входных и выходных величин ИПделятся на:

- аналоговые, преобразующие одну аналоговую величину в другую;

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

- цифро-аналоговые (ЦАП), предназначенные для преобразования цифрового кода в аналоговую величину.

4.4. Комплексные средства измерений

 

Комплексные средства измерений предназначены для реализации всей процедуры измерения. К ним относятся измерительные приборы и установки, измерительные системы и измерительно-вычислительные комплексы.

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.

Данный класс средств измерений включает большое число приборов, различающихся измеряемыми величинами, областью применения, техническими характеристиками, принципом действия, используемой элементной базой и другими особенностями. Однако все эти приборы имеют некоторые общие черты. Обобщенная структурная схема измерительного прибора изображена на рис.4.6.

 

       
 
   
Отсчетное устройство
 

 

 

Измеряемая Показания

 

Предыдущая статья:Систематические погрешности. Обнаружение и исключение Следующая статья:ФВ прибора
page speed (0.0079 sec, direct)