1.4.1 Виды средств измерений

По метрологическому назначению средства измерений делятся на образцовые и рабочие.

Образцовые предназначены для поверки по ним других средств измерений как рабочих, так и образцовых менее высокой точности.

Рабочие средства измерений предназначены для измерения размеров величин, необходимых в разнообразной деятельности человека.

Сущность разделения средств измерений на образцовые и рабочие состоит не в конструкции и не в точности, а в их назначении.

К средствам измерения относятся:

Меры, предназначенные дли воспроизведения физической величины заданно го размера. Различают однозначные и многозначные меры, а также наборы мер (гири, кварцевые генераторы и т. п.). Меры, воспроизводящие физические величины одного размера, называются однозначными . Многозначные меры могут воспроизводить ряд размеров физической величины, часто даже непрерывно заполняющих некоторый промежуток между определенными границами. Наиболее распространенными многозначными мерами являются миллиметровая линейка, вариометр и конденсатор переменной емкости.

В наборах и магазинах отдельные меры могут объединяться в различных сочетаниях для воспроизведения некоторых промежуточных или суммарных, но обязательно дискретных размеров величин. В магазинах объединены в одно механическое целое, снабженное специальными переключателями, которые связаны с отсчетными устройствами. В противоположность этому набор состоит обычно из нескольких мер, которые могут выполнять свои функции как в отдельности, так и в различных сочетаниях друг с другом (набор концевых мер длины, набор гирь, набор мер добротности и индуктивности и т. д.).

Сравнение с мерой выполняют с помощью специальных технических средств — компараторов (равноплечие весы, измерительный мост и т. п.).

К однозначным мерам относятся также образцы и образцовые вещества. Стандартные образцы состава и свойств веществ и материалов представляют собой специально оформленные тела или пробы вещества определенного и строго регламентированного содержания, одно из свойств которых при определенных условиях является величиной с известным значением. К ним относятся образцы твердости, шероховатости, белой поверхности, а также стандартные образцы, используемые при поверке приборов для определения механических свойств материалов. Образцовые вещества играют большую роль в создании реперных точек при осуществлении шкал. Например, чистый цинк служит для воспроизведения температуры 419,58°С, золото — 1064,43°С.

В зависимости от погрешности аттестации меры подразделяются на разряды (меры 1-го, 2-го и т. д. разрядов), а погрешность мер является основой их деления на классы. Меры, которым присвоен тот или иной разряд, применяются для поверки измерительных средств и называются образцовыми.

Измерительные преобразователи — это средства измерений, перерабатывающие измерительную информацию в форму, удобную для дальнейшего преобразования, передачи, хранения и обработки, но, как правило, не доступную для непосредственного восприятия наблюдателем (термопары, измерительные усилители и др.).

Преобразуемая величина называется входной , а результат преобразования — выходной величиной. Соотношение между ними задается функцией преобразования (статической характеристикой). Если в результате преобразования физическая природа величины не изменяется, а функция преобразования является линейной, то преобразователь называется масштабным , или усилителем (усилители напряжения, измерительные микроскопы, электронные усилители). Слово «усилитель» обычно употребляется с определением, которое приписывается ему в зависимости от рода преобразуемой величины (усилитель напряжения, гидравлический усилитель) пли от вида единичных преобразований, происходящих и нем (ламповый усилитель, струйный усилитель).

В тех случаях, когда в преобразователе входная величина превращается в другую по физической природе величину,.он получает название по видам этих величин (электромеханический, пневмоемкостный и так далее).

По месту, занимаемому в приборе, преобразователи (рис. 3.1) подразделяются на: первичные , к которым подводится непосредственно измеряемая физическая величина; передающие , на выходе которых образуются величины, удобные для их регистрации и передачи на расстояние; промежуточные , занимающие в измерительной цепи место после первичных.

Рис. 3.1. Преобразование измерительной информации: 1 — чувствительный элемент;
2 — первичный преобразователь; 3 — промежуточные преобразователи;
4 — передающий преобразователь

Измерительные приборы относятся к средствам измерений, предназначенным для получения измерительной информации о величине, подлежащей измерению, в форме, удобной для восприятия наблюдателем.

Наибольшее распространение получили приборы прямого действия , при использовании которых измеряемая величина подвергается ряду последовательных преобразований в одном направлении, то есть без возвращения к исходной величине. К приборам прямого действия относится большинство манометров, термометров, амперметров, вольтметров и т. д.

Значительно большими точностными возможностями обладают приборы сравнения , предназначенные для сравнения измеряемых величин с величинами, значения которых известны. Сравнение осуществляется с помощью компенсационных или мостовых цепей. Компенсационные цепи применяются для сравнения активных величии, то есть несущих в себе некоторый запас энергии (сил, давлений и моментов сил, электрических напряжений и токов, яркости источников излучения и т. д.). Сравнение проводится путем встречного включения этих величин в единый контур и наблюдения их разностного эффекта. По этому принципу работают такие приборы, как равноплечие и пе-равноплечие весы (сравнение на рычаге силовых эффектов действия масс), грузопоршневые и грузонружинные манометрические в вакуумметрические приборы (сравнение на поршне силовых эффектов измеряемого давления и мер массы) и др.

