Что относятся к средствам измерительной техники
Средства измерительной техники
Средства измерительной техники — обобщающее понятие, охватывающее технические средства, специально предназначенные для измерений. К средствам измерительной техники относят средства измерений и их совокупности (например, измерительные системы, измерительные установки), измерительные принадлежности (например, термостат), измерительные устройства.
Средство измерений (СИ) — техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени. «Умение» хранить (или воспроизводить) единицу физической величины неизменного размера, необходимое для выполнения измерений (т. е. для сопоставления с единицей) и превращает техническое средство в средство измерений.
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 измерений требуемой точности.
Например, термометр для измерения температуры газа в процессе измерений объемного расхода этого газа.
Мера физической величины — средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.
Замечание
Различают следующие разновидности мер:
• однозначная мера — мера, воспроизводящая физическую величину одного размера (например, гиря 1 кг);
• многозначная мера — мера, воспроизводящая физическую величину разных размеров (например, штриховая мера длины);
• набор мер — комплект мер разного размера одной и той же физической величины (например, набор концевых мер длины);
• магазин мер — набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором имеется приспособление для их соединения в различных комбинациях (например, магазин электрических сопротивлений).
Измерительный прибор — средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне.
Примечание
По способу индикации значений измеряемой величины измерительные приборы принято разделять на показывающие и регистрирующие.
Измерительный преобразователь — техническое средство с нормативными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи.
Замечание
Измерительный преобразователь или входит в состав какого-либо измерительного прибора (или измерительной установки, или измерительной системы и др.), или применяется совместно с каким-либо средством измерений.
По характеру преобразования различают аналоговые, цифро-аналоговые, аналого-цифровые преобразователи.
По расположению в измерительной цепи различают первичные и промежуточные преобразователи.
Выделяют также передающие и масштабные преобразователи. Передающим измерительным преобразователем называют элемент измерительного устройства, предназначенный для дистанционной передачи сигнала измерительной информации. Примером передающего измерительного преобразователя может служить токовый преобразователь, встраиваемый в мембранный дифманометр. С его помощью деформация мембраны преобразуется в унифицированный сигнал постоянного тока 0. 5 мА. Масштабным измерительным преобразователем называют измерительный преобразователь, предназначенный для изменения величины в заданное число раз, например, измерительный трансформатор тока, делитель напряжения и т. п.
Первичный измерительный преобразователь (ПИП) — измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, т. е. это первый преобразователь в измерительной цепи измерительного прибора (или измерительной установки, или измерительной системы и др.).
Например, термопара, рН-электрод, трубка Бурдона, биметаллическая пластинка, поплавок ротаметра, терморезистор.
Активный измерительный преобразователь (генераторный преобразователь) непосредственно преобразует одну форму энергии в другую, не нуждаясь во внешнем источнике энергии.
Например, термопара преобразующая тепловую энергию в электрическую.
Пассивный измерительный преобразователь (параметрический преобразователь) не может непосредственно преобразовывать энергию, но он управляет энергией, поступающей от внешнего источника.
Терморезистор не может непосредственно преобразовать тепловую энергию в электрическую. Но изменение его сопротивления влияет на протекающий в цепи электрический ток, создаваемый внешним источником.
Датчик — конструктивно обособленный первичный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы (он «дает» информацию). Датчик может быть вынесен на значительное расстояние от средства измерений, принимающего его сигналы.
При внешней простоте, малых габаритных размерах и массе датчик представляет собой сложную конструкцию, чувствительный элемент которой может работать в тяжелых эксплуатационных условиях, в диапазоне температур от —253 °С до +3000 °С, давлений от 0,001 МПа до 300 МПа, при вибрациях до 
и акустических шумах до 194 дБ. Датчики являются важными элементами информационно-измерительных систем и систем автоматического управления технологическими процессами.
Средство сравнения <компаратор) — техническое средство, предназначенное для сравнения друг с другом мер однородных величин или показаний измерительных приборов.
Рычажные весы могут служить средством сравнения эталонной гири, установленной на одну чашку весов, и поверяемой гири, установленной на другую чашку.
Измерительная цепь — совокупность элементов средств измерений, образующих непрерывный путь прохождения измерительного сигнала одной физической величины от входа до выхода.
Примечание
Измерительную цепь измерительной системы называют измерительным каналом (см. ниже).
Измерительное устройство — часть измерительного прибора (установки или системы), связанная с измерительным сигналом и имеющая обособленную конструкцию и назначение. Измерительным устройством может быть названо регистрирующее устройство измерительного прибора, включающее ленту для записи, лентопротяжный механизм и пишущий элемент.
