1.5. Технические Средства измерений

• Средством измерений называют техническое средство, которое используется при измерениях и которое имеет нормированные метрологические свойства.

• Отличие средства измерений от других технических устройств заключается в том, что оно предназначено для получения измерительной информации и имеет нормированные метрологические характеристики.

Средствами измерений (далее под средством измерений мы всегда будем понимать именно рабочие средства измерений) являются меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и измерительно-информационные системы. Измерительная информация преобразуется этими устройствами в форму, в которой значения физических величин могут быть восприняты оператором, документированы и использованы в средствах управления техническими объектом.

1.5.1. Понятие меры.

• Мера - средство измерения, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера.

К мерам относят гири, концевые меры длины, калибры, нормальные элементы (меры ЭДС), кварцевые резонаторы (меры частоты или интервалов времени), наборы образцовых сопротивлений и многие другие.

• Однозначные меры - меры, воспроизводящие физическую величину одного размера (например, гиря, плоскопараллельная концевая мера длины).

• Многозначные меры - меры, воспроизводящие ряд одноименных величин различного размера (например, линейка с миллиметровыми делениями).

• Номинальное значение меры - указанное на мере (или приписанное мере) значение физической величины

• Погрешность меры - метрологическая характеристика меры, которая определяется разностью между номинальным и действительным значениями меры

Особая разновидность мер - стандартные образцы состава и свойств веществ и материалов (например, образцы твердости, состава, качества поверхности и т.д.), также относится к средствам измерений.

• Стандартный образец есть средство измерений в виде вещества (материала), состав и свойства которого установлены при метрологической аттестации.

В качестве стандартных образцов могут использоваться образцы готовой продукции, например, некоторые виды товаров широко применения.

1.5.2. Обобщенная структура средств измерений

Процесс измерений физической величины, характеризующей тот или иной параметр технологического процесса или технического устройства (объекта измерений), можно представить в виде последовательности действий (шагов), в результате которых информация об измеряемой физической величине будет выражена в численном виде в установленных единицах и приведена в форму, позволяющую использовать ее другим устройствам и системам. Реализация этой последовательности действий осуществляется комплексом технических устройств, которые в совокупности и составляют технические средства измерений.

Традиционно принята обобщенная структура измерительных средств (рис.1.5), которая включает в себя несколько уровней:

• Первичный измерительный преобразователь;

• Вторичный измерительный преобразователь;

• Измерительный прибор;

• Измерительная установка;

• Измерительный комплекс.

На практике очень часто такой строгой классификации не придерживаются и могут понимать под измерительным преобразователем или измерительным прибором любой элемент или совокупность элементов из рассмотренной выше структуры средств измерений. Т.е. измерительным преобразователем или измерительным прибором в зависимости от контекста могут называть и первичный и вторичный измерительные преобразователи, их совокупность, измерительную установку или измерительно-информационный комплекс в целом (особенно в его современном виде).

Первичный измерительный преобразователь.

• Измерительный преобразователь (первичный преобразователь, датчик) - средство измерений (устройство), с помощью которого информация о состоянии объекта (физическая величина или технологический параметр) преобразуется в форму, обеспечивающую возможность передачи и дальнейшей обработки (преобразования) этой информации, но не поддающуюся непосредственному восприятию наблюдателем.

Первичный преобразователь с высокой точностью реализует однозначную зависимость между двумя физическими величинами – измеряемой физической величиной X= X(t)- сигналом на входе первичного преобразователя, и сигналом на его выходе Y=Y(t), который также представляет некоторую физическую величину, обычно электрическую (ток, напряжение, частота, мощность, фаза)

Y = F(Х)

Измерительный преобразователь включает чувствительный элемент, который за счет того или иного физического принципа (физического эффекта) воспринимает измеряемую физическую величину, и преобразователь отклика чувствительного элемента на воздействие этой физической величины в другую форму.

Входной величиной первичного преобразователя, который также называют датчиком, могут быть любые физические величины – давление, скорость, усилие, температура, перемещение, расход, масса, концентрация и т.д. На его выходе мы имеем, как правило, электрический сигнал.

• Датчик — комплексное устройство, воспринимающее внешние воздействия (измеряемую величину) и реагирующее на них изменением электрических сигнала.

Преобразование физической величины в электрический сигнал, в мо­жет происходить как за один шаг - прямое преобразование, так и за не­сколько последовательных преобразований физических величин из одной формы в другую - последовательное преобразование.