Для сравнения пассивных величии (электрические, гидравлические, пневма-тические и другие сопротивления) применяются мостовые цепи типа электрических уравновешенных или неуравновешенных мостов.

По способу отсчета значений измеряемых величин приборы подразделяются на показывающие , в том числе аналоговые и цифровые , и на регистрирующие .

Наибольшее распространение получили аналоговые приборы, отсчётные устройства которых состоят из двух элементов — шкалы и указателя, причем один из них связан с подвижной системой прибора, а другой — с корпусом. В цифровых приборах отсчет осуществляется с помощью механических, электронных или друшх цифровым отсчётных устройств.

По способу записи измеряемой величины регистрирующие приборы делятся на самопишущие и печатающие . В самопишущих приборах (например, барограф или шлейфовый осциллограф) запись показаний представляет собой график или диаграмму. В печатающих приборах информация о значении измеряемой величины выдается в числовой форме на бумажной ленте.

Автоматические приборы сравнения выпускаются чаще всего в виде комбинированных приборов, в которых шкальный или цифровой отсчет сочетается с записью на диаграмме или с печатанием результатов измерений.

1. Вспомогательные средства измерений. К этой группе относятся средства измерений величин, влияющих на метрологические свойства другого средства измерений при его применении или поверке. Показания вспомогательных средств измерений используются для вычисления поправок к результатам измерений (например, термометров для измерения температуры окружающей среды при работе с грузопоршневыми манометрами) или для контроля за поддержанием значений влияющих величин в заданных пределах (например, психрометров для измерения влажности при точных интерференционных измерениях длин).
2. Измерительные установки. Для измерения какой-либо величины или одновременно нескольких величин иногда бывает недостаточно одного измерительного прибора. В этих случаях создают целые комплексы расположенных в одном месте и функционально объединенных друг с другом средств измерений (мер, преобразователей, измерительных приборов и вспомогательных средств), предназначенных для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем.
3. Измерительные системы — это средства и устройства, территориально разобщенные и соединенные каналами связи. Информация может быть представлена в форме, удобной как для непосредственного восприятия, так и для автоматической обработки, передачи и использования в автоматизированных системах управления.

Технические устройства, предназначенные для обнаружения (индикации) физических свойств, называются индикаторами (стрелка компаса, лакмусовая бумага). С помощью индикаторов устанавливается только наличие измеряемой физической величины интересующего нас свойства материи. В качестве примера индикатора можно привести указатель количества бензина в бензобаке автомобиля.

Средство измерения - это техническое устройство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства.

Технические устройства, предназначенные для обнаружения (индикации) физических свойств, называются индикаторами (стрелка компаса, лакмусовая бумага). С помощью индикаторов устанавливается только наличие измеряемой физической величины интересующего нас свойства материи.

По метрологическому назначению средства измерений делятся на образцовые и рабочие.

Образцовые предназначены для поверки по ним других средств измерений как рабочих, так и образцовых менее высокой точности.

Рабочие средства измерений предназначены для измерения размеров величин, необходимых в разнообразной деятельности человека.

Сущность разделения средств измерений на образцовые и рабочие состоит не в конструкции и не в точности, а в их назначении.

К средствам измерения относятся:

1. Меры, предназначеные для воспроизведения физической величины заданного размера. Различают однозначные и многозначные меры, а также наборы мер (гири, кварцевые генераторы и т. п.). Меры, воспроизводящие физические величины одного размера, называются однозначными. Многозначные меры могут воспроизводить ряд размеров физической величины, часто даже непрерывно заполняющих некоторый промежуток между определенными границами. Наиболее распространенными многозначными мерами являются миллиметровая линейка, вариометр и конденсатор переменной емкости.

К однозначным мерам относятся также образцы и образцовые вещества. В зависимости от погрешности аттестации меры подразделяются на разряды (меры 1, 2-го и т. д. разрядов), а погрешность мер является основой их деления на классы.

2. Измерительные преобразователи - это средства измерений, перерабатывающие измерительную информацию в форму, удобную для дальнейшего преобразования, передачи, хранения и обработки, но, как правило, не доступную для непосредственного восприятия наблюдателем (термопары, измерительные усилители и др.).

Преобразуемая величина называется входной, а результат преобразования - выходной величиной. Соотношение между ними задается функцией преобразования (статической характеристикой). Если в результате преобразования физическая природа величины не изменяется, а функция преобразования является линейной, то преобразователь называется масштабным, или усилителем, (усилители напряжения, измерительные микроскопы, электронные усилители). Слово “усилитель” обычно употребляется с определением, которое приписывается ему в зависимости от рода преобразуемой величины (усилитель напряжения, гидравлический усилитель) или от вида единичных преобразований, происходящих в нем (ламповый усилитель, струйный усилитель). В тех случаях, когда в преобразователе входная величина превращается в другую по физической природе величину, он получает название по видам этих величин (электромеханический, пневмоемкостный и так далее).

По месту, занимаемому в приборе, преобразователи подразделяются на (рис. 3.1): первичные, передающие, промежуточные.

3. Измерительные приборы относятся к средствам измерений, предназначенным для получения измерительной информации о величине, подлежащей измерению, в форме, удобной для восприятия наблюдателем.

