Измерение – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины.
Средства измерительной техники (СИТ) – техническое средство, применяемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики. СИТ – это обобщающее понятие, охватывающее технические средства, предназначенные для измерений.
По роли, выполняемой в системе обеспечения единства измерений СИТ подразделяются на эталоны и рабочие СИТ.
Эталон – СИТ (комплекс СИТ), предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме СИТ и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке. Конструкция эталона, его свойства и способ воспроизведения единицы определяются природой данной физической величины и уровнем развития измерительной техники в данной области измерений. Эталон должен обладать, по крайней мере, тремя тесно связанными друг с другом существенными признаками – неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью.
Рабочее СИТ – СИТ, предназначенное для измерений, не связанных с передачей размера единицы другим СИТ. Это наиболее распространенные СИТ.
СИТ могут быть использованы в качестве индикаторов – технических средств, которые при наличии определенного свойства объекта или явления создают сигнал информации об этом.
СИТ могут быть стандартизованными, то есть изготовленными и применяемыми в соответствии с требованиями государственных или отраслевых стандартов, или нестандартизованными, стандартизация требований к которым признана нецелесообразной.
По степени участия оператора в измерительном процессе СИТ разделяют на:
1) автоматическое СИТ – СИТ, производящее без непосредственного участия человека измерения и все операции, связанные с обработкой результатов измерений, их регистрацией, передачей данных или выработкой управляющего сигнала. Автоматическое средство измерений, встроенное в автоматическую технологическую линию, нередко называют измерительный автомат или контрольный автомат. Применяют также понятие измерительный робот, под которым нередко понимают разновидность контрольно–измерительных машин, отличающихся хорошими манипуляционными свойствами, высокими скоростями перемещений и измерений;
2) автоматизированное СИТ – СИТ, производящее в автоматическом режиме одну или часть измерительных операций (например, электрический счетчик электроэнергии – измерение и регистрация данных нарастающим итогом);
3) неавтоматизированное СИТ.
К СИТ относятся измерительные устройства и средства измерений.
Измерительное устройство – СИТ, в котором выполняется только одна из составляющих частей процедуры измерения (измерительная операция).
К измерительным операциям относятся:
1) воспроизведение единицы физической величины – измерительная операция, состоящая в создании и (или) хранении физической величины заданного значения;
2) сравнение физических величин – измерительная операция, состоящая в отражении соотношения между размерами двух однородных физических величин соответствующим выводом: больше, меньше или равная по размеру;
3) измерительное преобразование физической величины – измерительная операция, при которой входная физическая величина преобразуется в выходную, функционально связанную с ней. Принципом измерительного преобразования называют физический эффект, на котором оно основано. Измерительные преобразования разделяют на:
а) преобразования с изменением рода величины;
б) преобразования без изменения рода величины:
– линейные;
– нелинейные.
Линейное преобразование входной величины без изменения рода называется масштабным преобразованием.
4) вычислительные операции.
Эти операции соответственно реализуют измерительные устройства: мера, компаратор, измерительный преобразователь, масштабный преобразователь и вычислительный компонент.
Мера – измерительное устройство, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью. Различают следующие разновидности мер:
1) однозначная мера – мера, воспроизводящая физическую величину одного размера (например, гиря 1 кг). К однозначным мерам относятся стандартные образцы веществ и материалов. Стандартный образец – образец вещества (материала) с установленными в результате метрологической аттестации значениями одной или более величин, характеризующими свойство или состав этого вещества (материала). Различают стандартные образцы свойства и стандартные образцы состава;
2) многозначная мера – мера, воспроизводящая физическую величину разных размеров (например, штриховая мера длины);
3) набор мер – комплект мер разного размера одной и той же физической величины, предназначенных для применения на практике как в отдельности, так и в различных сочетаниях (например, набор концевых мер длины);
4) магазин мер – набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях (например, магазин электрических сопротивлений).
При оценивании величин по условным (неметрическим) шкалам, имеющим реперные точки, к качестве меры нередко выступают вещества или материалы с приписанными им условными значениями величин. Так, для шкалы Мооса мерами твердости являются минералы различной твердости. приписанные им значения твердости образуют ряд реперных точек условной шкалы.
Значение величины, приписанное мере или партии мер при изготовлении, называется номинальным значением меры (например, резисторы с номинальным значением 1 Ом). Нередко номинальное значение указывают на мере.
Значение величины, приписанное мере на основании ее калибровки или поверки, называется действительным значением меры (например, номинальное значение сопротивления резистора 1 Ом, а по результатам калибровки его действительное значение составило 1,004 Ом).
Разность между номинальным значением меры и действительным значением воспроизводимой ею величины называется погрешностью меры.
Компаратор – измерительное устройство, предназначенное для сличения мер однородных величин (например, рычажные весы).
Измерительный преобразователь – измерительное устройство с нормируемыми метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи (например, термопара в термоэлектрическом термометре). Измерительный преобразователь или входит в состав какого–либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы и др.), или применяется вместе с каким–либо средством измерений.