Следовательно, в датчике (первичном преобразователе) реализуются три процесса

• восприятие входной физической величины

• преобразование физической величины в промежуточную (или же сразу же в выходную) величину той же или иной физической природы,

• формирование электрического измерительного сигнала, передаваемого вдоль измерительной цепи, сопрягаемой с датчиком.

Например, в волоконно-оптическом датчике давление газа сначала преобразуется в прогиб гибкой мембраны (чувствительный элемент, воспринимающий физическую величину - давление), далее в изменение све­тового потока, который передается по оптическому волокну к фотоприем­нику и только потом в электрический сигнал.

Вторичный измерительный преобразователь.

• Вторичный измерительный преобразователь – средство измерений (устройство), с помощью которого осуществляется преобразование информации о физической величине, поступающей с первичного преобразователя (датчика) в форму, доступную непосредственному восприятию и (или) обеспечивающую возможность ее корректного использования любым другим устройством.

Возможны различные типы преобразования – усиление, нормирование, масштабирование, фильтрация, ограничение, линеаризация и др. Вторичные преобразователи могут выполнять математические операции над величи­нами, пропорциональными измеряемым сигналам (сложение, деление, умно­жение, сравнение, логарифмирование и др.), преобразовывать сигналы из одной формы в другую (например, напряжение сигнала постоянного тока в переменный сигнал с частотой, пропорциональной величине напряжения), согласовывать электрические параметры различных элементов измеритель­ной схемы.

В общем случае вторичный преобразователь служит для согласования датчика (первичного преобразователя) с измерительным прибором и может содержать несколько последовательных преобразователей сигнала..

Измерительный прибор.

• Измерительный прибор - средство измерений, преобразующее информацию с первичного преобразователя (датчика) или вторичного преобразователя в форму, доступную для восприятия наблюдателем.

Измерительный прибор может объединяться с вторичным преобразова­телем или быть самостоятельным устройством. Для измерительных прибо­ров, которые устанавливаются на щитах или пультах управления, часто при­меняется термин «вторичный прибор» или «показывающий прибор», что подчеркивает, что этот прибор только отражает информацию, полученную и преобразованную другими средствами измерений. На практике под измерительным прибором часто понимают комплекс­ное устройство, которое включает первичный и вторичный преобразователи, показывающий или регистрирующий прибор.

И змерительная информация отображается измерительным прибором в аналоговой или цифровой форме. Измерительные шкалы аналоговых прибо-­

ров могут быть (рис.1.6) секторными, круговыми, линейными (верти­кальная и горизонтальная). Наиболее быстро и правильно данные восприни­маются с секторной шкалы, самой плохо читаемой является вертикальная шкала. Для представления информации в цифровой форме используются жидкокристаллические или светодиодные дисплеи (индикаторы). Точность представления информации в цифровых приборах много выше, чем в шкальных. Однако скорость и достоверность визуального восприятия этой информации персоналом оказывается существенно хуже, особенно для ЖК индикаторов.

Измерительная установка.

• Измерительная установка - совокупность функционально объединенных средств измерения и вспомогательных устройств, расположенная в одном месте и предназначенная для выработки сигналов измерительной информации удобной для непосредственного восприятия и дальнейшей обработки и хранения

Вспомогательными устройствами измерительных установок являются источники электропитания, генераторы электрических сигналов, устройства преобразования информации, системы самодиагностики измерительного устройства и др. Т.е. все те средства, которые необходимы для функционирования первичного и вторичных преобразователей. В состав измерительной установки могут входить специальные вычислительные средства, осуществляющие математическую обработку измерительной информации.

Измерительно - информационная система.

• Измерительно-информационная система – совокупность средств измерений (мер, измерительных и вторичных преобразователей, измерительных приборов), а также средств обработки и хранения информации, которые соединены между собой каналами связи и предназначены для выработки измерительной информации в форме, обеспечивающей ее отображение, систематизацию и дальнейшее использование.

В технике средства измерений практически всегда объединяются в информационно-измерительные системы. Такие системы могут иметь самостоятельное значение, как например с системах неразрушающего контроля и мониторинга состояния технических объектов, или являться подсистемой общей системы управления техническим объектом. В любом случае технические характеристики средств измерений должны быть увязаны с характеристиками и архитектурой системы, в которой они используются.

Надо отметить, что рассмотренная структура средств измерений была разработана достаточно давно и не учитывает эволюцию измерительной техники, широкое применение микропроцессорной техники, интегральных устройств, сетевых технологий. Сегодня понятие «измерительный прибор» значительно шире традиционного и может включать элементы, присущие как собственно измерительному прибору, так и измерительной установке и, более того, измерительно-информационным системам.