Наибольшее распространение получили приборы прямого действия, при использовании которых измеряемая величина подвергается ряду последовательных преобразований в одном направлении, т. е. без возвращения к исходной величине. К приборам прямого действия относится большинство манометров, термометров, амперметров, вольтметров и т. д.

По способу отсчета значений измеряемых величин приборы подразделяются на показывающие, в том числе аналоговые и цифровые, и на регистрирующие.

По способу записи измеряемой величины регистрирующие приборы делятся на самопишущие и печатающие.

4. Вспомогательные средства измерений . К этой группе относятся средства измерений величин, влияющих на метрологические свойства другого средства измерений при его применении или поверке.

5. Измерительные установки. Для измерения какой-либо величины или одновременно нескольких величин иногда бывает недостаточно одного измерительного прибора. В этих случаях создают целые комплексы расположенных в одном месте и функционально объединенных друг с другом средств измерений (мер, преобразователей, измерительных приборов и вспомогательных средств), предназначенных для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем.

6. Измерительные системы - это средства и устройства, территори-ально разобщённые и соединённые каналами связи. Информация может быть представлена в форме, удобной как для непосредственного восприятия, так и для автоматической обработки, передачи и использования в автоматизированных системах управления.

Средствами измерений называют применяемые при измерениях технические средства, имеющие нормированные метрологические свойства. В этом определении основную смысловую нагрузку, вскрывающую метрологическую суть средств измерений (СИ), несут слова «нормированные метрологические свойства». Наличие нормированных метрологических свойств означает, вопервых, что средство измерений способно хранить или воспроизводить единицу (или шкалу) измеряемой величины, и, во-вторых, размер этой единицы остается неизменным в течение определенного времени.

Если бы размер единицы был нестабильным, нельзя было бы гарантировать требуемую точность результата измерений.

Отсюда следуют три вывода:

Измерять можно лишь тогда, когда техническое средство, предназначенное для этой цели, способно хранить единицу, достаточно стабильную (неизменную во времени) по размеру;

Техническое средство непосредственно после изготовления еще не является средством измерения; оно становится таковым только после передачи ему единицы от другого, более точного средства измерений (эта операция называется калибровкой);

Необходимо периодически контролировать размер единицы, хранимый средством измерения, и при необходимости восстанавливать его прежнее значение путем проведения новой калибровки.

По назначению различают рабочие средства измерений , применяемые для проведения технических измерений, и метрологические, предназначенные для проведения метрологических измерений.

Метрологические средства измерений называются эталонами.

Так как измеряются свойства, общие в качественном отношении многим объектам или явлениям, то эти свойства в чем-то должны проявляться, как-то должны обнаруживаться. Технические устройства, предназначенные для обнаружения (индикации) физических свойств, называются индикаторами . Стрелка магнитного компаса, например, — индикатор напряженности магнитного поля; осветительная электрическая лампочка — индикатор электрического напряжения в сети; лакмусовая бумага — индикатор активности ионов водорода в растворах.

С помощью индикаторов устанавливается наличие измеряемой физической величины и может регистрироваться изменение ее размера. В этом отношении индикаторы играют ту же роль, что и органы чувств человека, но значительно расширяют их возможности. Человек, например, слышит в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц, в то время как техническими средствами обнаруживаются звуковые колебания в диапазоне от инфранизких (доли герца) до ультравысоких (десятки и сотни килогерц) частот. Видят люди в узком оптическом диапазоне электромапштных волн, а инструментально регистрируются электромагнитные колебания от сверхнизкочастотных радиоволн с частотой, составляющей доли герца, до жесткого гамма-излучения с частотой порядка 1022 Гц. В то же время не создано еще технических устройств, которые могли бы соперничать с обонянием человека или животных.

Так как индикаторы должны обнаруживать проявление свойств окружающего мира, важнейшей их технической характеристикой является порог обнаружения (иногда его называют порогом чувствительности). Чем меньше порог обнаружения, тем более слабое проявление свойства регистрируется индикатором. Современные индикаторы обладают очень низкими порогами обнаружения, лежащими на уровне фоновых помех и собственных шумов аппаратуры. Последние имеют тепловую природу, поэтому для их снижения чувствительные элементы и электронные узлы особо чувствительных индикаторов охлаждают до температуры, близкой к абсолютному нулю. Селекцию (выделение) сигналов на фоне помех осуществляют с помощью специальных фильтров и накопителей. За счет этих и некоторых других мер порог чувствительности радиотелескопов, например, в сантиметровом диапазоне радиоволн доведен до 10-18 Вт.

Индикаторы являются средствами измерений по шкале порядка. Для измерения по шкале отношений необходимо сравнить неизвестный размер с известным и выразить первый через второй в кратном или дольном отношении. Если физическая величина известного размера есть в наличии, то она непосредственно используется для сравнения. Так, длину измеряют линейкой, плоский угол — транспортиром, массу с помощью гирь и весов, электрическое сопротивление — с помощью магазина сопротивлений. Если же физической величины известного размера в наличии нет, то сравнивается реакция (отклик) прибора на воздействие измеряемой величины с проявившейся ранее реакцией на воздействие той же величины, но известного размера. Так измеряют: силу электрического тока — амперметром, электрическое напряжение — вольтметром, скорость — спидометром, давление — манометром, термодинамическую температуру — термометром и т. д. При этом предполагается, что соотношение между откликами такое же, как и между сравниваемыми размерами. Для облегчения сравнения отклик на известное воздействие еще на стадии изготовления прибора фиксируют на шкале отсчетного устройства в выбранных единицах измерений, после чего разбивают шкалу на деления в кратном и дольном отношении. Эта процедура называется градуировкой. При измерениях она позволяет по положению указателя получать результат сравнения непосредственно на шкале отношений.

