Средства измерений и их характеристики.

2.1 Классификация средств измерений.

 

Средство измерений – техническое средство, используемое при измерений и имеющее нормированные метрологические характеристики.

Метрологическими называются характеристики, оказывающие влияние на результат и погрешность измерения. Они входят в состав технических характеристик, определяющих другие свойства средств измерений (диапазоны частот, габаритные размеры, вид элементов питания).

Под нормированием метрологических характеристик понимается количественное задание определенных номинальных значений и допустимых отклонений от этих значений. Нормирование метрологических характеристик позволяет оценить погрешность измерения, достичь взаимозаменяемости средств измерений, обеспечить возможность сравнения средств измерений между собой и оценку погрешностей измерительных систем и установок на основе метрологических характеристик входящих в их состав средств измерений. Именно нормирование метрологических характеристик отличает средство измерений от других подобных технических средств (например, измерительный трансформатор от силового трансформатора …)

Уже указывалось, что в соответствии с ГОСТ все средства измерений делятся на шесть видов:

- меры,

    - измерительные преобразователи,

- измерительные приборы,

- вспомогательные средства измерений,

- измерительные установки и

- измерительные системы.

Наиболее многочисленной группой средств измерений являются измерительные приборы и преобразователи, которые обобщенно называются измерительными устройствами (ИУ). В силу большого разнообразия их классифицируют по различным признакам:

- По используемым физическим процессам ИУ разделяют на механические, электромеханические, электронные, оптоэлектронные и т.п.

- По физической природе измеряемой величины различают вольтметры, амперметры, термометры, манометры, уровнемеры, влагомеры и т.д.

- По виду измеряемой величины или сигнала измерительной информации, а также по способу обработки сигнала приборы делятся на аналоговые и цифровые. В аналоговых приборах показания являются непрерывной функцией измеряемой величины, т.е. могут также, как и измеряемая величина, принимать бесконечное множество значений. При этом во время показания могут быть как непрерывной, так и дискретной (прерывистой) функцией измеряемой величины, т.е. различают приборы непрерывного и дискретного действия.

В цифровом приборе непрерывная по размеру и во времени величина преобразуется в дискретную, квантуется, кодируется и цифровой код отображается на цифровом отсчетном устройстве. В результате показания цифрового прибора являются дискретными во времени и квантованными по размеру, т.е. могут принимать лишь конечное число значений.

Внешним признаком аналоговых или цифровых приборов является наличие аналогового или цифрового показывающего или регистрирующего устройства. Соответственно приборы принято также разделять на показывающие, допускающие только отсчитывание показаний, и регистрирующие, в которых предусмотрена автоматическая регистрация показаний. Среди последних, в свою очередь, различают самопишущие и печатающие..

Наряду с точностью важной характеристикой является быстродействие измерительного устройства, характеризуемое числом измерений (преобразований) в единицу времени либо временем одного измерения. При измерении изменяющихся во времени величин повышение быстродействия играет важную роль. В общем случае повышение быстродействия измерительного прибора ограничивается быстродействием используемой элементной базы.

 Для показывающих приборов обычно не требуется высокого быстродействия в силу ограниченности возможностей оператора при приеме информации.

 Для регистрационных приборов, а также измерительных реобразователей требование быстродействия является существенным особенно когда обработка информации осуществляется с помощью ЭВМ. В этом случае цифровые измерительные устройства обеспечивают большее быстродействие, так как цифровой код может непосредственно, без участия оператора вводится в цифровые ЭВМ, исключения составляют электронные осциллографы позволяющие наблюдать и проводить анализ формы столь быстр протекающих процессов, преобразование которых в цифровой код сопряжен с большей погрешностью, либо вообще невозможно из-за ограниченного быстродействия цифровых средств измерений (параллельная обработка), но они приводят к усложнению прибора. К недостаткам цифровых приборов относят их сравнительно высокую стоимость.