По характеру преобразования измерительные преобразователи разделяют на:
1) аналоговые;
2) цифро–аналоговые;
3) аналого–цифровые.
По месту в измерительной цепи измерительные преобразователи разделяют на:
1) первичные преобразователи. Первичный преобразователь – измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, то есть первый преобразователь в измерительной цепи измерительного прибора (установки, системы). Пример – термопара в цепи термоэлектрического термометра. В одном средстве измерений может быть несколько первичных преобразователей. Конструктивно обособленный первичный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы, называется датчиком. Датчик может быть вынесен на значительное расстояние от средства измерений, принимающего его сигналы. В области измерений ионизирующих излучений применяют термин детектор;
2) промежуточные преобразователи.
Выделяют также масштабные и передающие преобразователи. Масштабные измерительные преобразователи предназначены для изменения величины в заданное число раз (например, делитель напряжения).
Вычислительный компонент – измерительное устройство, являющееся совокупностью средств вычислительной техники и программного обеспечения и выполняющее вычислительные операции при измерении.
Средство измерений – техническое средство, используемое при измерениях, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени. В идеальном случае средство измерений реализует линейную зависимость между значениями измеряемой величины и ее соответственными размерами.
К средствам измерительной техники относятся:
1) измерительные приборы;
2) измерительные каналы;
3) измерительные системы.
Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Классификация измерительных приборов:
1) по способу индикации значений измеряемой величины:
– показывающие;
– регистрирующие. Регистрация может осуществляться в аналоговой и цифровой форме. В зависимости от этот различают самопишущие (осуществляющие запись результатов измерений в виде диаграммы) и печатающие (в которых производится печать результатов измерений в цифровой форме);
2) по методу действия:
– приборы прямого действия;
– приборы сравнения;
3) по представлению показаний:
– аналоговые – измерительные приборы, показания которых являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины;
– цифровые – измерительные приборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации, показания которых представлены в цифровой форме.
Измерительный канал – совокупность мер, средств связи и других технических средств, предназначенная для создания сигнала измерительной информации об одной измеряемой физической величине.
Измерительная система – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта, с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных цепях. В зависимости от назначения измерительные системы разделяют на:
1) измерительные информационные системы;
2) измерительные контролирующие системы;
3) измерительные управляющие системы и др.
Измерительную систему, перестраиваемую в зависимости от изменения измерительной задачи, называют гибкой измерительной системой.
Иногда используют понятие измерительная установка – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте. Измерительная установка, применяемая для поверки, называют поверочной установкой. Измерительную установку, входящую в состав эталона, называют эталонной установкой. Измерительную установку крупных размеров, предназначенную для точных измерений физических величин, характеризующих изделие, называют измерительной машиной.
По важности измеряемой физической величине средства измерений разделяют на основные и вспомогательные.
Основное средство измерений – средство измерений той физической величины, значение которой необходимо получить в соответствии с измерительной задачей.
Вспомогательное средство измерений – средство измерений той физической величины, влияние которой на основное средство измерений или объект измерений необходимо учитывать для получения результатов требуемой точности (например, термометр для измерения температуры газа в процессе измерений объемного расхода этого газа).
По степени универсальности средства измерений разделяют на специализированные и универсальные.
По характеру использования средства измерений разделяют на лабораторные и технические.
По виду оценки параметров средства измерений бывают допусковые, измерительные и комбинированные.
По назначению средства измерений разделяют на диагностические, прогнозирующие, контрольные и испытательные.
По измеряемой величине средства измерений бывают механические, гидравлические, пневматические, акустические, электрические, электронные, др. и комбинированные.
По связи с объектом измерения средства измерений разделяют на встроенные и внешние.
По режиму работы средства измерений разделяют на статические и динамические.
По виду приема–передачи информации средства измерений разделяют на одноканальные и многоканальные.
По виду шкалы средства измерений разделяют на средства измерений с равномерной шкалой, с неравномерной шкалой, с нулевой отметкой внутри шкалы, с нулевой отметкой на краю или вне шкалы.
Лекция 5
Метрологические характеристики СИТ
Все СИТ, независимо от их конкретного исполнения, описываются свойствами, необходимыми для выполнения ими их функционального назначения. Характеристики свойств СИТ, оказывающих влияние на результаты и погрешности измерений, предназначенные для оценки технического уровня и качества СИТ, для определения результатов измерений и расчетной оценки характеристик инструментальной составляющей погрешности измерений, называются метрологическими характеристиками СИТ. Для каждого типа СИТ устанавливают свои метрологические характеристики. Метрологические характеристики, устанавливаемые нормативно–техническими документами, называют нормируемыми метрологическими характеристиками, а определяемые экспериментально – действительными метрологическими характеристиками.
Нормируемые метрологические характеристики условно можно разбить на такие группы:
1) характеристики, предназначенные для определения результатов измерений;
2) характеристики погрешностей СИТ;
3) характеристики чувствительности СИТ к влияющим величинам;
4) динамические характеристики СИТ;
5) характеристики взаимодействия СИТ с объектом измерения на входе и выходе СИТ;
6) неинформативные параметры выходного сигнала СИТ.