Все технические средства, предназначенные для измерений, называются средствами измерений .

Кроме индикаторов к ним относятся вещественные меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки, измерительные системы, технические системы и устройства с измерительными функциями, стандартные образцы.

Вещественные меры предназначены для воспроизведения физической величины заданного размера, который характеризуется так называемым номинальным значением. При условии что указывается точность, с которой воспроизводится номинальное значение физической величины, гиря является мерой массы, конденсатор — мерой емкости, кварцевый генератор — мерой частоты электрических колебаний и т. д. Различают однозначные и многозначные меры, а также наборы мер. Например, гиря и измерительный конденсатор постоянной емкости — это однозначные меры, измерительная линейка и конденсатор переменной емкости — многозначные меры, а набор гирь и набор измерительных конденсаторов являются наборами мер. Измерения методом сравнения с мерой выполняют с помощью специальных технических устройств — компараторов. Компараторами служат равноплечие весы, измерительный мост и т. д. Иногда в качестве компаратора выступает человек.

Измерительные преобразователи — это средства измерений, перерабатывающие измерительную информацию в форму, удобную для дальнейшего преобразования, передачи, хранения, обработки, но, как правило, недоступную для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительные преобразователи получили очень широкое распространение. К ним относятся термопары, измерительные усилители, преобразователи давления и многие другие виды измерительных устройств. По месту, занимаемому в измерительной цепи, они делятся на первичные и промежуточные.

Конструктивно преобразователи являются либо отдельными блоками, либо составными частями средств измерений. Если преобразователи не входят в измерительную цепь, то они не относятся к измерительным. Таковы, например, операционный усилитель, делитель напряжения в цепи электропитания, силовой трансформатор и т. п.

Измерительный прибор представляет собой совокупность измерительных преобразователей, образующих измерительную цепь, и отсчетного устройства. В отличие от вещественной меры, прибор не воспроизводит известное значение физической величины. Измеряемая величина должна подводиться к нему и воздействовать на его первичный измерительный преобразователь.

Измерительные установки состоят из функционально объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, собранных в одном месте. В измерительных системах эти средства и устройства территориально разобщены и соединены каналами связи. Область науки и техники, включающая вопросы получения измерительной информации и передачи ее по каналам связи, называется телеметрией. И в установках, и в системах измерительная информация может быть представлена в форме, удобной как для непосредственного восприятия, так и для автоматической обработки, передачи и использования в автоматизированных системах управления. Технические системы и устройства с измерительными функциями наряду с их основными функциями, не имеющими отношения к измерениям, выполняют еще и измерительные функции.

1 Средства измерений и виды средств измерений Измерение - это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств 2. Средства измерений Средства измерений - это технические средства, которые имеют нормированные метрологические характеристики. При этом значение физической величины, отсчитываемое по отсчетному устройству средства измерения, строго соответствует определенному количеству физических единиц, принятых в качестве единиц измерения. К средствам измерения относятся: - мера, - измерительные приборы, - измерительные преобразователи, - измерительные системы, - установки, комплексы. Мера - это средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Меры бывают однозначные и многозначные. К однозначным мерам относятся катушки сопротивления, катушки индуктивности, нормальные элементы и др.; к многозначным - магазины сопротивлений, конденсаторы переменной емкости, калибраторы напряжения и тока и др. Измерительный прибор - средство измерений, предназначенное для выдачи количественной информации об измеряемой величине в доступной для восприятия форме. По способу отсчета значений измеряемой величины измерительные приборы делятся на аналоговые и цифровые. В аналоговых измерительных приборах значение измеряемой величины определяется непосредственно по шкале со стрелкой или другими указателями. В цифровых измерительных приборах значение измеряемой величины определяется по цифровому индикатору прибора. Измерительные приборы разделяют на показывающие и регистрирующие. Показывающие измерительные приборы предназначены для отсчитывания результата измерений в аналоговой или цифровой форме, регистрирующие - для регистрации результата измерения. Измерительный преобразователь - средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но неподдающейся непосредственному восприятию. К измерительным преобразователям относится делители напряжения, усилители, измерительные трансформаторы и др 3. Виды средств измерений По метрологическому назначению средства измерений делятся на: - эталоны, - образцовые, - рабочие. Рабочие средства измерений применяются для измерений, не связанных с передачей размера единиц. В свою очередь рабочие средства измерений можно разделить на: - технические - контрольные - лабораторные Технические средства измерений предназначены для работы в производственных условиях. Поэтому они должны быть недорогими и надежными в эксплуатации. В показания таких приборов не вводят поправки на погрешность измерения. Контрольные средства измерений - служат для контроля исправности промышленных средств измерений на месте их установки. Лабораторные средства измерений - применяют для точных измерений в лабораторных условиях. Для повышения точности измерений в их показания вводят поправки, учитывающие внешние условия, в которых проводились измерения. Кроме того лабораторные средства измерений служат для поверки контрольных средств измерений. Образцовые средства измерений предназначены для передачи размера единиц от эталонов к рабочим средствам измерения, то есть служат для их поверки. Эталон - средство измерений, обеспечивающее воспроизведение и хранение единицы физической величины для передачи ее размера средствам измерения, нижестоящим по поверочной схеме.