Чувствительный элемент средства измерений — часть измерительного преобразователя в измерительной цепи, воспринимающая входной измерительный сигнал.
Показывающее устройство средства измерений — совокупность элементов средства измерений, обеспечивающая визуальное восприятие значений измеряемой величины или связанных с ней величин.
Регистрирующее устройство средства измерений — совокупность элементов средства измерений, регистрирующая значение измеряемой величины или связанной с ней величины.
Шкала средства измерений — часть показывающего устройства средства измерений, представляющая собой упорядоченный ряд отметок (черточка, точка и др.) вместе со связанной с ними нумерацией.
Начальное значение шкалы — наименьшее значение измеряемой величины, которое может быть отсчитано по шкале средства измерений.
Конечное значение шкалы — наибольшее значение измеряемой величины, которое может быть отсчитано по шкале средства измерений.
Табло цифрового измерительного прибора — показывающее устройство цифрового измерительного прибора.
По виду измеряемой величины или сигнала измерительной информации, а также по способу обработки сигнала средства измерительной техники делятся на аналоговые и цифровые.
В аналоговых средствах измерительной техники выходная величина является непрерывной функцией размера измеряемой величины, т. е. может принимать, как и измеряемая величина, бесконечное множество значений.
Высота столбика ртути в ртутном термометре расширения или ТЭДС термопары являются непрерывными функциями измеряемой температуры.
Рис. 1. Структурные схемы:
а — цифрового измерительного устройства; б — информационного измерительного канала ИИС
В цифровых средствах измерительной техники выходная величина является дискретной (прерывистой) во времени и квантованной по размеру, т. е. может принимать лишь конечное число значений. В цифровом средстве измерительной техники непрерывная по размеру и во времени измеряемая величина преобразуется в дискретный сигнал, квантуется и кодируется. Полученный цифровой код может передаваться по каналам связи и отображаться на табло цифрового измерительного прибора. Структурная схема цифрового измерительного прибора приведена на рис. 1, а. Аналоговый первичный измерительный преобразователь преобразует измеряемую величинув величину, обеспечивающую нормальный режим работы аналого-цифрового преобразователя (АЦП), входящего составной частью в цифровой измерительный прибор. Это могут быть масштабные преобразования (усиление или ослабление) или преобразования рода физической величины (например, преобразование сопротивления в напряжение). С выхода АЦП цифровой код поступает на табло и цифровой выход измерительного прибора, позволяющий подключать устройства цифровой регистрации показаний или цифровые каналы связи. Использование измерительного сигнала в цифровой форме позволяет свести к минимуму потерю содержащейся в нем информации.
Измерительная система (ИС) — 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 зависимости от назначения измерительные системы разделяют на измерительные информационные (ИИС), измерительные контролирующие, измерительные управляющие системы и др.
ИИС производства азотной кислоты содержит сотни измерительных каналов и позволяет получить измерительную информацию о ряде физических величин в различных технологических аппаратах.
Измерительный канал измерительной системы — конструктивно или функционально выделяемая часть ИС, выполняющая законченную функцию от восприятия измеряемой величины до получения результата ее измерения, выражаемого числом или соответствующим ему кодом, или до получения аналогового сигнала, один из параметров которого — функция измеряемой величины.
Типовой измерительный канал (ИК) включает в себя первичный измерительный преобразователь, линии связи, промежуточный измерительный преобразователь (нормирующий, либо выполняющий иные функции), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), процессор, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП).
Осипова Галина Егоровна
Тема: Средства измерений
Задание для самостоятельной работы: выписать определения и ответить на вопросы в конце темы.
1. Определение и виды средств измерений
Средствами измерений называют технические устройства для практического измерения единицы физической величины, имеющие нормированные погрешности. К средствам измерений относятся: меры, датчики информации (индикаторы), измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и системы, измерительные принадлежности.
Мерой называется средство измерения, предназначенное для воспроизведения физических величин заданного размера (гири, рулетки, мерные стаканы, цилиндры и т.п.). На практике используют однозначные и многозначные меры, а также наборы и магазины мер.
Однозначные меры воспроизводят величины только одного размера (гиря). К однозначным мерам относятся стандартные образцы и стандартные вещества. *Стандартный образец – это должным образом оформленная проба вещества (материала), которая подвергается метрологической аттестации с целью установления количественного значения определенной характеристики. Эта характеристика является величиной с известным значением при установленных условиях внешней среды.*
Многозначные меры воспроизводят несколько размеров физической величины (миллиметровая линейка дает возможность выразить длину предмета в сантиметрах и миллиметрах).