- По структурному принципу различают измерительные устройства прямого действия (преобразования); в котором реализуется метод непосредственной оценки, измерительные устройства, работа которая основана на методе сравнения. В измерительных приборах прямого действия (см. рис. 1) преобразование сигнала происходит в одном направлении последовательно. Здесь П₁ и П₂ – преобразователи с коэффициентами передачи К₁ и К₂. Если выходной сигнал У получается в форме, доступной для непосредственного восприятия, рассматриваемая структурная схема характеризует прибор, если для дальнейшей обработки и хранения, - преобразователь. На рис. 2 представлена структурная схема преобразователя, построенного на методе сравнения. Операция сравнения осуществляется с помощью сравнивающего устройства (СУ), в котором обычно одна величина вычитается из другой. Используя выходной сигнал СУ, с помощью преобразователя П можно управлять мерой и реализовать нулевой метод сравнения. В связи с тем, что в измерительных устройствах, основанных на методе сравнения, измеряемая величина уравновешивается (компенсируется) величиной, воспроизводимой мерой, их также называют измерительными устройствами с уравновешивающим (компенсационным) преобразователем. Измерительные устройства в общем случае имеют более высокую точность за счет использования меры. Отмечают также различие требований к отдельным преобразователям измерительных устройств с точки зрения обеспечения измерительных устройств. Так в ИУ непосредственной оценки общий коэффициент передачи К=К₁К₂ и его точность определяется соответствующей точностью всех преобразователей. В ИУ сравнения имеется отрицательная обратная связь и К=k/(1+kb), где k, b – коэффициенты передачи прямой и обратной цепей. При kb >>1 получают К=1/b и точность ИУ тогда определяется главным образом точностью преобразователей в цепи обратной связи (т.е. меры), в то время как коэффициент передачи k может быть нестабильным, лишь бы было большим kb – петлевое усиление. Приборы сравнения могут быть выполнены с развертывающим или следящим уравновешиванием.

- По структурным признакам ИУ также можно классифицировать по числу каналов и по временной последовательности преобразований входных сигналов. В зависимости от числа входных сигналов, несущих информацию об измеряемой величине, ИУ бывают с одним (например – вольтметр), двумя (фазометр) и более входами, т.е. соответственно одно-, двух- (рис. 3. слева) и многоканальными (рис. 3. справа). В зависимости от временной последовательности преобразований входных сигналов (если их более чем 2) различают ИУ с одновременным (параллельным) и последовательным преобразованием. При последовательном преобразовании сигналы обрабатываются поочередно, причем за цикл измерения каждый сигнал через входное переключающее устройство (коммутатор) подается на вход преобразователя один раз. Разновидностью последовательного преобразователя является периодическое устройство, когда за время одного цикла измерения сигналы переключаются многократно. Последовательное преобразование позволяет уменьшить аппаратурные затраты за счет перехода от многоканальной структуры к одноканальной с входным коммутатором. Кроме того, одноканальная структура ИУ позволяет уменьшить ряд погрешностей, обычно вызываемых неидентичностью характеристик разных каналов.

- По точности ИУ делят на образцовые, используемые для поверки других ИУ и утвержденные в качестве образцовых, и рабочие, используемые непосредственно в практических измерениях, не связанных с передачей размера единиц.

- По частотному диапазону ИУ делят на низкочастотные (НЧ), высокочастотные (ВЧ) и сверхвысокочастотные (СВЧ), по ширине полосы частот – на широкополосные и избирательные (селективные).

- По месту использования ИУ делят на лабораторные и производственные, которые резко отличаются по условиям эксплуатации, по техническим и метрологическим характеристикам.

 

Дополним классификацию измерительных преобразователей. Их многообразие определяется различием требуемых видов преобразователей.

- Преобразователи физического рода сигнала используются тогда, когда измеряемая величина неудобна для непосредственного измерения. Так многие неэлектрические величины предварительно преобразовываются в электрические (механическое перемещение или угловое вращение в электрическую величину) или одни электрические величины в другие (сопротивление в напряжение). Название таких преобразователей определяется либо принципом действия, либо родом входного и выходного сигналов (например, термоэлектрический преобразователь, преобразователь напряжение-частота)

- Функциональные преобразователи обеспечивают необходимую зависимость между информативными параметрами входного и выходного сигналов. Такие преобразователи называют: дифференцирующий, интегрирующий, суммирующий, логарифмирующий и т.п.

- Согласование по уровню (размеру) входного сигнала осуществляется с помощью масштабных преобразователей. К ним относятся: делитель, усилитель, трансформатор тока (напряжения).

- Согласование по сопротивлению обеспечивается с помощью согласующих преобразователей (согласующий трансформатор, эмиттерный повторитель).

- По месту включения в общей цепи преобразователи делят на первичные, к которым подводится измеряемая величина, промежуточные и передающие, предназначенные для дистанционной передачи сигналов.

- По виду характеристики преобразования преобразователи делят на линейные и нелинейные.