Аналоговый измерительный прибор - измерительный прибор, показания которого или выходной сигнал являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины

Аналоговые измерительные приборы, как правило, обеспечивают выполнение прямых измерений, отсчет результата измерений производится по шкале. Режим измерений, выполняемых аналоговыми средствами измерений - статический. Большинство аналоговых измерительных приборов - стрелочные с неподвижной шкалой и подвижной стрелкой, перемещение которой (поворот или линейное перемещение) относительно шкалы функционально взаимнооднозначно связано со значением измеряемой величины. Другие разновидности аналоговых измерительных приборов: - с неподвижной стрелкой или иным указателем и подвижной шкалой, - с линейным индикатором в виде совмещенной со шкалой полосы, длина которой функционально взаимно однозначно связана со значением измеряемой величины (например, ртутный термометр).

Одна из возможных классификационных схем аналоговых измерительных приборов показана на рис.1.2.

Электромеханические приборы – это такие приборы, в устройствах преобразования которых нет электронных, транзисторных или ионных узлов.

Электронные приборы – такие приборы, в устройстве преобразования которых есть электронные, транзисторные или ионные узлы.

Показывающие приборы это такие приборы, которые допускают только считывание показаний.

Регистрирующие приборы – такие, в которых предусмотрена регистрация показаний.

В аналоговых приборах прямого преобразования (действия) (рис. 1.3) входной сигнал Х преобразуется одним или несколькими преобразователями П1, П2, П3, … в дном направлении т входа к выходу.

В аналоговых приборах (рис. 1.4) входная величина Х компенсируется величиной ХК, представляющей собой выходную величину Y, преобразованную цепью обратного преобразования (обратные преобразователи β 1 , β 2 , β 3 , …, β n).

Схемы аналоговых приборов уравновешивающего преобразования могут включать в себя узлы, охваченные местной обратной связью β 1 (рис. 1.5), однако определяющим является наличие общей с выхода на вход отрицательной обратной связи β 2 .

К приборам смешанного преобразования (рис. 1.6 а, б) относятся приборы, в структуру которых введена отрицательная обратная связь, охватывающая не все звенья прямого преобразования.

По назначению различают приборы для измерения тока, напряжения, частоты, приборы для измерения параметров электрических цепей, для анализа характеристик сигналов и др.

Приборы предназначенные для измерения нескольких величин называют комбинированными.

Приборы, работающие как на постоянном, так и на переменном токе называют универсальными.

цифрово́й измери́тельный прибо́р

измерительный прибор , в котором результаты измерения непрерывной величины (напряжения, силы тока, электрического сопротивления, давления, температуры и др.) автоматически преобразуются в дискретные сигналы, отображаемые в виде чисел на цифровом индикаторе. В состав цифровых измерительных приборов обязательно входитаналого-цифровой преобразователь , преобразующий аналоговый сигнал , полученный чувствительным элементом (датчиком), в цифровой код. Для цифровых измерительных приборов характерна значительно более высокая точность измерения по сравнению с аналоговыми измерительными приборами, удобство и объективность отсчёта. Точность отсчёта при этом зависит от числа разрядов на цифровом индикаторе. Выпускаются многочисленные цифровые измерительные приборы: часы , термометры, весы, тонометры (измерители артериального кровяного давления) и др.

ЦИП состоит из двух обязательных узлов; аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и цифрового отсчетного устройства (ОУ). АЦП выдает код в соответствии со значением измеряемой величины. ОУ отражает это значение в цифровой форме. АЦП применяются также в измерительных, информационных управляющих и других системах и выпус­каются промышленностью в качестве самостоятельных средств измерения.

Метрологические и другие технические характеристики ЦИП определяются методом преобразования в код. В ЦИП, предназначенных для измерения электрических величин, применяются метод последовательного счета и метод поразрядного уравновешивания. Соответственно, различают ЦИП последовательного счета и ЦИП поразрядного уравновеши­вания (кодоимпульсные). В зависимости от того, какое зна­чение величины измеряется, ЦИП делятся на приборы для измерения мгновенного значения и приборы для измерения среднего значения за определенный промежуток времени (интегрирующие).

По роду измеряемой величины ЦИП подразделяются на вольтметры, омметры, частотомеры, фазометры, мультиметры (комбинированные), в которых предусматривается возможность измерения нескольких электрических величин и ряда параметров электрических цепей.

По области применения выделяются ЦИП лабораторные, системные и щитовые.

ЦИП устроены сложно, их функциональные части выполняются на основе элементов электронной техники, в основном это интегральные микросхемы. В современных ЦИП функциональные узлы, преобразующие аналоговые сигналы, обычно выполняются на основе микроэлектронных операционных усилителей.