Наборы и магазины мер представляют собой объединение однозначных или многозначных мер для получения некоторых промежуточных или суммарных значений измеряемой величины. Набор мер – это комплект однородных мер разного размера (набор лабораторных гирь). Магазин мер – сочетание мер, конструктивно объединенных в одно механическое целое, в которых посредством ручных или автоматизированных переключателей можно соединять составляющие магазин мер в нужном сочетании (магазин сопротивлений).
При пользовании мерами следует учитывать номинальное и действительное значение мер, погрешность меры и ее разряд. Номинальным называют значение меры, указанное на ней. Действительное значение меры должно быть указано в специальном свидетельстве как результат высокоточного измерения с использованием официального эталона. Разность между номинальным и действительным значениями называется погрешностью меры. Меры подразделяются на разряды (1, 2, и т.д.) в зависимости от эталона, чьей копией они являются. Меры 1 разряда получены при копировании вторичного эталона, утвержденного Госстандартом. Разрядные эталоны используют для поверки измерительных средств.
2. Эталоны, их классификация
Эталон – это высокоточная мера, предназначенная для воспроизведения и хранения единицы величины с целью передачи ее размера другим средствам измерений. От эталона единица величины передается разрядным эталонам, а от них – рабочим средствам измерения. Эталоны классифицируются на первичные, вторичные и рабочие.
Первичный эталон— это эталон, воспроизводящий единицу величины с наивысшей точностью, возможной в данной области измерений на современном уровне научно-технических достижений. Первичный эталон может быть национальным (государственным) или международным. В России национальные эталоны утверждает Госстандарт РФ. Международные эталоны хранит и поддерживает Международное бюро мер и весов (МБМВ). Важнейшая задача деятельности МБМВ состоит в систематических сличениях национальных эталонов с международными эталонами. Сличению подлежат эталоны как основных величин системы СИ, так и производных. Установлены определенные периоды сличения. Так эталоны метра и килограмма сличают каждые 25 лет, а электрические и световые эталоны – один раз в 3 года.
Вторичные эталоны (эталоны-копии) могут утверждаться либо Госстандартом РФ, либо государственными научными метрологическими центрами.
Рабочие (разрядные) эталоны воспринимают размер единицы от вторичных эталонов и в свою очередь служат для передачи размера менее точному рабочему эталону (или эталону более низкого разряда) и рабочим средствам измерений.
Самыми первыми официально утвержденными эталонами были прототипы метра и килограмма, изготовленные во Франции. В 1799 году они были переданы на хранение в национальный архив Франции и поэтому их стали называть «метр Архива» и «килограмм Архива». Каждый эталон имеет свою интересную историю и связан стонкими научными исследованиями и экспериментами.
3. Измерительные преобразователи
Измеряемое свойство должно сначала быть как-то обнаружено, а потом измерено. Технические устройства для обнаружения физических свойств называются индикаторами (стрелка компаса, лампочка, лакмусовая полоска). Индикаторы играют ту же роль, что и органы чувств человека, но значительно расширяют их возможности. Например, человек слышит в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц, а технические средства обнаруживают звуковые колебания в диапазоне от инфра низких (доли герца) до ультравысоких ( сотни килогерц) частот. Но до сих пор не создано технических устройств, которые могли бы соперничать с обонянием человека и животных. Важнейшей технической характеристикой индикаторов служит порог обнаружения (порог чувствительности). Чем меньше порог, тем более слабый сигнал регистрирует индикатор. Современные индикаторы обладают очень низкими порогами обнаружения, лежащими на уровне фоновых помех и собственных шумов аппаратуры. Индикаторы служат средством измерения по шкале порядка.
Датчики – это средство измерений, предназначенное для восприятия физических величин и преобразования сигнала измерительной информации в форму удобную для обработки, хранения и передачи в показывающее устройство. Датчики либо входят в конструктивную схему измерительного прибора, либо применяются совместно с ним. Сигнал, воспринимаемый датчиком называется входной величиной, а результат преобразования – выходной величиной. Основной метрологической характеристикой измерительного преобразователя считается соотношение между входной и выходной величинами, называемое функцией преобразования.
В качестве преобразователей в физической культуре и спорте наиболее популярны: фотодиоды, реостатные датчики, тензорезисторы, акселерометры.
Фотодиоды (фотопреобразователи) используются в устройствах для измерения времени движения. Входная величина – освещенность, выходная – постоянный ток. Они чувствительны в диапазоне от 0-500 Гц и имеют погрешность в 1-3%.