Рассмотрим упрощенно наиболее часто применяемые узлы.

Триггеры состоят из устройства с двумя состояниями устойчивого равновесия, способными скачкообразно переходить из одного состояния в другое с помощью внешнего сиг­нала. После такого перехода новое устойчивое состояние сохраняется до тех пор, пока другой внешний сигнал не из­менит его.

Пересчетные устройства (ПУ) применяются для выполнения различных задач, например, для деления частоты импульсов, для преобразования число-импульсного кода в двоичный и т.д.

Если ПУ снабдить ОУ для отображения номера состояния схемы, то можно вести счет поступающих на вход ПУ импульсов, т.е. в этом случае можно получить счетчик импульсов.

Знаковые индикаторы применяются для получения показаний в цифровой форме в виде специальных газоразряд­ных ламп или сегментных знаковых индикаторов (в качестве светящихся элементов используют жидкие кристаллы, светодиоды, полоски электролюминафора и т.п.),

Ключи - это устройства, выполняющие функции выключателей и переключателей. В основном применяются электронные ключи на диодах, транзисторах, и др. элементах электронных схем.

Логические элементы реализуют логические функции. Входными и выходными величинами этих элементов являются переменные, принимающие только два значения -1 и 0. Рассмотрим основные логические элементы, дающие возможность путем их соединения реализовать любую логическую функцию.

Логический элемент ИЛИ - функция сложения, имеет несколько входов и один выход, который принимает значение 1, если хотя бы одна входная величина равна 1 и принимает значение 0, если все входы равны 0;

Логический элемент НЕ - функция отрицания (если вход имеет значение равное 0, то на выходе получим 1 и наоборот) служит для инвертирования;

Логическая функция И - функция умножения, имеет несколько входов и один выход, который принимает значение 1, если все входы равны 1 и принимает значение 0, если хотя бы один вход равен 0. Элемент И носит название схемы совпадения и может применяться как логический ключ, один из входных сигналов которого служит управляющим.

Логические элементы выполняют как на дискретных устройствах (диодах, транзисторах, резисторах), так и в виде интегральных микросхем.

Дешифраторы - это устройства, для преобразования кодов одного вида в другие.

3 Калибровка и поверка средств измерений

Калибровка средств измерений - совокупность операций, выполняемых с целью определения и подтверждения действительных значений метрологических характеристик и (или) пригодности к применению средства измерений. Определение аналогично поверке, от которой калибровку отличает то, что она распространяется на средства измерений, которые не подлежат государственному метрологическому контролю и надзору, т.е. поверке. Калибровка объединяет функции, выполнявшиеся ранее при метрологической аттестации и ведомственной поверке средств измерений.

Калибровке могут подвергаться средства измерения, не входящие в сферу распространения государственного контроля и надзора (либо применяемые вне сферы ГМКиН), но при этом необходимо проконтролировать их метрологические характерстики, например при выпуске СИ из производства или ремонта, при ввозе по импорту, при эксплуатации, прокате и продаже. Калибровку средств измерения выполняют калибровочные лаборатории или в соответствии с принятой в России терминологией «метрологические службы юридических лиц» с использованием эталонов, соподчиненных с государственными эталонами единиц величин. Средства калибровки (эталоны) подлежат обязательной поверке и при проведении калибровочных работ должны иметь действующие свидетельства о поверке.

Результаты калибровки позволяют определять:

действительные значения измеряемой величины; поправки к показаниям средств измерений;

погрешность средств измерений.

Основное принципиальное отличие калибровки от поверки , заключается в том, что калибровка не относится к процедуре подтверждения соответствия. Подтверждением соответствия является только поверка , при калибровке же, определяются действительные значения метрологических характеристик и она скорее является исследовательской работой. Как правило, ввиду отсутствия специальных методик, калибровка проводится по методикам поверки на калибруемые либо аналогичные им средства измерений. Однако калибровка может отличаться от поверки как в сторону упрощения, так и в сторону усложнения процедуры. При калибровке вполне правомерна постановка задачи определения характеристик погрешности средства измерений только в одной точке диапазона измерений и в условиях, отличающихся от нормальных.

Результаты калибровки средств измерений удостоверяются калибровочным знаком , наносимым на средства измерений или сертификатом о калибровке, а также записью в эксплуатационных документах.

В отличие от поверки, калибровка СИ является добровольной процедурой и может выполняться любой метрологической службой. Аккредитация на право калибровки так же является добровольной (не обязательной) процедурой и нужна в большей степени для признания результатов калибровки сторонними учреждениями и для поднятия имиджа предприятия.

3 3Поверка средств измерения

совокупность операций, выполняемых органами метрологической службы (другими уполномоченными на то органами, организациями) в целях определения и подтверждения соответствия средства измерений установленным техническим требованиям.

Эксплуатация средств измерения, не прошедших своевременную поверку, может приводить к получению ложной информации о ходе технологического процесса. В этом случае отличие полученных измерений от действительных значений не предсказуемо. Возможные результаты такой ситуации: нарушение работы систем безопасности, выход бракованной продукции, аварии технологического оборудования. Устранение последствий связано со значительными временными и экономическими потерями.

Проверка средств измерений возложена на аккредитованные в этой области лица. На лица, использующие средства измерения, возложена обязанность своевременного предоставления средств на поверку.

Для обнаружения физических свойств объектов без участия органов чувств человека используются специальные технические устройства - индикаторы . С их помощью устанавливается наличие измеряемой физической величины и регистрируется изменение ее размера. Например, стрелка магнитного компаса является индикатором магнитного поля, лакмусовая бумажка - индикатор активности ионов водорода в растворах. Индикаторы характеризуются порогом обнаружения (порогом чувствительности) . Чем меньше порог обнаружения, тем более слабое проявление свойства регистрируется индикатором.

Технические средства, предназначенное для измерений называются средствами измерений . Средства измерений включают в себя меры, эталоны, измерительные преобразователи, измерительные приборы и вспомогательные средства. Созданные на их основе сложные измерительные комплексы называются измерительными установками и измерительными системами. К числу средств измерения относятся также измерительно-вычислительные системы и комплексы

В приборах прямого действия измеряемая величина подвергается ряду последовательных преобразований в одном направлении. Они состоят из ряда блоков, предназначенных для преобразования измеряемой величины в более мощный сигнал, который может приводить в действие подвижные органы отсчетных устройств, проградуированных с помощью соответствующих мер. Такие приборы являются наиболее распространенными. К их числу относятся, например, амперметры, вольтметры, манометры и т.п.

Приборы сравнения основаны на использовании приема сравнения измеряемых величин с величинами, значения которых известны, Сравнение активных величин (несущих в себе некоторый запас энергии: сил, давлений, электрических напряжений и т.п.) производится с помощью компенсационных цепей, а сравнение пассивных величин (электрическое, гидравлическое и т.п. сопротивления) - с помощью мостовых цепей. Весьма часто пассивные величины предварительно преобразовываются в активные или наоборот. Приборы сравнения обладают более высокой точностью, чем приборы прямого действия.

По способу отсчета значений измеряемых величин приборы подразделяются на показывающие (в том числе на аналоговые и цифровые) и на регистрирующие. Среди показывающих приборов наибольшее распространение имеют аналоговые , отсчетные устройства которых состоят из двух элементов: шкалы, обычно соединенной с корпусом, и указателя, связанного с подвижной системой прибора. В цифровых приборах отсчет осуществляется с помощью механических, электронных или других отсчетных устройств, а выходная информация представляется в цифровом виде.

По способу записи измеряемой информации регистрирующие приборы делятся на самопишущие и печатающие. В самопишущих приборах запись показаний представляется в виде непрерывных графиков или диаграмм (например, барограф или шлейфовый осциллограф). В печатающих приборах выходная информация выдается в числовой форме на бумажных носителях.

К группе вспомогательных средств измерений относятся такие средства, которые влияют на метрологические свойства других средств измерений при их непосредственном применении по назначению или поверке. По показаниям вспомогательных средств измерений вычисляют поправки к результатам измерений основных величин. К вспомогательным средствам измерений могут быть отнесены, например, термометры, психрометры и т.п.

Когда для измерения какой-либо величины недостаточно одного измерительного прибора, создают комплексы расположенных в одном месте средств измерений, называемых измерительными установками, от которых сигнал измерительной информации представляется как и для измерительного прибора в форме, удобной для наблюдателя.

Измерительные системы - это также комплексы средств измерений, расположенных в одном месте, предназначенных для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной не только для одного наблюдателя, но и для автоматической обработки результатов измерений, передачи их на расстояние или использования в автоматических системах управления.

Отличием средства измерений от других технических устройств является то, что оно предназначено для получения измерительной информации) и имеет нормированные метрологические характеристики.

Метрологические характеристики средств измерений - характеристики свойств средств измерений, оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений. Эти характеристики называют еще точностными характеристиками средств измерении. Информация о назначении и метрологических характеристиках приведена в документации на средства измерений (в государственном стандарте, в ТУ, в паспорте на средство измерения).

Характерной особенностью измерительной техники является широкое распространение измерительных процессов, в которых одновременно участвуют несколько средств измерений, измеряющих разные физические величины и основанных на разных принципах действия. Это вызывает необходимость нормировать метрологические характеристики различных средств измерений на единой, принципиальной основе.

По метрологическим характеристикам средств измерений решается ряд задач, важных для обеспечения единства измерений:

Определение погрешности результата измерений (одной из составляющих погрешности измерений является погрешность средств измерений),

Выбор средств измерений по точности по известным условиям их применения и требуемой точности измерений (эта задача является обратной по отношению к задаче определения погрешности измерений);

Сравнение средств измерений различных типов с учетом условий их применения;

Замена одного средства измерений на другое - аналогичное;

оценка погрешности сложных измерительных систем и др.

Нормированные метрологические характеристики выражают в форме, удобной для обоснованного решения перечисленных выше задач и одновременно достаточно простого осуществления их контроля при поверке или калибровке.