Тензорезисторы – являются элементом измерительной системы для оценки динамических показателей движения. Входная величина тензорезисторов – перемещение, выходная – изменение сопротивления. Достоинством их является невысокая стоимость, устойчивость к вибрациям и малая погрешность измерения.
Акселерометры – предназначены для измерения ускорения. В основе работы лежит измерение силы инерции, возникающей при движении. Сила инерции вызывает отклонение массы акселерометра, которое прямо пропорционально ускорению. Это отклонение измеряется тензорезистором или пьезоэлектрическим датчиком.
В процессе преобразования измерительной информации происходит и усиление сигнала, воспринятого датчиком. В спорте для усиления сигналов, снимаемых с первичных преобразователей биомеханических параметров движений, чаще используют тензоусилители и миниатюрные усилители постоянного тока, коэффициент усиления которых достигает 500 000.
4. Измерительные приборы, установки и системы
Измерительные приборы – это средства измерений, состоящие из совокупности преобразовательных элементов, образующих измерительную цепь и отсчетного устройства. Они позволяют получать измерительную информацию в форме удобной для восприятия пользователем. Различают приборы прямого действия и приборы сравнения. К приборам прямого действия относят амперметры. вольтметры, термометры, барометры. Они отображают измеряемую величину на показывающем устройстве, имеющем соответственную градуировку в единицах этой величин. Приборы сравнения предназначаются для сравнения измеряемых величин с величинами, значения которых известны (весы, прибор для определения яркости источников излучения и другие.)
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. Обычно они полностью автоматизированы. В спорте такие системы используются например для измерения опорных реакций – тензодинамографические измерения. В систему входят: тензоплатформа с усилительным устройством, устройство записи данных, самописец, передатчик, осциллоскоп, ЭВМ.
Вспомогательные средства измерения необходимы для вычисления поправок, если требуется высокая степень точности. Часто они фиксируют внешние условия измерения: температуру, влажность.
5. Передача и представление измерительной информации
Передача результатов измерения в области ФК и спорта осуществляется двумя способами:
— с помощью проводной связи между спортсменом и исследовательской аппаратурой,
— путем беспроводной связи (с помощью радиоволн)
Проводная телеметрия чаще используется при лабораторных исследованиях. Она отличается высокой помехоустойчивостью, но в то же время провода, идущие от спортсмена, мешают его действиям.
Радиотелеметрия позволяет осуществлять контроль за техникой выполнения в реальных динамических условиях. На спортсмене крепятся датчики, усилители и преобразователи информации, радиопередатчик и антенна. Все это очень компактно и не мешает спортсмену свободно перемещаться по спортивной площадке. Посылаемые передающим устройством сигналы принимаются блоком, состоящим из антенны и приемника. Здесь происходит отображение, хранение и автоматическая обработка результатов измерений. В нашей стране нет серийного производства радиотелеметрических систем. Такие устройства создаются отдельными организациями, научными сотрудниками в единичных экземплярах.
Результаты измерений в цифровой форме высвечиваются на разных цифровых табло. Цифровая индикация может быть следующих типов:
В электронных цифровых приборах используются светодиоды или жидкие кристаллы.
При использовании ЭВМ результаты могут:
Вопросы для контроля:
Классификация измерительных приборов и список технических устройств
Измерительные приборы прочно вошли в жизнь человека. За счет обширной классификации измерительных приборов можно определить именно тот аппарат, который понадобится для конкретных операций. Это могут быть как простейшие, по типу рулетки или амперметра, так и мультифункциональные измерительные приборы. При выборе устройства следует ориентироваться на его предназначение и основные характеристики.
Общие сведения
Измерительным прибором называют такое устройство, которое позволяет получить значение некоторой физической величины в заданном диапазоне. Последний задается с помощью приборной шкалы. А также технические приборы позволяют переводить величины в более понятную форму, которая доступна определенному оператору.
В настоящее время список измерительных приборов довольно широк, но большинство из них предназначается для контроля за проведением технологического процесса. Таким может быть датчик температуры или охлаждения в кондиционерах, нагревательных печах и других устройствах со сложной конструкцией.
Среди наименований измерительных инструментов есть как простые, так и сложные, в том числе и по конструкции. Причем сфера их применения может быть как узкоспециализированной, так и распространенной.
Чтобы узнать больше сведений о конкретном инструменте, необходимо рассмотреть определенную классификацию контрольно-измерительных устройств и приборов.