В практике применения средств измерений широко используется выражение - класс точности . Это характеристика зависит от способа выражения пределов допускаемых погрешностей средств измерений. Впервые "класс точности" был введен в тридцатые годы применительно к стрелочным приборам и определял основную погрешность средств измерений (погрешность средств измерений в нормальных условиях). Введение класса точности преследовало цель классификации средств измерений по точности. В настоящее время, когда схемы и конструкции средств измерений усложнились, а области применения средств измерений весьма расширились, на погрешность измерений стали существенно влиять и другие факторы. В частности, изменения внешних условий (температура окружающей среды, механические нагрузки на средства измерений и т.д.), а также характер изменения измеряемых величин во времени. Основная погрешность измерительных приборов перестала быть действительно основной составляющей погрешности измерений и класс точности не позволяет в полной мере решать практические задачи, перечисленные выше. Область практического применения характеристики "класс точности" ограничена только такими средствами измерений, которые предназначены для измерения статических величин. В международной практике "класс точности" устанавливается только для небольшой части приборов.

Требования к назначению, применению и обозначению "классов точности " регламентированы в ГОСТ 8.401-80 " Государственная система обеспечения единства измерений. Классы точности средств измерений. Общие требования ".

Метрологическое обеспечение средств измерений зависит от сферы их использования. Сферы распространения государственного метрологического контроля и надзора приведены в федеральном Законе "Об обеспечении единства измерений" (ст. 15).

В сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора используемые типы средств измерений должны быть утверждены и включены в Государственный реестр средств измерений, который ведет Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы (ВНИИМС). На средство измерений утвержденного типа и на эксплуатационные документы наносится знак утверждения типа установленной формы и выдается сертификат. Средства измерений при эксплуатации должны подвергаться периодической поверке органами Государственной метрологической службы или аккредитованными метрологическими службами юридических лиц. На поверенное средство измерений наносится клеймо и выдается свидетельство установленной формы. Перечни средств измерений, подлежащих поверке, составляются метрологическими службами юридических лиц и направляются в органы Государственной метрологической службы. При осуществлении Государственного метрологического надзора контролируется правильность и полнота этих перечней, а также состояние и применение средств измерений.

Средства измерений, применяемые вне сферы распространения государственного метрологического контроля и надзора, калибруются метрологической службой предприятия по эталонам, соподчиненным государственным эталонам единиц величин. Метрологические службы юридических лиц могут быть аккредитованы на право проведения калибровочных работ органами Государственной метрологической службы в Российской системе калибровки (РСК). Порядок аккредитации на право выполнения калибровочных работ устанавливается Госстандартом России.

Требования к средствам измерений определены ст. 9 федерального закона "Об обеспечении единства измерений", которым предусмотрены следующие положения:

В сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений к применению допускаются средства измерений утвержденного типа, прошедшие поверку, а также обеспечивающие соблюдение обязательных метрологических требований к измерениям, а также обязательных метрологических и технических требований к средствам измерений. В состав обязательных требований к средствам измерений в необходимых случаях включаются также требования к их составным частям, программному обеспечению и условиям эксплуатации средств измерений. При применении средств измерений должны соблюдаться обязательные требования к условиям их эксплуатации.

Конструкция средств измерений должна обеспечивать ограничение доступа к определенным частям средств измерений (включая программное обеспечение) в целях предотвращения несанкционированных настройки и вмешательства, которые могут привести к искажениям результатов измерений.

Порядок отнесения технических средств к средствам измерений устанавливается федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии.

Для передачи размеров единиц от государственного эталона рабочим средствам измерений создана система эталонов, которые по точности подразделяются на разряды. Передача размеров единиц осуществляется путем поверки или калибровки средств измерений.

Поверка средств измерений - совокупность операций, выполняемых органами Государственной метрологической службы (другими уполномоченными на то органами, организациями) с целью определения и подтверждения соответствия средства измерений установленным техническим требованиям. Поверка средства измерений заключается в определении погрешностей средства измерений и в установлении его пригодности к применению. Проведение поверки позволяет установить, находятся ли метрологические характеристики средств измерений в заданных пределах.

Процедура поверки средств измерений регламентируется различными документами (государственными стандартами, инструкциями, методическими указаниями и др.), соблюдение требований которых обязательно.

Калибровка средств измерений - совокупность операций, выполняемых с целью определения и подтверждения действительных значений характеристик и (или) пригодности к применению средств измерений, не подлежащих государственному метрологическому контролю и надзору.

Соподчинение Государственного эталона, вторичных, а также системы разрядных эталонов и рабочих средств измерений установлено государственной поверченной схемой.

Поверочная схема - утвержденный в установленном порядке документ, устанавливающий средства, методы и точность передачи размеров единиц от государственного эталона рабочим средствам измерений.

Поверочные схемы разделяют на государственные и локальные, Государственные поверочные схемы регламентируются государственными стандартами и распространяются на все средства измерений данного вида. Локальные поверочные схемы предназначены для метрологических служб Государственных органов управления и юридических лиц. Все локальные схемы должны соответствовать требованиям соподчиненности, которая определена государственной поверочной схемой.

Поверочные схемы состоят из чертежа и текстовой части. На чертеже указывают: наименование средств измерений, диапазоны значений физических величин, обозначения и значения погрешностей, наименования методов поверки. Текстовая часть состоит из вводной части и пояснений к элементам поверочной схемы.