Виды измерительных приборов
В зависимости от того, какие бывают измерительные инструменты, их названия могут отличаться в разных классификациях.
Обычно приборы могут быть следующего вида:
Вышеописанные приборы являются наиболее распространенными и применяются для измерения ряда физических величин. Сложность происходящих физических процессов требует применения нескольких приборов, причисляемых к разным классам.
Классификация устройств
В разных сферах применяется своя классификация устройств, предназначенных для измерения физических величин.
Приборы могут делиться по таким критериям:
Регистрирующие устройства делятся на самопишущие и печатающие разновидности. Наиболее прогрессивным вариантом являются самопишущие аппараты, поскольку у них выше точность предоставления информации и шире возможности для измерения заданных ранее параметров.
Аналоговые и цифровые
Контрольно-цифровые инструменты могут быть как цифровыми, так и аналоговыми. Первые считаются более удобными. В них показатели силы, напряжения или тока переводятся в числа, затем выводятся на экран.
Но при этом внутри каждого такого прибора находится аналоговый преобразователь. Зачастую он представляет собой датчик, снимающий и отправляющий показания с целью преобразования их в цифровой код.
Хотя аналоговые инструменты менее точны, они обладают простотой и лучшей надежностью. А также существуют разновидности аналоговых инструментов и приборов, имеющих в своем составе усилители и преобразователи величин. По ряду причин они предпочтительнее механических устройств.
Для давления и тока
Каждому еще со школы или университета знакомы такие названия измерительных приборов, как барометры и амперметры. Первые предназначены для того, чтобы измерять атмосферное давление. Встречаются жидкостные и механические барометры.
Жидкостные разновидности считаются профессиональными из-за сложности конструкции и особенностей работы с ними. Метеостанции применяют барометры, заполненные внутри ртутью. Они наиболее точные и надежные, позволяют работать при перепадах температур и иных обстоятельствах. Механические конструкции проще, но постепенно их вытесняют цифровые аналоги.
Амперметры используются для измерения электрического тока в амперах. Шкала амперметра может градуироваться как в стандартных амперах, так и микро-, милли- и килоамперах. Лучше всего такие приборы подключать последовательно. В таком случае снижается сопротивление, а точность снимаемых показателей возрастает.
Слесарные инструменты
Достаточно часто можно встретить измерительные слесарные инструменты. Наиболее важная характеристика — точность измерений. За счет того, что слесарные инструменты механические, удается добиться точности до 0,005 или 0,1 мм.
Если погрешность измерений превысит допустимый порог, то произойдет нарушение технологии работы инструмента. Тогда потребуется переточка некачественной детали или замена целого узла в устройстве. Поэтому для слесаря важно при подгонке вала под втулку использовать не линейку, а инструменты с большей точностью измерений.
Наиболее популярным инструментом с высокой точностью измерений является штангенциркуль. Но и он не сможет дать гарантии точного результата с первого измерения. Опытные рабочие делают несколько измерений, которые затем преобразуют в некоторое среднее значение.
Встречаются операции, требующие максимальной точности. Таких много в микромашинах и отдельных деталях устройств крупного размера. Тогда следует воспользоваться микрометром. С его помощью можно измерять с точностью до сотых долей миллиметров. Распространенное заблуждение о том, что он позволяет измерять микроны, является не совсем верным. Да и при проведении стандартных домашних работ такая точность может не пригодиться, поскольку достаточно действующих значений точности и погрешности.
Специальные устройства
Существует такое известное устройство для измерения под названием угломер.
Его предназначение заключается в измерении углов деталей, а конструкция состоит из следующих элементов:
Процесс измерения таким прибором простой. Деталь прикладывается одной из граней к линейке. Сдвинуть ее надо таким образом, чтобы образовался равномерный и достаточный просвет между гранями и линейками. Затем сектор закрепляется винтом. Снимаются показатели сначала с линейки, а затем с нониуса.
Контрольно-измерительные устройства нашли довольно широкое применение в различных сферах производства, домашнего быта, слесарного дела и строительных работ. Они различаются как по сфере применения, так и по возможности измерения.
Все приборы могут подразделяться по способу преобразования, выдачи информации и виду выходной информации, предназначения и другим критериям. Имея хорошую классификацию, можно отыскать конкретный инструмент для определенных задач и операций.
Но главная цель у них состоит в измерении показаний, их записи и контроле технологических процессов производства. Рекомендуются использовать точные измерительные устройства, однако, устройство становится гораздо сложнее. Это потребует учета большого количества факторов и измерений параметров, чтобы вывести на экран точные показания.